第3章 铁碳合金相图和碳钢

第三章铁碳合金,1铁碳合金的组元及相结构分析2铁碳相图分析3铁碳合金的平衡结晶分析4铁碳相图的应用5碳钢及其牌号,1铁碳合金的组元及相结构分析,二.FeC二元相图,三.Fe-Fe3C合金的组元及相结构,一.纯铁的同素异晶转变,返回,一.纯铁的的同素异晶转变,返回,图3-1纯铁的冷却曲线,1394,1534,912,-Fe,-Fe,-Fe,返回,二.Fe-C相图,(6.69%C),返回,图3-2Fe-C相图,三、Fe-Fe3C合金的组元及相结构,(一)组元*铁(ferrite)*渗碳体(Cementite),返回,1.纯铁,纯铁是过渡族金属元素，具有同素异构现象。纯铁的性能：塑性、韧性好，但强度较低，很少用来制造机械零件。,返回,2.渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,返回,图3-3渗碳体组织示意图及晶体结构图,(二)相结构及组织,1液相L2高温铁素体（相）：碳固溶到-Fe中的间隙固溶体。3.铁素体(F、相)：碳溶于Fe中的间隙固溶体。强度、硬度低、塑性好。室温：C%=0.008%,727：C%=0.0218%,返回,图3-4铁素体晶体结构示意图,4.奥氏体(A、相)碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。强度低，塑性好，易锻压成型。727C%=0.77%,1148C%=2.11%5.渗碳体,返回,图3-5奥氏体晶体结构示意图,6.珠光体(P),铁素体和渗碳体组成的机械混合物。,7.莱氏体(Ld),奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。,返回,2Fe-Fe3C相图分析,五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:ECF、ES(Acm)、GS(A3)、PSK(A1)。两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148、727。,返回,图3-6Fe-Fe3C相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,Fe3C,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,2Fe-Fe3C相图分析,1227,1538,返回,图3-7Fe-Fe3C相图,图3-8Fe-Fe3C相图,返回,3铁碳合金的结晶过程分析,工业纯铁(ingotiron)共析钢(eutectoidsteel)亚共析钢(hypoeutectoidsteel)过共析钢(hypereutectoidsteel)共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron),返回,1.工业纯铁(Wc0.0218%),返回,图3-10工业纯铁结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,2.共析钢(Wc=0.77%),返回,图3-11共析钢结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,图3-12共析钢组织金相图,返回,3.亚共析钢(Wc=0.45%),返回,图3-13亚共析钢结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,图3-14亚共析钢组织金相图,返回,4.过共析钢(Wc=1.2%),返回,图3-15过共析钢结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,图3-16过共析钢组织金相图,返回,5.共晶白口铁(Wc=4.3%),返回,图3-17共晶白口铁结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,图3-18共晶白口铁组织金相图,返回,6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%),返回,图3-19亚共晶白口铁结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,图3-20亚共晶白口铁组织金相图,返回,7.过共晶白口铁(Wc=5.0%),返回,图3-21过共晶白口铁结晶过程示意图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,4.3%C,2.11%C,6.69%C,Fe,T,A+Fe3C,F,A+F,0.77%C,K,F+Fe3C,L+Fe3C,1227,1538,图3-22过共晶白口铁组织金相图,返回,组织组成物:,F;Fe3C,F;P,相组成物:,P=1WF=57%,Fe3C=1-WF=6%,0.02,0.45,0.77,6.69,返回,4铁碳相图的应用,一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响二、碳的质量分数对力学性能的影响三、铁碳相图的应用,返回,一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响,1.碳的质量分数对平衡组织的影响,返回,图3-23碳的质量分数对平衡组织的影响,含碳量对平衡组织的影响,铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：F+F+PPP+P+LdLdLd+（沿F晶界分布的基片）共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状）（沿A晶界呈网状分布）共晶渗碳体（为莱氏体的基体）（分布在莱氏体上的粗大片状）。,返回,返回,二.碳的质量分数对力学性能的影响,返回,图3-24碳的质量分数对力学性能的影响,三.铁碳相图的应用,在选材方面的应用。在制定热加工工艺方面的应用。,返回,1为选材提供成分依据,若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.100.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.250.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.61.3%C）。白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。,返回,2.制定热加工工艺方面的应用,返回,图3-25铁碳相图在热加工工艺方面的应用示意图,2.为制定热加工工艺提供依据,对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏.对于锻造：确定锻造温度。对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。,返回,5碳钢及其牌号,一、常存杂质元素对钢性能的影响二、碳钢的分类三、碳钢的牌号、性能及用途,返回,一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响,1Mn脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。2Si有很强的固溶强化作用,能脱氧。3S能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。4P有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。5非金属杂夹物：有害物质例如：氧化物，碳化物，硅酸盐，氧化物。作用：（）降低钢的力学性能能。（）形成热纤维组织与带状组织，使材料性能具有各向异性。,返回,二、碳钢的分类,1、按含碳量分类低碳钢（C0.25%）；中碳钢（C0.30.55%）；高碳钢（C0.65%）。2、按质量分类普通钢（P0.045%，S0.050%）优质钢（P、S均0.035%）高级优质钢（P0.030%，S0.030%）特级优质钢（P0.020%，S0.025%）3、按用途分类碳素结构钢碳素工具钢4、按冶炼方法及设备分类5、按冶炼烧注时脱氧刘与脱氧程度分类,返回,转炉炼钢,平炉炼钢,电弧炉炼钢,4、按冶炼方法及设备分类,返回,图3-26冶炼方法示意图,2）沸腾钢(boilingsteel)在浇注前（冶炼后期）将钢液用少量锰铁进行轻度脱氧,Wo=0.03%0.07%,注入锭模后发生碳氧反应，析出大量的CO气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。,5、按冶炼浇注时脱氧程度分类1）镇静钢(killedsteel)钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,注入模子后，钢液不发生碳氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢。成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。,3）半镇静钢(balancedsteel)半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。,返回,4）镇静钢与沸腾钢的优缺点及应用各有优缺点：沸腾钢成本低，成材率高；沸腾钢表面质量好，冲压性能好，焊接性能好；镇静钢的钢材质量好。机械性能好。因此，凡要求冲压性能好，含碳量较低的普通结构件都选用沸腾钢，如建筑用钢、汽车外壳用深冲钢板等。凡是重要的结构件如锅炉、化工容器用钢和机械上需经热处理的受力零件用钢都选用镇静钢。,返回,三、碳钢牌号、性能和用途,碳素结构钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸钢,返回,1、普通碳素结构钢牌号和用途,Q+数字表示牌号,Q235表示屈服点是235MPa,Q235-AF,表示屈服点为235的A级沸腾钢。加工成形后一般不进行热处理，在热轧退火或正火态下直接使用。制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等性能要求:较高的强度和屈强比;较好的塑性和韧性;良好的焊接性;较低的缺口敏感性和冷弯后低的时效敏感性;较低的韧脆转变温度.,返回,1、普通碳素结构钢牌号和用途,返回,1、普通碳素结构钢牌号和用途,返回,2、优质碳素结构钢牌号和用途,牌号：用两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数之几。分为普通含锰量（钢材中的含锰量0.35%0.8%）和较高含锰量（含锰量0.7%1.2%）两组。20钢表示平均含碳量为0.20%的优质碳素结构钢；15Mn：表示钢材中的平均含碳量为0.15%的含锰量较高的优质碳素结构钢。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等；30、35、40、45、50、55钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；6085高碳钢，热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧；。,返回,2、优质碳素结构钢牌号和用途,返回,2、优质碳素结构钢牌号和用途,返回,2、优质碳素结构钢牌号和用途,返回,、碳素工具钢牌号和用途,牌号：在汉字拼音首字母后附以平均含碳量千分之几。T10A表示平均含碳量为1.0%高级优质碳素工具钢碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、刃具、模具等。,返回,、碳素工具钢牌号和用途,返回,、碳素工具钢牌号和用途,T7，T8，承受冲击,韧性较好，硬度较高的工具。如冲头、凿子、榔头、木工工具等。T9，T10，T11，韧性适中，不受强烈冲击，高硬度耐磨的工具。如钻头、刨刀、丝锥、手锯条及冲头等。T12，T13，不受冲击，要求高硬度高耐磨的工具。如锉刀、刮刀、量规、丝锥等。,返回,4、铸钢,在机械制造中，对于一些要求较高的强度和塑性，但形状复杂，难以进行锻造或切削加工的零件可用铸钢来生产。铸钢铸造后必须进行热处理（退火或正火）,返回,第三章习题与思考题,1何谓金属的同素异晶转变?试以纯铁为例说明金属的同素异晶转变。2何谓共晶转变和共析转变?以铁碳合金为例写出转变表达式。3画出Fe-Fe3C相图钢的部分，试分析45钢、T8钢、T12钢在极缓慢的冷却条件下的组织转变过程，并绘出室温显微组织示意图。4为什么铸造合金常选用靠近共晶成分的合金？而压力加工合金则选用单相固溶体成分的合金？5根据Fe-Fe3C相图，确定下表中三种钢在指定温度下的显微组织名称。,第三章习题与思考题,6某厂仓库中积压了许多碳钢(退火状态)，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织为珠光体和铁素体，其中铁素体量占80%。问此钢材碳的含量大约是多少?是哪个钢号?7有形状和大小一样的两块铁碳合金，一块是低碳钢，一块是白口铁。问用什么简便的方法可迅速将它们区分开来?8现有两种铁碳合金，在显微镜上观察其组织，并以面积分数评定各组织的相对量。一种合金的珠光体占75%，铁素体占25%；另一种合金的显微组织中珠光体占92%，二次渗碳体占8%。这两种铁碳合金各属于哪一类合金？其碳的质量分数各为多少？,第三章习题与思考题,9现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们碳的质量分数分别为0.20%、0.40%、1.2%、3.5%。根据你所学过的知识，可有哪些方法