铁碳合金简化版教学

1、第4章 铁碳合金 当今，材料的种类繁多，但在机械工程上仍然主要使用金属材料。而钢铁是金属材料中产量最大、应用最广的。 钢铁的基本成分是铁元素和碳元素，故又称为铁碳合金。 本章主要介绍铁碳合金的成分、组织和性能的关系。n0.0218n0.77n2.11n4.3n6.69 平衡状态如果合金的温度随时间的变化非常缓慢，就将这种状态称为平衡状态或平衡条件。 平衡组织合金在平衡状态所具有的组织。 铁碳合金4.1 铁碳合金的平衡组织 4.1 铁碳合金的平衡组织 1.奥氏体（A） 碳溶于 铁形成的固溶体。面心立方晶格 奥氏体的强度硬度很低，塑性韧性很好。 奥氏体是一种高温组织，只能在727 以上才能稳定存在

2、。 溶碳能力在1148时最大为2.11%。 碳钢室温组织中无奥氏体。 铁碳合金4.1 铁碳合金的平衡组织 2.铁素体（F）碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 表示。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%。强度硬度很低，但塑性韧性很好，性能与纯铁相似。 3.渗碳体（Fe3C）碳元素与铁元素的化合物，含碳6.69%。渗碳体的硬度非常高，强度并不高，塑性几乎为零，是一种硬而脆的组织。渗碳体的形态对铁碳合金的性能的影响比较大。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中

3、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。 铁碳合金4.1 铁碳合金的平衡组织4.珠光体（P）铁素体与渗碳体的层片状混合物。含碳量0.77%珠光体的强度比铁素体和渗碳体都高，硬度和塑性介于后两者之间。 铁碳合金4.1 铁碳合金的平衡组织5.莱氏体（Ld）莱氏体是珠光体与渗碳体的混合物。含碳量4.3%莱氏体中包含了大量的渗碳体，所以又硬又脆。 铁碳合金4.1 铁碳合金的平衡组织4.2 铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是一种表达铁碳合金组织变化规律的一种工具。它表达出铁碳合金的组织与温度、成分之间的关系。 铁碳状态图是在平衡条件下通过实验测绘的，故又称为铁碳平衡图，也称为

4、Fe-Fe3C状态图或铁碳相图。 铁碳状态图只能用于在平衡条件下分析铁碳合金的组织变化。n 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能nA+FnL+AnA+ nL+ nFn nAnLnL+ Fe3CnA+ Fe3CnA+ Fe3C+LenLenLe+ Fe3CnLe+ Fe3CnLenP+ Fe3C+LenP+ Fe3CnP+FnPnC% 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能 铁碳合金 4.2 铁碳合金状态图 Fe-Fe3C状态图 分析 铁碳合金 4.2 铁碳合金状态图 在已知铁碳合金的成分（即含碳量Wc）和温度的条件下，根据Fe-fe3C状态图，可以很容易地判断其组织状态。共析反应共析

5、反应：在一定温度下，一种固体析出两种固体共晶反应共晶反应：在一定温度下，一种液体同时析出两种固体 铁碳合金 4.2 铁碳合金状态图 n亚共析钢亚共析钢n共析钢共析钢n过共析钢过共析钢n共晶白口铁共晶白口铁n过共晶白口铁过共晶白口铁n亚共晶白口铁亚共晶白口铁n工业纯铁工业纯铁 4.3 铁碳合金的分类、组织和性能4.3.1 按室温平衡组织的分类 类别含碳量/ %室温平衡组织工业纯铁WC 0.0218F钢亚共析钢0.0218 WC 0.77F+P共析钢WC = 0.77P过共析钢0.77 WC 2.11P+ Fe3C白口铸铁（生铁）亚共晶白口铁2.11 WC 4.3P+ Fe3C+Ld共晶白口铁WC

6、 = 4.3Ld过共晶白口铁4.3 WC 6.69Ld+Fe3C 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能1. 工业纯铁 Wc0.0218%，只有F组织，强度硬度都很低，一般只作为电工软磁材料，不用来造机械零件。 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能2. 钢 0.0218 WC 2.11，又可分为亚共析钢、共析钢和过共析钢，室温组织中都有P；加热到足够高的温度，都能得到单一 A 组织，故可以锻压加工。钢的组织和性能具有多样性，用途很广，是最重要的工业材料。亚共析钢 200 共析钢 800 过共析钢 200 F+P P P+ Fe3C 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能3. 白口

7、铸铁（生铁） 2.11% WC 6.69% ，又可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁，都有莱氏体组织，因而又硬又脆。一般不用来制造机械零件，而是作为炼钢和铸造生产的原料。亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁P+ Fe3C+Ld Ld Ld+Fe3C 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能4.3.2 含碳量对钢的组织和性能的影响 亚共析钢（0.0218 WC 0.77）具有F+P 组织，随着WC 增高，F减少，P增多，故强度硬度上升，塑性下降。WC=0.1% WC=0.2%WC=0.4% WC=0.7% 铁碳合金4.3 铁碳合金的分类、组织和性能 共析钢（WC = 0.77%）具有

8、 P 组织，强度硬度较高。 过共析钢（0.77% WC 2.11%）具有P+ Fe3C 组织，当WC0.9%，硬度随含碳量升高而升高，但因 Fe3C 形成连续网状，故强度、和塑性都随含碳量升高而下降。共析钢 800过共析钢 800钢按含碳量的分类低碳钢低碳钢：（：（W WC C0.30%0.30%） 低碳钢的强度硬度比较低，但塑性韧性较低碳钢的强度硬度比较低，但塑性韧性较好；好； 中碳钢中碳钢：（：（0.30%0.30%W WC C0.60%0.60%） 中碳钢有较好的综合力学性能；中碳钢有较好的综合力学性能；高碳钢高碳钢：（：（W WC C0.60%0.60%） 高碳钢的硬度和耐磨性高，但脆性较大。高碳钢的硬度和耐磨性高，但脆性较大。4.4 4.4 铁碳合金知识在生产中的应用铁碳合金知识在生产中的应用1. 在选择钢铁材料方面的应用建筑结构(如钢筋、支架)、日用五金制品(如铁丝、螺栓和螺帽、钢制家具)、电器零件(如冰箱外壳、电风扇叶片)等，由于这些产品对强度要求不很高，但要求钢材有较好的塑性，以便加工成型，所以常选用低碳钢。机械零件如齿轮、轴等，要求材料有良好的综合力学性能，也就是说，材料的强度、硬度、塑性、韧性都要达到一定水平。通常选用中碳钢。 白口铸铁硬度高，脆性大，不能锻造，难以切削加工，一般不用来制造机械零件。但它的铸造性能很好，可以用铸