模块四 黑色金属材料 ◆ 掌握碳素钢的分类及牌号 ◆ 掌握碳素钢在汽车上的应用 课题一 碳素钢 模块四 黑色金属材料 碳素钢(见图4—1—1) 通常指碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金,除 铁、碳和少量的硅、锰、磷、硫等杂质外,不含其他合金元素的钢实 际使用的碳素钢,其碳质量分数一般不超过1.4%碳素钢的性能主要取 决于含碳量,含碳量增加,钢的强度、硬度升高,塑性、韧性和可焊性降低 你知道汽车上哪些零件是用碳素钢制造的吗? 图4—1—1 碳素钢 模块四 黑色金属材料 一、碳素钢的分类 1.按碳的质量分数分类 (1)低碳钢：碳的质量分数为wC≤0.25%的钢，易于进行各种加工如锻造、焊 接和切削，常用于制造链条、铆钉、螺栓(见图4—1—2)、轴等 (2)中碳钢：碳的质量分数为0.25%wC0.60%的钢，可以制造锤、撬棍或切削工具 ，如钻头(见图4—1—3)、丝锥、铰刀(见图4—1—4)等 图4—1—2 螺栓图4—1—3 钻头 图4—1—4 铰刀 模块四 黑色金属材料 2.按材质(主要根据硫、磷质量分数) 分类 (1)普通钢:ws0.055%,wP0.045%; (2)优质钢:ws0.040%,wP0.040%; (3)高级优质钢:ws0.030%,wP0.035%; (4)特级优质钢:ws0.025%,wP0.030%。
3.按用途分类 (1)碳素结构钢：用于制造各种机器零件和工程结构件，多为 低碳钢和中碳钢 (2)碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具和模具，多为高碳 钢 碳素工具钢的应用如图4—1—5所示 模块四 黑色金属材料 图4—1—5 碳素工具钢的应用 a)錾子 b)锤子 c)锉刀 d)丝锥 e)板牙 f)钻头 g)锯条 模块四 黑色金属材料 二、汽车常用碳钢 1.普通碳素结构钢 这类钢主要保证机械性能，故其牌号体现其机械性能 牌号:用Q+数字表示，其中Q 为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数 字表示屈服强度的数值 例如，Q275表示屈服强度为275MPa 若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即 硫、磷质量分数不同其中A 级钢硫、磷质量分数最高，D 级钢硫、 磷质量分数最低，即A、B、C、D表示钢材质量依次提高 若在牌号后面标注字母F则为沸腾钢，标注b为半镇静钢，不标注F 或b者为镇静钢，标注TZ为特殊镇静钢 例如，Q235-A·F表示屈服强度为235MPa的A 级沸腾钢Q235-C 表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢 模块四 黑色金属材料 模块四 黑色金属材料 2.优质碳素结构钢 优质碳素结构钢必须保证钢的化学成分和机械性能。
优质碳素钢中 所含的有害杂质元素(硫、磷元素等)和非金属夹杂物较少，机械性能和 钢材的表面质量较好，其组织也较均匀此类钢主要用于制造经过热处 理且技术性能要求较高的零件 根据化学成分不同，优质碳素结构钢又分为两类： (1)普通含锰量钢 (2)较高含锰量钢 根据碳质量分数、热处理和用途的不同,优质碳素结构钢还可分为以 下三类： (1)渗碳钢：碳的质量分数为0.15%~0.25% (2)调质钢：碳的质量分数为0.25%~0.50% (3)弹簧钢：碳的质量分数为0.55%~0.9% 模块四 黑色金属材料 图4—1—6 优质碳素结构钢在汽车上的应用 a)飞轮齿环 b)油底壳 c)气门弹簧座 d)车轮螺栓 优质碳素结构钢在汽车上的应用如图4—1—6所示 模块四 黑色金属材料 优质碳素结构钢的应用举例见表4—1—2 模块四 黑色金属材料 3.碳素铸钢 铸钢能制造形状复杂的零件，而锻造件则无法做到，所以汽车上许多零 件是用铸钢铸造而成的铸钢的碳的质量分数一般为0.15%~0.6%，使用 前应进行热处理以改善性能铸钢的牌号由ZG和两组数字组成，其中ZG 为铸钢的代号，代号后面的两组数字分别表示屈服强度σs (MPa)和抗拉强 度σb (MPa)。
例如，ZG270—500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为 500MPa的铸钢 铸钢在汽车上的应用如图4—1—7所示 图4—1—7 铸钢在汽车上的应用 a)化油器 b)变速叉 模块四 黑色金属材料 模块四 黑色金属材料 ◆ 了解铁碳合金相图的含义与分析方法 ◆ 了解铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系 ◆ 掌握热处理的分类方法和钢的普通热处理方法 ◆ 掌握钢的表面热处理方法 课题二 铁碳合金相图及钢的热处理 模块四 黑色金属材料 一、铁碳合金相图 1.铁碳合金相图的概念 铁碳合金相图是在极其缓慢冷却(或极其缓慢加热)的条件下，不同成分铁碳 合金的组织状态随温度变化的图解 工业用铁碳合金的含碳量一般不大于5%，含碳量大于6.69% 的铁碳合金的 脆性很大,没有实用价值因此，一般所说的铁碳合金相图实际上是Fe- Fe3C 相图,图4—2—1所示是简化后的Fe- Fe3C 相图 图4—2—1 简化后的铁碳合金相图 模块四 黑色金属材料 2.铁碳合金相图的含义 Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、含碳量及其含义见表4—2—1 模块四 黑色金属材料 Fe-Fe3C相图中的特性线及其含义见表4—2—2。
模块四 黑色金属材料 3.铁碳合金相图分析 Fe-Fe3C相图的纵坐标表示温度,横坐标表示成分左端原点wC=0%, 即纯铁;右端点wC=6.69%,即Fe3C 各主要线的意义： 相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合金的开始点和终了点, 分别用光滑曲线连接起来得到的,代表了铁碳合金内部组织发生转变的界 限 (1)ACD 线———液相线; (2)AECF 线———固相线; (3)AC 线———奥氏体结晶开始线; (4)AE 线———奥氏体结晶终了线; (5)GS 线———铁素体析出开始线; (6)GP 线———铁素体析出终了线; (7)PQ 线———Fe3CⅢ 析出线 (8)ES 线———Fe3CⅡ 析出线; (9)PSK 线———共析线; (10)CD 线———一次渗碳体结晶开始线; (11)ECF 线———共晶线 模块四 黑色金属材料 二、铁碳合金的基本组织 1.铁素体(F) 图4—2—2 铁素体的模型 图4—2—3 铁素体的显微组织 碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示由于α-Fe 是体心立方晶格(见图4—2—2)，晶格间隙较小，因而碳在α-Fe中的溶解度 很小。
由于铁素体的含碳量低，所以其性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧 性，而强度和硬度较低铁素体的显微组织如图4—2—3所示，铁素体呈灰 色并有明显大小不一的颗粒形状 模块四 黑色金属材料 2.奥氏体(A) 碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,用符号A 表示由于γ- Fe是面心立方晶格(见图4—2—4),晶格的间隙较大,故奥氏体的溶碳能力 较强在1148℃时溶碳量可达2.11%,随着温度下降,溶解度逐渐减小,在 727℃时溶碳量为0.77% 奥氏体的强度和硬度不高,但具有良好的塑性,是绝大多数钢在高温锻造 和轧制时所要求的组织奥氏体的显微组织如图4—2—5所示,奥氏体呈现 外形不规则的颗粒状结构,并有明显的界限 图4—2—4 奥氏体的模型 图4—2—5 奥氏体的显微组织 模块四 黑色金属材料 3.渗碳体(Fe3C) 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物,含碳量为6.69%,其化学 式为Fe3C渗碳体具有复杂的斜方晶体结构,与铁或碳的晶体 结构完全不同 渗碳体的熔点为1227℃,硬度高,脆性大,伸长率和冲击韧性几 乎为零,是一个硬而脆的组织渗碳体是铁碳合金中主要的强化 相,它的形状、大小与分布对钢的力学性能影响很大。
渗碳体在适当条件下(如高温长期停留或缓慢冷却),能分解为铁 和石墨,这对铸铁具有重要意义 在显微镜下观察,渗碳体有银白色光泽 模块四 黑色金属材料 4.珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,用符 号P 表示它是渗碳体和铁素体片层相间、 交替排列形成的混合物,如图4—2—6所示 在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为 0.77%由于珠光体是由硬的渗碳体和软的 铁素体组成的混合物,所以其性能取决于铁 素体和渗碳体的含量,大致是两者性能的平 均值故珠光体的强度较高,硬度适中,具有 一定的塑性 图4—2—6 珠光体的显微组织 5.莱氏体(Ld) 莱氏体是含碳量为4.3%的铁碳合金,在1148℃时从液相中同时结晶出的奥 氏体和渗碳体的混合物用符号Ld表示由于奥氏体在727℃时还将转变为 珠光体,所以,在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成,这种混合物称为低温 莱氏体,用符号L‘d表示 莱氏体的力学性能和渗碳体相似,硬度很高,塑性很差 模块四 黑色金属材料 模块四 黑色金属材料 三、金属的热处理 热处理是将钢在固态下加热、保温和冷却，使钢的组织结构发生变 化，以获得所需性能的一种工艺方法其目的是改善材料的性能，充分 发挥材料的潜力，延长其使用寿命。
热处理是机械零件制造中常用的加 工方法，汽车中有3/4的钢铁零件需要进行热处理热处理工艺曲线如 图4—2—7所示按热处理的方式不同,常用的有普通热处理和表面热处 理两大类 模块四 黑色金属材料 1.普通热处理 普通热处理通常是指对工件进行整体的热处理按其加热温度和冷却方法不 同,常用的有退火、正火、淬火和回火等 (1)退火 退火是将钢件加热到临界点以上预定温度,保温一定时间后随炉缓慢冷却的热 处理工艺 退火的目的：主要用来消除铸件、锻件等的内应力,以防止变形和开裂,均匀 组织、细化晶粒,以改善钢的力学性能,降低钢的硬度,改善切削加工性能等 (2)正火 正火是将钢件加热到临界点以上预定温度,保温一定时间后在空气中冷却的热 处理工艺 正火的目的：主要是细化晶粒、减小内应力,提高钢的强度和韧性,改善钢的 切削加工性能正火与退火基本相同,只是由于冷却速度稍快,使钢的强度与硬 度要比退火处理高 正火通常用于低碳钢、中碳钢零件的处理,如连杆、齿轮毛坯件的处理等 模块四 黑色金属材料 (3)淬火 淬火是将钢件加热到临界点以上预定温度,保温一定时间后在冷却介质中 快速冷却的热处理工艺 淬火的目的：主要是改变金属的组织结构,提高钢的强度和硬度,并在不同 的回火温度配合下,能使钢获得不同的力学性能。
如工具钢通过淬火可以提 高其强度和硬度,增加耐磨性;而对于中碳钢来说,可以提高其强度和韧性淬 火是强化金属材料性能的一种主要手段,在机械制造中应用很广 (4)回火 回火是将淬火后的钢件加热到一定温度以下,保温一定时间后冷却的热处 理工艺 回火的目的：主要用来减小和消除钢淬火时产生的内应力,防止工件变形 和开裂；调整钢的硬度,提高钢件的塑性和韧性,以满足使用要求;稳定组织,以 保证工件在使用中形状和尺寸不发生变化一般来说,几乎所有的淬火零件 都需要进行回火处理 模块四 黑色金属材料 2.表面热处理 汽车上许多零件是在交变载荷、冲击载荷及强烈摩擦条件下工作的,如传 动齿轮、活塞销等这些零件表面要求具有高硬度和高耐磨性,而心部又需 具有足够的强度和韧性为满足使用要求,通常用表面热处理的方法来实现 按零件要求和工艺不同,常用的表面热处理方法有表面淬火和表面化学热处 理两种 (1)表面淬火 表面淬火就是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺其方法是将工件表 层迅速加热至淬火温度,当热量还未传到心部时,就马上予以冷却,使工件表 层获得很高的硬度和耐磨性,而心部仍保持很好的强度和韧性 模块四 黑色金属材料 根据加热方法不同,常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。
1)火焰加热表面淬火利用氧—乙炔火焰对工件表面进行加热,使其表面迅速 达到淬火温度,随即喷水冷却的过程称为火焰加热表面淬火,如图4—2—8所示 火焰加热表面淬火的淬硬层深度可达2~6mm这种方法操作简单,无须专用 设备,但加热温度不易控制,淬火质量不稳定,而且仅适用。