第四章 铁碳合金

1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金 本章是本课程的重点章本章是本课程的重点章 本章目的：本章目的： 1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相；介绍铁碳相图的基本组元和基本相； 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分组织性碳合金的结晶过程和其成分组织性能间关系；说明铁碳相图的基本应用；能间关系；说明铁碳相图的基本应用； 3 介绍各种碳钢的牌号及应用。介绍各种碳钢的牌号及应用。本章重点：本章重点：（1）重要概念：铁素体）重要概念：铁素体 奥氏体奥氏体 珠光体珠光体 莱氏体莱氏体 共晶渗碳体共晶渗碳体 共析渗碳体共析渗碳体 二次渗碳体二次渗碳体（2）熟记铁

2、碳相图，弄清重要温度与成分点、重）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征特征（4）掌握铁碳合金的成分）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关组织性能之间的关系系 1 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金与铁碳相图铁碳合金铁碳合金应用最广泛的合金应用最广泛的合金 一一 铁碳合金中的基本相和基本组织铁碳合金中的基本相和基本组织 (一一) 纯铁的晶体结构与性能纯铁的

3、晶体结构与性能 1 纯铁冷却中晶体结构的变化：纯铁冷却中晶体结构的变化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变纯铁在冷却中经历两次同素异构转变A4A3A2(770)居里点居里点(顺磁性与顺磁性与铁磁性转变温度铁磁性转变温度)具有固态相变是钢铁材料能够热处具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一理的前提与原因之一2 纯铁的显微组织纯铁的显微组织 单相的单相的Fe3 纯铁纯铁(工业纯铁工业纯铁)的性能的性能 强度低强度低(b=180230MPa); 硬度低硬度低(50HBS80HBS)、软、软; 塑性好塑性好(:3050

4、； :70 80 ) 铁磁性铁磁性4 应用：应用： 仪器仪表用软磁铁芯仪器仪表用软磁铁芯（二）（二） 铁碳合金中的基本相和基本组织铁碳合金中的基本相和基本组织 1 基本组元基本组元： Fe、C 2 基本相基本相： （1）铁素体）铁素体(或或 F ) ： 定义定义: C在体心立方在体心立方Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 但但C在在Fe中的溶解度极小中的溶解度极小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能性能: 强硬度低强硬度低(50HBS80HBS)， 塑韧性好塑韧性好(:70 80 ; Ak=160J ) 与工业纯铁同与工业纯铁同良好塑韧性良好塑韧性钢钢中基体相中基体相（

5、2）奥氏体）奥氏体(或或 A ) 定义定义：C在面心立方在面心立方Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 溶碳量较大：溶碳量较大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能性能: 强硬度较低强硬度较低； 塑性较好塑性较好, 变形抗力较低变形抗力较低, 易于锻压成形易于锻压成形; 顺磁性顺磁性。 热加工热加工(塑性变形塑性变形) 相相 合金化后成为室温基体相合金化后成为室温基体相(无磁性无磁性)；（3）渗碳体）渗碳体(Fe3C) Fe与与C形成的金属化合物，含形成的金属化合物，含6.69%C， 复杂正交晶系。复杂正交晶系。 性能性能 强度低：强度低：b= 30MPa; 硬度高硬度高：80

6、0HB 无塑性：无塑性：=0; =0; Ak=0 弱的铁磁性弱的铁磁性(0.9%后后，强度反而强度反而下降下降；原因：原因： 与构成相或组织的性能有关。与构成相或组织的性能有关。 铁素体相铁素体相: 软韧软韧相，相， 渗碳体相：渗碳体相：硬脆硬脆相；相； 珠光体组织的性能介与两者之间珠光体组织的性能介与两者之间: 强韧强韧 F P Fe3Cb(MN/m2) 230 750 30 (%) 50 20 0 a k (J/cm2) 160 30 0 HB 80 200 800 硬度：硬度： 非组织敏感性能非组织敏感性能 主要取决于相构成主要取决于相构成，包括组成相的硬度和，包括组成相的硬度和相对数量

7、，而受它们的形态的影响相对较小。相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。 相构成：相构成： FFe3C 随碳含量增加，高硬度的随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低增多而低硬度的硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大到增大到800HBW(100%Fe3C) 亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系：亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %强度：强度： 对组织形态很敏感对组织形态很敏感。故不仅与相构成有。故不仅与相构成有关，更主要的与组成相的形态、分布即组织关，更主要的与组成相的形态、分布即组织构成有极大

8、关系。构成有极大关系。亚共析钢亚共析钢： F先先+P构成，均为韧性组织，构成，均为韧性组织，强度与硬度强度与硬度一致一致。随碳含量增加，钢中强韧的。随碳含量增加，钢中强韧的P组织数量组织数量增加，而强硬度很低的增加，而强硬度很低的F先先不断下降，不断下降，故合金故合金强度随硬度增大而增大强度随硬度增大而增大；b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40过共析钢过共析钢： Fe3C先先+P，为韧性组织脆性组织，为韧性组织脆性组织 与脆性组织与脆性组织(Fe3C先先)的形态直接相关：的形态直接相关： C0.9%1.0%后，后，随随C而陡降。而陡降。出现

9、网状出现网状Fe3CFe3C为沿晶粒状为沿晶粒状塑韧性：塑韧性： Fe3C极脆相，无塑、韧性；合金塑性变极脆相，无塑、韧性；合金塑性变形完全由形完全由 F 提供，随提供，随C%增高，增高， F不断减少，不断减少，故塑韧性不断下降。故塑韧性不断下降。思考题思考题： 试从化学成分、相构成、组织构成等方试从化学成分、相构成、组织构成等方面对工业纯铁、钢、白口铸铁的机械性能进面对工业纯铁、钢、白口铸铁的机械性能进行分析、比较、解释。行分析、比较、解释。 (三三) 对工艺性能的影响对工艺性能的影响 1 切削加工性能切削加工性能 材料的硬度太软材料的硬度太软,容易粘刀容易粘刀,切削热切削热大大,影响表面粗

10、糙度影响表面粗糙度; 材料的硬度太硬材料的硬度太硬,刀具磨损严重。刀具磨损严重。 钢的硬度为钢的硬度为HB170250时，切时，切削加工性能较好。削加工性能较好。 2 可锻性：低碳钢塑性好，可锻性可锻性：低碳钢塑性好，可锻性好。随含碳量增加，可锻性变差。好。随含碳量增加，可锻性变差。3 铸造性：铸造性： 共晶成分的铸铁共晶成分的铸铁流动性好，缩孔流动性好，缩孔集中，偏析小，集中，偏析小，铸造性好铸造性好； 液相线和固相线距离越大，流动液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。越差。所以，钢的铸造性差。一一 杂质元素对钢

11、性能的影响杂质元素对钢性能的影响 少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。（一）锰的影响（一）锰的影响 脱氧剂。脱氧剂。 有益有益元元素，碳钢中不超过素，碳钢中不超过0.8%， （1）固溶强化；）固溶强化； （2）形成）形成MnS，消除硫的有害影响。，消除硫的有害影响。2 碳钢碳钢 （二）硅的影响（二）硅的影响 脱氧剂，脱氧剂，有益有益元素元素，碳钢中含量不超过，碳钢中含量不超过0.5%， 固溶强化。固溶强化。（三）硫的影响（三）硫的影响 有害元素，矿石和燃料带入。有害元素，矿石和燃料带

12、入。 以以FeS夹杂物形式存在晶界上夹杂物形式存在晶界上 “热脆热脆”， 原因：形成原因：形成Fe+FeS共晶共晶，熔点为，熔点为989，低于热加工的加热温度低于热加工的加热温度1150，而导致热加，而导致热加工时开裂。工时开裂。 若若钢中钢中含氧量高时含氧量高时，还会形成熔点更低，还会形成熔点更低（940）的）的Fe+FeO+FeS三相共晶三相共晶，危害，危害更大。更大。 防止热脆防止热脆： （1）降硫：）降硫： 普通碳素结构钢要求：普通碳素结构钢要求： S0.040%0.050%（2）改变硫的存在方式：）改变硫的存在方式： 加入加入适当的适当的Mn，Mn与与S的化学亲和力大的化学亲和力大于

13、于Fe，优先，优先形成形成MnS，MnS的熔点的熔点1600，高于热加工温度，可避免热高于热加工温度，可避免热脆的发生。脆的发生。（四）磷的影响（四）磷的影响 有害杂质元素，有害杂质元素， 矿石和生铁等炼钢原料带入。矿石和生铁等炼钢原料带入。 磷在钢中固溶强化作用很强，但同时剧磷在钢中固溶强化作用很强，但同时剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧脆转变温度升高，称脆转变温度升高，称为为“冷脆冷脆”。韧性降低体现在两方面：韧性降低体现在两方面： (1) 冲击功冲击功Ak；(2) 韧脆转变温度韧脆转变温度Tk韧性区韧性区脆性区脆性区韧脆转变温度韧脆转变温度（

14、五）氮、氢、氧等微量气体的影响（五）氮、氢、氧等微量气体的影响 1、氮氮 炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢形式析出，降低钢的韧性。的韧性。 称为称为蓝脆蓝脆(因因300上下应变时最易产生上下应变时最易产生) 蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。因之一。 消除方法：加消除方法：加Al形成形成AlN2、氢氢 高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，氢

15、在钢中的溶解度急剧降低，但氢来不及逸氢在钢中的溶解度急剧降低，但氢来不及逸出表面，出表面，过饱和氢过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处逐渐在晶界等缺陷处偏聚偏聚，并逐渐并逐渐形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹导致微裂纹，这种氢使钢变脆的现象称为，这种氢使钢变脆的现象称为氢氢脆脆严重的缺陷。严重的缺陷。消除方法：消除方法： 锻后缓冷。尤大型锻件。锻后缓冷。尤大型锻件。钢材横断面低倍形貌：钢材横断面低倍形貌：又称又称 “发裂发裂”钢材纵断面低倍形貌：钢材纵断面低倍形貌：也称也称“白点白点”3、氧：、氧： 氧化物夹杂物，如氧化物夹杂物，如FeO、A12O3、SiO2

16、、MnO、CaO、MgO等，对钢的塑性、韧性、等，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。疲劳强度等影响很大。有害元素的利用：有害元素的利用： S、P在易切钢中的应用在易切钢中的应用 P在炮弹钢中的应用。在炮弹钢中的应用。二二 碳钢分类、编号及用途碳钢分类、编号及用途 1 分类分类 按化学成分：按化学成分： 低、中、高碳钢：低、中、高碳钢：0.25%；0.6% 用用 途：结构钢途：结构钢 工具钢工具钢 质量：优质、高级优质、普通；质量：优质、高级优质、普通；( S、P) 2 钢编号钢编号 反映：成分、用途反映：成分、用途 （1）普通碳素结构钢）普通碳素结构钢 （0.06%0.4%）力性要求力性要

17、求 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275； Q235-AF 与旧标准的对比：与旧标准的对比： Q235A3 -构件用钢构件用钢 (2) 优质碳素结构钢优质碳素结构钢(0.06%0.70%) 反应成分反应成分 08F、10、20 : 塑韧性、焊接性好塑韧性、焊接性好冷冲、焊接、渗碳件冷冲、焊接、渗碳件调质后综合机性好调质后综合机性好调质件调质件强度高、弹性极限高强度高、弹性极限高弹性元件弹性元件 25、30、35、40、45 : 50、60、65 : (3) 碳素工具钢（碳素工具钢（0.65%1.35%） T7、T8： 一定韧性一定韧性 冲头、锤子、凿子冲头、锤子、凿子T9、T10：

18、硬度高、韧性适中；：硬度高、韧性适中； 钻头、手锯条、刨刀钻头、手锯条、刨刀 T12(A)、T13： 硬度高、韧性低硬度高、韧性低 锉、刮刀、量具锉、刮刀、量具习题与思考题习题与思考题1 何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体？分别写出它们的符号和性能特点。变态莱氏体？分别写出它们的符号和性能特点。2 一堆钢材由于混杂，不知道化学成分，现抽出一一堆钢材由于混杂，不知道化学成分，现抽出一根进行金相分析，其组织为铁素体加珠光体，其根进行金相分析，其组织为铁素体加珠光体，其中珠光体的面积大约占中珠光体的面积大约占40，由于珠光体与铁素，由于

19、珠光体与铁素体的比容相近，可用显微组织中珠光体与铁素体体的比容相近，可用显微组织中珠光体与铁素体的面积百分数替代二者的重量百分数，试估算该的面积百分数替代二者的重量百分数，试估算该钢材的含碳量。钢材的含碳量。 3 已知珠光体的已知珠光体的HBS180，20，铁素体的，铁素体的HBS80，50，试计算含碳量为，试计算含碳量为0.45的碳钢的碳钢的硬度和伸长率。的硬度和伸长率。(提示：合金的性能值大约是它提示：合金的性能值大约是它的各组织组成物的性能值与它的各组织组成物在的各组织组成物的性能值与它的各组织组成物在合金中的含量的乘积和，或称为加权平均值合金中的含量的乘积和，或称为加权平均值)。4 何谓共