金属材料与热处理-单元3　铁碳合金和碳钢

单元三铁碳合金和碳钢铁碳合金相图01

典型铁碳合金的平衡结晶过程02碳钢03本章内容铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的开发以及工艺废品原因的分析都有很重要的指导意义。Fe-Fe3C（渗碳体）相图是一个典型的二元合金相图。在Fe-Fe3C相图中包含了二元典型的包晶、共晶、共析反应，同时还有一个稳定化合物，掌握铁碳合金相图的分析方法，对我们学习二元合金相图具有重要的帮助。在钢铁材料中，应用最广泛的是碳钢。这是因为碳钢冶炼简便，价格低廉，在一般情况下能满足使用要求。因此，本单元重点介绍了工业用碳钢的分类、编号和性能。项目概述项目目标了解碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响；03了解和掌握铁碳合金相图的基本特征，会分析铁碳合金相图；01掌握典型铁碳合金平衡结晶过程；021、了解碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响钢铁材料是铁碳合金系少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。普通碳钢和铸铁均属铁碳合金范畴，合金钢和合金铸铁实际上有意加入合金元素的铁碳合金。为了熟悉钢铁材料的组织和性能，以便在生产中合理使用，首先必须研究铁碳合金的相图。反映铁碳合金的化学成分、相、组织与温度关系及其变化规律的相图已诞生了一百多年，是人类经过长期生产实践和大量科学试验总结出来的。本单元将较详细地介绍铁碳相图中只有实用价值的部分的Fe-Fe3C

相图，并介绍与此相图相对应的、工业用量颇大的碳素钢。一、铁碳合金中的相与基本组织从冷却曲线上可知，第一个1583℃的平台是铁的结晶温度，结晶后是体心立方晶格δ-Fe。当温度降到1394℃出现第二个平台。这是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变成为面心立方的γ-Fe。当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的第二次同素异晶转变。变成体心立方的β-Fe。当温度降低到912℃以下，铁的结构不再发生变化。正因为Fe具有这种同素异晶转变，才使得钢也存在多种固体相变，为钢的合金化和热处理打下了基础。2.铁与碳相互作用构成的基本相Fe-Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。在Fe-Fe3C二元合金系中，由于铁和碳之间相互作用不同，铁和碳既可形成固溶体，也可形成金属化合物。铁素体、奥氏体和渗碳体是铁-碳合金的三个基本相。（1）铁素体。铁素体是碳在α-Fe中形成的固溶体，常用“F（或α）”表示，是间隙固溶体，α-Fe为溶剂，保持体心立方晶格。由于α-Fe的晶格间隙比碳原子的半径小得多，因此，溶碳能力极差。在727℃时溶碳量最大，仅为0.02%，室温时溶碳量为0.0008%。而且，碳原子一般存在于晶格缺陷处。在显微镜下观察，铁素体如图3-2所示。图3-2铁素体的显微组织示意图一、铁碳合金中的相与基本组织（2）奥氏体。奥氏体是碳在γ-Fe中形成的固溶体，常用“A”表示，奥氏体也是间隙固溶体，因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大，在727℃时，溶碳量为0.77%，随着温度的升高溶碳量逐渐增大。在1148℃时溶碳量最大，为2.11%。奥氏体在显微镜下的形态如图3-3所示。图3-3奥氏体的显微组织示意图一、铁碳合金中的相与基本组织二、铁碳合金相图分析铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础，铁和碳可形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C和FeC，由于含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而只研究Fe-Fe3C相图部分，Fe-Fe3C相图如图3-4所示。2.Fe-Fe3C相图中的特性线ABCD线：液相线，ABCD线以上区域，铁碳合金处于液态。碳的质量分数Wc≤4.3%的铁碳合金在AC线开始结晶出奥氏体（A）；碳的质量分数Wc＞4.3%的铁碳合金在CD线开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳，常用Fe3CI表示。AHJECF：固相线，固相线以下区域，铁碳合金呈固态。整个相图主要是由包晶、共晶和共析三个恒温转变组成的。HJB线。包晶转变线，在这条线上发生包晶转变LB

δH

γJ，产物为奥氏体二、铁碳合金相图分析2.典型铁碳合金的平衡结晶过程一、铁碳合金的分类铁碳合金按其含碳量及室温组织可分为三大类：工业纯铁、钢和白口铸铁。典型铁碳合金的成分与室温组织见表3-2。表3-2典型铁碳合金的成分与室温组织种类名称含碳量/%室温组织工业纯铁工业纯铁＜0.0218铁素体和微量三次渗碳体钢亚共析钢0.0218~0.77铁素体和珠光体共析钢0.77珠光体过共析钢0.77~2.11珠光体和二次渗碳体白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11~4.3珠光体、二次渗碳体和莱氏体共晶白口铁4.3莱氏体过共晶白口铁4.3~6.69一次渗碳体和莱氏体二、典型铁碳合金结晶过程分析EC温度l/℃γLFe3CaGNAFed3S3322223J34H1111B1211232756P544⑥⑤⑦典型铁碳合金的结晶过程，如图3-5所示。①③ ② ④图3-5wc（%）典型铁碳合金结晶过程工业纯铁的结晶过程及其组织转变以含碳量为0.01%的工业纯铁为例，其结晶过程如下：1点以上：L。1～2点：发生匀晶转变结晶出δ固溶体，即L→δ。2～3点：δ。3～4点：发生δ固溶体的同素异构转变，即δ→A。4～5点：A。5～6点：发生同素异构转变，即A→F。6～7点：F。7

点以下：碳在铁素体中的溶解量达到饱和，将从铁素体中析出三次渗碳体，即F→Fe3CIII。工业纯铁的结晶过程如图3-6所示，其室温组织（F+Fe3CIII）如图3-7所示。

。二、典型铁碳合金结晶过程分析LAL1以上L3~42~31~2F+Fe3CⅡFe3CⅡ时间→温度→5~66~77~8FFFA4~5A+FA56F78231

AL+

+A4图3-6工业纯铁的结晶过程示意图 图3-7工业纯铁的室温组织二、典型铁碳合金结晶过程分析三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响1.含碳量对平衡组织的影响根据杠杆定律计算，可求得含碳量与铁碳合金缓冷后的组织组成物及相组成物间的定量关系，如图3-20所示。图3-20含碳量对平衡组织的影响含碳量的变化，不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化，而且引起组织的变化。显然，这是由于成分的变化，引起不同性质的结晶过程，从而使相发生变化造成的。四、Fe-Fe3C相图在工业中应用铁碳合金相图反映了铁碳合金组织随温度和成分变化的规律，利用它可以分析不同成分的铁碳合金的性能。铁碳合金相图在选材和制定热加工工艺等方面得到了广泛的应用。在选材方面的应用Fe-Fe3C相图总结了铁碳合金的平衡组织和性能随成分变化的规律，这就便于根据工件的服役条件和性能要求，来选择合适的材料。若零件要求塑性、韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.10%～0.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.25%～0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.6%～1.3%C）。在制定热加工工艺方面的应用（1）铸造。根据相图可以确定碳钢和铸铁的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～100℃。根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏，距离越小，铸造性能越好，因此，共晶成分的铸铁常用来浇注铸件，其流动性好，分散缩孔少，显微偏析少。3.碳钢通常将含碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳钢。碳钢具有一定的力学性能，且工艺性能良好，价格低廉，便于获得，因而在机械制造中得到了广泛的使用。为了在生产上合理选择，正确使用各种碳钢，必须简单地了解我国碳钢的分类、编号和用途，以及一些常存元素对钢性能的影响。一、碳钢的分类碳钢分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢的含碳量、质量和用途分类。按含碳量分类低碳钢：Wc≤0.25%。中碳钢：Wc＝0.25～0.6%。高碳钢：Wc＞0.6%。按质量分类（即含有杂质元素S、P的多少分类）普通碳素钢：Ws≤0.055%；WP≤0.045%。优质碳素钢：Ws、WP≤0.035%。高级优质碳素钢：Ws≤0.02%；WP≤0.03%。按用途分类碳素结构钢：主要用于制造机械零件和工程结构，一般属于低、中碳钢。碳素工具钢：主要用于制造各种加工工具，如刃具、量具和模具，一般属于高碳钢。二、碳钢的牌号和用途1.普通碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母（Q）、屈服点值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。其中质量等级为A、B、C、D的碳素结构钢中硫、磷的含量依次降低；脱氧方法符号的含义如下：“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，“Z”表示镇静钢（一般省略不写），“TZ”表示特殊镇静钢。普通碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。通常Q195（A1）、Q215（A2）、Q235（A3）含碳量低，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等。Q255（A4）和Q275（A5）钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号以两位数字表示含碳量的万分数，钢中含锰较高（WMn=0.

8%～1.2%）时，则在数字后面加Mn。优质碳素合金结构钢的含硫、磷量均限制严格，在0.

04%

以下。非金属夹杂物也很少。出厂时，既保证化学成分，又保证力学性能。因此，塑性和韧性都比碳素结构钢要好，主要用作机械零件及弹簧等。当然，含碳量不同，不同钢的用途也不尽相同。为了满足机械零件能够承受动载荷的要求，优质碳素结构钢都要经过热处理，以提高其机械性能。3.碳素工具钢碳素工具钢的牌号一般用符号“T”加上碳的质量分数的千倍表示。其中符号“T”是碳字的汉语拼音首字母。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面再加上“A”字母。碳素工具钢经过热处理（淬火+

低温回火）后具有更高的硬度和耐磨性，因此，常用于制造各种量具、刃具、模具等。二、碳钢的牌号和用途三、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响在钢的冶炼过程中，不可能除尽所有的杂质，所以实际使用的碳钢中，除碳以外，还含有少量的锰、硅、硫、磷这四种元素，它们的存在，会影响钢的质量和性能。锰和硅的影响锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。在碳钢中含锰量通常＜0.80%，含硅量通常＜0.35%。脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中，冷至室温后即溶于铁素体中，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。锰除了脱氧作用外，还有除硫作用，即与钢液中的硫结合成MnS，从而在相当大的程度上消除了硫在钢中的有害影响。此外，一小部分的锰溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，提高了钢的强度。一部分硅存在于硅酸盐夹杂中。当锰和硅的含量不多时，对钢的性能影响并不显著。硫的影响硫是炼钢时由原材料矿石和燃料带入的，固态下，硫在铁中的溶解度极低，主要以化合物FeS

形式存在。FeS

的塑性极差，使含硫量高的钢的脆性增大。FeS

会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1

000℃～1

200℃压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989℃）已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。因此，钢中含硫量必须严格控制，普通钢含S量应≤0.055%，优质钢含硫量应≤0.040%，高级优质钢含硫量应≤0.030%。三、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响3.磷的影响

磷是炼钢时由原材料矿石和燃料带入的，磷在铁中具有较大的溶解度，而磷具有很强的固溶强化作用，它使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，称为冷脆。冷脆对在低温条件和高