第五章 铁碳合金相图及碳素钢

1、第五章 铁碳合金相图及碳素钢(P56)第一节 铁碳合金中的相与基本组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢 高山流水第一节 铁碳合金中的相与基本组织一、Fe的同素异晶转变及晶体结构（P56）w 同素异晶转变同素异晶转变是指金属在结晶成固态以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象，也称同素异构转变同素异构转变。Fe的冷却曲线及相应的晶体结构（P56）L-Fe -Fe -Fe -F相体心面心体心同素异构转变（重结晶）的特点（P56）1）在固态下进行；2）同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶 界处形成；3）同素异构转变有较大的过冷度；4）同素异构转变往往要产生

2、较大的内应力 注意重结晶与再结晶的区别注意重结晶与再结晶的区别二、铁碳合金中的相（相组成物）1、铁素体（P57）铁素体（F或） 碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体 室温相常作基本相（基体相） 铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好F的金相组织示意图二、铁碳合金中的相（相组成物）2、奥氏体（P58）奥氏体（奥氏体（A A或或） 1）碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体； 2）高温相，存在于727以上，一般不存在于室温； 3）奥氏体强度不高，塑性很好。 二、铁碳合金中的相（相组成物） 3、渗碳体（P58）渗碳体（Fe3C）w 铁与碳形成的间隙化合物，含碳量6.69%；w 室温相常作为钢的第二弥散强

3、化相；w 渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性； 一次渗碳体Fe3CI：从液相直接结晶出来。 二次渗碳体Fe3CII：从A中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。 二、铁碳合金中的相（相组成物） 4、石墨（P58） 石墨（G）w Fe-C合金中游离存在的碳w 石墨的强度、塑性、硬度都很低 二、铁碳合金中的相（相组成物） 4、液相（P58） 液相（L） 液态的铁碳合金 铸铁浇注照片三、铁碳合金中的基本组织（组织组成物）（P58）1、珠光体（P）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物（共析体）。 A0.77 (F+Fe3C) P珠光体的力学性能介于F和Fe3C之

4、间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 727P的金相显微镜组织三、铁碳合金中的基本组织（组织组成物）（P58）2、高温莱氏体（Ld） L4.3 (A+Fe3C) Ld 共晶转变 高温莱氏体是存在于727以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。 1148三、铁碳合金中的基本组织（组织组成物）（P58）3、低温莱氏体（、低温莱氏体（Ld） 在727以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。 低温莱氏体是室温下的一个基本组织 三、铁碳合金中的基本组织（相组成和组织组成物总结）（P58） 相组成相组成: : L、A、F、 Fe3C、G； 组

5、织组成组织组成: : F、A、 Fe3CI 、 Fe3CII 、 Fe3CIII、 P、 Ld、 Ld第二节 铁碳合金相图（P59） 一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 二、对Fe-Fe3C相图的分析 三、典型铁碳合金的结晶过程 四、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 五、Fe-Fe3C相图的应用 一、Fe-C相图与（P59）简化了的Fe-Fe3C相图二、对Fe-Fe3C相图的分析（一）相图中的主要点（P59）点温度碳量含 义A15380纯铁熔点B14950.53包晶转变时的液相成分C11484.3共晶点 LC - (AE+Fe3C) LdD12276.69Fe3C熔点E11482.11C在-

6、Fe中的最大溶解度F11486.69共晶Fe3C成分点G9120-Fe-Fe同素异构转变点H14950.09C在-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶成分点 LB+H - AJK7276.69共析Fe3C成分点N13940-Fe-Fe同素异构转变点P7270.0218C在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点 AS - (FP+Fe3C) PQ室温0.0008 二、对Fe-Fe3C相图的分析（二）相图中的主要相变线（P59）主要线主要线温温 度（度（）含含 义义ABCD15381227液相线AHJECF15381148固相线HJB1495包晶转变线ECF1148共晶线共晶线PSK727

7、共析线共析线 A1ES1148727C在在-Fe中的溶解度线中的溶解度线 AcmPQ727600C在在-Fe中的溶解度线中的溶解度线 GS912727A向F转变的开始线 A3GP912727A向F转变的终了线一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图（P59）二、对Fe-Fe3C相图的分析（二）相图中的相区（P61）相图中的相区相图中的相区 1）单相区）单相区5个：个：L、A、F、Fe3C2）双相区）双相区7个：个：+L、 +A、 A+L、 L+ Fe3C、 A+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C3）三相区）三相区3个：个：L+A、 L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C 包晶线包晶线 共晶线

8、共晶线 共析线共析线三、典型铁碳合金的结晶过程 （一）Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类（P61）1、工业纯铁、工业纯铁 Wc0.02%2、碳素钢碳素钢 0.02% Wc2.11% 1）共析钢）共析钢 Wc=0.07% 2）亚共析钢）亚共析钢 0.02% Wc0.77% 3）过共析钢过共析钢 0.77% Wc2.11%3、白口铸铁白口铸铁 2.11% Wc 6.69% 1）共晶白口铸铁 Wc=4.3% 2）亚共晶白口铸铁 2.11% Wc4.3% 3）过共晶白口铸铁4.3% Wc 6.69% （二）典型合金的相变过程1、工业纯铁在平衡态下的结晶过程（P61）显微组织照片 1点以上 L ； 34

9、点 +A； 67点 F； 12点 L+； 45点 A ； 7点以下 F+ Fe3CIII； 23点铁素体相 ； 56点 A+F； 室温下：相组成物相组成物F、Fe3C （二）典型合金的相变过程1、共析钢在平衡态下的结晶过程（P62）1点以上 L； 12点 L+A； 23点 A；3点 共析转变AS (FP+Fe3C) P（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团34点 F+ Fe3CIII+ Fe3C P室温下：相组成物F、Fe3C； 组织组成物 P%5 .11069. 677. 03CFeQ%5 .88069. 677. 069. 6FQ727（二）典型合金的相变过程3、亚共析钢在平衡态下

10、的结晶过程（P63）077. 077. 0cFWQ077. 00cPWQ 1点以上 L； 2点 包晶转变0.09+ L0.53 A0.17 12点 L+； 5点 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P 23点 A+L； 56点 F+ Fe3CIII +PF+P 34点 A； （Fe3CIII含量很少，可以忽略不计） 45点 A+F； 室温下：相组成物F、Fe3C ；组织组成物F、P1495727（二）典型合金的相变过程含碳量的估算（P64）亚共析钢显微照片（二）典型合金的相变过程 4、过共析钢的相变过程（P64） 1点以上 L； 4点 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P 12点 L

11、+A； 45点 P+ Fe3CII 23点 A； 室温下：相组成物F、Fe3C 34点 A+ Fe3CII 组织组成物P、Fe3CII 77. 069. 677. 03cCFeWQII77. 069. 669. 6cPWQ727显微组织照片显微组织照片（二）典型合金的相变过程5、共晶白口铸铁的相变过程（P65）1点以上： L； 1点 ： 共晶转变L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ；12点： A+ Fe3CII + Fe3C Ld 二次渗碳体与共晶渗碳体 混成一体； 2点 ； 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P； 23点： (P+ Fe3CII+ Fe3C) Ld； 室温下：相组

12、成物室温下：相组成物 F、Fe3C； 组织组成物组织组成物 Ld 渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体 显微照片显微照片1148727（二）典型合金的相变过程6、亚共晶白口铸铁的相变过程（P65）1点以上： L； 12点： L+A； 2点： 共晶转变L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld23点： A+ Fe3CII + Ld；3点 ： 先共晶A共析转变 A0.77 (FP+Fe3C) P Ld Ld34点 ： P+ Fe3CII + Ld ；室温下：相组成物 F、Fe3C ； 组织组成物 ：P、Fe3CII 、Ld 显微组织照片1148727（二）典型合金的相变过程6、过共晶白口铸铁的相变过程

13、（P66）1点以上： L； 12点： L+ Fe3CI ； （ 先共晶渗碳体，呈粗大条状）2点： 共晶转变L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ； 23点 ： Fe3CI + Ld；3点： Ld Ld、 Fe3CI； 34点： Fe3CI + Ld；室温下：相组成物相组成物 F、Fe3C； 组织组成物组织组成物 Ld、Fe3CI 1148过共晶白口铁显微照片四、按组织组成物分区的四、按组织组成物分区的Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图（P67）F+PPP+ Fe3CIIAA+ Fe3CIIF+AA+ Fe3CII+ LdA+ Fe3CII+ Ld Fe3CI + LdFe3CI +

14、LdLdLd五、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响（一）含碳量对铁碳合金组织的影响 （P68）随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很大变化。（渗碳体分布在P内网状分布在A晶界上形成莱氏体时，渗碳体则成了基体 。）（二）含碳量对铁碳合金性能的影响 1、对热变形加工性能的影响（P68）w WC2.11%时（纯铁与碳素钢），高温时可获得单相A固溶体组织（塑性好），可进行热变形加工热变形加工。w WC2.11%时（白口铸铁），高低温区都有脆硬的莱氏体，不能进行热变形加工。 （二）含碳量对铁碳合金性能的影响（二）含碳量对铁碳合金性能的影响 2、对力学性能的影响、对力学性能的影响（P68

15、）（1）硬度硬度 WC增加，硬度增加；（2）强度强度 WC0.9%时，WC增加，强度降低；（3）塑性、韧性塑性、韧性 WC增加，塑性、韧性下降； 为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性、韧性，碳素钢的含碳量一般不超过1.4% 。（二）含碳量对铁碳合金性能的影响 3、对物理化学性能的影响（P68）w WC增加，导热性下降、抗电化学腐蚀性能下降、焊接工艺性下降、铸造工艺性下降 六、Fe-Fe3C相图在工业生产中的应用1、在选材方面的应用（P69）根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）: : 1）要求塑性、韧性好而强度不高的机件低碳钢（WC0.25%）；（如冷冲压

16、件） 2）要求强度、塑性、韧性等综合性能好的机件中碳钢（WC=0.3%0.55%）并进行适当的热处理；（如机床主轴） 3）各种工具用钢高碳钢 。（如锉刀）六、Fe-Fe3C相图在工业生产中的应用2、在铸造方面的应用（P69）1）确定合理的浇注温度 铸件的合理浇注温度一般选在液相线以上50100 ；2）铸铁件的化学成分多选在共晶点附近，此成分的铁碳合金结晶温度区间较小，流动性好、分散缩孔小。 六、Fe-Fe3C相图在工业生产中的应用3、在锻造方面的应用（P69）w 根据相图选择最佳压力加工工艺温度范围压力加工工艺温度范围。 锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200左右。 停止锻轧温度一般要控

17、制在800左右。六、Fe-Fe3C相图在工业生产中的应用4、在热处理方面的应用（P70）w Fe-Fe3C相图中的 A1、A3、Acm三条三条 相变线相变线是确定碳素 钢热处理工艺加热 温度的依据。 PSK： A1 GS： A3 ES： AcmA1Acm第三节 碳素钢（P70）一、钢中常存杂质对钢性能的影响 二、碳素钢的分类、钢号和主要用途 一、钢中常存杂质对钢性能的影响1、Mn的影响（P70）w 钢中常在杂质有：Si、Mn、S、P和氧、氢、氮和氧、氢、氮等气体。等气体。w Mn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素。w 锰有较强的脱氧能力，锰大部分溶于F，使钢强化，锰对钢有益。w 锰能

18、降低S对钢的危害。w 一般碳素钢中把锰控制在0.25%0.8%范围内。 一、钢中常存杂质对钢性能的影响2、Si的影响（P70）w Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。w Si比锰脱氧能力强，硅溶于F，提高钢的强度和硬度，但会使塑性和韧性降低。w 硅促进Fe3C分解成石墨，若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降，产生所谓的“黑脆黑脆”。w 硅在碳素钢中一般控制在0.170.37%范围内一、钢中常存杂质对钢性能的影响3、S的影响（P70）w S可使钢的“热脆热脆”性增加。（S不溶于-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔点为1190，而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上，其熔点仅为985。）w S对

19、钢的焊接性能也有不良影响，容易导致焊缝热裂。所以，S在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.05%。但是，S能改善钢材的切削性能。 一、钢中常存杂质对钢性能的影响4、P的影响（P71）w P会引起钢的“冷脆冷脆”。（P在钢中全部溶于-Fe中，使钢的强度和硬度增高，同时，塑性和韧性显著降低。当钢中含P量达0.3%时，钢完全变脆，这种脆性现象在低温时更为严重。）w P还降低钢的焊接性能。所以，P在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.045%。但是，S能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能。 一、钢中常存杂质对钢性能的影响5、气体的影响（P71）w 氧会降低钢的力学性能，尤其是疲劳强度。对钢无益，越

20、少越好。w N会以氮化物的形式析出，增加钢的强度和硬度，但会降低钢的塑性和韧性，使钢变脆。w H会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆氢脆”。 H会使钢中产生裂纹，称为“白点白点”。 二、碳素钢的分类、钢号和主要用途二、碳素钢的分类、钢号和主要用途（一）碳素钢的分类（一）碳素钢的分类 （P72）1、按钢中含碳量分、按钢中含碳量分（1）低碳钢 WC0.25%（2）中碳钢 0.25%0.6% 2、按钢的质量分按钢的质量分（1）普通钢 WS0.05% WP0.045%（2）优质钢 WS0.035% WP0.035%（3）高级优质钢 WS0.02% WP0.03% 二、碳素钢的分类、钢号和主要用途二、碳素钢的分类、钢号和主要用途（一）碳素钢的分类（一）碳素钢的分类 （P72）3、按钢的用途分（1）碳素结构钢 （2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）二、碳素钢的分类、钢号和主要用途二、碳素钢的分类、钢号和主要用途（一）碳素钢的分类（一）碳素钢的分类 （P72）4、按炼钢时的脱氧程度分、按炼钢时的脱氧程度分（1）沸腾钢（F） 脱氧不彻底（2）镇静钢（Z