电厂金属材料第三版

1、1 第二章 铁碳相图及其合金 2 第一节 铁碳合金的相结构 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe,随后又有两次同 素异构转变，即面心立方格的-Fe和体心立方格的-Fe 。 碳溶入-Fe和-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体。 当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物 相Fe3C，称做渗碳体。 碳原子溶入-fe 中所形成的固溶体称做高温铁素体。它在 1400以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性 能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金 的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。 3 一、铁素体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立

2、方格的 -Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁素 体对碳的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶度几 乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下： 抗拉强度Rm 250Mpa， 屈服强度RE 140Mpa 断后延伸率A11.3 40%-50% 冲击韧性K 200 J/cm2 布氏硬度HBS 80 由此可见，铁素体有优良的由此可见，铁素体有优良的 塑性和韧性，但强度，硬度塑性和韧性，但强度，硬度 较低，在铁碳合金中是软韧较低，在铁碳合金中是软韧 相。铁素体是相。铁素体是912912以下的平以下的平 衡相，也称做常温相，在铁衡相，

3、也称做常温相，在铁 碳相图中用符号碳相图中用符号F F表示。表示。 4 二、奥氏体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有 面心立方格的-Fe的间隙半径为0.052nm，比-Fe的间隙 稍大，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随 着温度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727时是 0.77%。 奥氏体是727以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面 心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良 好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通 常用符号A表示。 5 三、渗碳体 渗碳体是铁与碳原子结合形成的具 有金属性质的复杂间隙化合物。它 的晶体结构复杂，

4、属于复杂八面体 结构，分子式为Fe3C，含碳量 6.69%。 渗碳体的硬度很高，HV800，但极 脆，塑性和韧性几乎是零，强度 Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中，它 是硬脆相，是碳钢的主要强化相。 渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢 的性能有很大影响。它在铁碳合金 中可以呈片状、粒状、网状和板状 形态存在。 在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在 一定时间会发生下面的分解反应， 析出石墨态的碳。 Fe3C 3Fe+C（石墨） 6 一、相图图形介绍 在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金性能极脆，没 有使用价值。因此只研究FeFe3C，即含碳量小于6.69%这一 部分，通常称为FeFe3C相图，也

5、称铁碳合金相图。 在FeFe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合 金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。 包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但 它是在1400以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金 的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。FeFe3C相图 可简化为图2-2的形式。 第二节 铁 碳 合 金 相 图 7 L4.3 A2.11 +Fe3C 恒温 1148 恒温 727 相图的右上部为共晶相图相图的右上部为共晶相图，在，在1148时，含碳量时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：的合金发生共晶反应： A0.77 F0.02+Fe3C 反应生

6、成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号P表示。表示。 以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号Ld表示。表示。 相图的下部为共析相图。相图的下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从 液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时 析出两个新的固相，产物称作共

7、析体。在铁碳合金中，含碳析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在的奥氏体在 727时发生共析反应：时发生共析反应： 8 珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下： 布氏硬度 HBS 180 断后延伸率 A11.3 20%25% 冲击韧性 aK 3040J/cm 强度极限Rm 750Mpa 二、相图中点、线和相区的意义 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。所示。 特性点温度（）含碳量（）特性点含义 A15380纯铁的熔点 C11484.3共晶点 D12276.69渗碳体的熔点 E1

8、1482.11碳在奥氏体中的最大溶解度 G9120-Fe -Fe的同素异构转变点 S7270.77共析点 9 10 铁碳合金下图中各主要线的意义是： AECF为固相线。为固相线。若温度低于若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。为共晶线。若含碳量在若含碳量在ECF线投影范围（线投影范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在）内，铁碳合金在1148 时必然发生共晶反映，形成莱氏体。时必然发生共晶反映，形成莱氏体。 ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中从这根线可以看出，碳在秋耕氏

9、体中 的最大溶解度是在的最大溶解度是在1148时，可溶解碳时，可溶解碳2.11%，布在，布在727时，由于碳在奥氏体中的时，由于碳在奥氏体中的 溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次 渗碳体（渗碳体（Fe3CII）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。 GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称简称A3线线. GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的

10、终止温度线. PSK为共析线为共析线,简称简称A1线线.合金含碳量在合金含碳量在PSK线投影范围（线投影范围（0.02%6.69%）内时，奥氏体在）内时，奥氏体在 727时必然发生共析反应，形成珠光体。时必然发生共析反应，形成珠光体。 11 PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在 727时，可溶解碳0.0218%，在室温仅能溶解碳0.008%。故一般铁碳合金凡是从 727缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体 （Fe3CIII）。 因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。所谓一次因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予

11、忽略。所谓一次二次，三次渗二次，三次渗 碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。 当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。 简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即L，A， F及及Fe3C;渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图上渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图上 它的相区仅是一条

12、竖直线。它的相区仅是一条竖直线。 相图中有五个相区，即相图中有五个相区，即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F及及F+FeF+Fe3 3C C。相图中的两条水平线是三相平衡相图中的两条水平线是三相平衡 线上有三个点线上有三个点, ,分别与三个单相区以点相连接分别与三个单相区以点相连接, ,当发生三相平衡反应时当发生三相平衡反应时, ,三个平衡相的三个平衡相的 成分即这三个点的成分成分即这三个点的成分, ,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的说明了温度和三个平衡相的成分是固定的. . 从相图可以看出，含碳量大于从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时

13、都处在时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe3C相区内，即合金的相结构都相区内，即合金的相结构都 要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变 化。化。 12 三、典型合金结晶过程及室温组织 工程上使用的铁碳合金分为钢和铸铁两大类，它们的区别在于所含碳量不 同。含量碳量小于2.11%的，称为铸铁。 在分析铁碳合金的平衡组织时，在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共 析钢，亚共

14、析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白 口铸铁等六种典型合金口铸铁等六种典型合金，如图，如图23所示。所示。 13 （一）共析钢 图23中合金称为共析钢，其含碳量为0.77%。 当温度在1点以上时，合金为液相； 温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体； 温度降至12点之间时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断 减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC 变化，奥氏体的成 分 沿AE线变化。 当温度降至2点时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至23点之间时， 合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。 温度降至3

15、点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727温度下发生共 析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe3C的共 析组织，即珠光体P。 14 珠光体是在727恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变 化。只是铁素体的含量碳量从0.025降至几乎为零，碳则以微量三次 渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。 恒温 727 共析钢的结晶过程如图共析钢的结晶过程如图24所示。珠光体的显微组织如图所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与所示，铁素体与 渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名

16、珠光体。共析钢的结晶过 程用反应式表示为：程用反应式表示为： LL+A P 15 (二)亚共析钢 含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。 以图23中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如图26所示。 合金从液相冷却到1.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织； 温度继续降至22点之间时，奥氏体组织不变； 当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核， 随着温度降低而长大； 温度降至4点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为4S/（PS），其成分沿着 GP线变化至P点（含碳0.02%），称作初生铁素体；剩下的奥氏体相的量为P4/（PS）， 其成分沿着GS线变化至S点（含碳0

17、.77%）。这时剩下奥氏体的成分和温度已具备珠 光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体 的一部分转变为初生铁素体（图27中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织 （图27黑色部分）。温度将继续降至室温时，显微组织基本不变（三次渗碳体忽 略不计） 为铁素体+珠光体（F+P）。 16 图27 亚共析钢的显微组织 17 铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区（P+F）的PS线上计算出，称作组 织相对量。 合金（2）中，珠光体量为：Qp=P4/PS100% 铁素体量为：QF=1Qp 或 QF=4SPS100% 随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从

18、0%增加到100%；当含碳量 增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。 珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金 的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚共 析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量： QF=（6.69）/（6.690.02）100% QFe3C=1QF 式中亚共析钢的含碳量。 计算出的计算出的QF为初生铁素体与共析铁素体之和。为初生铁素体与共析铁素体之和。 亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L L+A A FA F+P 18 含碳量在0.772.11%的钢,均统

19、称为过共析钢. 以图2-3中合金3为例,过共析钢的结晶过程如图2-8所示. 合金从液相冷却至1、2点以后，结晶出单相奥氏体组织； 温度继续冷却至23之间时，奥氏体组织不变；温度降至3点时，碳在奥氏体中达到饱 和，开始析出Fe3C，称作二次渗碳体，写作Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界析出，呈网 状分布(图29)，随着温度降低，碳在奥氏体中溶解度下降，不断析出。 温度降至4点（727）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在AFe3C两相区SK线上计 算出来。 （三）过共析钢 19 式中 过共析钢的含碳量 剩余的奥氏体量为1QFe3CII，其成分已沿着SE线变化至S点，已具备珠 光体转变的条件，

20、在727时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体的组 织相对量为： Qp1QFe3CII 或 Qp 利用杠杆定律可以在F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量： QFe3C1QF %100 77. 0-69. 6 77. 0- %100 SK S4 %100 77.0-69.6 -69.6 QFe3CII= Lg L+A Ag Fe3CII A Fe3CII +As Fe3CII+P 恒温 727 这样计算出的这样计算出的QFe3C为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶 过程可用反应式表示为：过程可用反应式表示为： 20 过共析钢的显微组

21、织如图过共析钢的显微组织如图29所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗 碳体；深色部分的组织为珠光体。碳体；深色部分的组织为珠光体。 过共析钢的显微组织如图过共析钢的显微组织如图29所示所示 21 图23中合金称为共晶白口铁，含碳量为4.3，其结晶过程如图210所示。 含碳量4.3的合金自液相冷却至1点，即降至共晶温度（1148）时，发生共晶反 应，从液相中同时析出含碳量为2.11的奥氏体和含碳量为6.69的渗碳体的共晶 体，这种机械混合物称为莱氏体用符号Ld表示。莱氏体组织为球状或短杆状的奥氏体 均匀分布在渗碳体基体上。 温度从1点继续下降时

22、，共晶体中的奥氏体碳的溶解度下降，不断析出二次渗碳体， 奥氏体的成分是沿着ES线变化的。 温度降至727时，奥氏体中的含碳量已降至0.77，此时，奥氏体具备了共析转变 的条件，转变为二次渗碳体加铁素体的珠光体组织。这样，共晶白口铁的莱氏体组 织形态不变，只是其中球状和短杆状的奥氏体转变成了二次渗碳体和珠光体，而且 二次渗碳体又与一次渗碳体融为一体，不大容易分辨。这种由一次渗碳体、二次渗 碳铁和珠光体组成的组织称为变态莱氏体，也有称为低温莱氏体，用符号Ld表示， 其显微组织如图211所示。 共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为： L AFe3CI （AFe3CII）Fe3CI 恒温 1148 恒

23、温 727 （四）共晶白口铁 PFe3CIIFe3CI 22 23 （五）亚共晶白口铁 含碳量高于2.11%，低于4.3%的铁均称为亚共晶白口铁。以图2-3合金5为例， 亚共晶白口铁的结晶过程如图2-12所示。 在共晶反应之前，即12之间，从液相中已先结晶出一部分初生奥氏体A，其 形态如树枝状（图212）。 冷却到2点时，剩下液相的温度和成分已具备共晶反应的条件，遂转化为莱氏 体Ld。A与Ld的相对量可利用杠杆定律从L+A相区EC线上计算出。初生A+Ld 的组织形态冷却至室温时变化不大，只是温度在1148 以下时，A初及共晶 奥氏体中都要析出Fe3CII； 冷却至727 时（即3点时），又具备

24、了共析反应的条件，转变为珠光体。室 温的显微组织为二次渗碳体、树枝珠光体及变态莱氏体，如图213所示。合 金的结晶过程可用反应式表式为： LAL ALd ALdFe3CII） 恒温 727 恒温 1148 PLd +Fe3CII 24 25 （六）过共晶白口铁 含碳量为4.3%6.69%的铁，均统称为过共晶白口铁。以图23中合金6为例， 过共晶白口铁的结晶过程如图2-14所示。 从1点开始自液相中结晶出呈板条状的一次渗碳体Fe3CI，剩下的液相在2点 1148转变为莱氏Ld。所生成的Fe3CI +Ld的组织冷却至室温时，形态变化不 大。但是在随后的降温过程中，从奥氏体中要析出二次渗碳体Fe3C

25、II,冷却至 727（即3点）时又转变成珠光体. 过共晶白口铁室温时的显微组织为板条状的一次渗碳体及变态莱氏体,如图2 15所示。 L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI 恒温 727 恒温 1148 26 27 四、含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响 含碳量小于0.02%的铁碳合金称为工业纯铁,它的力学性能与铁素体基本相同, 有良好的塑性和韧性,较低的强度与硬度. 在铁碳合金中含碳量变化对组织和性能影响很大.从Fe-Fe3C相图中可看出， 当含碳量不同时，组织将变化。图2-16为含碳量对碳钢组织影响的示意图。 当含碳量为0.77%时，为铁素体+珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光体

26、 +渗碳体。从示意图中可以很清楚的得出含碳量变化后这些组织的变化情况。 28 含碳量变化后对力学性能的影响可见图2-17所示。从图中可看出，当含碳量增加后， 碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性则下降。 这是由于含碳量增加后，碳钢中的渗碳体在不断的增加。但是，含碳量超过了这是由于含碳量增加后，碳钢中的渗碳体在不断的增加。但是，含碳量超过了0.9%后，由于游离状态的二次渗后，由于游离状态的二次渗 碳体自晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加，碳体自晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加， 反而使

27、碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于反而使碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于1.4%后，在工程上已应用很少。后，在工程上已应用很少。 29 五、铁碳合金在工程上的应用 铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工、热处理以及选配合钢、合金铸铁等方面有重要作用。 铁碳合金相图能很好地反映钢铁材料的成分与组织之间的关系，可根据工程上的需要选材。 火电厂的锅炉支架、厂房结构、冷却塔、起重机构架、输电铁塔、锅炉水冷壁管、风机、风管、燃火电厂的锅炉支架、厂房结构、冷却塔、起重机构架、输电铁塔、锅炉水冷壁管、风机、风管、燃 料输送设备和管道、粗细粉分离器等需要韧性、塑性好的含碳小与料输送设备和管道、粗细粉分离

28、器等需要韧性、塑性好的含碳小与0.25%的碳钢；重要的地脚螺栓、的碳钢；重要的地脚螺栓、 轴、齿轮等需要强度、韧性都较好的含碳轴、齿轮等需要强度、韧性都较好的含碳0.3%0.5%的钢；各类弹簧、板簧需要含碳的钢；各类弹簧、板簧需要含碳0.5%0.75%的的 钢；而工具、模具、轴承类则需要含碳钢；而工具、模具、轴承类则需要含碳0.8%1.3%的钢。的钢。 白口铸铁的硬度高，脆性大，难于加工，只能用作拔丝模、磨煤机磨球等。如果在白白口铸铁的硬度高，脆性大，难于加工，只能用作拔丝模、磨煤机磨球等。如果在白 口铸铁中加入足够的铬、镍等合金元素，制成合金白口铁，则是很好的耐磨材料，口铸铁中加入足够的铬、

29、镍等合金元素，制成合金白口铁，则是很好的耐磨材料，在磨在磨 煤机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。煤机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。 铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据，在铸铁、轧锻、焊接和热处理方面应用很铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据，在铸铁、轧锻、焊接和热处理方面应用很 广。广。 30 铁碳合金相图（与铸铁工艺的关系如图218所示），从图中看出，铸铁 的浇注温度低。越是接近共晶点C的铁碳合金结晶是，液相线温度低，合 金的流动性好；固液线距离近，偏析倾向小，所以铸铁的铸造性能大大优 于铸钢。 铁碳合金相图中有很广阔的奥氏体区，面心立方晶格的

30、高温奥氏体有优良 的塑性和较好的强度，塑性变形抗力很低，是热锻、热轧极好的组织，轧、 锻温度一般选在图中影线部分。锻造的原则是始锻（轧）的温度不宜过高， 终锻温度不宜过低，以防止锻（轧）造裂纹出现。 不同成分的铁铸合金冷却后组织不同，在焊接时要选择不同的焊接工艺。如不同成分的铁铸合金冷却后组织不同，在焊接时要选择不同的焊接工艺。如 锅炉中有大量不同材质的管道，其中含碳两越低的钢焊接性越好，含碳量增锅炉中有大量不同材质的管道，其中含碳两越低的钢焊接性越好，含碳量增 加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。 铁碳合金相图还是钢的热处理重要

31、工具和依据。铁碳合金相图还是钢的热处理重要工具和依据。 31 32 第三节 碳钢 目前使用的金属材料中，碳钢占有重要地位。工程上使用的碳钢一般是指 含碳量不超过1.，且含有锰、硅、硫、磷等杂质的铁碳合金。 一、常存杂质对碳钢性能的影响 碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统称五大元素，在炼钢是要对碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统称五大元素，在炼钢是要对 含量进行分析和控制。碳在钢中的影响已如前述。锰、硅、硫、磷则称为含量进行分析和控制。碳在钢中的影响已如前述。锰、硅、硫、磷则称为 常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。 （1）

32、锰的影响，锰的影响， 锰作为炼钢时的脱氧剂而残存在钢中。它以置换固溶体锰作为炼钢时的脱氧剂而残存在钢中。它以置换固溶体 的形式溶入铁素体，可以提高钢的强度。特别是它能与钢中的硫，化合形的形式溶入铁素体，可以提高钢的强度。特别是它能与钢中的硫，化合形 成高熔点的成高熔点的MnS化合物，可消除硫的脆热性，因此，锰是有益元素。在化合物，可消除硫的脆热性，因此，锰是有益元素。在 碳钢中锰的含量一般不超过碳钢中锰的含量一般不超过1.2%以下。以下。 (2)硅的影响，硅的影响， 硅与锰相似，也是炼钢脱氧是残存在钢中的。硅溶入铁素体可以起硅与锰相似，也是炼钢脱氧是残存在钢中的。硅溶入铁素体可以起 固溶强化的

33、作用，但含量增多是钢变脆，一般控制在固溶强化的作用，但含量增多是钢变脆，一般控制在0.4%以下。以下。 33 （3）硫的影响 硫是从矿石和燃料中带来的，虽经炼钢，炼铁，还未能完 全消除而残存钢中。硫不溶于铁，但容易以FES的形式与FE形成低熔点共 晶体并存在与晶界上这种共晶体在958时熔化，使得在11001200是 轧、锻的钢材发生晶间开裂并报废，称为热脆性，因此硫是有害元素，在 钢中的含量要控制在0.055%以下。当钢中有锰存在是，锰与硫产生高熔点 的MnS（熔点1620），可以消除硫的热脆性。 （4）磷的影响 磷也是矿石经冶炼残存在钢中的有害杂质，它可以溶入铁 素体中使钢的韧性下降，并使脆

34、性转变温度升高，这种现象称作冷脆性。 磷在钢中的含量被限制在0.045%以内。 除了以上四种常存杂质外，还有氢、氧、氮等残存与钢中，这些气体易与 形成白点、气孔和非金属夹杂物。特别是氧化夹杂，如SiO2、MnO等。这 些缺陷的存在，均要使钢材质量下降。 对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金属夹杂物限定在一定范围内。对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金属夹杂物限定在一定范围内。 34 二、碳钢的分类、编号和用途 （1）碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，通常按照钢的含碳量、质量和用途 分类。 按含碳量分为： a 低碳钢：含碳量0.25； b 中碳钢：含碳量在0.2

35、50.6之间 c 高碳钢：含碳量0.6。 按钢的质量分为： 普通碳素钢：钢中含S0.055，P0.045； 优质碳素钢：钢中含S0.04，P0.040； 高级优质碳素钢：钢中含S0.030，P0.035。 35 按钢的用途分为： 碳素结构钢：用于制造工程构件(铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、起 重设备和工程机械结构、水冷壁管、风管、榆粉管道、及机械零件f 抽、齿轮、螺栓、螺母等)。一般为低、中碳钢。 碳素工具钢：用于制造各种工具、刀具、刃具、模具、轴承等。一般 属于高碳钢。 （2）碳钢的编号及用途 世界上许多工业国家都有自己的编号方法。我 国碳钢的编号方法按GB70079分为三种。 1）碳素结构钢

36、 这类钢的牌号是按照力学性能中的屈服强度分成五类来编号的,数字也 大说明屈服强度Rel值越高,碳钢中的含碳量也越高;塑性也就要越低. 碳素结构钢用于制造螺栓、螺母、钢板、圆钢以及各类型钢，广泛应 用于机械制造及建筑等行业中。 36 2）优质碳素结构钢 （a） 正常含锰量的优质碳素结构钢：含锰量0.8。编号方法简单，用两位数字表示, 数字表示含碳量的万分之几。 例如例如20号钢、号钢、45号钢即表示含碳量为号钢即表示含碳量为0.20、0.45的优质碳素结构钢。钢号从的优质碳素结构钢。钢号从05、08、10、15、20直直 到到85。 如如20Mn(20锰锰)或或65Mn（65锰）。优质碳素结构钢

37、的牌号、成分和力学性能见表锰）。优质碳素结构钢的牌号、成分和力学性能见表23。 如作焊丝用的写作如作焊丝用的写作H08，又如锅炉用的，又如锅炉用的20号优质碳素结构钢可写作号优质碳素结构钢可写作20g（或（或20锅），锅），20g可用作锅炉钢板、压可用作锅炉钢板、压 力容器和锅炉水冷壁及小型汽包等。力容器和锅炉水冷壁及小型汽包等。 （b） 较高含锰量的优质碳素结构钢：含锰量在较高含锰量的优质碳素结构钢：含锰量在0。712洲之间。洲之间。编号方法是在编号方法是在 正常含锰量优质碳素结构钢钢号的后面加写正常含锰量优质碳素结构钢钢号的后面加写Mn(或猛或猛)表示，表示， 在优质碳素结构钢中，对于专门

38、用途的优质碳素结构钢编号，是在钢号前面或后面加一在优质碳素结构钢中，对于专门用途的优质碳素结构钢编号，是在钢号前面或后面加一 个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。 37 优质碳素结构钢的应用。低碳优质碳素结构钢可用作桥梁起重及工程机 械，钢结构件，还可渗碳后使用，制作机械零件；中碳优质碳素结构钢可经 调质后制作轴、齿轮、温度不超过450的汽轮机转子、联轴器和汽缸紧因 件；中、高碳优质碳素结构钢可用作各类弹簧、板黄和钢丝绳等。优质碳素 结构钢一般经热处理后使用，或在正火状态下供应。若含S、P量更低的叫高 级优质碳素结构钢，就在钢号后面加写A字(或高字)，如20 A

39、(或20高)。 20 A 广泛应用于锅炉的水冷壁管。 3）碳素工具钢：）碳素工具钢： 碳素工具钢的含碳量一般在碳素工具钢的含碳量一般在65一一1. 3之间。编号方法是用字母之间。编号方法是用字母T(或碳或碳)加数加数 字表示，数字表示含碳量的千分之几。例如字表示，数字表示含碳量的千分之几。例如T8、T12（碳（碳8、碳、碳12）表示含碳量）表示含碳量 为为0.8、1.2的碳素工具钢。钢号为的碳素工具钢。钢号为T7、T8T13(碳碳7、碳、碳8碳碳13)。碳素。碳素 工具钢含工具钢含S、P量均较少，属于优质钢。量均较少，属于优质钢。 若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后加写若为高级优质碳素工具钢，

40、则在钢号后加写A字字(或高字或高字)，如，如T8A、T12A(碳碳 8高、碳高、碳12高高)。 38 第四节 铸铁 铸铁是含碳量为211一669的铁碳合金，工业上常用铸铁的含碳量在 25一40之间。锰、硅、硫、磷的含量比碳钢多。 一、概述 在工业上应用的铸铁中，碳一般是以石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。在工业上应用的铸铁中，碳一般是以石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。 （1）有优良的铸造性能有优良的铸造性能：浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小等。不：浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小等。不 仅适合浇铸大型铸件，也适合浇铸薄小件。仅适合浇铸大型铸件，也适合浇铸薄小件。

41、（2）由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能。因此）由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能。因此铸铁具有优良的铸铁具有优良的 减震性减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。 （3）石墨本身有润滑作用，故铸铁有干式减磨性石墨本身有润滑作用，故铸铁有干式减磨性。当有润滑剂存在时，由于石墨空。当有润滑剂存在时，由于石墨空 洞有储油的能力，使铸铁的减磨性增加。洞有储油的能力，使铸铁的减磨性增加。 （4）由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，所以）由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，所以铸铁有很好的切铸铁有很好的

42、切 削加工工艺性能。削加工工艺性能。 铸铁的强度、塑性、韧性部很差，属于脆性材料这是铸铁的根本缺点铸铁的强度、塑性、韧性部很差，属于脆性材料这是铸铁的根本缺点。它的导热它的导热 性差焊接性差，铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。性差焊接性差，铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。 39 二、铸铁的石墨化 FeFe3C相图中，Fe3C作为一个组元是较稳定的相但在铁碳合金中，它仍是个亚 稳相，石墨才是稳定的相。石墨具有简单六方晶体结构，如图219所示，密排面之 间间隔大。结合力弱，易于剥离，它的强度和塑性几乎是零。因此，石墨在铸铁中 存在时可看成是许多空洞。 液态的铁水可以结晶成渗碳体，也可以直接结

43、晶成石墨，图220为Fe石墨相图， 图中虚线是石墨析出线。含碳量为426的铁水在1154时可同时析出奥氏体和石 墨；在1154738之间时可由奥氏体中析出二次石墨， 或Fe3C发生分解产生石墨； 在共析反应阶段，含碳068的奥氏体在738时可同时析出铁素体与石墨。 40 41 影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。碳和硅是促进石墨化的主 要元素，碳和硅的含量越高，铸铁的石墨化越充分；其次是冷却速度，铸 铁件的冷却速度快时，易生成Fe3C而白口化。冷却速度慢时，铸铁件易于 石墨化。这受铸件的壁厚和造型材料、造型工艺的影响，例如采用金属模 时冷速快，采用砂模时冷速慢。 铸铁中析出石墨后，若石墨

44、化进行得彻底，将得到铁素体基体及石墨的组 织；若石墨化不完全，则得到铁素体及珠光体基体和石墨的组织或珠光体 和石墨的组织。 铸铁的组织是在钢的基体上分布着不同大小和形状的石墨的组织。由于石 墨形态不同，铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。 三、灰口铸铁 灰口铸铁是使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的灰口铸铁是使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的80%。由于断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。由于断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。 42 灰口铸铁中的石墨呈无规则的片状，将基本割裂成许多空洞，好像许多裂缝分布在 钢的基体上，是铸铁的力学性能下降。 图2-22是灰口铸铁显微组织图。灰口铸铁中的石墨越均匀、越细小越好。 灰

45、口铁的铁水中用硅钙合金作变质处理（孕育），能细化灰口铸铁中的石墨，因而， 可使铸铁的强度提高100200Mpa。三种不同的基体的灰口铸铁，以珠光体基体的强 度为最高，但脆性也较大；铁素体基体的灰口铸铁强度稍差一些，但脆性较小。 灰口铸铁的牌号用符号灰口铸铁的牌号用符号HT及数字表示，数字表示铸铁的最低抗拉强度值及数字表示，数字表示铸铁的最低抗拉强度值Rm。例如。例如 HT200，其中的，其中的HT即表示灰口铸铁，数字即表示灰口铸铁，数字200表示灰口铸铁的表示灰口铸铁的Rm200Mpa。 灰口铸铁被广泛作各种承受压力和要求消震性的灰口铸铁被广泛作各种承受压力和要求消震性的 床身、轴承座、端盖、

46、车床尾座、工作台、底座床身、轴承座、端盖、车床尾座、工作台、底座 等工件。在电力工业中灰口铸铁可用作轴承盖、等工件。在电力工业中灰口铸铁可用作轴承盖、 油泵体、低压汽缸和中压缸中部材料；油泵体、低压汽缸和中压缸中部材料；200MW 机组隔板上的导叶、低压缸隔板等。机组隔板上的导叶、低压缸隔板等。 灰口铸铁的微观组织 100 43 可锻铸铁中石墨多为团絮状，其塑性和韧性高于灰口铸铁。图2-23为可锻 铸铁的微观组织，可锻铸铁牌号用KT及数字表示，KT表示可锻铸铁，后面 的两组数字表示最低抗拉强度Rm和最低伸长率。例如，KT350-10表示 Rm350MPa，A11.310。 可锻铸铁是白口铸铁在高温下长时间保温下获得的，所以生产周期长，成 本高，已逐渐被球墨铸铁取代。 （四）可锻