第三章铁碳合金

1、金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 在工业生产中广泛使用合金，这是因为在工业生产中广泛使用合金，这是因为生产中可以通过改变合金的化学成分来进一生产中可以通过改变合金的化学成分来进一步提高金属材料的各种性能，以满足机械零步提高金属材料的各种性能，以满足机械零件和工程结构对材料的要求。钢铁材料是铁件和工程结构对材料的要求。钢铁材料是铁碳合金系中具有实用价值的部分，是目前人碳合金系中具有实用价值的部分，是目前人类社会中应用最为广泛的工程材料。类社会中应用最为广泛的工程材料。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料金属材料 黑色金属黑

2、色金属 有色金属有色金属 碳素结构钢碳素结构钢 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 碳素工具钢碳素工具钢 铸造碳钢铸造碳钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢 特殊性能钢特殊性能钢 灰铸铁灰铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 钢钢 铸铁铸铁 碳素钢碳素钢 合金钢合金钢 白口铸铁白口铸铁 灰铸铁灰铸铁 麻口铸铁麻口铸铁 铜及铜合金铜及铜合金 铝及铝合金铝及铝合金 钛及钛合金钛及钛合金 轴承合金轴承合金 硬质合金硬质合金 铁及铁碳为主铁及铁碳为主的合金（钢铁）的合金（钢铁）称为黑色金属称为黑色金属金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金31 合 金 及 其 组 织一、合金

3、的基本概念1、合金由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。2、组元组成合金的元素(铁、碳是钢和铸铁的组元）。合金按组元数目可分为二元合金、三元合金和多元合金（碳素钢就是由铁、碳组成的二元合金） 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3、相在金属或合金中,具有相同成分且结构相同的均匀组成部分。 相与相之间有明显的界面。相与相之间有明显的界面。 4、组织合金的组织是指合金中不同的相之间相互组合配置的状态。由单一相构成的组织称为单相组织，由不同相构成的组织称为多相组织。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 铁碳合金的组织结构相当复杂，并随其成分、温度和冷却速度

4、而变化。按照铁和碳相互作用形式不同，铁碳合金的组织可分为固溶体、金属化合物和混合物三种类型。 1、固溶体（属于单相组织）（属于单相组织） 一种组元的原子溶入另一种组元的晶格中所形成的均匀的固相。根据溶质在溶剂晶格中所占的位置不同可分为：间隙固溶体和置换固溶体金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金1）间隙固溶体（有限固溶体） 溶质原子嵌入各溶质原子嵌入各结点之间的空隙，形成结点之间的空隙，形成固溶体。溶质原子小，固溶体。溶质原子小，与溶剂原子比与溶剂原子比 0.59 0.59 。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金2 2）置换固溶体）置换固溶体（无限固溶体）（无限固溶体） 溶质原

5、子替代溶剂溶质原子替代溶剂原子而占据溶剂晶格中的原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，所形成的某些结点位置，所形成的固溶体。溶质原子，溶剂固溶体。溶质原子，溶剂原子直径相差不大时，才原子直径相差不大时，才能置换。能置换。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金固溶强化：通过形成固溶体而使金属材料强度、固溶强化：通过形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。硬度提高的现象。 固溶强化的根本原因：晶格畸变固溶强化的根本原因：晶格畸变 形变强化形变强化、固溶强化固溶强化、热处理热处理都是强化金属的手段都是强化金属的手段。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属化合物金属化合物是各组元

6、按一定整数比结合而成、并具有金属性是各组元按一定整数比结合而成、并具有金属性质的均匀物质。质的均匀物质。( (单相组织单相组织) ) 金属化合物一般具有复杂的晶格，且与构成化合金属化合物一般具有复杂的晶格，且与构成化合物的各组元晶格皆不相同，其性能特征是硬而脆。物的各组元晶格皆不相同，其性能特征是硬而脆。 碳合金中的碳合金中的渗碳体渗碳体FeFe3 3C C：复杂晶格：复杂晶格, ,含碳含碳:6.69%:6.69%。 性性能能: :硬度极高硬度极高, ,脆性大脆性大, ,作强化相，其组织可呈片状、球状、作强化相，其组织可呈片状、球状、网状等。在一定条件下会分解成铁和石墨网状等。在一定条件下会分

7、解成铁和石墨, ,这对铸造很有意这对铸造很有意义。义。石墨CFe3CFe3金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金混合物混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织。可以是金属、是由结晶过程所形成的两相混合组织。可以是金属、固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合。固溶体或化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合。珠光体珠光体P P F+Fe3C F+Fe3C混合物混合物, ,含碳含碳0.77%0.77%金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3-2 铁碳合金的基本组织和性能 钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们都是铁碳合金。不同成分的

8、钢和铸铁的组织都不相都是铁碳合金。不同成分的钢和铸铁的组织都不相同，因此，它们的性能和应用也不一样。同，因此，它们的性能和应用也不一样。 铁碳合金的基本组织有五种，它们分别是：铁碳合金的基本组织有五种，它们分别是：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金一铁素体（一铁素体（F F）定义：碳溶入-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。结构：铁素体具有体心立方晶格。成分：在727时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。性能：铁素体的性能接近于纯铁，塑性、韧性很好，但强度、硬度较低。铁素体的晶胞结构铁素体的晶

9、胞结构铁素体的显微组织铁素体的显微组织金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金二、奥氏体二、奥氏体(A) (A) 定义：碳溶入-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。结构：奥氏体具有面心立方晶格。奥氏体的晶胞结构奥氏体的晶胞结构奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金成分：-Fe的溶碳能力比-Fe大，727时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148时其溶解度最大为2.11%。性能：奥氏体常存在于727以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好，易锻压成形。奥氏体的晶胞结构奥氏体的晶胞结构奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织金

10、属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金三、渗碳体三、渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)定义与结构：渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，常用化学分子式Fe3C表示。渗碳体一次渗碳体：直接从金属液中结晶得到二次渗碳体：从固态金属中析出的渗碳体晶格结构渗碳体晶格结构一次渗碳体显微组织一次渗碳体显微组织二次渗碳体显微组织二次渗碳体显微组织金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金成分与性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227，硬度很高，塑性和韧性极低，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。渗碳体晶格结构渗碳体晶格

11、结构一次渗碳体显微组织一次渗碳体显微组织二次渗碳体显微组织二次渗碳体显微组织金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金四、珠光体四、珠光体(P) (P) 定义：由铁素体和渗碳体组成的混合物（多相组织）。成分：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%。性能：由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。珠光体显微组织珠光体显微组织 高倍率下的珠光体片层高倍率下的珠光体片层金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金五、莱氏体五、莱氏体(Ld) (Ld) 定义及成分：碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148时，同时结晶

12、出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。 低温莱氏体：在727以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用符号Ld表示。性能：莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。低温莱氏体显微组织低温莱氏体显微组织 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金33 铁碳合金相图金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金Fe Fe 3C相图的组成 一、铁碳合金相图的组成金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金简化后的FeFe3C相图 金属材料与热

13、处理多媒体课件 第三章 铁碳合金二、二、FeFe3C相图中特性点、线的含义及各区域相图中特性点、线的含义及各区域内的组织内的组织1 1、主要特性点、主要特性点 主要特性点主要特性点金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金2.2.主要特性线主要特性线主要特性线主要特性线金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金ACD线：液相线，在此线以上的区域为液相，当合金液冷却到此线时开始结晶。AECF线：固相线，合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 （金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金PSK线：共析线，代号A1。也是一条重要的水平线，温

14、度为727，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即共析反应： 727A-珠光体珠光体P (F+Fe3C) 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 （ 727A 珠光体珠光体P (F+Fe3C)金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金ES线 ：代号Acm。是碳在奥氏体中的溶解度线。在1148时奥氏体中的溶碳能力最大为2.11%，随着温度降低溶解度沿此线降低，而在727时仅为0.77%C，所以含碳量大于0.77%的铁碳合金，自1148冷至727的过程中，由于奥氏体含碳量的减少， 将从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3CII)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳体(Fe

15、3CI)。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3 3、相图中的主要相区、相图中的主要相区T/FeC3Fe C0三、铁碳合金的分类金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金四、典型铁碳合金结晶过程分析金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 共析钢在室温时的组织是珠光体，合金的组织按下列顺序变化：金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金2亚共析钢金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3过共析钢金属材

16、料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金4共晶白口铸铁金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金5亚共晶白口铸铁 亚共晶生铁的组织转变如图所示，其常温组织为珠光体，亚共晶生铁的组织转变如图所示，其常温组织为珠光体，二次渗碳体和低温莱氏体。二次渗碳体和低温莱氏体。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金6过共晶白口铸铁金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金五、铁碳合金的成份、组织与性能的关系随含碳量的不同，其室

17、温组织顺序： FF+PPP+ Fe3 CP+ Fe3 C+ + Fe3 CdLdL金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金六、六、FeFe3C相图的应用相图的应用1 .在选材方面的应用 铁碳合金相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样，就可以根据零件的服务条件和性能要求，来选择合适的材料。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金2.在铸造方面的应用 根据铁碳合金相图确定浇铸温度，一般在液相线以上150左右。并且还可选择流动性好的合金，即接近共晶成

18、分的合金应用最广泛。因其熔点低，结晶温度间隔小，流动性好，组织致密。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3在锻造方面的应用 可以确定钢材在锻造时必须选择在奥氏体区的适当温度范围内进行，因为奥氏体单相变形均匀，强度较低，塑性较好，便于塑性变形。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金4在焊接方面的应用 焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，可根据铁碳合金相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金5 5在热处理方面的应用在热处理方面的应用 根据铁碳合金相图拟订淬火、退火、正火等各种热处理加热规范，根据铁碳合金相图拟订淬火、退火、正火等各种热

19、处理加热规范，有着特别重要的意义。有着特别重要的意义。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金 碳素钢碳素钢简称碳钢，是最基本的铁碳合金。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素，且含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金一、钢中常存元素及其对性能的影响 锰锰有益元素，有很好的脱氧能力，还可与硫形成MnS，从而消除了硫的有害作用。 硅硅有益元素，脱氧能力比锰强，还能提高钢的强度及质量，硅作为杂质一般应不超过0.4%。 硫硫有害元素，常以FeS形式存在，易使钢材变脆（热脆性）。 磷磷有害元素，它使钢在低温时变脆（冷脆性）。 氢氢有害元素，

20、能造成氢脆、白点等缺陷。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金二、碳素钢的分类1按钢的含碳量分 低碳钢：C0.25 中碳钢： 0.25C 0.60 高碳钢：C 0.602按钢的质量分 普通钢：S 0.050，P 0.045 优质钢：S 0.035，P 0.035 高级优质钢：S 0.025，P 0.025金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3按钢的用途分 结构钢：含碳量一般均小于0.70% 工具钢：含碳量一般均大于0.70%4按冶炼时脱氧程度的不同分 沸腾钢：脱氧程度不完全的钢 镇静钢：脱氧程度完全的钢 特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢 金属材料与热处理多媒体课件 第三

21、章 铁碳合金三、碳素钢牌号及用途化学元素符号汉语拼音字母阿拉伯数字1 1（普通）碳素结构钢（普通）碳素结构钢2 2优质碳素结构钢优质碳素结构钢3 3碳素工具钢碳素工具钢4 4铸造碳钢铸造碳钢金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金1（普通）碳素结构钢 碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，其产量约占钢碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，其产量约占钢总产量的（总产量的（70708080）% %。 金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金1 1）前缀符号：）前缀符号：Q Q（钢屈服强度（钢屈服强度“屈屈”，汉语拼音字首），汉语拼音字首）+ +屈服强度值（单屈服强度值（单位位MPaMPa）。）。2

22、 2）质量等级符号：）质量等级符号：A A、B B、C C、D D级，从级，从A A到到D D依次提高。依次提高。3 3）（必要时）脱氧方法符号：）（必要时）脱氧方法符号：F F沸腾钢、沸腾钢、Z Z镇静钢、镇静钢、TZTZ特殊镇静钢，特殊镇静钢，Z Z与与TZTZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。符号在钢号组成表示方法中予以省略。4 4）（必要时）在牌号尾加产品用途、特性和工艺方法表示符号。）（必要时）在牌号尾加产品用途、特性和工艺方法表示符号。如压力如压力容器用钢容器用钢RR、锅炉用钢、锅炉用钢GG、桥梁用钢、桥梁用钢Q Q 等。等。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金2优质碳素结

23、构钢 这类钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分这类钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性、韧性较好，运用于制造较重要的机械零控制得也较严格，塑性、韧性较好，运用于制造较重要的机械零件。件。 牌号用两位数字表示，这两位数字表示牌号用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量的万分数。该钢的平均含碳量的万分数。金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金l 45表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢l 08表示平均含碳量为0.08的优质碳素结构钢l若为高级优质钢、特级优质钢时，分别在牌号尾加A、E表示金属材料与热处理多媒体课件 第三章 铁碳合金3碳素工具钢 碳素工具钢主要用于制造刀具、量具和模具，具有较高碳素工具钢主要用于制造刀具、量具和模具，具有较高的硬度和耐磨性，其平均含碳量为的硬度和耐磨性，其平均含碳量为(0.