金属材料之钢铁

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1、金属材料之钢铁李靖 09120128摘要：1、铁 2、铁基合金 3、钢的热处理 4、铸铁 5、球墨铸铁正文：1.、铁【基本性质】铁的密度为 7.8 克/立方厘米；铁活泼，为强还原剂，化合价有0、+2 、 3、6，最常见的价态是+2 和+3。在室温下，铁可缓慢地从水中置换出氢，在500以上反应速度增大；铁在干燥空气中很难跟氧气反应，但在潮湿空气中很容易发生电化学腐蚀，若在酸性气体或卤素蒸气氛围中腐蚀更快。铁可以从溶液中还原金、铂、银、汞、铜或锡等离子。 【铁的化学性质】铁的化学性质之一 相对原子质量 55.847。铁有多种同素异形体，如 铁、 铁、 铁、铁等。铁是比较活泼的金属，在金属活动顺序表

2、里排在氢的前面。常温时，铁在干燥的空气里不易与氧、硫、氯等非金属单质起反应，在高温时，则剧烈反应。铁在氧气中燃烧，生成 Fe3O4，炽热的铁和水蒸气起反应也生成 Fe3O4。铁易溶于稀的无机酸和浓盐酸中，生成二价铁盐，并放出氢气。在常温下遇浓硫酸或浓硝酸时，表面生成一层氧化物保护膜，使铁“钝化” ，故可用铁制品盛装浓硫酸或浓硝酸。铁是一变价元素，常见价态为+2 和+3。铁与硫、硫酸铜溶液、盐酸、稀硫酸等反应时失去两个电子，成为+2 价。与Cl2、Br2、硝酸及热浓硫酸反应，则被氧化成 Fe3+。铁与氧气或水蒸气反应生成的Fe3O4，可以看成是 FeOFe2O3，其中有 13 的 Fe 为+2

3、价，另 2/3 为+3 价。铁的+3 价化合物较为稳定。 铁的化学性质之二铁的电子构型为(Ar)3d64s2，氧化态有 0、+2、+3 、+4、+5、+6 。铁的化学性质活泼，为强还原剂，在室温条件下可缓慢地从水中置换出氢，在 500以上反应速率增高；铁在干燥空气中很难与氧发生作用，但在潮湿空气中很易腐蚀，若含有酸性气或卤素蒸气时，腐蚀更快。铁可从溶液中还原金、铂、银、汞、铋、锡、镍或铜等离子；铁溶于非氧化性的酸如盐酸和稀硫酸中，形成二价铁离子并放出氢气；在冷的稀硝酸中则形成二价铁离子和硝酸铵；铁溶于热的或较浓的硝酸中，生成硝酸铁并释放出氮的氧化物。在浓硝酸或冷的浓硫酸中，铁的表面形成一层氧化

4、薄膜而被钝化。铁与氯在加热时反应剧烈。铁也能与硫、磷、硅、碳直接化合。铁与氮不能直接化合，但与氨作用，形成氮化铁Fe2N。铁的最重要的氧化态是+2 和+3。二价铁离子呈淡绿色，在碱性溶液中易被氧化成三价铁离子。三价铁离子的颜色随水解程度的增大而由黄色经橙色变到棕色。纯净的三价铁离子为淡紫色。二价和三价铁均易与无机或有机配位体形成稳定的配位化合物。零价铁还可与一氧化碳形成各种羰基铁。羰基铁有挥发性，蒸气剧毒。铁也有+4、+5 、+6 价态的化合物，但在水溶液中只有+6 价的。化合物主要有两大类：亚铁 Fe（) 和正铁 Fe（）化合物，亚铁化合物有氧化亚铁(FeO)、氯化亚铁(FeCl2)、硫酸亚

5、铁（FeSO4） 、氢氧化亚铁Fe(OH)2等；正铁化合物有三氧化二铁(Fe2O3)、三氯化铁(FeCl3)、硫酸铁Fe2(SO4)3、氢氧化铁Fe(OH)3等。【元素用途】它的最大用途是用于炼钢；也大量用来制造铸铁和煅铁。铁和其化合物还用作磁铁、染料（墨水、蓝晒图纸、胭脂颜料）和磨料（红铁粉） 。还原铁粉大量用于冶金。浮选法治理污水：以铁为阳极电解污水，阴极产生气泡（氢气）使污垢浮起，达到一定厚度使可去除，阳极产生的 Fe2+遇到阴极产生的 OH-生成具有吸附性的沉淀（Fe(OH)2 被氧化成 Fe(OH)3)，吸附杂质。【铁的核反应】在元素中，铁的原子质量相当于它的核子数是最小的，在元素周

6、期表中，比铁轻的元素聚变释放能量，比铁重的裂变放出能量，唯有铁，聚变和裂变都要吸收能量而且需要非常苛刻的条件。这也就是大质量恒星为什么当核心变成铁时便塌缩成中子星或黑洞。（http:/ 铁基合金具有较好的耐磨损、耐高温、抗氧化、抗热震冲击性能，较高的常温、高温硬度和高温强度，优良的耐氧化-还原复合介质腐蚀、高温气体腐蚀、氯化物等苛刻介质腐蚀、强还原性介质腐蚀。主要用于农业、化工、冶金、矿山等行业中抗氧化、耐腐蚀、冲击以及强烈磨损零部件的制造、修复和预保护。 （http:/ 将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢

7、冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。 【钢的正火】 正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。 【钢的淬火】 淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，

8、使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。 （http:/ 2以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为 24。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有 13 的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。【铸铁的分类】按断口颜色分 (1)灰铸铁 这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，

9、普遍应用于工业中。(2)白口铸铁 白口铸铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁或冷硬铸铁。(3)麻口铸铁 麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用。按化学成分分 (1)普通铸铁 是指不含任何合金元素的铸铁，如灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。(2)合金铸铁 是在普通铸铁内加入一些合金元素，用以提高某些特殊性能而配制的一种高级铸铁。如各种耐蚀、耐热、耐磨的特殊性能铸铁。按生产方法和组织性能分 (1)普通灰铸铁 参见“

10、灰铸铁” 。(2)孕育铸铁 这是在灰铸铁基础上，采用“变质处理”而成，又称变质铸铁。其强度、塑性和韧性均比一般灰铸铁好得多，组织也较均匀。主要用于制造力学性能要求较高，而截面尺寸变化较大的大型铸件。(3)可锻铸铁 可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而成，比灰铸铁具有较高的韧性，又称韧性铸铁。它并不可以锻造，常用来制造承受冲击载荷的铸件。(4)球墨铸铁 简称球铁。它是通过在浇铸前往铁液中加入一定量的球化剂和墨化剂，以促进呈球状石墨结晶而获得的。它和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是兼有钢和铸铁优点的优良材料，在机械工程上应用广泛。(5)特殊性能铸铁 这是一种有某些特性的铸铁，

11、根据用途的不同，可分为耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。大都属于合金铸铁，在机械制造上应用较广泛。【铸铁的焊接性及补焊】铸铁的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接过程中易产生白口组织和裂纹。白口组织是由于在铸铁补焊时，碳、硅等促进石墨化元素大量烧损，且补焊区冷速快，在焊缝区石墨化过程来不及进行而产生的。白口铸铁硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的铸铁焊接材料或镍基合金、铜镍合金、高钒钢等非铸铁焊接材料，或补焊时进行预热缓冷使石墨充分析出，或采用钎焊，可避免出现白口组织， 。裂纹通常发生在焊缝和热影响区，产生的原因是铸铁的抗拉强度低，塑性很差（400以下基本无塑性） ，而焊接应力较大，且接

12、头存在白口组织时，由于白口组织的收缩率更大，裂纹倾向更加严重，甚至可使整条焊缝沿熔合线从母材上剥离下来。防止裂纹的主要措施有：采用纯镍或铜镍焊条、焊丝，以增加焊缝金属的塑性；加热减应区以减小焊缝上的拉应力；采取预热、缓冷、小电流、分散焊等措施减小焊件的温度差。补焊方法主要根据对焊后的要求（如焊缝的强度、颜色、致密性，焊后是否进行机加工等） 、铸件的结构情况（大小、壁厚、复杂程度、刚度等）及缺陷情况来选择。手工电弧焊和气焊是最常用的铸铁补焊方法。手工电弧焊补焊的方法有：热焊及半热焊 焊前将焊件预热到一定温度（400以上） ，采用同质焊条，选择大电流连续补焊，焊后缓冷。其特点是焊接质量好，生产率低，成本高，劳动条件差。冷焊 采用非铸铁型焊条，焊前不预热，焊接时采用小电流、分散焊，减小焊件应力。焊缝的强度、颜色与母材不同，加工性能较差，但焊后变形小，劳动条件好，成本低。 （http:/ 、 “再利用” 、 “再循环”三个原则,尽量降低投入物资, 产生的废物 99%可以循环使用和再利用。利用废气、余热发电创造经济效益,利用废物做建筑材料、化工产品等, 使钢铁生产成本下降,销售收入增加。钢铁企业未来有机会整合小型发电厂、建材厂或化工厂。总而言之，钢铁在我们日常生活和国家经济发展中扮演了一个重要角色，作为一名材料人，学好有关于金属、钢铁方面的知识还是很重要的。