第五章铁碳合金

1、l铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。l含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢钢l含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称的称铸铁铸铁。l铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。，它们都可以作为纯组元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图相图。FeFe3CC%(at%) l碳在碳在-Fe中的固溶体称

2、中的固溶体称 -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。 l都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 l 奥氏体奥氏体:l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳

3、能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体l 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、强度低强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C

4、(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体l 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + l 特征线特征线l 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD l 三条水平线：三条水平线：lHJB：包晶线：包晶线LB+H J lECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3Cl共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱

5、氏体莱氏体, 用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体lPSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3Cl共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。l 其它相线其它相线lGS,GP 固溶固溶体转变线体转变线, GS又称又称A3 线。线。lES碳在碳在 -

6、Fe中的中的固溶线。固溶线。又称又称Ac m线。线。lPQ碳在碳在 -Fe中的中的固溶线。固溶线。l 三个三相区：三个三相区：即即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区相区l 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C l 钢钢(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组织为单相 l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)l 共析钢共析钢 (0.77%C)l 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)

7、l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, 硬而脆硬而脆l 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)l 共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%C)l 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)l工业纯铁的工业纯铁的结晶过程结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点

8、间转变为 ，3-4点间点间 ，5-6点间点间 。到到7点，从点，从 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+ + + l工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，增加，合金的合金的室温下组织为室温下组织为F+ Fe3C。l室温下室温下Fe3C最大量为最大量为: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。l 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程

9、 l合金液体在合金液体在1-2点间转变点间转变为为 。到。到S点点发生共析转发生共析转变：变： S P+Fe3C, 全部转变全部转变为为珠光体。珠光体。l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程l珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状.l转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P.%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠

10、光体珠光体Ql室温下，珠光体中室温下，珠光体中两两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219l 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程l0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应.l以以0.45%C的钢为例的钢为例l合金在合金在4点以前通过匀点以前通过匀晶晶包晶包晶匀晶反应全匀晶反应全部转变为部转变为 。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点, 成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点， 发生发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析反应转变为珠

11、光体。温度继续下降， 中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合, 且量少且量少, 忽略不计忽略不计. +Fe3CGSPABJHl利用平衡组织中珠光体所利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为： %PSSQ%PSPQP10051005 ，Sl室温下相的相对重量室温下相的相对重量百

12、分比为：百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。l在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织l 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 l合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3

13、点点, 开始析出开始析出Fe3C。从奥氏从奥氏体中析出的体中析出的Fe3C称称二次渗碳体二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示, 其其沿晶沿晶界呈网状分布界呈网状分布.l温度下降温度下降, Fe3C量增加。量增加。到到4点，点， 成分成分沿沿ES线变化到线变化到S点，余下的点，余下的 转变为转变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的相对量？的相对量？l过共析钢过共析钢室温组织为室温组织为P+ Fe3C 。lFe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加, 含碳量为含碳量为2.11%时时, Fe3C量最大：量最大：%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含

14、含1.4%C钢的组织钢的组织l室温下两相的相对室温下两相的相对重量百分比：重量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653l室温下两组织组成物室温下两组织组成物的相对重量百分比：的相对重量百分比：12345SPCFePQ%L S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653l 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 l合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶莱氏体是共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物, 呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C l共晶转变结束时，两相的

15、相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， lC点以下点以下, 成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨。结合，不易分辨。12 Fe3Cl温度降到温度降到2点点, 成分达到成分达到0.77%, 此时此时, 相的相对重量相的相对重量: l在在2点点, 共晶共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种发生共析反应，转变为珠光体，这种由由%.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， P与与 Fe3C组成的组成的共晶体称共晶体称低温莱

16、低温莱氏体氏体, 用用Le表示表示. 2 点以下，共晶点以下，共晶体中体中P 的变化同的变化同共析钢。共析钢。Sl共晶白口铁室共晶白口铁室温组织为温组织为Le (P+ Fe3C), 它它保留了共晶转保留了共晶转变产物的形态变产物的形态特征。特征。l室温下两相的室温下两相的相对重量百分相对重量百分比为：比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ l 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程l合金在合金在12点间析出点间析出 。到。到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点点,并转变为并转变为Le。23点间从点间从 中析

17、出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被共晶被共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点， 转变为转变为P。l亚共晶白口铁亚共晶白口铁室温组织室温组织为为P+Fe3C+Le。l室温下组织组成物相对室温下组织组成物相对重量百分比为重量百分比为 ：33222.11 0.776.690.77100%IIIILeLeFe CpLeFe CEQQECCQECQQQECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比?l 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程l12点间点间从液相中析出从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体这种渗碳体称称一次渗碳一次渗碳体体，用用 Fe3C表示，呈粗条片状。

18、表示，呈粗条片状。到到2点，余下的液点，余下的液相成分变到相成分变到C点并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C124l2点以下点以下, Fe3C成分重量不再成分重量不再发生变化发生变化, Le变化同共晶合金变化同共晶合金,其其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。 l组织组成物与相组织组成物与相组成物标注区别组成物标注区别主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe3C两个相区两个相区. + Fe3C相区中相区中有有四个组织组成物四个组织组成物区，区， +Fe3C相区相区中中有七个组织组有七个组织组成物区。成物区。l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C +

19、 Fe3C FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度l 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响l 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 l含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶

20、白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体l 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响l亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强度、硬度钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。升高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0

21、.9%C，Fe3C为晶界为晶界连续网状，连续网状，强度下降强度下降, 但但硬度仍上升。硬度仍上升。l2.11%C，组织中有以组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合金太脆合金太脆.l 含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响l 切削性能切削性能: 中碳钢合适中碳钢合适l 可锻性能可锻性能: 低碳钢好低碳钢好l 焊接性能焊接性能: 低碳钢好低碳钢好l 铸造性能铸造性能: 共晶合金好共晶合金好l 热处理性能热处理性能: 第六章介绍第六章介绍铸铸造造焊缝组织焊缝组织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨l工业用钢工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。按化学成分分为碳

22、素钢和合金钢两大类。l碳素钢碳素钢是指含碳量低于是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。l合金钢合金钢是指为了提高钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。素所获得的铁基合金。 l1、Mn: 0.8%时为杂质时为杂质, 是有益元素。作用为：是有益元素。作用为： l 强化铁素体；强化铁素体；l 消除硫的有害作用。消除硫的有害作用。一、杂质元素对性能的影响一、杂质元素对性能的影响l钢中的杂质一般是指钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带。是由原料带入或脱氧残留的元素。入或脱氧残留的元素。l 强化铁素体；强化

23、铁素体； l 增加钢液流动性。增加钢液流动性。 l3、S：是有害元素。：是有害元素。l常以常以FeS形式存在。易与形式存在。易与Fe在晶在晶界上形成低熔点共晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时热加工时(11501200)，由于其，由于其熔化而导致开裂，称熔化而导致开裂，称热脆性热脆性.l钢中的硫应控制在钢中的硫应控制在0.045%以下以下.l2、Si： 0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：时为杂质，是有益元素。作用为： 合金晶界的低熔点硫化物共晶合金晶界的低熔点硫化物共晶lMn可消除硫的有害作用可消除硫的有害作用,lFeS + Mn Fe + MnS，lMnS熔点高熔点高(1600)。l

24、4、P：也是有害元素：也是有害元素。l能全部溶入铁素体中，使能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，钢在常温下硬度提高，塑塑性、韧性急剧下降性、韧性急剧下降，称，称冷冷脆性脆性。lP一般控制在一般控制在0.045%以下以下.钢中的钢中的MnS夹杂夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中年冬发生断裂坠入河中 二、钢的分类二、钢的分类1、按化学成分分、按化学成分分 中碳钢中碳钢 0.250.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合

25、金元素总量 510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢钢钢 类类碳碳 素素 钢钢合合 金金 钢钢PSPS普通质量钢普通质量钢0.0450.0450.0450.045优优 质质 钢钢0.0350.0350.0350.035高级优质钢高级优质钢0.0300.0300.0250.025特级优质钢特级优质钢0.0250.0200.0250.015l2、按质量分、按质量分l钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。l分为分为普通质量钢普通质量钢、优质钢优质钢、高级优质钢高级优质钢和和特级优质钢特级优质钢.l根据现行标准，各质量等级钢的磷、

26、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下： 工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢耐耐 磨磨 钢钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢特特 殊殊 性性能能 钢钢挤压模具挤压模具l三、钢的编号三、钢的编号l我国钢材的编号是采用我国钢材的编号是采用汉汉语拼音字母语拼音字母、化学元素符化学元素符号号和和阿拉伯数字阿拉伯数字相结合的相结合的方法。方法。l采用汉语拼音字母表示钢采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母语拼音中选取第一个字母.名称名称符号符号位置位置名称名称符号符号位置位置碳素结构钢碳素结构钢Q头头桥梁用钢桥梁用钢q尾尾低合金高强度钢低合金高强度钢Q头头锅炉用钢锅炉用钢g尾尾易切削钢易切削钢Y头头焊接气瓶用钢焊接气瓶用钢HP尾尾碳素工具钢碳素工具钢T头头车辆车轴用钢车辆车轴用钢LZ头头(滚珠滚珠)轴承钢轴承钢G