4第4章铁碳合金相图及碳素钢汇总

1体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格一复习：1、纯铁的同素异构转变是如何进行的？α－Fe、γ－Fe晶格类型分别是怎样的？它们一般存在于什么温度之间？2、合金的基本组织有哪三种类型？3、固溶体又有哪两种类型？固溶体的性能是怎样的？固溶体、金属化合物、机械混合物。间隙固溶体、置换固溶体。由于固溶体是通过溶入溶质元素形成的，其晶格发生畸变，增加了变形抗力，结果使金属材料的强度、硬度增高。（固溶强化）2

第四章铁碳合金相图及碳素钢※三碳素钢（非合金钢）※一铁碳合金的基本组织※二铁碳合金相图3教学要求：1、娴熟驾驭铁碳合金基本组织——铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的含义、符号、性能。2、了解铁碳合金相图，驾驭Fe-Fe3C相图特性点、特性线和各区域的组织。3、明确铁碳合金的分类，驾驭含碳量对钢组织和性能的影响。4、理解Fe-Fe3C相图的应用，特殊是钢在锻造和铸造中的应用。5、驾驭碳钢的概念，娴熟驾驭碳钢的五种分类，驾驭一般碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢的牌号、性能和典型用途。4钢和生铁都是铁碳合金，其基本组织是铁和碳两个元素，是现代工业中应用最广泛的金属材料。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理运用，首先必需探讨铁碳合金相图。一般说的铁碳合金相图，事实上是铁-渗碳体（Fe-Fe3C）相图。依据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以反应形成金属化合物，或固溶体与金属化合物组成机械混合物。因此，在铁碳合金中出现以下几种基本组织：一【

新课导入】铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体※一铁碳合金的基本组织5碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳实力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相像。铁素体组元：Fe、Fe3C

相1铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。

二铁碳合金中的相

62奥氏体碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳实力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。

组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行.

碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体73渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%Fe3C硬度高、强度低(Rm35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在确定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体81珠光体P：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。图珠光体的显微组织三铁碳合金中的基本组织92莱氏体Ld莱氏体在7270C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在7270C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld’。其显微组织如图，其力学性能与渗碳体相像，硬度较高，脆性较大。图莱氏体的显微组织10※小结:11※小结:【新课导入】从铁碳合金组织学习中我们知道，室温下的组织F、P、Ldˊ、Fe3C随着含碳量增加，它们的性能变更是规律的，塑性、韧性由好变差，硬度由大变小，其实这种变更规律我们是可以从材料专家绘制的铁碳合金相图反映出来的。我们接下来就是学习探讨：铁碳合金相图1213一Fe-C相图与Fe-Fe3C相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%～2.11%的称钢;含碳量为2.11%～6.69%的称铸铁。含碳量低于0.0218%的称纯铁。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。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无好用价值。实际所探讨的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。※二铁碳合金相图14铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以探讨钢和铸铁的内部组织及其变更规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般探讨的铁碳合金状态图事实上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图所示。1516

二Fe-Fe3C相图分析⒈特征点2.特征线3.相区171特征点LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

18192特征线⑴液相线—ABCD，

固相线—AHJECFD⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄J

ECF：共晶线LC⇄E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Ld表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体20PSK：共析线S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。21⑶其它相线GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN—δ⇄固溶体转变线，ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。22

⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线3相区⑴五个单相区：

L、、、、Fe3C

⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C23※小结:学习内容Fe-Fe3C相图一、Fe-Fe3C相图相图特性点二、Fe-Fe3C相图特性线三、Fe-Fe3C相图相区24三铁碳合金的分类铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁(<0.0218%C)组织为单相铁素体。钢(0.0218～2.11%C)高温组织为单相

亚共析钢(0.0218～0.77%C)室温组织为F+P共析钢(0.77%C)

P过共析钢(0.77～2.11%C)

Fe3CⅡ+P白口铸铁(2.11～6.69%C)铸造性能好,硬而脆亚共晶白口铸铁(2.11～4.3%C)

P+Fe3CII+Ld′共晶白口铸铁(4.3%C)Ld′过共晶白口铸铁(4.3～6.69%C)Fe3CI+Ld′25亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁26组织组成物与相组成物标注区分主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。四组织组成物在铁碳合金相图上的标注+Fe3C+Fe3C27FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLe+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠLdP+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度28五含碳量对铁碳合金组织和性能的影响⒈含碳量对室温平衡组织的影响

含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：

钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体292含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度上升，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld,合金太脆.303含碳量对工艺性能的影响(1)切削性能:中碳钢合适(2)可锻性能:低碳钢好(3)焊接性能:低碳钢好(4)铸造性能:共晶合金好(5)热处理性能:后续介绍切削加工的基本形式车刨钻铣磨31铸造焊缝组织模锻32六铁碳合金相图的应用

1）在铸造中的应用。依据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合金的凝固温度范围，推断流淌性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流淌性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。2）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围。3）在热处理中的应用。相图反映了不同成分的合金在缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订热处理工艺的依据。【小结】一、铁碳合金的分类二、含碳量对钢组织和性能的影响三、Fe-Fe3C相图的应用33【新课导入】纯铁是一种塑性很好的金属，既不能制刀枪，也不能铸铁锅、犁锄。但当纯铁中加入确定量的碳后，就变成了现代工业的骨骼——钢铁材料了。钢铁材料是机械制造、建筑、交通运输、国防及其他各部门应用最广泛的金属材料。当今世界，钢铁产量占世界金属总产量的95％，钢铁的品种和运用量已成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要标记。对钢而言，有碳钢、合金钢之分。接下我们先来学习碳钢的学问。3435工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入确定量合金元素所获得的铁基合金。※三碳素钢（非合金钢）36

一钢中杂质对钢性能的影响钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。1、Mn的影响:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：①强化铁素体；②消退硫的有害作用。2、Si的影响：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：

①强化铁素体；②增加钢液流淌性。373、S的影响：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150～1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应限制在0.05%以下.Mn可消退硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1600℃)。合金晶界的低熔点硫化物共晶384、P的影响：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般限制在0.045%以下.钢中的MnS夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中395气体元素的影响①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出访钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消退时效倾向。②O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为乏累裂纹源.钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂40③H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点钢的氢脆断口41

二钢的分类与编号1、钢的分类(1)按化学成分分

低碳钢0.25%C中碳钢0.25～0.6%C高碳钢0.6%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5～10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢42钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015(2)按冶金质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为一般质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.依据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：43（3）按用途分

工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆调质钢渗碳钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具44（4）按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢

按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材低。半镇静钢：介于前两者之间生沸腾。这种钢成材率高，但不致密按脱氧程度分特殊镇静钢45（5）按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢

按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢

按退火组织分电弧炉炼钢46【小结】学习内容1、碳钢2、碳钢的五种分类47碳钢是目前应用最为广泛的金属材料。对工农业生产、交通运输、国防乃至日常生活来说，碳钢是最基本、最重要的材料，这是因为碳钢具有下面的优点：1碳钢的优点：具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼便利，价格便宜。实际生产中运用的碳钢材料种类很多，常用的有以下四类：一、一般碳素结构钢（C：0.06%~0.38%，硫、磷含量较高，一般不须要热处理。）二、优质碳素结构钢（S≤0.035%P≤0.035%，用于质量要求高的机械零件。）三、碳素工具钢（制造刀具、模具、量具等。）四、铸造碳钢48齿轮刀具2钢的编号我国钢材的编号是接受汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。接受汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.49常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾50一般碳素结构钢a、牌号Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；冷静钢—Z；半冷静钢—b；特殊冷静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板51b、性能、用途52齿轮加工方钢（2）优质碳素结构钢a、牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。53钢带说明：①含Mn量为0.7～1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半冷静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。54b、性能和用途55(3)碳素工具钢a、牌号T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。说明：碳素工具钢含碳量在0.7%以上。都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。

丝锥锉刀56b、性能（1）热处理后具有高的硬度、耐磨性；（2）随含碳量的增加，其硬度和耐磨性渐渐增大，韧性渐渐下降。c、用途──制造形态困难，切削速度较低（＜5米/分），工作温度不高（200℃以下）的工具和耐磨件。T7、T8：用于制造受冲击，须要高硬度和耐磨性的工具（工作部分48~60HRC）。如铁锤、冲头、錾子、螺丝刀、打炮眼的钢钎、简洁模具、木工工具等。T9、T10、T11：用于受中等冲击的工具和耐磨件（工作部分60~62HRC）。如手工锯条、丝锥、板牙、冲模。T12、T13钢用于制造不受冲击，硬度极高的工具和耐磨件（工作部分62~65HRC）。如锉刀、