工程材料及应用第四章钢铁材料

1第四章铁碳合金铁碳合金系相图铁碳合金平衡冷却过程分析碳对铁碳合金的影响碳钢铸铁2第一节铁碳合金系相图一、组元的特性

1.纯铁纯铁的同素异晶转变铁素体的磁性转变温度为770℃(居里点)，曾经把770－912℃无磁性(顺磁性)的铁称为β－Fe。

工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度低，塑性、韧性好。 抗拉强度σb＝180－230Mpa

延伸率δ＝30－50％ 断面收缩率ψ＝70－80％ 冲击韧性ak＝160－200J/cm2

硬度50－60HB3一、组元的特性第一节铁碳合金系相图2.碳

游离的碳有石墨和金刚石两种晶体结构，在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合,间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。

石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。

4二、铁碳合金中的基本相第一节铁碳合金系相图α相

C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为F(Ferrite)。γ相

C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为A(Austenite)。δ相

C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。Fe3C相铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。L相碳在高温下熔入液体，相图中标记L(Liquid)。goto5三、铁碳合金三相平衡转变第一节铁碳合金系相图这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化，不作讨论。共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体，记录Ld(Ledeburite)共析反应，产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体，记录P(Pearlite)6四、Fe－Fe3C合金相图第一节铁碳合金系相图1、相图形式backto7四、Fe－Fe3C合金相图第一节铁碳合金系相图2、相图中各点的参数及含义891011四、Fe－Fe3C合金相图第一节铁碳合金系相图3、相图中相区五个单相区：液相区L高温固溶体 奥氏体(A)铁素体(F)

渗碳体Fe3C七个双相区：L＋L＋L＋Fe3C ＋＋Fe3C ＋＋Fe3C三个三相区：HJB线L＋＋

ECK线L＋＋Fe3C PSK线＋＋Fe3C12第二节铁碳合金平衡冷却分析铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型：

工业纯铁

(C%<0.02%)

钢

(C%<2.11%)亚共析钢共析钢过共析钢

白口铸铁

(C%>2.11%)亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁

灰口铸铁亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁一、工业纯铁(C%<0.02%)

含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从α－Fe中析出的Fe3C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。通常的组织为单一铁素体。13二、共析钢(C%≈0.77%)第二节铁碳合金平衡冷却分析相转变过程组织转变过程LL+AP

14二、共析钢(C%≈0.77%)第二节铁碳合金平衡冷却分析

共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比≈两相的厚度比≈8:1

15三、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)第二节铁碳合金平衡冷却分析组织转变L－……－AF+AF+P

16三、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)第二节铁碳合金平衡冷却分析17四、过共析钢(C%=0.77~2.11%)第二节铁碳合金平衡冷却分析组织转变：LL＋AAA＋Fe3CIIP＋Fe3CII18四、过共析钢(C%=0.77~2.11%)第二节铁碳合金平衡冷却分析说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。19五、共晶白口铁(C%≈4.3%)第二节铁碳合金平衡冷却分析组织转变L(L＋Ld)LdL’d20五、共晶白口铁(C%≈4.3%)第二节铁碳合金平衡冷却分析21六、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)第二节铁碳合金平衡冷却分析组织转变

LL＋AA＋LdA＋Fe3CII＋LdP＋Fe3CII＋L’d

22六、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)第二节铁碳合金平衡冷却分析23七、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)第二节铁碳合金平衡冷却分析组织转变LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+L’d

24七、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)第二节铁碳合金平衡冷却分析Fe3C的形式一次渗碳体Fe3CI二次渗碳体Fe3CII

三次渗碳体Fe3CIII (共析)珠光体中(共晶)莱氏体中2526第三节碳对铁碳合金的影响一、碳对室温平衡组织的影响27一、碳对室温平衡组织的影响第三节碳对铁碳合金的影响28一、碳对室温平衡组织的影响第三节碳对铁碳合金的影响29二、碳对力学性能的影响第三节碳对铁碳合金的影响30第四节碳钢一、碳钢中的常存元素碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的材料中存在，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指：

Si、Mn冶金时自然存在对性能无不利影响而保留

S、P冶金时难以彻底清除而存在于钢中一般钢中大致含量：Si0.25~0.30%Mn0.25~0.50%S<0.05%P<=0.04531二、钢的冶炼过程对性能的影响第四节碳钢1.钢锭中的组织缺陷缩孔：大多材料凝固后体积收缩留下的空腔。力图让缩孔集中在冒口，可切去。

疏松：微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间凝固的封闭而得不到液体补充而留下得缺陷。轧制可减小或消除其部分不利的影响。气孔：凝固中未排出在凝固体而形成的缺陷。气体的来源析出和反应型。夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等。成分偏析：成分不均匀叫做偏析。有宏观偏析和微观偏析32二、钢的冶炼过程对性能的影响第四节碳钢2.常存元素对性能的影响磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使性能恶化－－冷脆性。硫：S在钢中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988℃，在此温度以上工作和锻造时因晶界熔化而开列－－热脆。适量的S可概述钢的切削性能。硅：Si溶入铁素体，可提高强度和硬度。锰：Mn与S、C的结合力比Fe强，可生成MnS，塑性和熔点比FeS高，消除S的不利影响，但MnS会降低疲劳强度和断裂韧性，所以依然要控制含硫量。Si、Mn含量以自然出现为原则，人为专门加入组成合金钢。

33三、碳钢的分类第四节碳钢按含碳量分：低碳钢WC

0.25％ 中碳钢0.25％<WC

0.6％ 高碳钢WC>0.6％按质量用途分：普碳钢普通碳素结构钢 碳结钢优质碳素结构钢 碳工钢碳素工具钢按质量分：普通碳素钢WP

0.045％WS

0.055％

优质碳素钢WP

0.040％WS

0.040％ 高级优质碳素钢WP

0.035％WS

0.030％冶炼方法：沸腾钢

半镇定钢镇定钢34四、普通碳素结构钢第四节碳钢牌号早期牌号：A1、A2、A3、……A7数字越大，强度越高，相应塑性就低一些。近代推荐：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275Q的含义为“屈”，数字为钢的屈服强度MPa。特点：检查标准为仅检查材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型材(钢板、圆、扁、管、角……)。钢厂出厂状态为热轧制后在空气中自然冷却(正火)。性能标准参阅GB700－88教材有择录用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。35五、优质碳素结构钢第四节碳钢牌号08、08F、10、15、20、……45、50、……65数字为钢中C的含量(万分之几)基本范围，0.05％一档。对其中含S、P较低的优质钢后加字母A，如45A。特点：出厂检验要求保证化学成分为主，力学性能为辅助检验项目。钢厂出厂时保证碳的含量，为达到相应的力学性能指标，其他元素各厂有少量的差异。

性能标准参阅GB699－88教材有择录用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件，一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。而以45钢附近的韧性较好。

此外，铸钢的成分参照相同标准，牌号ZGxxx－xxx，性能一般比钢厂标准略低，用于形状复杂性能要求较高的零件。36六、碳素工具钢第四节碳钢牌号T8、(T9)、T10、T10A、(T11)、T12、T12A、T13T的表示为“碳工钢”，数字为钢的含碳量(千分之几)。后缀A为低杂质的优质钢特点：钢厂出厂状态为热轧制后进行球化退火，组织为颗粒状的碳化物＋球化珠光体，可以直接进行机械加工。性能标准参阅GB1298－86用途：碳素工具钢经过热处理(淬火＋低温回火)后具有高的硬度，用来制造尺寸较小、简单量具，低速加工用的刃具和模具，如具锯、手工工具、木工工具、简单的冲压模具等。37第五节铸铁引子

从铁碳平衡相图已知，含碳量大于2.11％的铁碳合金称为铸铁。工业上常用的铸铁成分范围通常为：C:2.5-4.0%Si:1.0-3.0%,Mn:0.5-1.4%S:0.02-0.2%,P:0.01-0.50%。有时为了改善其性能，加入一定量的合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等，总的来说与钢相比，含碳和硅的量较大，杂质元素比钢也多。

碳以石墨G的形式存在，可以与Fe构成平衡状态。38一、铁碳合金的石墨化第五节铸铁1.热力学原理

从热力学可知，碳以石墨状存在比在渗碳体中处在更低的能量状态。Fe3C→Fe(C)＋G转变是自发过程，尽管在许多情况下，铁碳合金中的碳以渗碳体出现，这仅仅是动力学原因导致，在条件适合时生成渗碳体的转变过程中碳将析出生成石墨，有时已经生成的渗碳体会分解而生成石墨。

石墨化是指铸铁在冷却的过程中，当碳处于过饱和时，碳原子析出形成石墨的过程。

2.石墨化过程

在共晶温度1154℃发生的石墨化。仅在过共晶材料中，从液体相中过饱和碳析出的石墨将漂浮在液体之上，不会进入铸铁材料的组织中。并且工程中不应用过共晶铸铁，所以通常讨论的石墨化有以下三各阶段。

39一、铁碳合金的石墨化第五节铸铁第一阶段高温石墨化，发生在1154℃

共晶转变时石墨的形成，LCAE＋G。得到的组织为(奥氏体＋石墨)的共晶体，这个石墨也称为共晶石墨。

第二阶段中间石墨化，发生在1154～738℃之间

奥氏体随温度在下降，对碳的溶解度也下降，这时过饱和的碳以石墨的方式析出，奥氏体的成分沿E’S’变化，析出的石墨也称为二次石墨GII。第三阶段低温石墨化，发生在738℃

共析转变时石墨的形成，AS

F＋G。得到的组织为(铁素体＋石墨)，这时析出石墨难以形核，往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。

工程实际中这三个阶段有时可能发生，有时只能发生部分转变。2.石墨化过程40一、铁碳合金的石墨化第五节铸铁3.影响石墨化的主要因素石墨化程度

冷却速度越缓慢，石墨化的效果越强。而快速冷却时，难聚集100%形成石墨，聚集到6.69%以Fe3C方式析出。

在高温下，渗碳体易发生石墨化分解。温度越高，保温时间越长，转变就越强烈。低于550℃难以生成石墨。合金元素的作用，C、Si、Al、Cu、Ni、Co将促进石墨的形成，Cr、W、Mo、V、Mn能和碳形成碳化物，阻碍石墨化。对形成石墨形状的影响

在一般的冷却条件下，从液体中析出长大的石墨为片状。冷却速度越大，石墨片越细小。

变质处理，在浇铸前向铸铁中加少量的孕育剂，可以促进石墨的形核，对渗碳体的析出有阻碍作用，析出的石墨可细化。加入表面活性合金元素，如Mg、Re元素可以改变石墨在液体中表面张力的方向性，促进石墨从片状而转成球状。石墨化方式不同，析出的石墨的形态也有区别，从液体中析出的石墨易成片状，而从固体下渗碳体分解产生的石墨为团絮状。

41一、铁碳合金的石墨化第五节铸铁4.铸铁的组织

铸铁的组织依石墨化的程度不同而呈现不同的状态。

石墨的形状有片状、细片状、蠕虫状、絮状、球状之分。

42二、灰口铸铁

第五节铸铁1.牌号：HT100－260HT150－330HT210－420HT表示灰口铸铁，第一部分为抗拉强度，第二部分为抗弯强度。

2.成分：C:2.5－4.0%Si:1.0－3.0% Cs＝C％＋1／3Si％3.组织：片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。减少碳的含量、提高冷却速度、变质处理可以提高其牌号。

4.用途：HT100－260对力学性能无明显要求的构件；

HT150－330HT21－42大型复杂的机体；

HT210－420高性能要求的重要床身，如压力机.5.热处理：铸铁的热处理不能改变石墨的形状，只能改变基体的组织，而许多性能是由石墨决定的，因此热处理的应用有一定的限制。43二、灰口铸铁

第五节铸铁3.组织：片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。44三、球墨铸铁

第五节铸铁1.牌号：QT400－170QT600－20QT70－20其中QT表示球墨铸铁，第一部分为抗拉强度，第二部字为延伸率。2.成分：C:3.6－3.8%Si:2.0－2.8%Mn:0.6－0.8%浇铸时加入0.03－0.05%Mg或0.02－0.04%Re，进行球化处理。3.组织：球状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。减少碳的含量、提高冷却速度、变质处理可以提高其牌号。

4.性能：石墨球的球化形状和大小，球化越完整，球的尺寸越细小，性能越优越；由于石墨是球形，对性能的影响较小，相应基体的作用明显提高，所以对球墨铸铁可以进行与钢类似的各种热处理（以后介绍），得到不同的基体组织，对应不同性能要求。5.用途：代替铸钢、锻钢来制造重要的、形状复杂的机械零件，如曲轴、连杆、涡轮、齿轮、水压机缸套、汽车后桥壳等。45三、球墨铸铁

第五节铸铁组织F＋GF＋P＋GP＋GG＋热处理组织46四、可锻铸铁第五节铸铁1.牌号：KT350－100KTZ45－50其中KT表示可锻铸铁，第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为延伸率。字母KTZ表示为珠光体可锻铸铁，KTH表示黑心可锻铸铁。2.成分：C:2.5~2.8%Si:1.2~2.0%Mn:0.4~1.2%

由于硅的含量(碳当量)小，加上Mn的作用，浇铸冷却时碳不以石墨形式