北科大金属材料及热处理课件04铁碳合金

第四章铁碳合金本节重点：

掌握不同碳含量铁碳合金的组织结构特点及性能；熟练掌握铁碳相图并会运用相律分析相图；熟练运用杠杆定律计算相含量和组织含量。第一节纯铁、铁碳合金的组织结构及其性能铁的同素异构现象

1394℃912℃δ-Feγ-Feα-Fe

纯铁的冷却曲线

铁的同素异构转变示意图

铁碳合金相图及相应区域的组织

Fe-Fe3C相图第二节铁碳合金相图分析1组元和相（1）组元：铁－石墨相图：Fe,C；铁－渗碳体相图：Fe，Fe3C。铁碳合金相图1组元和相（2）相：

L-液相；

δ-Fe（高温铁素体）：

C最大固溶度0.09%；

γ-Fe（奥氏体）：

C最大固溶度2.11%；

α-Fe（铁素体）：

C最大固溶度0.0218%；

Fe3C（渗碳体）：

C含量6.69%。

Fe3CFe+C（石墨）

2相图分析

点（表4-3）：14个。

铁碳合金相图

铁碳合金相图2相图分析

点：14个。

2相图分析线：两条磁性转变线；三条等温转变线：HJB（包晶转变）：ECF（共晶转变）：PSK（共析转变）：其余三条线：

GS(A3)；ES(Acm)；

PQ

铁碳合金相图

2相图分析

区：

5个单相区；

7个两相区；

3个三相区。

铁碳合金相图3合金分类

工业纯铁（C<0.0218%）

碳钢（0.0218%<C<2.11%）（亚共析钢、共析钢、过共析钢）

铸铁（C>2.11%）（亚共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁）铁碳合金相图3合金分类铁碳合金相图二、钢和白口铸铁结晶过程分析平衡结晶过程及其组织（1）典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。

（1）工业纯铁结晶过程室温组织：+Fe3CⅢ铁碳合金相图

（1）工业纯铁结晶过程铁碳合金相图室温组织：+Fe3CⅢ（2）共析钢结晶过程P（+Fe3C）室温组织：P（+Fe3C）铁碳合金相图

SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E铁碳合金相图（2）共析钢结晶过程P（+Fe3C）室温组织：

P（+Fe3C）

（3）亚共析钢结晶过程室温组织：

+P铁碳合金相图铁碳合金相图（3）亚共析钢结晶过程（室温组织：

+P）

（4）过共析钢结晶过程室温组织：

P+Fe3CⅡ

铁碳合金相图

（4）过共析钢结晶过程（室温组织：

P+Fe3CⅡ）铁碳合金相图（5）共晶白口铁结晶过程

Ld（

+Fe3C）

Ld`（P+Fe3C）（Ld-Ld`转变）铁碳合金相图铁碳合金相图（5）共晶白口铁结晶过程

Ld（

+Fe3C）

Ld`（P+Fe3C）（Ld-Ld`转变）铁碳合金相图（6）亚共晶白口铁结晶过程室温组织：P+Fe3CⅡ+Ld`

铁碳合金相图（6）亚共晶白口铁结晶过程

室温组织：

P+Fe3CⅡ+Ld`（7）过共晶白口铁结晶过程室温组织：Fe3CⅠ+Ld`铁碳合金相图三、组织组成物计算取决于铁素体与渗碳体的相对含量和分布特征

随C%提高,

硬度直线升高；强度先升后降；塑韧性下降。

四、含碳量与铁碳合金机械性能的关系适合锻造：C%：<2.11；适合铸造：C%：2.11～4.3，流动性好。适合冷塑变：C%：<0.25，变形阻力小。适合热处理：C%：0.0218-2.11，有固态相变。

五、Fe-Fe3C相图的应用根据Fe-Fe3C相图判断铁碳合金的力学性能:图铁碳合金室温平衡组织与碳质量分数wC的关系（1）作为选用钢铁材料的依据:

（2）制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据:图Fe-Fe3C相图与铸、锻等工艺的关系在热处理工艺上的应用图4-11Fe-Fe3C相图与热处理温度的关系第三节碳钢碳钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，而且在一般情况下能满足使用性能的要求，碳钢被广泛使用在工农业生产中，是应用最多的工程金属材料。一、钢中常存杂质元素的影响

主要元素：铁、碳常存杂质：实际使用的碳钢，含有少量Mn、Si、S、P等非特意加入的杂质元素。它们对钢材性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规定的范围之内。

1、Si的作用来

源炼钢时加入的脱氧剂。能消除FeO夹杂对钢的不良影响，少量能溶入F中起固溶强化作用，提高钢的强度、硬度及弹性。过多会造成塑性下降，冲击性能变差。有益元素2、Mn的作用来

源炼钢时加入的脱氧剂。能与S化合形成MnS，减轻S的有害影响；少量能溶入F中起固溶强化作用。过多会造成塑性下降。有益元素3、S的作用来

源炼钢原料和燃料。在钢中形成FeS,FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体

分布在晶界上，使得对钢进行热加工时容易脆化开裂，这种现象称为热脆。有害元素4、P的作用来

源炼钢原料和燃料。引起钢的塑性和韧性急剧下降，尤其在低温时脆性更大，这种现象称为冷脆。有害元素少量能溶入F中，使强度、硬度显著提高。杂质元素总结：元素有益与有害是相对的：硅、锰虽有益，但也不是多多益善；硫、磷虽有害，应该严格控制含量。二、碳钢的分类

三、碳钢的牌号及用途

1普通碳素结构钢

牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（单位是MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法（F、Z、b、TZ）四部分组成。例：Q235-A•F用途：一般工程用热轧钢板、型钢等，可用于桥梁、建筑物的构件，也可用作普通螺钉、铆钉等。此类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。2优质碳素结构钢

S、P含量低于碳素结构钢，为0.04%以下。质量级别较高，一般在热处理后使用。牌号：用平均碳含量的万分数来表示。例如“20”，表示含碳量为0.20%的优质碳素结构钢。若钢中含锰量较高，则在钢号后加符号“Mn”，如15Mn等。用途：主要用于制造各种机器零件。08F塑性好，可制造冷冲压零件10、20冷冲压和焊接性能良好，可作冲压件和焊接件，经渗碳等处理可制作轴、销等35、40、45、50经调质可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类等60、65主要制造弹簧。3

碳素工具钢

牌号：含碳量在0.65%-1.35%之间,钢号用平均碳含量的千分数表示,前加“T”，例T12表示含碳量为1.2%的碳素工具钢。均为优质钢。高级优质钢后加A，例T10A为含碳量为1.0%的高级优质碳素工具钢。用途：制造各种刃具、量具和模具等。使用前都要进行热处理。

4铸钢

成分特点:

以碳为主要合金元素并含有少量其它元素.性能特点：较高的强度、塑性和韧性，成本较低.常用牌