第四章铁碳合金(李)综述

1、铁碳合金第一节纯铁、铁碳合金的组织结构及性能、铁的同素异构口 1600- 诞 1500- 及 1400一1300 - 1200- 1100- 1000-900- 800 700 - 600- 5001534912 ° C时间a - Febcc二、铁碳合金的基本相和组织（液和、铁素体、奥氏体A、渗碳体Fe?C、珠光体P 莱氏体Le） 1-组元；Fe、Fe3c 2.相 铁素体： 碳在a-Fe中的固溶体称铁素体，用F或a表示。碳在岳Fe中的溶体称3 -铁素体，用6表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%,室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边

2、形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体(F或a )A定义：碳溶于a-Fe中所形成的间隙固溶体A晶格结构：bcc>最大溶解度：0.02% (727)> 性能： 。/180230MPa o 0 2=1001 70MPaHBS=50806 =30%50%W =70%80%ak=1 60-200J/cm 2 6-铁素体：碳溶于b-Fe中所形成的间隙固溶体，最大溶解度: 0.09% (1495)奥氏体:碳在广Fe中的溶体称奥氏体。用A或7表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材 热加工都在7区进行.碳钢室

3、温组织中无奥氏体。奥氏体（A或丫 ）»定义：碳溶于yFe中所形成的间隙固溶体（高温组织）A晶格结构：fee>最大溶解度：2.11% （1148）> 性能：nb400MPa HBS=170-220 8=40%50% 高 塑性、无磁o佐总子修蟆子渗碳体：即Fe3G含碳6.69%,用Fe3c或Cm表示。 Fe3c硬度高、强度低6/35MPa）,脆性大，塑性几乎为零 Fe3c是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解： FejCf 3Fe+C （石墨），该 反应对铸铁有重要意义。由于碳在所Fe中的溶解 度很小，因而常温下碳在 铁碳合金中主要以Fe3c或 石墨的形式存在。 渗碳体（Fe

4、3C）A定义：Fe与C所形成的金属化合物A晶格结构：复杂正交> '性能与仁30NlPa HBS=800 60 硬而脆（耐磨性好）> Fe3c 高温一> 3Fe+C （石墨）> 合金渗碳体：（Fe、Me） 3CFe3 （ C、N）或 Fe3 （ C、B）> 石墨碳A晶格结构：简单六方O铁原子珠光体（P）A定义：F与Fe3c所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：ob-750MPa HBS=180 620%25% ak=30-40J/cm2综合性能0A性能：加工性能机械性能莱氏体（Ld> Ld 或 Le、Lc ）A定义：A与Fe3c所形成的机械

5、混合物（平均含碳量:4.3%）»性能：硬而脆第二节 铁碳合金相图分析1、特性线液相线、故相线、固溶线、两个恒温反应2、相区单相区、两相区、三相区Fe-Fe3 C相图3、特性点4、典型合金的结晶过程C=O.O1% 0.45% 0.77% 1.2% 3.0% 4.3% 4.5%23456 6.69lce %（%）-Fe-?e3 C相品 5、含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响对组织的影响对性能的影响过共析钢工业纯铁亚共析钢白口铸铁共晶白口铸铁_ 洪晶白口铸建钢铁分类含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 D.77%C时，组织为100%P

6、,钢的性能即P的性能。 >0.9%C, Fe3cli为晶界连续网状，强度下降，但硬度仍上升。 >2.11%C,组织中有以Fe3c为基的Le合金太脆.-含碳量对工艺性能的影响 切削性能：中碳钢合适 可锻性能：低碳钢好 焊接性能：低碳钢好 铸造性能：共晶合金好 热处理性能：第五章介绍制定热加工工艺方面的应用(-)在铸造工艺方面的应用铸造生产中，合理的确定浇注温度对产品的质量起着重要 的作用。浇注温度过高，会使液态金属的吸气量和总收缩量增大，等缺确上属生易在铸件中形成气孔，缩孔陷；冷隔和浇不足等缺陷。浇注温度过低，会使液态金 流动性变差，在浇注中容易产。根据FeFe3c相图可以合理地 定

7、浇注温度一般定为液相线以 50 100。液相线和固相线之间距离愈大，其流动性愈差，成分偏析 愈大，分散缩孔也愈多；液相线和固相线之间距离愈小，其流动性愈好，成分偏析 愈小，分散缩孔也愈少。纯铁与共晶成分的合金其液相线和固相线距离最小(为零), 故其流动性好，偏析小，分散缩孔少，形成的集中缩孔可移 至冒口，从而得到致密的铸件。因此在铸造生产中接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应 用。II0 015 1.0 1.5 2.0 2.5 3*0 3.5 4.0 4.5 5.0图4-22 Fe-FqC相图与铸锻工艺的关系（-）在锻造方面的应用铸钢件存在不可避免的组织缺陷（缩孔、疏松；气 孔等）,直接用金属切

8、削加工制造存在金属纤维被切断， 导致机械性能不高，因此一些重要的零件都要求用锻件。钢材锻造时，需要把钢加热到一定的温度范围内进 行，即钢的始锻温度和终锻温度奥氏体的塑性较好，随温度升高奥氏体的变形抗力 也不断减小，因此必须把钢加热到Fe-Fe3c相图奥氏体单相 区中的适当的温度范围。始锻温度不得过高，过高会使金 属产生过烧或熔化的现象（加热温度过高，氧渗入金属内 部，使晶界氧化，形成脆性晶界，锻造时一打就破碎而报 废）。碳素钢的始锻温度通常定为固相线以下200左右，而终锻温 度不能过低广过低会使金属的塑性显著降低，这样锻造时易 形成锻造裂纹。碳素钢的终锻温度应在GSE线附近，.六一； 一般定为

9、800。左右。（三）在热处理方面的应用 热处理工艺更是离不开 Fe-Fe3c相图，如退火、正火、 淬火的加热温度都是根据Fe- Fe3c相图来确定的，具体应用 将在下第五章中介绍。在钢中形成FeS , FeS与Fe 形成低熔点（985-C）共晶 体分布在晶界上，使得对钢 进行热加工时容易脆化开裂, 这种现象称为热脆。热加工温度执脆800-1200eC次限> P有害元素（炼钢原料和燃料）引起钢的塑性和韧性急剧 下降，尤其在低温时脆性 更大，这种现象称为冷脆。第三节 破钢一、钢中常存元素对钢的性能的影响钢中五大元素：C、Si、Mn、P、S> S有害元素（炼钢原料和燃料）Fe+S -&g

10、t;FeS, （Fe+FeS） 低熔点共晶体1193WC 989'C分布于晶界处CIS>0.020%）其他作用：降低焊接性能，引起高温龟裂，恶化钢的耐蚀性，偏析最为 严重的元素；以FesP或FezP形式存在于晶界=> 韧脆转变温度升高 金“冷脆”其他作用：使钢的焊接性能与冷弯性能变差，可提高钢的强度、耐腐蚀性> Mn有益元素（炼钢时加入的脱氧剂，一般vo.8%）少量溶于F,形成置换固溶体固溶强化形成合金渗碳体=影响相变时的转变速度提高珠光体的相对量，并使其细化形成MnS （熔点1620 ）降低或消除钢的热脆倾向条状MnS夹杂=> 横向性能下降A过多会造成塑性下降

11、。> Si有益元素（炼钢时加入的脱氧剂，一般vo.5%）少量溶于F,形成置换固溶体固溶强化形成硅酸盐夹杂匚> 横向性能下降A过多会造成塑性下降，冲击性能变差。气体元素：H、N、0H氢脆（白点、发纹）N蓝脆（应变时效）钢的分类A按化学成分分类A按质量分类-（黎蓉舞钢）一低碳钢也、0.25%中碳钢 r=0.25%0.60%L高碳钢匕0.60%低合金钢合金钟中合金钢 L高合金钢wc5% 匕.=510% 吗10%碳素结构钢低合金结构钢ws W0. 055% 叫WO. 045%优质钢一D级碳素结构钢优质碳素结构钢 叫040% W0. 040% 合金结构钢L碳素工具钢高级优质钢（A）中慧器翼嚣

12、中。.。3。华.。35%高级优质合金结构钢J特级优质钢（E） 叫0.015% 0. 025%0氧化物夹杂钢的分类碳素结构钢低合金高强度结构钢渗碳钢结构钢 调质钢轴承钢弹簧钢»按用途分类刃具钢工具钢 模具钢量具钢不锈钢特殊用途钢 耐热钢耐磨钢钢的编号1、普通碳素结构钢甲类钢：只保证机械性能A1 ,A2,A3热扎状态供应，一般不经热处理强化。乙类钢：与甲类钢基本相同，保证化学成分B1,B2,B3特类钢：乂保证化学成分同时保证机械性能C1,C2,C3钢的编号2、优质碳素结构钢：两位数字表示钢的平均含碳量，以0.01%为单位。符号如45、40Mn等“Mn”表示含镒量较高J %)=。15。.6

13、。%(%)=0.71.°L %)之0.60%()=0.9 1.245 表示平均碳质量分数为045%的优质碳素结构钢。65Mn表示Wc为0.65%、含锌量较高必产0.9 1.2%)的优质碳素结构钢。08F表示Wc为0.08%的优质碳素结构钢,属沸腾钢。分：Wc=0. 05-0. 85%,多数为低中碳成分，少数高碳。处 理：一般使用时必须进行热处理。能：较高强度，较好塑性与韧性，性能变化范围较大。典型牌号：4508F、20、45、65冷冲压件, 如汽车和 仪表外壳、 容器、罩 子等。冷冲压件、 焊接件和 标准件、 渗碳件等 零件。调质件：机 床齿轮、机 床主轴、曲连杆等重要零件。弹性件和

14、 耐磨件： 小尺寸弹 簧、低速 车轮等钢的编号A碳素工具钢 T+数字(A)"T”为“碳”字汉拚一字首，后面数字表示施的千分之几钢的平均含碳量，以0.01%为单位。“A”T7 T8 T9 T12T13 (A)表示高级优质。T8表示平均碳质量分数为08%的碳素工具钢。T12A表示平均碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。成分:Wc=0. 70-1.30%,高碳钢热处理：必须经淬火回火处理。性能：高的硬度、强度，良好的耐磨性，一定的塑性与韧性。典型牌号:T8、T10> T12A各类手工工具和低速工具。T7、T10、T12、 T13A承受振动、 冲击的工 具，如冲 头、大锤、 木

15、工工具。用于需要较高 耐磨性和一定 韧性的工具， 如手工锯条、 剪金属用剪刀。不受振动和冲 击的耐磨工具, 如丝锥、锂刀、 乔刀、板牙、 量具等。第四节铸铁铸铁的概念：含碳量大于2.11%（一般为2.5%4.0%）铁碳合金含Si、Mn. S、P等元素）铸铁的特点:历史上使用较早最便宜的金属材料之一铸造性能极好，且只能用铸造成形生产成本低，工艺简单，减震性耐磨性好，切削加工性好主要用于制造各种 机器零件概论一、铸铁的成分、组织和性能特点1、铸铁的成分特点a、含碳量理论上含C： 211%669%的铁碳合金都属于铸铁，但工业上常用铸铁的含碳量一般在：2.50%4.00%之间。b、含硅量铸铁是以铁碳硅

16、为主的多元铁基合金：Si： 1.003.00% Mn： 0.50.4%概论C、其它元素含有较多的硫、磷杂质：P： 0.010.50%, S： 0Q20.20% 为了提高铸铁的性能，添加少量Cr. Ni、Cu、Ak Mo、V等2、铸铁的组织特点铸铁组织与钢相比,:大的不同就是含有石墨,决定了铸铁与钢不同的性能（石墨:简单六方晶格，两底面间距较大，结合力弱，易形成片状碎片强度，塑性极低接近于零）。二、铸铁中的石墨化过程1、石墨化过程福铁中石要班料的招区，希省嵇铁崎石宴化过程。FeC合金中，碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体（FesC）和游离态的石墨（G）两种形式存在。Fe3c是一种亚稳定

17、相，G是一种稳定的相。3Fe +C （高温）Fe -Fe3C亚稳系状态图，Fe - G稳定系状态图2、铸铁的石墨化>石墨化的过程:第一阶段:过共晶铸铁L - G共晶、亚共晶铸铁第二阶段：A 1154736c >+p、»习第三阶段：As共析石溜:次石墨G3、影响铸铁的石墨化因素a、化学成分b、冷却速度三、铸铁的分类1、根据铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，可分为三种:a、灰口铸铁（普通铸铁）第一、二步骤石墨化过程充分进行的铸铁,其断口为暗灰色，工业上所用铸铁几乎全部属于这类铸铁。灰口铸铁又根据第三步骤石墨化程度的不同分为：铁素体灰铁、F+P灰铁、珠光体灰铁b、白口铸铁（炼钢生

18、铁）第一、二、三步骤石墨化过程完全被抑制,尸e 。合金完全按照尸乙尸。3。结晶而得到的铸铁，C以Fe3c形式存在组织中存在莱氏体组织，其断口呈白亮色，故得名白口铸铁。白口铸铁硬脆，主要作为炼钢原料。c、麻口铸铁第一步骤石墨化过程未充分进行的铸铁，其组织介于白口与灰口之间，含有不同程度的莱氏 体，有较大的脆性，工业上很少应用。2、根据铸铁中石墨的形态铸铁分为:灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁a、灰口铸铁石墨呈片状，典型灰口铸铁，这类铸铁机械性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，应用最广。b、可锻铸铁（韧性铸铁,玛钢）石墨呈团絮状，用白口铸铁经长时间高温退火后，Fe3c分解而得到团絮状石墨组织的铸 铁。

19、由于石墨呈团絮状，对基体的割裂作用比片状石墨小一些，故机械性能（尤其冲击韧性）高于灰口铸铁。可锻铸铁由于生产工艺复杂，成本较高，应用很少。C、球墨铸铁石*做伙博取这种铸铁强度高，生产工艺比可锻铸铁简单,且可通过热处理进一步提高强度。球墨铸铁既保持了铸铁的特点，又具钢的高强度、高韧性，故应用越来越多。二、灰口铸铁灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁，灰口铸铁占80%以上一、灰口铸铁的组织与性能灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的,其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。易出现白口组织，力学性能和铸会使石墨数量多且粗大，基体内降低铸件的性能.铁素体量增多, 二、影响石墨化的

20、因素 化学成分的影响 碳和硅是强烈促进石墨化的元素。 碳、硅含量过低, 造性能变差。 碳、硅含量过高,碳、硅量控制范围：2.54.0%C, 1.03.0%Si。 Ak Cu、Ni、Co等元素对石墨化有促进作用。 S、Mn、Cr、W、Mo、V等元素阻碍石墨化。冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按FeG相图进行，因而促进石墨化。由于石墨呈片状，对基体的割裂作用最大，灰口铸铁抗拉强度、塑性、韧性较低，抗压强度较高, 具有良好的铸造性能、切削加工性能、减摩性能、 消震性能。用途：机床、床身、机架、箱体、导轨、缸体等。二、灰口铸铁的牌号H T 2 040"T 嬴抗弯强度

21、的十分之一，MN/m2 最低抗拉强度值得十分之一，MN/m2灰铁三、孕育铸铁（变质铸铁）为了细化片状石墨，提高铸铁的机械性能,铸铁时常进行变质处理。向铁水中加入少量变质 剂（孕育剂），使铸铁结晶时产生大量人工晶核,以促进石墨的成核和结晶，使石墨片显著细化。常用的变质剂:硅铁合金硅钙合金为了防止石墨化程度过大，石墨片长大（获得珠光体基体），应控制原铁水中的c、si含量。经变质处理的铸铁，具有较高的强度，塑、韧性显著改善。对冷却速度不敏感（壁厚敏感 性），铸件各部位都得到均匀组织。壁厚敏感性：冷速越慢，石墨片越粗大，基体组织粗化。三、可锻铸铁可锻铸铁是先将铁水浇铸成白口铸铁，然后经石墨化退火，使渗

22、碳体发生分解形成团絮状石墨的一种韧性铸铁。可锻铸铁的延伸率可达3= 12%,故名可锻。珠光体可锻铸铁 铁索体可锻铸铁一、可锻铸铁的组织做软，金属基体加面朱秋后宴做恐。 可锻铸铁的生产工艺由两个相矛盾的过程组成：首先将铁水浇铸成纯白口铸铁，然后经石墨化 退火，使之成为团絮状石墨。为了保证获得纯白口 组织，要求c、Si含量不能太高，否则石墨化倾 向大，得不到纯白口组织，而成为麻口或灰口组织。 这样在随后的石墨化退火中，片状石墨会长大，而 得不到团絮状石墨；而C、S，含量太低，则石墨化 退火的周期很长，生产率降低。性能：强度、塑韧性优于HT,低于QT。铁素体可锻铸铁：有一定的强度，塑性、韧性较好珠光体可锻铸铁：强度、硬度、耐磨性好，有一定 的塑性、韧性5212%,有一定的塑性变形能力，但不 能锻造）应用：形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，汽车 拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等）g乃±*文小Atn ix dtAinn 63 S'mb缚忌X IB条C1JNKA1. UNION%S(N kt rt 113Al J. » H .