第4章铁碳合金

1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金钢铁是以钢铁是以铁、碳为基本组元铁、碳为基本组元的复杂合金。的复杂合金。 铁与碳可以形成铁与碳可以形成Fe3C 、Fe2C、 FeC等一系列化合物等一系列化合物第一节第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织-Fe -Fe -Fe1394 912 b =180230MPa， s =100170MPa， =3050%， 硬度为硬度为5080HBS。可见纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，有高的可见纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，有高的磁导率，一般作为电工材料用作铁芯。磁导率，一般作为电工材料用作铁芯。2.渗碳体（渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳

2、形成的金属化合物，碳含渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是量是6.69，具有复杂的晶体结构的间，具有复杂的晶体结构的间隙化合物，可用符号隙化合物，可用符号Cm表示。其硬度很表示。其硬度很高高800HB， b =30MPa塑性和韧性很差，塑性和韧性很差，、Ak零，脆性很大。零，脆性很大。3、铁素体（、铁素体（F或或） 铁素体是碳溶于铁素体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在方晶格。碳在-Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，727时时0.0218%；室温时为室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、

3、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。 4、奥氏体（、奥氏体（A或或） 奥氏体是碳溶于奥氏体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在碳在-Fe中的溶碳量较高，中的溶碳量较高，1148时时2.11%；727时为时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。粒呈多边形，晶界较铁素体平直。 5.5.珠光体（珠光体（P P） 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，有珍珠光珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，有珍珠光泽。是

4、奥氏体冷却时，在泽。是奥氏体冷却时，在727727恒温下发生共析转变的产物。恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 6.莱氏体（莱氏体（Ld或或Ld） 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。第二节第二节 相图分析相图分析SPKGNAJBECFDQHALL+AL+F

5、e3CAFA+Fe3CF+Fe3CFLL+AAL+Fe3CF + AA+Fe3CA+ Fe3C +LdP+ Fe3C + LdP+ Fe3CF+PFe3C +LdFe3C +LdL+AH第二节第二节 铁碳合金相图铁碳合金相图（0.53）（0.170.17）（0.09）一、主要特性点一、主要特性点（P18）LL+AAL+Fe3CF + AA+Fe3CA+ Fe3C +LdP+ Fe3C + LdP+ Fe3CF+PFe3C +LdFe3C +LdL+AHA点点G点点Q点点D点点纯铁的熔点，温度纯铁的熔点，温度1538纯铁的同素异晶转变点，纯铁的同素异晶转变点，912600时时,碳在碳在-Fe中的

6、中的溶解度溶解度,Wc=0.0057%渗碳体熔点渗碳体熔点,温度温度1227,Wc=6.69%LL+AAL+Fe3CF + AA+Fe3CA+ Fe3C +LdP+ Fe3C + LdP+ Fe3CF+PFe3C +LdFe3C +LdL+AHC点点E点点S点点P点点共晶点，温度共晶点，温度1148，Wc=4.3%，共晶反应共晶反应共析点，温度共析点，温度727，Wc=0.77%，共析反应：共析反应：碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度,温度温度727, Wc=0.0218%碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度,温度温度1148，Wc=2.11%二、特性线二、特性线 ACD线线AE

7、CF线线ECF线线液相线液相线，由各成分合金开始结晶，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。此线以上处于液相。固相线固相线，由各成分合金结晶结束，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。合金完成结晶，全部变为固体状态。共晶线共晶线，Wc2.11%的铁碳合金，的铁碳合金，缓冷至该线缓冷至该线1148时，均发生共时，均发生共晶转变，生成莱氏体。晶转变，生成莱氏体。ES线线GS线线PSK线线碳在碳在奥氏体奥氏体中的中的溶解度曲线溶解度曲线，通常，通常称为称为Acm线。碳在奥

8、氏体中最大溶线。碳在奥氏体中最大溶解度是解度是E点（点（WC2.11），随着），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出度减小，将由奥氏体中析出Fe3C。奥氏体冷却时开始向奥氏体冷却时开始向铁素体铁素体转变转变的温度线的温度线,通常称为通常称为A3线。线。共析线共析线，通常称为，通常称为A1线。奥氏体线。奥氏体冷却到共析线温度冷却到共析线温度727时，将发时，将发生共析转变生成珠光体生共析转变生成珠光体P，WC0.0218%的铁碳合金均会发的铁碳合金均会发生共析转变。生共析转变。AcmA3A1以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中以上各特性

9、线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。的相变。若是加热过程，则相反。 GP线线PQ线线0Wc0.0218%的铁碳合金，缓的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。了线。碳在铁素体中的溶解度曲线。在碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时时,Wc=0.0218%，溶碳量最大，在，溶碳量最大，在600时，时，Wc=0.0057%。在在727缓冷时，铁素体随着温度降缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体将以渗碳体（三次渗碳体Fe3C）的形式析出。一般忽略的形式析出。一般

10、忽略Fe3C。LAL+Fe3CA+Fe3CAFF+Fe3C三、相区三、相区 单相区单相区F、A、L和和Fe3C四个四个两相区两相区三相区三相区ECF共晶共晶线上线上L、A、Fe3CPSK共析共析线上线上A、F、Fe3C四、铁碳合金的分类四、铁碳合金的分类 亚共析钢亚共析钢共共 析析 钢钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁WWc c 0.020.02%0.0218% W Wc c 0.77% W Wc c= 0.77%0.77% W Wc c 2.11%2.11% W Wc c 4.3%W Wc c=4.3%4.3% W Wc c 0

11、.9%时，脆性的二次渗碳体数量时，脆性的二次渗碳体数量也相应增加，形成网状分布，使其脆性增加，不仅使钢的也相应增加，形成网状分布，使其脆性增加，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降。塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降。 白口铸铁白口铸铁：特硬特脆，难以切削加工，因此很少应用。但：特硬特脆，难以切削加工，因此很少应用。但它耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形它耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸铁的毛坯。状复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸铁的毛坯。 为选材提供成分依据为选材提供成分依据 若零件要求塑性、韧性好，若零

12、件要求塑性、韧性好，如建筑结构和容器等，如建筑结构和容器等，应选用低应选用低碳钢碳钢（0.100.25%);若零件要求强度、塑性、韧性都较好，若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，如轴等，应选用中碳钢应选用中碳钢（0.250.60%C);若零件要求硬度高、若零件要求硬度高、耐磨性好耐磨性好，如工具等，如工具等，应选用高碳钢应选用高碳钢（0.61.3%). 白铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的白铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数耐磨而不受冲击的零件，如：轧抗磨损能力，可应用于少数耐磨而不受冲击的零件，如：轧辊和球磨机的铁球等。辊和球磨机

13、的铁球等。4 相图的实际应用相图的实际应用 推测合金铸造性能推测合金铸造性能共晶成分的合金，其凝固温度间隔最共晶成分的合金，其凝固温度间隔最小（为零），故流动性好，分散缩小（为零），故流动性好，分散缩孔较小，有可能得到致密的铸件。孔较小，有可能得到致密的铸件。在铸造生产中的应用在铸造生产中的应用确定浇注温度确定浇注温度对于给定成分的铁碳合金，通过相图对于给定成分的铁碳合金，通过相图找到其熔点，确定合适的浇注温度。找到其熔点，确定合适的浇注温度。T浇浇=液相线以上液相线以上50100锻造中的应用锻造中的应用钢材的锻造或轧制应选择在具钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体（强度低、塑有单相奥氏体（

14、强度低、塑性好）的温度范围内进行，性好）的温度范围内进行，才能有较好的塑性才能有较好的塑性 。始锻温度：始锻温度：固相线以下固相线以下100200 终锻温度终锻温度：一般高于再结晶温度：一般高于再结晶温度0.020.771.52.11C%80091212501538液 相 线固 相 线温度/CAEPSKLL+AAA+FA+Fe C3F+PPFe C +PG3始 锻 温 度终锻温度焊接中的应用焊接中的应用：焊接时在不同加热区域会获得不同的：焊接时在不同加热区域会获得不同的高温组织，随后的冷却也就可能出现不同组织与性高温组织，随后的冷却也就可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接后采用热处理方法加以

15、改善。能，这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。切削加工中的应用切削加工中的应用：生产中最常用的办法之一是通过：生产中最常用的办法之一是通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切削加工性得到改善，其依据也是铁碳相图。的切削加工性得到改善，其依据也是铁碳相图。5 碳钢碳钢1、生铁的冶炼生铁的冶炼原料：铁矿石燃料：焦炭熔剂：石灰石设备：高炉2、钢的冶炼钢的冶炼原料：生铁、废钢燃料：焦炭熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂设备：电弧炉钢铁材料的生产过程生铁的冶炼钢的冶炼钢的冶炼 设备：三相电弧炉设备：三相电弧炉钢中的元素钢中的元素钢中除钢中除Fe、C两

16、种基本的组成元素外，两种基本的组成元素外，杂质元素杂质元素：因冶炼原因，钢中不可避免存在的：因冶炼原因，钢中不可避免存在的 元素元素 合金元素合金元素：为提高钢的性能，冶炼时有目的加：为提高钢的性能，冶炼时有目的加入钢中的元素。入钢中的元素。都会对钢的组织和性能带来影响都会对钢的组织和性能带来影响一、杂质元素对钢性能的影响一、杂质元素对钢性能的影响 常见杂质元素：常见杂质元素： Si 、Mn、 P 、S及非金属夹杂物及氢、氮、氧等气体。及非金属夹杂物及氢、氮、氧等气体。 Si Mn 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, 脱氧能力强。脱氧能力强。 能消除能消除FeO； 溶于溶于F中，提高钢

17、强度、硬度和弹性，但使塑性韧中，提高钢强度、硬度和弹性，但使塑性韧性降低。含量性降低。含量0.35%.脱氧、去硫脱氧、去硫, ,提高钢的强度和硬度。提高钢的强度和硬度。 MnMn溶于溶于F F中，形成置换固溶体；溶中，形成置换固溶体；溶入入FeC3FeC3形成合金形成合金 FeC3FeC3；能增加珠光体相对含量，；能增加珠光体相对含量，使之细化，使钢强度提高。使之细化，使钢强度提高。 钢中含量通常钢中含量通常0.8%.0.8%.有益元素有益元素S 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂热裂 )。 热脆热脆:S不溶于不溶于Fe,形成形成FeS,Fe与与Fe

18、S形成低熔点共晶体形成低熔点共晶体,分布于钢的分布于钢的A晶晶界上界上,当钢材加热到当钢材加热到10001200进行压力加工时进行压力加工时,由于低熔点共晶体熔由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加工过程中沿着晶粒边界开裂化而使钢在热加工过程中沿着晶粒边界开裂,表现出极大的脆性表现出极大的脆性.3、非金属夹杂物、非金属夹杂物降低力学性能（塑性、韧性、疲劳强度），产生裂纹。氢脆降低力学性能（塑性、韧性、疲劳强度），产生裂纹。氢脆 消除方法消除方法:在钢中加入锰铁提高含锰量在钢中加入锰铁提高含锰量 Mn+SMnS 熔点高熔点高,高温时具有一定塑性高温时具有一定塑性,避免热脆避免热脆有害元素有害元素: 有

19、害元素有害元素: P 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,低温韧性差低温韧性差 。冷脆冷脆P容易在容易在A晶界处偏聚，晶界处偏聚，含量低时以固溶体存在含量低时以固溶体存在，含量高时以，含量高时以Fe3P形式存在。形式存在。 大量实验证明，大量实验证明，晶界处晶界处P P的偏析和的偏析和Fe3P Fe3P 的存在使的存在使钢室钢室温下的塑性韧性急剧下降温下的塑性韧性急剧下降, ,并使钢在服役时脆性转化温度升并使钢在服役时脆性转化温度升高高, ,钢性变脆钢性变脆, ,这这种现象低温时表现尤其突出种现象低温时表现尤其突出.P使钢产生偏析并难用热处理方法去除使钢产生偏析并难用热处理方法去除. 普

20、通钢普通钢Wp 0.045%,优质钢优质钢Wp 0.035%, 高级优钢高级优钢Wp 0.030%,特级优质钢特级优质钢Wp 0.025%,Titanic沉没原因：沉没原因： Titanic钢板韧性很差。钢板韧性很差。冲击试样是典型的脆性断口。冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。则具有相当好的韧性。按按碳的质量分数碳的质量分数分类分类: 碳素钢碳素钢: Ws 0.055%，Wp 0.045% 优质碳素钢优质碳素钢: Ws、 Wp 0.035% 高级优质碳素钢高级优质碳素钢: Ws 0.030% ，Wp 0.030% 特级优质碳素钢：特级优质

21、碳素钢： Ws 0.020% ，Wp 0.025%二、碳钢的分类：二、碳钢的分类： 低碳钢低碳钢: Wc 0.25% 中碳钢中碳钢: 0.25% Wc 0.6% 高碳钢高碳钢: Wc 0.6%按按钢的质量钢的质量分类分类:按钢的用途分类按钢的用途分类:l碳素结构钢碳素结构钢l碳素工具钢碳素工具钢用于制造各种机械零件、工程构件。用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。一般为低、中碳钢。用于制造各种工具。一般为高碳钢。用于制造各种工具。一般为高碳钢。如：铁道、桥梁、各类建筑工程。中小齿轮、轴类、活塞销如：铁道、桥梁、各类建筑工程。中小齿轮、轴类、活塞销 按冶炼方法分类按冶炼方法分类是在冶

22、炼后期将钢液用是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量（，钢液氧含量（FeO)较高，注入锭模后发生碳较高，注入锭模后发生碳氧反应，析出大量的氧反应，析出大量的CO气体，气体，引起钢液表面沸腾，故称为沸腾钢。引起钢液表面沸腾，故称为沸腾钢。镇静钢镇静钢沸腾钢沸腾钢是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧充分脱氧，注入模，注入模子后，钢液不发生碳子后，钢液不发生碳氧反应而处于镇静状态。特点：成氧反应而处于镇静状态。特点：成材率低，成本高，但成分偏析小，钢质均匀，组织致密，材率低，成本高，但成分偏析小，钢质均匀，组织致密，强度较高。强度较高

23、。按钢的按钢的化学成分化学成分分类分类非合金钢非合金钢（碳素钢）（碳素钢）低合金钢低合金钢：合金元素总量小于：合金元素总量小于3.5%的合金钢的合金钢 中合金钢中合金钢：合金含量在：合金含量在3.5-10%之间；之间；高合金钢高合金钢：合金含量大于：合金含量大于10%。三、碳素钢的牌号三、碳素钢的牌号 1、 碳素结构钢：碳素结构钢： 国家标准中由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符国家标准中由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。个部分按顺序组成。 Q+数字数字，如，如Q235表示屈服点是表示屈服点是235MPa；Q235-AF,表

24、表示屈服点为示屈服点为235的的A级沸腾钢级沸腾钢,z、TZ可以省去。可以省去。：两位数字表示钢材中的平均含碳量的两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数万分数，如，如20钢表示平均含碳量为钢表示平均含碳量为0.20%，15Mn表示钢材中的表示钢材中的含锰量比较高含锰量比较高0.71.0% 。l优质碳素结构钢优质碳素结构钢l普通碳素结构钢普通碳素结构钢2、碳素工具钢：、碳素工具钢：T（碳）（碳）+两位数字两位数字。数字表示钢材中平均含碳量的数字表示钢材中平均含碳量的千千分数分数。例：例：T10A表示平均含碳量为表示平均含碳量为1.0%,A表示高级表示高级优质钢。优质钢。T8表示平均含碳量为表示平

25、均含碳量为0.8%碳素工具钢。碳素工具钢。铸造碳钢铸造碳钢ZG+两组数字两组数字（分别表示最小屈服点和最小抗（分别表示最小屈服点和最小抗拉强度）拉强度）例例ZG310-570：表示最小屈服点是：表示最小屈服点是310MPA，最小抗拉，最小抗拉强度是强度是570MPA的铸造碳钢。的铸造碳钢。四、四、碳钢的应用碳钢的应用 普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：Q255和和Q275钢钢碳碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、稍等零件件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、稍等零件 。Q195、Q21