工程材料课件第四章铁碳合金

1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金 在自然界中铁的储藏量丰富又集中，并且易于开在自然界中铁的储藏量丰富又集中，并且易于开采和生产。铁碳合金是以铁为主，加入少量碳而形成采和生产。铁碳合金是以铁为主，加入少量碳而形成的合金，具有多种相结构和组织，因而铁碳合金的性的合金，具有多种相结构和组织，因而铁碳合金的性能变化范围很宽。再加上其价格较低，易于加工等优能变化范围很宽。再加上其价格较低，易于加工等优点，所以铁碳合金在现代工农业生产及人们的日常生点，所以铁碳合金在现代工农业生产及人们的日常生活中得到了广泛的应用，学会分析和掌握铁碳合金是活中得到了广泛的应用，学会分析和掌握铁碳合金是学习钢铁材料的基础。学习

2、钢铁材料的基础。 铁碳合金相图是研究平衡条件下铁碳合金的成铁碳合金相图是研究平衡条件下铁碳合金的成分、温度和组成相之间的关系及其变化规律的图形。分、温度和组成相之间的关系及其变化规律的图形。铁碳合金相图具有实用价值的只是铁与渗碳体组成铁碳合金相图具有实用价值的只是铁与渗碳体组成的这一部分。本章以的这一部分。本章以Fe-Fe3C相图为工具来研究铁碳相图为工具来研究铁碳合金，并学习有关碳钢的基本知识合金，并学习有关碳钢的基本知识。第一节 Fe-Fe3C相图一、一、 Fe-Fe3C相图中的组元相图中的组元常压下，熔点常压下，熔点 1538 ，在相图中用，在相图中用A表表示，固态下铁的同素异构转变式：

3、示，固态下铁的同素异构转变式：（一）铁（一）铁L Fe Fe Fe 1394 912 体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立方铁具有同素异构转变的特性是钢铁在热处理铁具有同素异构转变的特性是钢铁在热处理后获得多种多样结构、组织与性能的理论依后获得多种多样结构、组织与性能的理论依据。据。液相液相1538 机械性能机械性能 b=180-230MN/m2 0.2=100-170MN/m2 = 30-50% = 70-80% k=1.5-2M J/m2 HB=50-80工业纯铁中常含有工业纯铁中常含有727)存在的相，其强度硬度不高，塑存在的相，其强度硬度不高，塑性很好所以钢材热压力加工在奥氏

4、体状态下进行。性很好所以钢材热压力加工在奥氏体状态下进行。铁素体：铁素体：相图中相图中GPQG区为铁素体单相区。区为铁素体单相区。（二）奥氏体（二）奥氏体相图中相图中EJNGSE为奥氏体单相区为奥氏体单相区（三）高温铁素体（三）高温铁素体高温铁素体：高温铁素体：碳在碳在 Fe中形成的间隙式固溶体。中形成的间隙式固溶体。(用用表示表示) 晶体结构：体心立方。最大溶碳量为晶体结构：体心立方。最大溶碳量为0.53%C相图中相图中AHNA区为高温铁素体单相区。区为高温铁素体单相区。（四）渗碳体（四）渗碳体（Fe3C）渗碳体既是组元又是合金的组成相渗碳体既是组元又是合金的组成相，相图中的，相图中的DFK

5、L可视可视为渗碳体的为渗碳体的“单相区单相区”， (用用Cm表示表示) 。（五）液相（五）液相在液相线ABCD以上区域铁和碳所形成的均匀液体，(用用L表示表示) 。三、FeFe3C 相图分析（一）图中的点符号 温度 含碳量(%) A H J B E C F D G P S K M N O Q Q153814951495149511481148114812279127277277277701394770400室温00.090.170.532.114.306.696.6900.02180.776.69000.50.00090.0008Q(二二) 图中的线图中的线液相线：液相线：ABCD 固相线：固

6、相线：AHJECF三条水平线：三条水平线：包晶线包晶线 LB+ H AJ (HJB)共晶线共晶线 Lc AE+Fe3C (ECF)共析线共析线 As FP+Fe3C (PSK) A1三条特性线：三条特性线：ES线碳在线碳在A中的固溶线中的固溶线 AcmPQ 线线碳在碳在F中的固溶线中的固溶线GS线线 A开始析出开始析出F或或F全部溶全部溶 入入A的转变线的转变线 A3Q（三）图中的面三）图中的面相区相区5个单相区：个单相区： 、 A 、F、 L 、Fe3C7个两相区：个两相区：L+ + A L+ A 、 L+Fe3C、A+ Fe3C、A+ F、 F+ Fe3C四、典型合金的平衡结晶过程四、典型

7、合金的平衡结晶过程由铁碳相图，可按含碳量和组织不同分成三类由铁碳相图，可按含碳量和组织不同分成三类 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3%C (1) 工业纯铁工业纯铁 （ 0.0218%C）(2)钢钢 (0.0218-2.11%C)亚共析钢亚共析钢 0.77%C (3) 白口铸铁白口铸铁（2.11-6.69%C ) （一）（一） 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程12344321LL AAPPSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度As P(FP+ Fe3C)3温度C%时间L+Fe3C珠光体中的铁素体与渗碳体呈层片状，其相对珠光体中的铁素体与渗碳体呈层片状，其相

8、对量可用杠杆定律求出：量可用杠杆定律求出：式中式中X为含碳量，共析钢为含碳量，共析钢X=0.77%代入计算结果为：代入计算结果为：F 88% Fe3C=1-F=12% 故故F呈宽片状，可视为珠光体的基体；共析渗碳体片呈宽片状，可视为珠光体的基体；共析渗碳体片呈薄片状分布于铁素体的基体中。呈薄片状分布于铁素体的基体中。PFFe3C相相 组组 成成 物：物： F、Fe3C组织组成物：组织组成物： P（ F、Fe3C ）69. 669. 60008. 069. 669. 6%xxF%169. 6008. 069. 60008. 03FxxCFe(二二) 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程12345

9、54321LL AAP+ FPSKECFDANGQFeFe3CC%LAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C时间温度 FAAs P(FP+ Fe3C)4温度L+Fe3C随含碳量的增加亚共析随含碳量的增加亚共析钢组织中钢组织中P的相对量增的相对量增加，加，F的相对量减少。的相对量减少。10钢（0.1%C)PFP45钢（0.45%C)FPF60钢（0.6%C)根据杠杆定律可以计算室温下各种亚共析钢中相组成根据杠杆定律可以计算室温下各种亚共析钢中相组成物及组织组成物的相对量。物及组织组成物的相对量。0218. 077. 077. 0%xF%10218. 077. 00218. 0%FxP组织组成物的

10、计算：设亚共析钢的成分为组织组成物的计算：设亚共析钢的成分为Ch，将，将x=Ch代入下式：代入下式：相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量。相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量。相相 组组 成成 物：物： F、Fe3C组织组成物：组织组成物： F、P （ F、Fe3C ）(三三) 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程12345544321LL AAA Fe3CIIAs P(FP+ Fe3C)P+ Fe3CIIPSKECFDANGQFeFe3C温度C%LAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C时间温度L+Fe3CPFe3CII77. 069. 669. 6%xP%177. 069.

11、 677. 0II3PxCFe根据杠杆定律可以计算室温下各种过共析钢中相组成根据杠杆定律可以计算室温下各种过共析钢中相组成物及组织组成物的相对量。物及组织组成物的相对量。相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量组织组成物的计算：组织组成物的计算：相相 组组 成成 物：物： F、Fe3C组织组成物：组织组成物： P、Fe3CII(四四) 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程123321LL ALc Ld(AE+Fe3C）) PSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度 As P(FP+ Fe3C)温度12A

12、Fe3CIILd(P+ Fe3CII +Fe3C)C%时间L+Fe3CLd相相 组组 成成 物：物： F、Fe3C组织组成物：组织组成物： Ld(五五) 亚共晶白口铁结晶过程亚共晶白口铁结晶过程14432LL ALc Ld(AE+Fe3C) PSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度 As P(FP+ Fe3C)温度23A Fe3CIIP+ Fe3CII+ Ld(P+ Fe3CII +Fe3C)C%123时间L+Fe3CLdP+Fe3CII亚共晶白口铁室温下组织组成物的计算：亚共晶白口铁室温下组织组成物的计算：%10011. 23 . 411. 2xLLd

13、d%10011. 23 . 43 . 43xCFePEII%10011.23 .43 .477.069.611.269.6xAPS=1-Ld-P相相 组组 成成 物：物： F、Fe3C组织组成物：组织组成物： P、Fe3CII、Ld%10011.23 .43 .477.069.677.011.23xCFeII(六六) 过共晶白口铁结晶过程过共晶白口铁结晶过程134432LL Fe3CILc Ld(AE+Fe3C) PSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度 As P(FP+ Fe3C)温度23A Fe3CIIFe3CI+Ld(P+ Fe3CII +Fe3C

14、)C%21时间L+Fe3CFe3CILd相相 组组 成成 物：物： F、Fe3C组织组成物：组织组成物： Ld、Fe3CI我们已经学过五种渗碳体：我们已经学过五种渗碳体： Fe3CI、Fe3C II、Fe3C III、 Fe3C共晶共晶（莱氏体中的渗碳体）、（莱氏体中的渗碳体）、Fe3C共析共析（珠光体中的渗（珠光体中的渗碳体），碳体），它们本质并无区别（成分、结构及本身性质均相同，属它们本质并无区别（成分、结构及本身性质均相同，属于同一种相）只是由于来源和形态不同，属于不同的组于同一种相）只是由于来源和形态不同，属于不同的组织组成物。它们对铁碳合金的性能将具有不同的影响。织组成物。它们对铁碳

15、合金的性能将具有不同的影响。第二节第二节 含碳量对铁碳合金平衡组织含碳量对铁碳合金平衡组织 及性能的影响及性能的影响一、含碳量对组织的影响一、含碳量对组织的影响随随C%增加增加 , Fe3C%增加增加 其分布形式也发生变化其分布形式也发生变化在在 P中共析中共析Fe3C分布在分布在F基体上；基体上；过共析钢中过共析钢中 Fe3CII以网状分布在原奥氏体晶界上；以网状分布在原奥氏体晶界上；在在Ld中共晶中共晶Fe3C作为基体。作为基体。各种组织的定量关系也可采用作图法加以标定：各种组织的定量关系也可采用作图法加以标定：二、二、 含碳量对机械性能的影响含碳量对机械性能的影响 F为基体为基体 （钢）

16、（钢）Fe3C为为强化相强化相 C% 强度强度 。含碳量大于含碳量大于0.9-1.0%后后二次二次Fe3C以网状分布在以网状分布在晶界上，晶界上， 显著降低钢的显著降低钢的强度和韧性。强度和韧性。Fe3C作为基体（白口铁）作为基体（白口铁）显著降低塑性、韧性和显著降低塑性、韧性和强度，故白口铁又硬又强度，故白口铁又硬又脆极少直接使用。脆极少直接使用。三、含碳量对工艺性能的影响三、含碳量对工艺性能的影响 (一一) 对切削加工性能的影响对切削加工性能的影响 低碳钢低碳钢F多易粘刀多易粘刀 影响表面粗糙度影响表面粗糙度 高碳钢高碳钢 Fe3C含量多硬度高含量多硬度高 刀具易磨损，切削加工刀具易磨损，

17、切削加工 性不好。性不好。 中碳钢中碳钢F和和Fe3C比例适当，硬度适中，切削加工性比例适当，硬度适中，切削加工性较好。较好。 (二二) 对可锻性的影响对可锻性的影响 钢加热到高温获得单相奥氏体，可锻性较好，而白钢加热到高温获得单相奥氏体，可锻性较好，而白 口铁以渗碳体为基体所以不可以锻造。口铁以渗碳体为基体所以不可以锻造。 (三三)对铸造性的影响对铸造性的影响 铸造性主要决定于液态金属的流动性，共晶成分可铸造性主要决定于液态金属的流动性，共晶成分可使合金在恒温下结晶，所以共晶合金铸造性能最好。使合金在恒温下结晶，所以共晶合金铸造性能最好。第三节第三节 碳碳 钢钢一、常存杂质元素的影响一、常存

18、杂质元素的影响 主要有四种：主要有四种： 锰锰(Mn)、硅、硅(Si)、硫、硫(S)、磷、磷(P)（一）锰（一）锰 ：是有益元素。脱氧剂。是有益元素。脱氧剂。 碳钢中含锰量通常碳钢中含锰量通常 0.8% 。 锰具有较强脱氧能力。锰具有较强脱氧能力。 能减轻硫的有害作用。能减轻硫的有害作用。 溶于铁素体，固溶强化。溶于铁素体，固溶强化。 增加珠光体使其变细提高强度。增加珠光体使其变细提高强度。（二）硅：（二）硅：是有益元素。脱氧剂。碳钢中含硅量通常是有益元素。脱氧剂。碳钢中含硅量通常 锰。锰。 能溶于铁素体，固溶强化。能溶于铁素体，固溶强化。（三）硫：（三）硫：有害元素。产生热脆。含量必须严控。

19、有害元素。产生热脆。含量必须严控。 S与与Fe化合化合 成成FeS与与 -Fe 形成熔点为形成熔点为988 的共晶体分布与的共晶体分布与奥氏体晶界上，热加工时造成晶界开裂，使钢变脆。奥氏体晶界上，热加工时造成晶界开裂，使钢变脆。（四）磷：（四）磷：有害元素。产生冷脆。含量必须严控。有害元素。产生冷脆。含量必须严控。 磷溶于铁素体虽然提高强度，但在室温下钢的塑性和韧性急磷溶于铁素体虽然提高强度，但在室温下钢的塑性和韧性急剧下降，而使钢变脆。剧下降，而使钢变脆。二、碳钢的分类、编号和用途二、碳钢的分类、编号和用途 （一）碳钢的分类（一）碳钢的分类1、按钢的含碳量分类：、按钢的含碳量分类：低碳钢低碳

20、钢 0.25%C中碳钢中碳钢 0.3 0.55%C高碳钢高碳钢 0.60%C2、按钢的质量：、按钢的质量：普通碳素钢普通碳素钢 S% 0.055% P %0.045% ；优质碳素钢优质碳素钢 S和和P均均 0.040；高级优质碳素钢高级优质碳素钢 S% 0.030% P %0.035% 3、按用途分类：、按用途分类：碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和 机械零件（一般为低中碳钢）机械零件（一般为低中碳钢）碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具、碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具、量具（一般为高碳钢）量具（一般为高碳钢） 1、普通碳素结构钢、普通碳素结

21、构钢（GB700-88）含碳量为含碳量为0.06 0.38%。通常以热轧状态供应，一般不进行热处理。通常以热轧状态供应，一般不进行热处理主要用于主要用于建筑、桥梁、船舶、车辆等工程构件及普通机器零件。建筑、桥梁、船舶、车辆等工程构件及普通机器零件。 编号：编号：代表屈服强度的字母（代表屈服强度的字母（Q）、屈服点数值（）、屈服点数值（MPa）、）、 质量等级及脱氧方法。质量等级及脱氧方法。 “Q”为汉语拼音屈服强度的首位字母；为汉语拼音屈服强度的首位字母；A、B、C、D为质量等为质量等级，并逐级升高；级，并逐级升高；F为沸腾钢，为沸腾钢，b为半镇静钢，为半镇静钢，Z为镇静钢，为镇静钢，TZ为为

22、特殊镇静钢。按规定特殊镇静钢。按规定Z与与TZ予以省略。予以省略。 例：例：Q235- AF, 表示屈服点表示屈服点 s235MPa的的A级、沸腾钢。级、沸腾钢。按屈服点数值（按屈服点数值（MPa）可分为）可分为5种牌号：种牌号：Q195、Q215、Q235、 Q255、Q275。 Q195、Q215：含碳量低，强度较低，塑性好。主要用于制造强含碳量低，强度较低，塑性好。主要用于制造强度要求不高的普通铆钉、螺钉、螺母、垫圈等。度要求不高的普通铆钉、螺钉、螺母、垫圈等。（二）碳钢的编号和用途（二）碳钢的编号和用途Q235：强度与塑性居中，主要用于桥梁建筑等钢结构。也制造强强度与塑性居中，主要用于

23、桥梁建筑等钢结构。也制造强度要求一般的普通零件，如螺钉、螺母、螺栓、销轴、拉杆等。度要求一般的普通零件，如螺钉、螺母、螺栓、销轴、拉杆等。Q255、Q275：含碳量较高，强度较高，可用于制造强度要求高含碳量较高，强度较高，可用于制造强度要求高一些的普通零件，如农业机械零件中的转轴、挂钩、摇杆等。还一些的普通零件，如农业机械零件中的转轴、挂钩、摇杆等。还常轧制成各种农业机械用的型钢和异型钢。常轧制成各种农业机械用的型钢和异型钢。2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢（GB699-88） 这类钢同时保证化学成分和机械性能。这类钢同时保证化学成分和机械性能。S、P含量均含量均0.040%。1）正常含锰量

24、的优质碳素结构钢）正常含锰量的优质碳素结构钢C%0.25%时时 Mn%=0.50-0.80% 这类钢的这类钢的牌号牌号用两位数字表示，代表钢的平均含碳量，以用两位数字表示，代表钢的平均含碳量，以0.01%含碳量为单位。含碳量为单位。例如：例如：20钢表示平均含碳量为钢表示平均含碳量为0.2%；45钢表示平均含碳量钢表示平均含碳量0.45%。除除08钢外，相邻钢号间隔数字为钢外，相邻钢号间隔数字为5。2）较高含锰量的优质碳素结构钢。）较高含锰量的优质碳素结构钢。C% = 0.15 0.60%时时 Mn%=0.7 - 1.0% C% 0.60%时时 Mn%=0.9 - 1.2% 牌号牌号为在两位含

25、碳量数字后附以汉字为在两位含碳量数字后附以汉字“锰锰”或化学符号或化学符号Mn。例如：例如：20Mn表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.2%，含锰量为，含锰量为0.7 1.0%。 65Mn表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.65%，含锰量为，含锰量为0.9-1.2%。优质碳素结构钢主要用于制造机械零件，故又称为机械零件用钢。优质碳素结构钢主要用于制造机械零件，故又称为机械零件用钢。08-25 (30)钢：钢：属于低碳钢，其强度较低，塑性很好，冲压、焊接性属于低碳钢，其强度较低，塑性很好，冲压、焊接性能良好，常用做冲压件、焊接件、渗碳件等。能良好，常用做冲压件、焊接件、渗碳件等。35-50(55)钢：钢：属于中碳钢，其强度较高，塑性、韧性较好，经调