工程材料及成形工艺基础-铁-碳相图应用及钢的分类与牌号

第四讲：铁-碳相图应用及钢的分类与牌号

一、铁-碳相图的基本区域二、举例分析不同成分铁-碳合金结晶过程三、碳含量对铁碳合金组织和性能影响

四、铁碳合金相图应用

五、钢的分类与牌号四个单相区：(1)液相区（L）(2)奥氏体相区（A，γ）(3)铁素体相区（F，α）(4)DFK垂线代表的渗碳体相区（Fe3C）一、Fe-c相图区域的构成五个双相区:

液相与奥氏体区

（L+A）

液相与渗碳体区

（L+Fe3C）奥氏体与铁素体区

（A+F）奥氏体与渗碳体区

（A+Fe3C）铁素体与渗碳体相区

（F+Fe3C）请问Fe-c相图有没有三相区？哪几个？1）共晶线—ECF

碳2.11~6.69%Fe–C合金:在1148℃发生共晶转变，生成莱氏体。1148℃共晶反应：2）共析线－PSK0.0218~2.11%C

Fe–C合金：在727℃发生珠光体转变，即共析转变。727℃共析反应：二、举例分析1538QFe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFeⅠⅡⅢⅣⅤⅥ共析钢组织转变示意图Eutectoidtransformation亚共析钢组织转变示意图Sub-eutectoid

过共析钢组织转变示意图Over-eutectoid

共晶成分组织转变示意图Eutectictransformation

亚共晶成分组织转变示意图Sub-Eutectictransformation

过共晶成分组织转变示意图Sub-Eutectictransformation三、碳对铁-碳合金组织和性能影响

1、C对平衡组织的影响

图铁碳合金中组织与成分的关系2、对力学性能的影响含碳量对钢力学性能的影响

含碳越高，钢强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。因钢中增强相Fe3C增多。含碳超过0.77%，达到0.9％时，在晶界析出网状二次渗碳体，钢强度会降低。四、铁碳合金相图应用

ApplicationofFe-CEquilibriumDiagram

1.在铸造中应用：ApplicationinFoundry（1）确定钢和铸铁浇注温度；（2）判断其流动性好坏和收缩大小。

2.在锻造中应用：ApplicationinForging

确保钢在奥氏体区域内变形。

3.在热处理中应用：ApplicationinHeattreatment

制定热处理工艺依据。1）在铸造中应用Fe-Fe3C相图与铸造关系

据Fe-Fe3C相图液相线找出铁-碳合金熔点，确定熔化和浇注温度：液相线上50~100℃。近共晶铁碳合金熔点低，而且凝固区也较小，有良好铸造性能。2）在锻造上应用：确定钢的锻造温度

Fe-Fe3C相图与锻造工艺

钢的锻造多选择单一奥氏体区。温度选择：始锻温度-----不得过高以免氧化严重。一般在固相线下100~200℃。终止温度-----也不能过低，以免塑性太差，产生裂纹。一般800℃左右。不同钢对性能要求不同，其热处理工艺也不同，如加热温度的选择如图：3）在热处理上的应用：确定热处理工艺1、钢的分类：按化学成分有：碳素钢和合金钢。按用途分有：结构钢、工具钢和特殊性能钢按质量分有：普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）、优质钢（P、S均≤0.035%）、高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）按脱氧程度分有：镇静钢Z，沸腾钢F等。五、钢分类、牌号及应用2、钢的牌号

1）普通碳素结构钢碳素结构钢一般不进行热处理，按力学性能供货，其牌号：屈服点字母+屈服点数值+质量等级+脱氧方法如：Q235-A.F：屈服强度235MPaA级沸腾钢。2）优质碳素结构钢：既保成分，又保性能。

牌号：平均碳含量万分数：25、30、45

若含锰较高：45Mn3）碳素工具钢：碳含量在0.65~1.35%之间牌号：平均碳含量千分数：T8、T10、T12A4）合金结构钢：30CrMnSi、12CrNi3

牌号：平均碳含量万分数+元素符号+数字滚珠轴承钢牌号前加“G”，如GCr15，Cr1.5%5）合金工具钢：用于刀具、模具和量具牌号：9SiCr、Cr12、5CrMnMo

平均碳含量千分数+元素符号+数字碳含量≥1%，不标出，如W18Cr4V

6）特殊用途合金钢：不锈钢、耐热和耐磨钢牌号：与合金工具钢相同如，1Cr18Ni91Cr13、4Cr9Si2、ZGMn13和0Cr18Ni9Ti

碳含量≤0.03%和≤0.08%，冠以‘00’和‘0’。1)按化学成分有(byComposition)

低碳钢——C＜0.25%；碳素钢中碳钢——

0.25%≤C≤0.60%；Carbon

高碳钢——C＞0.6%；低合金钢——合金元素总量＜

5%；合金钢中合金钢——5%≤合金≤10%Alloy

高合金钢——合金元素总量＞10%；

钢3、钢的应用钢——含C＜2.11%Fe-C合金，还有Si、Mn、S、P等元素。2）碳素钢碳素钢按用途：普通碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢优质碳素结构钢按碳分——低碳钢0.0218%＜C＜0.25%；中碳钢0.25%＜C≤0.60%；高碳钢0.60%＜C≤1.3%。

（1)碳对钢性能的影响：对亚共析钢：含碳增加,P量增加，F减少，钢强、硬度增加，而塑性、韧性下降。

对过共析钢：因出现网状二次渗碳体，随含碳量增加，硬度增加，但脆性增加，强度反而下降。五大元素对碳钢性能的影响：（2）硅和锰（Si、Mn）由于炼钢时用硅铁和锰铁脱氧而残留在钢中。在碳钢中Si≤0.37%；

Mn=0.25%--0.8%

对力学性能影响不大。Si：（1）用来清除钢中FeO，脱氧能力比Mn强。与钢液中FeO能结成密度较小硅酸盐，

以炉渣形式被除去；（2）Si能溶入F中使其强化，从而提高钢

强度和硬度，但会降低塑性和韧性；（3）总之，Si是一种有益元素，含量应小于0.4%。Mn：（1）清除钢中FeO，锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把FeO还原成铁；（2）减轻硫有害作用，降低钢脆性；

（MnS在高温时有一定塑性，故切削中MnS起断屑作用，改善了钢的切削加工性，这类钢称易切削钢)（3）室温下，Mn大部分固溶入F中形成置换固溶体使F强化，提高钢的强度和硬度。（4）Mn在钢中含量为0.25～0.80%，总之也是有益元素。S：炼钢时由矿石和燃料带入→引起热脆

，是有害元素。磷P：由矿石带入→引起冷脆，也是有害元素。衡量钢指标是S、P含量：S在0.065%以下；磷P在0.045%以下。（3）硫和磷(S、P)S引起“热脆”——“热脆”：S与铁生成FeS，FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体，分布在晶界上。在1000℃～1200℃下进行压力加工时，易开裂。P磷会引起“冷脆”——“冷脆”：磷P溶于F，提高F强度和硬度；但在室温使塑性和韧性急剧下降（因Fe3P）。小结：硅—有益元素提高钢的强度和硬度，通常作为脱氧剂进入钢。锰—有益元素提高钢强度和硬度，抵消硫有害作用，也作为脱氧剂。硫S—有害杂质造成钢的热脆，因在晶界处形成低熔点共晶体。磷P—有害杂质使钢塑性、韧性下降，具有冷脆性。

（1）普通碳素结构钢*含碳小于0.38％，常用小于0.25％，即以低碳钢为主。组织：F+P*结构钢牌号：Q+三位数字表示，例：Q215—A·F

Q—屈服点；215—屈服强度值，215MPaA—质量等级，分为A、B、C、D，其中A是普通级，

D是优等级，其硫、磷含量较低。

F—脱氧程度，F是沸腾钢，Z是镇静钢，Z可不标。各类碳素钢的具体应用：*常见碳素结构钢： Q195A、Q195B、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q255A、Q255B和Q275等。*Q235：用得最广,属低碳钢,经热轧成钢板、型钢、钢管和棒材等,铁素体较多，故塑性和韧性优良,用于建筑构件、不重要的轴、螺钉、螺母、冲压件、焊接件和锻件等。*Q235—C和Q235—D可用于重要焊接件。（2）优质碳素结构钢*含硫、磷较低（<0.035%)，用来制造重要零件。*优质结构钢牌号：用二位数字表示例20钢----表示含碳为0.2％，

即“20”表示钢平均含碳量万分数。

10F----表示含碳量为0.1％，沸腾钢*常用优质结构钢：

08、10、15、20、25等属低碳钢---塑性好，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。

其中20钢用途最广,用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴、冲压件和焊接件；也用于渗碳件。30、35、40、45、50、55等属中碳钢---钢中珠光体量增多，强度和硬度提高，尤其淬火后硬度。其中45钢强度、硬度、塑性和韧性都好，应用最广，用于制造轴、丝杠、齿轮、重要螺钉和螺母等。

60、65、70、75等属高碳钢---经淬火和回火，不仅强度和硬度提高，弹性优良，用于制造弹簧、钢丝绳和轧辊等。含碳量----为0.7～1.35％淬火硬度高（＞60HRC），耐磨。工作温度＜250℃。牌号：T+数字，例：T7AT--碳素工具钢；7--平均含碳量为0.7％；A---表高级优质常用：T8、T10、T10A、T12T8---共析钢，韧性最好，用于制造受冲击工具：錾子和锻工工具T10、T10A---硬度高，且有韧性，用来制造锯条和小冲模等。

T12---硬度最高，耐磨性好，但脆性大，适于制造不受冲击的

耐磨工具如：钢锉和刮刀等。

（3）碳素工具钢合金钢

alloy---steel一、分类1、按合金元素多少：（1）低合金钢（2）中合金钢（3）高合金钢W含量<5%W含量>10%W含量=5~10%2、按用途：（1）合金结构钢（2）合金工具钢（3）特殊性能钢——轴、齿轮、钢筋、型钢等——刀具、模具、手用工具等——不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等二、合金元素在钢中作用（了解）1、与铁作用：固溶于铁素体中，固溶强化，↑力学性能。2、与碳作用：①固溶于铁素体；②形成碳化物，↑↑HB、σb。三、合金结构钢牌号合金结构钢全是优质钢。牌号：

数字+元素符号+数字

25

Cr2

Ni4

W（万分之几）wS.P≤0.035%元素及含量（百分之几）<1.5%不标出1.5~2.5%用2表示2.5~3.5%用3表示例如：40Cr、60Si2Mn、20CrMnTi1、低合金高强度钢：制造桥梁、井架、电视塔架和船舶等。1）成分：C<0.2%；合金元素强化铁素体。2）性能：δ、ak良好，σb、σs较高；3）钢号：Q295；Q345

；Q390；Q420；Q460注：Q345

代替旧标准16Mn4）热处理：热轧后，正火状态使用。2、合金渗碳钢1）成分：C<0.25%；心部有良好塑性和韧性。2）性能：淬透性好；渗碳耐磨性↑，σ-1、δ、ak

↑抗冲击。3）钢号：

20Cr----A20202；变速箱齿轮用20CrMnTi4）热处理工艺：渗碳、淬火+低温回火，58~62HRC3、合金调质钢1）成分：<0.50%；过高，ak↓；过低，淬不硬，σ不高。2）性能：综合力学性能良好。3）钢号：40Cr---A20402；齿轮用40CrMnMo4）热处理工艺：淬火+高温回火4、合金弹簧钢1）成分：C=0.5~0.7%

；过低，σe不高，屈强比低；2）性能：高σb；高屈强比σs/σb

，σ-1、足够δ、ak

3）钢号：60Si2Mn、汽车减振弹簧用钢55Si2Mn

。

过高，σ-1、δ、ak↓4）热处理：冷成形弹簧——d<8mm，200~250℃去应力退火淬火+中温回火5、滚动轴承钢1）成分：C=0.95~1.1%,

高硬度、耐磨性；

加Cr=0.4~1.6%，提高淬透性。2）性能：较高σ-1，HB，σe；一定ak3）牌号:常用GCr15——小型套圈，直径<25mm钢球；

GCr9——直径为10~20mm滚珠。WCr=0.9%4）热处理工艺：球化退火、淬火+低温回火四、合金工具钢牌号合金工具钢属高级优质钢，牌号：数字+元素符号+数字

9Mn2V

Cr12MoV含碳千分之几（WC<1%）含碳量不标出（WC≥1%）合金元素表示法与结构钢相同。合金工具钢分类：1、合金刃具钢——要求高硬度、耐磨性。1）性能特点：热硬性好——高温度下保持高硬度；

如600℃下硬度达60HRC2）钢号：9CrSi;W18Cr4V;W9Mo3Cr4V3）热处理：球化退火、淬火+低温回火60~63HRC2、量具钢

自己看3、模具钢——按工作条件分：冷变形钢（冷作模具钢）、热变形钢（热作模具钢）两类。1）冷作模具钢：冷成型用模具，如冷冲模、落料模。要求足够塑性、韧性、高硬度和耐磨性。C=1.0%~2.0%；热处理：淬火+低温回火常见牌号：Cr1