湖南科技大学 机械工程材料课件

1、1机械工程材料机械工程材料Mechanical Engineering Materials2第第3章章 二元合金相图与铁碳合金二元合金相图与铁碳合金 本章目录本章目录3.1 3.1 二元合金相图的建立及意义二元合金相图的建立及意义3.2 3.2 二元合金相图的基本类型二元合金相图的基本类型3.3 3.3 合金性能与相图之间的关系合金性能与相图之间的关系3.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织3.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图3.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介3.7 3.7 碳钢碳钢33.1 二元合金相图的建立及意义二元合金相图的建立及意义n相图是

2、相图是表示合金中的组织状态与温度、成分间关系的图形。表示合金中的组织状态与温度、成分间关系的图形。 n纯金属相图是纯金属相图是用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组用一条表示温度的纵坐标把其在不同温度下的组织状态表示出来的图形。织状态表示出来的图形。n二元合金相图是二元合金相图是以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面以温度为纵坐标、以合金成分为横坐标的平面图形。图形。纯铜的冷却曲线及相图纯铜的冷却曲线及相图Cu-Ni合金相图合金相图4 以以Cu-Ni二元合金系为例，说明应用热分析法建立相图的二元合金系为例，说明应用热分析法建立相图的过程。过程。 n配制一系列成分不同的配制一系列成分不同的

3、Cu-Ni合金。合金。n用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线。用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲线。n找出各冷却曲线上的临界点。找出各冷却曲线上的临界点。n将各个合金的临界点分别标将各个合金的临界点分别标 注在温度注在温度成分坐标图中相成分坐标图中相 应的合金线上。应的合金线上。n连接各相同意义的临界点，连接各相同意义的临界点， 所得的线称为相界线。所得的线称为相界线。二元合金相图的建立二元合金相图的建立5 在多相体系中，每个组元在各相中的化学势都必须相等，各相才处于平衡在多相体系中，每个组元在各相中的化学势都必须相等，各相才处于平衡状态，因此处于平衡状态的多元体系中可能存在的相数将有一定

4、的限制。状态，因此处于平衡状态的多元体系中可能存在的相数将有一定的限制。n按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即：按照热力学条件，这种限制可用吉布斯相律表示，即： n式中，式中，f为体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参为体系的自由度数它是指不影响体系平衡状态的独立可变参数（如温度、压力、浓度等）的数目；数（如温度、压力、浓度等）的数目；C为体系的组元数；为体系的组元数；P为相数。为相数。n对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，对于不含气相的凝聚体系，压力在通常范围的变化对平衡的影响极小，一般可认为是常量。一般可认为是常量。1PCf1PCf2PCf相

5、律及其在相图中的应用相律及其在相图中的应用n相律用以说明合金或其他材料在平衡结晶过程中温度和相成分的变化。相律用以说明合金或其他材料在平衡结晶过程中温度和相成分的变化。6n杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）在某杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）在某一温度时两相的成分以及相的相对量的重要法则。一温度时两相的成分以及相的相对量的重要法则。 n设设C合金中液相含量为合金中液相含量为 L，固相固相 为为 ，则：，则：arrbwwL1wwLCCwCwLL1abarCCCCwLLabrbCCCCwLLn杠杆定律及其应用杠杆定律及其应用n 合金中的含镍量等于液固两相中镍之和合金中的含镍量

6、等于液固两相中镍之和7n如果将合金如果将合金I成分成分C的的r点看作支点，将和看作是作用于点看作支点，将和看作是作用于a和和b的力，则按力学杠杆原理可得出：的力，则按力学杠杆原理可得出：故称为杠杆定律。据此可求得两平衡相的相对量分别为：故称为杠杆定律。据此可求得两平衡相的相对量分别为：rbwarwL%100abrbwL%100abarw二元合金相图的建立二元合金相图的建立n 运用杠杆定律时要注意运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相区它只适用于相图中的两相区, 并并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点时两相的成分

7、点, 而支点为合金的成分点。而支点为合金的成分点。83.2 二元合金相图的基本类型二元合金相图的基本类型3.2.1 匀晶相图及杠杆定律匀晶相图及杠杆定律 3.2.2 共晶相图共晶相图 3.2.3 包晶相图包晶相图 3.2.4 具有共析反应的相图具有共析反应的相图 3.2.5 含有稳定化合物的相图含有稳定化合物的相图9n凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶凡是二元合金系中两组元在液态下可以任何比例均匀相互溶解，在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相解，在固态下能形成无限固溶体时，其相图属于二元匀晶相图。由液相结晶出均一固相的过程就称为匀晶转变。图。由液相结晶出均一固相的

8、过程就称为匀晶转变。3.2.1 匀晶相图及杠杆定律匀晶相图及杠杆定律Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析合金相图及典型合金平衡结晶过程分析10n（1）相图分析）相图分析n点：图中点：图中tA 为纯铜的熔点；为纯铜的熔点；tB为纯镍的熔点。为纯镍的熔点。n线：线：tA L3 L2 L1tB为液相线，为液相线，tA 321tB为固相线。为固相线。n相区：相区：L相区相区、相区相区、L+相区。相区。3.2.1 匀晶相图及杠杆定律匀晶相图及杠杆定律113.2.1 匀晶相图及杠杆定律匀晶相图及杠杆定律（2）典型合金结晶过程分析）典型合金结晶过程分析当合金自高温液态缓慢冷却到当合金自高温液态缓慢冷

9、却到t1温度时，开始从液相中结晶温度时，开始从液相中结晶出出固溶体，随着温度的下降，固溶体，随着温度的下降，固溶体量不断增多，剩余液固溶体量不断增多，剩余液相量不断减少。直到温度降到相量不断减少。直到温度降到t3温度时，合金结晶终了，获温度时，合金结晶终了，获得了得了Cu与与Ni组成的组成的固溶体。固溶体。Cu-Ni合金固溶体的显微组织合金固溶体的显微组织12（3）杠杆定律的应用）杠杆定律的应用 任一含任一含x%Ni的的Cu-Ni合金，在合金，在t温度时，液相成分为温度时，液相成分为x1%Ni，固相成分为，固相成分为x2%Ni。在这一温度下，已结晶出。在这一温度下，已结晶出的固相的固相和剩余液

10、相和剩余液相L的相对量分别是：的相对量分别是：3.2.1 匀晶相图及杠杆定律匀晶相图及杠杆定律%100122xxxxwL%100121xxxxwwwL1或杠杆定律的应用杠杆定律的应用13共晶转变：二元合金系中，一定成分的液相，在一定温共晶转变：二元合金系中，一定成分的液相，在一定温度下同时结晶度下同时结晶 出两种不相同的固相的转变，称为共晶转出两种不相同的固相的转变，称为共晶转变。变。二元共晶相图：凡二元合金系中两组元在液态下能完全二元共晶相图：凡二元合金系中两组元在液态下能完全互溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的互溶，在固态下形成两种不同固相，并发生共晶转变的的相图属于二元共晶相

11、图。的相图属于二元共晶相图。3.2.2 二元共晶相图二元共晶相图14（1）相图分析）相图分析 简单共晶相图简单共晶相图在液态下能完全互溶，在在液态下能完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共固态下彼此互不溶解的共晶相图。晶相图。tA 、tB为组元为组元A、B的熔点，的熔点，C为共晶点。为共晶点。tACtB为液相线，为液相线，DCF为固为固相线，也是共晶线。相线，也是共晶线。相区：相区：L相区、相区、L+A相区相区、L+B相区相区、A+B相区。相区。3.2.2 二元共晶相图二元共晶相图简单共晶相图简单共晶相图15 一般共晶相图一般共晶相图两组元在液态下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶两组元在液态

12、下能完全互溶，在固态下互相有限溶解的共晶相图，称为一般共晶相图。相图，称为一般共晶相图。3.2.2 二元共晶相图二元共晶相图Pb-Sn合金相图合金相图pPb-Sn、 Pb-Sb 、Ag-Cu 、Al-Si16n图形特点图形特点p三种相：三种相：PbPb与与SnSn形成的液溶体形成的液溶体L L相相,Sn,Sn溶于溶于PbPb中的有限固溶体中的有限固溶体相相,Pb,Pb溶于溶于SnSn中的有限固溶体中的有限固溶体相。相。p三个单相区三个单相区:L:L、 p三个两相区：三个两相区：L+L+、L+L+、+ + 一条三相共存的线。一条三相共存的线。 p共晶反应：共晶成分的液态金属，缓慢冷却到共晶反应：

13、共晶成分的液态金属，缓慢冷却到cde水平线所对应水平线所对应的温度（共晶温度）时，同时结晶出成分为的温度（共晶温度）时，同时结晶出成分为c的的相和成分为相和成分为e的的相，相，此结晶过程为恒温下进行。此结晶过程为恒温下进行。17pcfcf线为线为SnSn在在PbPb中的溶解度线中的溶解度线( (或或相的固溶线相的固溶线) )。温度降。温度降低低, , 固溶体的溶解度下降。固溶体的溶解度下降。SnSn含量大于含量大于f f点的合金从高温点的合金从高温冷却到室温时冷却到室温时, , 从从相中析出相中析出 相以降低相以降低相中相中SnSn含量。含量。从固态从固态相中析出的相中析出的 相称为二次相称为

14、二次 , , 写作写作IIII 。这种。这种二次结晶可表达为：二次结晶可表达为： IIII。 pegeg线为线为PbPb在在SnSn中溶解度线中溶解度线( (或或相的固溶线相的固溶线) )。SnSn含量小于含量小于g g点的合金点的合金, , 冷却过程中同样发生二次结晶冷却过程中同样发生二次结晶, , 析出二次析出二次。 n结晶特点合金合金18合金的结晶过程19.2%Sn的的Sn-Pb组织组织 (200)p12点点 发生匀晶结晶过程发生匀晶结晶过程, 至至2点温度完全结晶成点温度完全结晶成 固溶体；固溶体；p23点点 相冷却；相冷却；p34点点 Sn在在 中的溶解度沿中的溶解度沿 cf线降低线

15、降低, 从从 中析出中析出II, 到室温到室温时时 中中Sn含量逐渐变为含量逐渐变为 f点。点。p最后合金得到的组织为最后合金得到的组织为+ II 。 其组成相是其组成相是 f点成分的点成分的 相和相和 g点成分的点成分的 相。相。 运用杠杆定律运用杠杆定律, 两相的质量分数为：两相的质量分数为：合金室温组织由合金室温组织由 和和 II组成组成, 和和 II即为组织组成物。即为组织组成物。2022-5-419合金合金2022-5-420合金的结晶过程p冷却到冷却到1点温度点温度, 发生共晶反应：发生共晶反应：L (+) , 经一定时间到经一定时间到1时时反应结束反应结束, 全部转变为共晶体全部

16、转变为共晶体 (+)。p从共晶温度冷却至室温时从共晶温度冷却至室温时, 共晶体中的共晶体中的 和和 均发生二次结晶均发生二次结晶, 从从 中析出中析出 二次二次, 从从 中析出二次中析出二次。 的成分由的成分由 c点变点变 f点点, 的成的成分由分由 e点变为点变为 g点。点。p由于析出的由于析出的 二次二次和二次和二次 都相应地都相应地同同 和和 相连在一起相连在一起, 共晶体的形态和共晶体的形态和成分不发生变化。成分不发生变化。p合金的室温组织全部为共晶体合金的室温组织全部为共晶体(+), 即只含一种组织组成物即只含一种组织组成物; 其组成相仍为其组成相仍为 和和 相。相。21Pb-Sn共

17、晶合金的室温组织共晶合金的室温组织(100)合金合金2022-5-422p12点 L，匀晶反应生成初生 固溶体。初生 的成分沿 ac线变化, 液相成分沿 ad 线变化; 初生 逐渐增多，液相逐渐减少。p22点 刚冷却到2点温度时, 合金由c点成分的初生相和d 点成分的液相组成。然后液相进行共晶反应, 但初生 相不变化。共晶反应结束时, 合金转变为 + (+) 。p23点 初生 中不断析出二次 , 成分由 c点降至 f点; 共晶体形态、成分和总量保持不变。p合金的室温组织为初生 +二次 + (+) 。p合金的组成相为 和 , 它们的质量分数为： 2022-5-42324不同的合金中，由于形状条件

18、不同，各种相将以不同的数不同的合金中，由于形状条件不同，各种相将以不同的数量、形状、大小互相组合，而在显微镜下可观察到不同的组织。量、形状、大小互相组合，而在显微镜下可观察到不同的组织。3.2.2 二元共晶相图二元共晶相图以组织组成物填写的以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图合金相图25u在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，在一定温度下，由一定成分的固相与一定成分的液相作用，形成另一个一定成分的固相的转变过程，称之为包晶转变或形成另一个一定成分的固相的转变过程，称之为包晶转变或包晶反应。包晶反应。u两组元在液态下相互无限互溶、在固态下相互有限溶解，并两组元在液态下相互无限互溶、

19、在固态下相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。发生包晶转变的二元合金系相图，称为包晶相图。 3.2.3 包晶相图包晶相图Pt-Ag合金相图合金相图26（1）相图分析）相图分析合金系中有三个相：液相合金系中有三个相：液相L及固相及固相、。其中其中相是银溶于相是银溶于铂中的固溶体，铂中的固溶体，相是铂溶于银中的固溶体。相是铂溶于银中的固溶体。三个单相区即三个单相区即L、和和；三个两相区，即；三个两相区，即L+，L+和和+；有一个三相共存的水平线，即有一个三相共存的水平线，即PDC线，在水平线线，在水平线PDC上上，液液相相L、固相、固相和和三相共存。三相共存。包晶转变的特征是

20、：反应相是一个液相和一个固相，其成分包晶转变的特征是：反应相是一个液相和一个固相，其成分点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。点位于水平线的两端，所形成的固相位于水平线中间的下方。相图中的相图中的D点称为包晶点，点称为包晶点，D点所对应的温度称为包晶温度，点所对应的温度称为包晶温度，PDC线称为包晶线。线称为包晶线。27 含银量为含银量为42.4的的Pt-Ag合金（合金合金（合金，成分为，成分为D），其），其平衡结晶过程示意图如下。平衡结晶过程示意图如下。（2）典型合金的平衡结晶分析）典型合金的平衡结晶分析28 含银量为含银量为10.542.4的的Pt-Ag合金（合金合金（合金

21、） 合金的平衡结晶合金的平衡结晶过程示意图如图过程示意图如图所示。所示。 合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程29 含银量为含银量为42.466.3的的Pt-Ag合金（合金合金（合金） 合金的平衡结晶过程示意合金的平衡结晶过程示意图如图所示。图如图所示。合金合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程30在一定温度下，由一定成分的固相分解为另外两个一定成分在一定温度下，由一定成分的固相分解为另外两个一定成分的固相的转变过程的固相的转变过程，称之为，称之为共析转变或共析反应共析转变或共析反应。在相图上，。在相图上，这种转变与共晶转变相似，都是由一个相分解为两个相的三这种转变与共晶转变相似，都是由一个相分解为

22、两个相的三相恒温转变，三相成分点在相图上的分布也一样，反应相成相恒温转变，三相成分点在相图上的分布也一样，反应相成分分布在两转变产物的中间。所不同的是共析转变的反应相分分布在两转变产物的中间。所不同的是共析转变的反应相是固相，而不是液相。是固相，而不是液相。由于是固相分解，其原子扩散比较困难，容易产生较大的过由于是固相分解，其原子扩散比较困难，容易产生较大的过冷，所以共析组织远比共晶组织细密。共析相变对合金的热冷，所以共析组织远比共晶组织细密。共析相变对合金的热处理强化有重大意义，钢铁及铁合金的热处理就是建立在共处理强化有重大意义，钢铁及铁合金的热处理就是建立在共析转变的基础上。析转变的基础上

23、。3.2.4 具有共析反应的相图具有共析反应的相图31323.2.5 含有稳定化合物的相图含有稳定化合物的相图 在某些二元系合金中，组元间可能形成一些稳定的金属在某些二元系合金中，组元间可能形成一些稳定的金属化合物。稳定化合物是指具有一定熔点，在熔点以下保化合物。稳定化合物是指具有一定熔点，在熔点以下保持其固有结构而不发生分解的化合物。持其固有结构而不发生分解的化合物。33p在分析这类相图时, 可把稳定化合物看成为一个独立的组元, 并将整个相图分割成几个简单相图。因此, Mg-Si相图可分为Mg-Mg2Si和Mg2Si-Si两个相图来进行分析。 p合金的性能取决于它的成分和组织合金的性能取决于

24、它的成分和组织, 相图则可反映不同成分相图则可反映不同成分的合金在室温时的平衡组织。因此的合金在室温时的平衡组织。因此, 具有平衡组织的合金的性具有平衡组织的合金的性能与相图之间存在着一定的对应关系。能与相图之间存在着一定的对应关系。 343.3 合金性能与相图之间的关系合金性能与相图之间的关系3.3 合金性能与相图之间的关系合金性能与相图之间的关系合金的性能取决于合金的化学成分和组织。在一定的条件合金的性能取决于合金的化学成分和组织。在一定的条件下，一定成分的合金具有一定的组织，表现出一定的性能，下，一定成分的合金具有一定的组织，表现出一定的性能，因而相图与合金的性质必然存在一定的联系。因而

25、相图与合金的性质必然存在一定的联系。3.3.1 合金的使用性能与相图之间的关系合金的使用性能与相图之间的关系合金的使用性能包括合金有力学性能、物理性能及其它性合金的使用性能包括合金有力学性能、物理性能及其它性能等。能等。35相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系3.3.1 合金的使用性能与相图之间的关系合金的使用性能与相图之间的关系36合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 固溶体中溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的固溶体中溶质的溶入量越多，晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高，电阻越大。当溶质原子含量大约为强度、硬度越高，电阻越大

26、。当溶质原子含量大约为50%时，时，晶格畸变最大，性能达到极值，性能与成分的关系曲线具有晶格畸变最大，性能达到极值，性能与成分的关系曲线具有透镜状。透镜状。 两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系两相组织合金的机械性能和物理性能与成分呈直线关系变化。变化。 组成相或组织组成物越细密，强度越高组成相或组织组成物越细密，强度越高(见图中虚线见图中虚线)。 当形成化合物时，则在性能当形成化合物时，则在性能-成分曲线上于化合物成分处成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。出现极大值或极小值。 373.3.2 合金的工艺性能与相图之间的关系合金的工艺性能与相图之间的关系相图与合金铸造性能之

27、间的关系相图与合金铸造性能之间的关系38合金的铸造性能合金的铸造性能n纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。性能好。n相图中液相线和固相线之间距离越小，结晶温度范围越窄，相图中液相线和固相线之间距离越小，结晶温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。对浇注和铸造质量越有利。n合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。低其流动性，增多分散缩孔。n所以

28、，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。 393.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。珠光体和莱氏体。 (1)(1)铁素体铁素体 概念：碳溶入概念：碳溶入-e e中形成的间隙固溶体称为铁素中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号体，用符号F F表示。表示。 晶格：铁素体仍具有晶格：铁素体仍具有-Fe-Fe的体心立方晶格。的体心立方晶格。 溶解度：碳在溶解度

29、：碳在-Fe-Fe中的溶解度小，中的溶解度小，727727时溶解度时溶解度最大为最大为0.0218%0.0218%，室温时几乎位零。，室温时几乎位零。403.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。 组织：多边形晶粒。组织：多边形晶粒。 （2 2）奥氏体）奥氏体 概念：碳溶入概念：碳溶入-Fe-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A A表示。奥氏体存在于表示。奥氏体存在于727727以上。以上。 晶格：奥氏体具有晶格：奥氏体具有-Fe-

30、Fe的面心立方晶格。的面心立方晶格。 41 溶解度：溶解度：-Fe-Fe的溶碳能力比的溶碳能力比-Fe-Fe大，大，727727时溶时溶解度为解度为0.77%0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，随着温度的升高，溶碳量增多，11481148时其溶解度最大为时其溶解度最大为2.11%2.11%。 性能：性能：奥氏体的强度和硬度奥氏体的强度和硬度 不高，塑性和韧性很好，易不高，塑性和韧性很好，易 锻压成形。锻压成形。 组织：组织：多边形晶粒，多边形晶粒， 晶粒内有孪晶。晶粒内有孪晶。3.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织42 （3 3）渗碳体）渗碳体 概念：渗碳体是铁和碳形成的一种

31、具有复杂晶体结构的金概念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，用化学式属化合物，用化学式FeFeC C表示。表示。 性能：渗碳体中碳的质量分数性能：渗碳体中碳的质量分数 为为6.69%6.69%，熔点为，熔点为12271227，硬度很，硬度很 高高(800HBW)(800HBW)，塑性和韧性很低，脆，塑性和韧性很低，脆 性大。性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。布状况对钢的性能影响很大。3.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织43 （4 4）珠光体）珠

32、光体 概念：概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符，用符号号P P表示。表示。 成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%0.77%，其性，其性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。度适中。 组织：在显微镜放大倍数较组织：在显微镜放大倍数较 高时，能清楚地看到铁素体和渗高时，能清楚地看到铁素体和渗 碳体呈片层状交替排列的情况。碳体呈片层状交替排列的情况。 由于珠光体中渗碳体量较铁素体由于珠光体中渗碳体量较铁素体 少，因此渗碳体层片较

33、铁素体层少，因此渗碳体层片较铁素体层 片薄。片薄。3.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织44 （5 5）莱氏体）莱氏体 概念：碳含量为概念：碳含量为4.3%4.3%的液态铁碳合金冷却到的液态铁碳合金冷却到11481148时，时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号号LdLd表示。在表示。在727727以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号称为变态莱氏体，用符号LdLd表示。表示。 性能：莱氏体的性能性能：莱氏体的性能 与渗碳体相似，硬度很高，与渗碳体相似，硬度

34、很高， 塑性很差。塑性很差。3.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织453.5 3.5 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图 铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。464748 3.5.1 3.5.1 3.5 Fe

35、-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图49 3.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图50 3.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图51 3.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图523.5.2 3.5.2 铁碳合金的分类铁碳合金的分类工 业 纯 铁亚 共 析 钢共 析 钢过 共 析 钢钢亚 共 晶 白 口 铁共 晶 白 口 铁过 共 晶 白 口 铁白 口 铁铁 碳 合 金533.5.3 3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 （1）共析钢：）共析钢：室温组织为珠光体室温组织为珠光体(P)。 （2）亚共析钢：）亚共

36、析钢：室温组织为铁素体和珠光体室温组织为铁素体和珠光体(F+P)。随着含碳量的增加，。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。珠光体量增多，而铁素体量减少。 543.5.3 3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 （3）过共析钢：）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3C)。随着。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。 （4）共晶白口铁：）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体(Ld)。 553.5.3 3

37、.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 （5）亚共晶白口铁：）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(P+Fe3C+Ld)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。 （6）过共晶白口铁：）过共晶白口铁：室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体(Ld+Fe3C)。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。3.5.4 3.5.4 典型铁碳合金的含量计算典型铁碳合金的含量计算56相含量的计算相含量的计算组织含

38、量的计算组织含量的计算573.5.5 3.5.5 碳含量对铁碳合金室温平衡组织碳含量对铁碳合金室温平衡组织及力学性能的影响及力学性能的影响 （1 1）碳含量对室温平衡组织的影响：）碳含量对室温平衡组织的影响：不同成分的铁碳不同成分的铁碳合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化。和分布情况也发生变化。 （2 2）含碳量对力学性能的）含碳量对力学性能的 影响：影响：钢中渗碳体量愈多，其钢中渗碳体量愈多，其 强度、硬度愈高

39、，而塑性、韧强度、硬度愈高，而塑性、韧 性相应降低。当钢中碳的质量性相应降低。当钢中碳的质量 分数小于分数小于0.9%0.9%时，强度达到最时，强度达到最 大值，当钢中碳的质量分数大大值，当钢中碳的质量分数大 于于0.9%0.9%时，强度也明显下降。时，强度也明显下降。583.5.6 3.5.6 铁碳相图的应用铁碳相图的应用 （1 1）选材）选材 需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢；需要强度、塑性需要强度、塑性及韧及韧性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性好性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。的材料，应选用高碳钢。

40、l建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, , 选用碳含量较低的钢材。选用碳含量较低的钢材。l机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, , 应选用碳含量适中的中碳钢应选用碳含量适中的中碳钢l工具要用硬度高和耐磨性好的材料工具要用硬度高和耐磨性好的材料, , 则选碳含量高的钢种。则选碳含量高的钢种。l纯铁的强度低纯铁的强度低, , 不宜用做结构材料不宜用做结构材料, , 但由于其导磁率高但由于其导磁率高, , 矫顽力低矫顽力低, , 可作软可作软磁材料使用磁材料使用, , 例如做电磁铁的铁芯等。例如做电磁铁的铁芯

41、等。l白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 （2）制订热加工工艺）制订热加工工艺 铁碳相图可作为铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工接、热处理等热加工工艺的重要依据，如工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处锻造温度范围及热处理

42、的加热温度等。理的加热温度等。59603.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工业特别是机械制造业的重要支柱。钢铁材料的生产过程，工业特别是机械制造业的重要支柱。钢铁材料的生产过程，一般是一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁，再，再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇注成将钢液浇注成钢锭钢锭，最后，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁炼

43、铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的化自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的化合物混合在一起形成矿石，合物混合在一起形成矿石，炼铁的过程实质上就是将铁从其炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。 613.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 炼铁的基本过程：炼铁的基本过程： 炼铁的主要原料是铁矿炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。石、燃料和熔剂。铁矿石铁矿石主主要有赤铁矿、褐铁矿、菱

44、铁要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等；矿等；熔剂燃料熔剂燃料主要是主要是焦炭焦炭；熔剂熔剂主要是主要是富含碱性氧化物富含碱性氧化物的石灰石等。在炼铁过程中的石灰石等。在炼铁过程中要将铁矿石、燃料和熔剂等要将铁矿石、燃料和熔剂等炉料按照一定的比例加入到炉料按照一定的比例加入到炼铁高炉中，经过一系列的炼铁高炉中，经过一系列的冶炼过程即可得到铁的系列冶炼过程即可得到铁的系列产品。产品。 623.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃烧所产生的炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃烧所产生的热量为鉄的冶炼提供了所需的热量；同时，高温下的焦炭热量为鉄的冶炼提供

45、了所需的热量；同时，高温下的焦炭及其燃烧后生成的及其燃烧后生成的CO气体还起到还原剂的作用，前者称为气体还起到还原剂的作用，前者称为直接还原，后者称为间接还原。直接还原，后者称为间接还原。高炉炼铁时，高温焦炭和高炉炼铁时，高温焦炭和CO不断地把铁从铁矿石中还原出不断地把铁从铁矿石中还原出来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的Si、Mn、S、P等杂质等杂质元素也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。元素也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两

46、类。不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两类。高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。炉渣是制造水高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。炉渣是制造水泥的主要原料；高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料泥的主要原料；高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料使用。使用。 633.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （2）炼钢）炼钢 炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中多余的多余的C以及以及Si、Mn、S、P等杂质元素，使化学成分达到等杂质元素，使化学成分达到钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。 目

47、前，主要的炼钢方法有目前，主要的炼钢方法有转炉炼钢法转炉炼钢法和和电炉炼钢法电炉炼钢法。 在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可将其分为将其分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种。三种。 在炼钢过程完成后，通常将其浇注成钢锭或钢坯，以在炼钢过程完成后，通常将其浇注成钢锭或钢坯，以便进行加工和使用。便进行加工和使用。 643.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （3）钢材生产）钢材生产 型材和板材：型材和板材：在实际

48、生产中，通常是将钢锭通过一系在实际生产中，通常是将钢锭通过一系列轧机轧制成型材和板材进行使用。若轧机的轧辊设计为列轧机轧制成型材和板材进行使用。若轧机的轧辊设计为光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带；若轧机的轧辊光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带；若轧机的轧辊上存在各种孔型，则轧制出的产品即为各种型材。上存在各种孔型，则轧制出的产品即为各种型材。 653.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （3）钢材生产）钢材生产 管材管材 ：根据管材的形成方法不同，可将其分为有缝管根据管材的形成方法不同，可将其分为有缝管材和无缝管材两种。通过成型辊将钢带弯成管形，再通过材和无缝管材两种。通过成型

49、辊将钢带弯成管形，再通过焊接辊焊接成形的管材称为有缝管材或焊缝管材；先用斜焊接辊焊接成形的管材称为有缝管材或焊缝管材；先用斜轧穿孔机在实心管坯上进行穿孔，再通过后期的特殊轧制轧穿孔机在实心管坯上进行穿孔，再通过后期的特殊轧制形成所需尺寸的管材称为无缝管材。形成所需尺寸的管材称为无缝管材。663.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （3）钢材生产）钢材生产 线材线材 ：直径在直径在6mm以下的线材多采用拉丝机进行生产，以下的线材多采用拉丝机进行生产，使坯料通过一个带漏斗形模孔的拉丝模具，在拉力作用下使坯料通过一个带漏斗形模孔的拉丝模具，在拉力作用下拉拔成所需尺寸的线材。在拉拔过程中金属

50、材料会产生加拉拔成所需尺寸的线材。在拉拔过程中金属材料会产生加工硬化现象，通常采用中间的再结晶退火使之软化，以便工硬化现象，通常采用中间的再结晶退火使之软化，以便进行下次的拉拔加工。进行下次的拉拔加工。 673.7 3.7 碳钢碳钢 碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11%,2.11%,并且含有少量的锰、硅、并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。其硫、磷等杂质元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。 （1）碳钢的分类碳钢的分类 根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢根据钢中碳的质量

51、分数不同可分为：低碳钢、 中中碳钢和高碳钢三类。碳钢和高碳钢三类。低碳钢：碳的质量分数小于或等于低碳钢：碳的质量分数小于或等于0.25%；中碳钢：碳的质量分数为中碳钢：碳的质量分数为0.250.60%；高碳钢：碳的质量分数大于高碳钢：碳的质量分数大于0.60%。68 根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢三类。和碳素铸钢三类。 碳素结构钢：碳素结构钢：主要用于制造工程结构和各种机械零件。主要用于制造工程结构和各种机械零件。 碳素工具钢：碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具和量具。主要用于制造各种刃具、模具和量具。 碳素铸钢：碳素

52、铸钢：主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法成形的铸钢件。成形的铸钢件。 3.7 3.7 碳钢碳钢普通碳素钢普通碳素钢p0.045% s0.055% 优质碳素钢优质碳素钢p0.040% s0.040% 高级优质碳素钢高级优质碳素钢p0.035% s0.030% 根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分为三类：普通质量钢；优质钢；高级优质钢。为三类：普通质量钢；优质钢；高级优质钢。69 (2)(2)碳钢的牌号、性能及用途碳钢的牌号、性能及用途 碳素结构钢：碳素结构钢：碳素结构钢的牌号碳素结构钢的牌号由代表钢

53、材屈服点的由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用。其中质量等级共有四级，分别用A、B、C、D表表示。示。“F”表示沸腾钢；表示沸腾钢；“b”表示半镇静钢；表示半镇静钢；“Z”表示镇静表示镇静钢；钢；“TZ”表示特殊镇静钢，在钢号中表示特殊镇静钢，在钢号中“Z”和和“TZ”符号可符号可省略。例如：省略。例如：Q235-AF，牌号中，牌号中“Q”代表屈服点代表屈服点“屈屈”字字的汉语拼音首位字母，的汉语拼音首位字母，“235”表示屈服点表示屈服点S235MPa，“A”表

54、示质量等级为表示质量等级为A级，级，“F”表示沸腾钢表示沸腾钢(冶炼时脱氧不完全冶炼时脱氧不完全)。3.7 3.7 碳钢碳钢70 常用钢及应用：常用钢及应用： Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235属低碳钢，有良好的塑性和焊接性属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不大的零件，如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不大的零件，如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不太重要的轴、拉杆等，其中以太

55、重要的轴、拉杆等，其中以Q235Q235应用最广。应用最广。 Q235CQ235C、Q235DQ235D质量好，用作重要的焊接结构件。质量好，用作重要的焊接结构件。 Q255Q255、Q275Q275强度较高，可用作受力较大的机械零件。强度较高，可用作受力较大的机械零件。碳素结构钢一般不进行热处理，以供应状态直接使用。但碳素结构钢一般不进行热处理，以供应状态直接使用。但也可根据需要进行热加工和热处理。也可根据需要进行热加工和热处理。 3.7 3.7 碳钢碳钢71 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 其其牌号牌号用两位数字表示，表示钢中平均碳的质量分数的用两位数字表示，表示钢中平均碳的质量分数的万倍数

56、万倍数。例如。例如45钢，表示钢中平均碳的质量分数为钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.45%。若钢中锰的含量较高，则在两位数字后面加锰元素的符号若钢中锰的含量较高，则在两位数字后面加锰元素的符号“Mn”。例如。例如65Mn钢，表示钢中平均碳的质量分数为钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.65%，含锰量较高，含锰量较高(为为0.9%1.2%)。若为沸腾钢，在两位。若为沸腾钢，在两位数字后面加符号数字后面加符号“F”，例如，例如08F钢。钢。 08F08F钢：钢：是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性很好。一般由钢厂轧成薄钢板或钢带供应。主要用于制造很好。一般由钢厂轧成薄钢板或钢带供应。主要用于制造冷冲压件，如外壳、容器、罩子等。冷冲压件，如外壳、容器、罩子等。 3.7 3.7 碳钢碳钢72 1025钢：钢：属低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，属低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，并具有良好的冷冲压性能和焊接性能。常用于制造冷冲压并具有良好的冷冲压性能和焊接性能。常用于制造冷冲压件和焊接构件，以及受力不大、韧性要求高的机械零件，件和焊接构件，以及受力不大、韧