机械工程材料与热处理（第2版）课件：铁碳合金及碳素钢

铁碳合金及碳素钢3.1铁碳合金及相图纯铁及其同位素转变铁碳合金相图分析(重点、难点）典型铁碳合金的应用铁碳合金相图在工业中的应用工业纯铁成分：含铁量99.8%~99.9%，含杂质0.10%～0.20%性能及组织：

σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaδ=30%～50%ψ=70%～80%Ak=128～160JHBS=50～80用途

磁性设备纯铁及其同位素转变纯铁的同素异构转变纯铁及其同位素转变1394℃912℃δ-Feγ-Fe α-Febccfccbcc符合形核、长大的结晶规律转变过程恒温、可逆同素异构转变：金属在固态下晶格类型随温度发生变化的现象铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体

铁碳合金基本组织铁素体（F)碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体

晶格结构：体心立方晶格最大溶解度：0.0218%（727℃）性能：塑性、韧性好；强度、硬度低奥氏体（A)碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体

高温相晶格结构：面心立方晶格最大溶解度：2.11%（1148℃）性能：塑性、韧性好；强度、硬度低铁碳合金基本组织渗碳体（Fe3C)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

晶格结构：复杂正交碳的质量百分数：6.69%（1148℃）性能：熔点高，硬而脆（耐磨性好）用途：在钢中起强化作用铁碳合金基本组织珠光体（P）由铁素体和渗碳体组成的多相组织

含碳百分数：0.77%性能：介于渗碳体和铁素体中间，强度和塑性较高，硬度适中铁碳合金基本组织莱氏体（Ld）含碳量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织硬度高，塑性差铁碳合金基本组织727℃以下由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体铁碳合金相图分析重要点A：纯铁熔点C：共晶点D：Fe3C的熔点E：碳在γ-Fe中的最大溶解度F：生成Fe3C的成分点K：生成Fe3C的成分点S：共析点AS←→(F+Fe3C)重要线ACDAECFECFPSKESGS固相线液相线共析线共晶线碳在奥氏体中的溶解度线

冷却时从A中析出F开始线铁碳合金相图分析DFKFe3CABCENGPSQJH1148℃727℃1495℃ALFδwC（%）FeA3Acm2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁钢铸铁ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%铁碳合金分类

铁碳合金的结晶过程分析共析钢[wc=0.77%]铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%1320

铁碳合金的结晶过程分析共析钢[wc=0.77%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:100%P（F和Fe3C）组成相的质量分数为：ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%亚共析钢[0.0218%<wc<0.77%]13204亚共析钢[0.0218%<wc<0.77%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:F+P铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%1320过共析钢[0.077%<wc<2.11%]4过共析钢[0.077%<wc<2.11%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:P+Fe3CⅡ工业纯铁[wc<0.02%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:F+Fe3CⅢ

铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%120共晶白口铁[wc=4.3%]共晶白口铁[wc=4.3%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:100%铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%130亚共晶白口铁[2.11%<wc<4.3%]24亚共晶白口铁[2.11%<wc<4.3%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:P+Fe3CⅡ+铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%13024过共晶白口铁[4.3%<wc<6.69%]过共晶白口铁[4.3%<wc<6.69%]铁碳合金相图分析室温平衡组织:+Fe3C铁碳合金相图分析ABCDFENGPSKQJHALFδFeFe3C

铁碳合金平衡组织含碳量对铁碳合金组织和性能的影响铁碳合金相图分析相组成物相对量组织组成物相对量P含碳量对铁碳合金组织和性能的影响铁碳合金相图分析对力学性能的影响Wc(%)Hδ（ψ）akWc(%)＜1.0σWc(%)＞1.0σ

铁碳相图的应用在选材方面的应用在铸造方面的应用在锻轧方面的应用在热处理方面的应用铁碳合金相图分析机械零件和建筑机构主要选低碳钢和中碳钢切削工具和测量工具一般选高碳钢弹簧一般选高碳钢可根据液相线确定不同合金的熔点温度，从而确定合适的浇注温度共晶成分的合金熔点最低，铸造性能好，适合选作铸造合金钢材的锻造、热轧选在单相奥氏体的适当温度范围内淬火、退火、正火等热处理工艺常存杂质对碳素钢性能影响Si（<0.4%）：有益元素清除钢中的FeO，降低钢的脆性与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用溶于铁素体形成置换固溶体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度

Mn（0.25%~0.80%）：有益元素固溶强化，使钢的强度、硬度提高增加钢的电阻和导磁性形成低熔点共晶体，产生热脆性S:有害元素P:有害元素产生冷脆现象热轧时生成带状组织增加锰的含量对高寒地带和低温工作下的结构件具有严重危害性冷脆性导致悲惨事故的发生碳素钢分类含碳量低碳钢中碳钢高碳钢质量普通质量碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢用途碳素结构钢碳素工具钢碳素铸钢钢材品种型材板材管材金属制品普通碳素结构钢特性及应用特性：杂质较多，价格低廉；强度较低，但塑性、韧性、冷变形性能好

应用：制成条钢、异型钢材、钢板等，主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程，制造承受静载荷的各种金属构件及不重要不需要热处理的机械零件和一般焊接件

牌号表示Q屈服点数值质量等级符号脱氧方法符号典型钢号

Q195、Q215，通常轧制成薄板、钢筋供应市场。也可用于制作铆钉、螺钉、轻负荷的冲压零件和焊接结构件等

Q235、Q255强度稍高，可制作螺栓、螺母、销钉、吊钩和不太重要的机械零件以及建筑结构中的螺纹钢、型钢、钢筋等；质量较好的Q235C，D级可作为重要焊接结构用材Q275钢可部分代替优质碳素结构钢25、30、35钢使用优质碳素结构钢特性及应用特性：有害杂质含量极少应用：制造机械零件

牌号表示用钢中平均含碳量的万分数表示钢号案例45钢表示平均wc=0.45%的优质碳素结构钢；08钢，表示平均含碳量为0.08％的优质碳素结构钢

65Mn钢，表示平均wc=0.65%，并含有较多锰的优质碳素结构钢（wMn=0.8%~1.2%）08F表示平均含碳量为0.08％的沸腾钢高级优质钢，在数字后面加上符号“A”

特级优质钢在数字后面加上符号“E”

碳素工具钢特性及应用特性：生产成本低，加工性能优良、强度、硬度较高，耐磨性好，但塑韧性较差应用：受热程度较低，尺寸较小的手工工具及低速、小走刀量的机用工具，也可用于尺寸较小的模具和量具牌号表示方法“T”加上数字表示铸造碳钢特性及应用特性：铸造碳钢（铸钢）的含碳量一般为0.15%~0.6%。铸钢的铸造性能比铸铁差，但力学性能比