机械工程材料-第4章

4.1铁碳合金相图铁碳合金相图是研究在平衡条件下(指冷却速度极其缓慢)，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律的图，即它不仅可以表示在平衡条件下不同成分的铁碳合金的成分、温度与组织之间的关系，而且可以推断出性能与成分、温度之间的关系。铁碳合金相图是人们从长期的生产和科学实验中总结出来的，是研究钢铁材料、制订热加工工艺的重要理论依据和工具。铁碳合金的基本组成元素是铁和碳，铁和碳相互作用，碳除了可溶入铁中形成固溶体外，还可以形成Fe3C,Fe2C,FeC等金属化合物。因此，整个铁碳合金相图可以看成是由Fe–Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC,FeC一C等各部分相图组成的(图4-1)。下一页返回4.1铁碳合金相图4.1.1铁碳合金中的基本相铁与碳在液态时无限互溶，形成均匀的液相。在固态时，由于含碳量和温度的不同，铁原子和碳原子相互作用可以形成铁素体、奥氏体和渗碳体等基本相。1.铁素体碳溶入α-Fe形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构，称为铁素体或。固溶体，常用α或F(Ferrite)表示。体心立方晶格的α-Fe的致密度为0.68,晶格间隙相对较多且分散，其中最大间隙尺寸为0.0719nm，而碳原子直径为0.154nm。上一页下一页返回4.1铁碳合金相图碳溶入δ-Fe形成的间隙固溶体，也呈体心立方晶格结构，由于其存在温度高，故称为高温铁素体或δ固溶体，用δ表示。1495℃时，碳在δ-Fe中的最大溶解度为0.09%.2.奥氏体碳溶入γ-Fe形成的间隙固溶体，呈面心立方晶格结构，称为奥氏体或，固溶体，常用，或A(Austenite)表示。面心立方晶格的γ-Fe的致密度为0.74,晶格间隙相对少，但比较集中。γ-Fe中，最大间隙尺寸为0.107nm，而碳原子直径为0.154nm，由于γ-Fe的晶格间隙尺寸比α-Fe的大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe的强，在727℃时，溶碳量为0.77%，随着温度升高，溶碳量增加，在1148℃时，达到最大溶碳量2.11%。上一页下一页返回4.1铁碳合金相图虽然奥氏体的溶碳能力比铁素体的大，但由于其晶格结构为面心立方，故具有很强的塑性变形能力。对于碳钢来说，奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性变形。3.渗碳体渗碳体是具有复杂晶格的间隙化合物，含碳量为6.69%，熔点为1227℃，因为它在受热时易分解，所以熔点难测，此数据是通过热力学计算得到的。其性能特点是，硬度很高(500HB)且脆，塑性几乎等于零。渗碳体在铁碳合金中，一般呈条状、片状、网状或球状，它的形状和分布对铁碳合金的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。上一页下一页返回4.1铁碳合金相图渗碳体是一种亚稳定化合物，在一定条件下，能分解成以石墨形式存在的游离碳:Fe3C→3Fe+C(石墨)，这一反应对铸铁具有重要意义，将在铸铁一章中详细介绍。4.1.2铁碳合金相图分析1.铁碳合金相图铁碳合金相图是指Fe-Fe3C相图部分，如图4-2所示。由于Fe-Fe3C相图左上角的包晶转变过程对合金的室温组织与性能影响不大，将其略去不会产生大的影响，故为便于讨论，将A点与E点、A点与G点直接相连，得到简化的Fe-Fe3C相图，如图4-3所示.上一页下一页返回4.1铁碳合金相图2.简化的Fe-Fe3C相图中的特性点、特性线及相区(1)特性点相图上各特性点的符号、温度、含碳量(碳质量分数ω(C))及含义表4-1，各特性点的符号为国际通用，不能随意更换。

(2)特性线ACD液相线，在ACD线以上，合金为液态。AECF固相线，在AECF线以下，合金为固态。GS,GP线是合金在冷却或加热时，固溶体(奥氏体)和α固溶体(铁素体)之间转变的开始线或终了线。GS线又称A3线，它是在冷却过程中，从奥氏体中析出铁素体的开始线，或是在加热时，铁素体溶入奥氏体的终了线。上一页下一页返回4.1铁碳合金相图ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称为Acm线。PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。这里需要指出的是，不管是直接从液体中析出的一次渗碳体，还是从奥氏体或铁素体中析出的二次渗碳体或三次渗碳体以及由共晶转变或共析转变形成的共晶或共析渗碳体，它们的成分、晶格结构及机械性能都是相同的，只是由于它们的形成条件不同而具有不同的形态。在简化的Fe-Fe3C相图中，有两条重要的等温转变线(水平线):1)ECF线(共晶转变线)在这条线上发生共晶转变，即LC→AE+Fe3C，其转变产物为莱氏体(Le)。含碳量在2.11%~6.69%之间的铁碳合金冷却到1148℃时，都有共晶转变发生。上一页下一页返回4.1铁碳合金相图

2)PSK线(共析转变线)在这条线上发生共析转变，即As→Fp+Fe3C，其转变产物为珠光体(P)。含碳量在0.0218%~6.69%之间的铁碳合金冷却到727℃时，都有共析转变发生。

(3)相区在简化的Fe-Fe3C相图中，有四个单相区，ACD线以上为液相区(L),AESCA区为奥氏体相区(A)、GPQG区为铁素体相区(F)、DFKL线为渗碳体相区(Fe3C),

DFKL线为渗碳体相区(Fe3C)。在简化的Fe-Fe3C相图中，有五个两相区，分别为:L+A,L+Fe3Ci,A+F,A+Fe3CⅡ和F+Fe3CⅢ。上一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程4.2.1铁碳合金分类在Fe-Fe3C相图中，铁碳合金按其含碳量及室温组织不同，可分为三大类:工业纯铁、碳钢和白口铸铁，见表4-2。工业纯铁室温显微组织为铁素体和极少量的三次渗碳体。碳钢具有良好的塑性，适用于锻造、轧制，工业上应用广泛。根据其室温显微组织不同，又可将其分为三类，即亚共析钢、共析钢和过共析钢。白口铸铁由于渗碳体量过多，脆性大，不能锻造、轧制，工业上应用较少。根据室温组织的不同，又可将其分为三类，即亚共晶白口铁、共晶白口铁和过共晶白口铁。下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程4.2.2典型铁碳合金平衡结晶过程分析1.碳钢(1)共析钢共析钢的结晶过程如图4-4所示。在1~2点温度区间，合金按匀晶转变结晶出奥氏体，在2点处结晶结束，全部转变为奥氏体，冷到3点(727℃)时，在恒温下发生共析转变:As→Fp+Fe3C，转变结束时全部转变为珠光体，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程在缓慢冷却条件下，三次渗碳体在铁素体与渗碳体的相界面上形成，与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辨，且数量很少，对珠光体的组织和性能没有明显的影响，故一般忽略不计。共析钢的室温组织为珠光体，层片状，如图4-5所示。共析钢的室温组织全部为P，珠光体由铁素体和渗碳体两相组成，它们在室温下的相对数量分别为上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程或通过计算可知，在珠光体中，铁素体占88.5%，是绝大多数，常作为合金的基体。而Fe3C只占11.5,0，是少数，它呈层片状分布于铁素体的基体内，起强化作用。因为在珠光体中铁素体占绝大多数，所以珠光体的性能更接近于铁素体，硬度为180HB。(2)亚共析钢以含碳量为0.40%的合金为例，其平衡结晶过程如图4-6所示。在1~2点温度区间，合金按匀晶转变结晶出奥氏体，在2点处结晶结束，合金全部由含碳为0.40%的奥氏体组成。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程单相奥氏体冷却到3点，奥氏体晶界上开始析出铁素体，随着温度的降低，铁素体的量不断增加，此时，奥氏体的成分沿GS线变化，铁素体的成分沿ＧＰ线变化，当温度降到727℃的4点时，奥氏体的成分达到S点成分(w(C)＝0.77%)，便发生共析转变:Aｓ→Fｐ+Fe3C，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分w(C)=0.0218%，所以，共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，先共析铁素体和珠光中的铁素体都将析出三次渗碳体，但数量很少，一般忽略不计。所以，含碳量为0.40%的亚共析钢的室温组织为F+P。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程应当注意的是，相图中，所有亚共析钢的室温组织都由铁素体和珠光体组成，其差别仅在于其中的珠光体和铁素体的相对量不同，含碳量越高，则珠光体越多，铁素体越少。将亚共析钢用硝酸酒精溶液腐蚀，在显微镜下观察其显微组织，铁素体呈白亮色块状，而珠光体呈层片状，在低放大倍数下呈黑色块状，如图4-7所示。室温下，所有亚共析钢的平衡组织都由铁素体和珠光体组成，所有亚共析钢都由铁素体和渗碳体两相组成，它们的相对数量以及根据钢的显微组织求其中的含碳量的计算方法如下，以含碳量为0.4%的亚共析钢为例。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程①相(F和Fe3C)的相对数量计算:该合金在室温下的相组成为F和Fe3C，可用杠杆定律计算，其相对数量分别为或②组织(F和P)的相对数量计算:含碳量为0.4%的铁碳合金在室温下的平衡组织为F和P，因为是组织组成物，不能直接用杠杆定律计算相对数量，但由于P是A转变得到的，所以，可在两相(F和A)区内，计算出A的相对量，即可得到P的数量。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程在两相F和A区域内可用杠杆定律，其相对数量分别为或此外，也可在计算出组织(F和P)的相对数量后计算合金相(F和Fe3C)的相对数量。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程③亚共析钢中含碳量的估算:在亚共析钢中，根据在显微镜下观察的平衡组织中珠光体的相对面积，可估算钢中含碳量，原因是，钢中铁素体的含碳量很少，可忽略，可以认为钢中的碳完全存在于珠光体中，而珠光体的含碳量为0.77%，因此，钢中的含碳量可近似用

计算。(3)过共析钢以含碳量为1.2%的铁碳合金为例，其平衡结晶过程如图4-8所示。在1~2点温度区间，合金按匀晶转变，结晶出奥氏体，在2点处结晶结束，合金全部由含碳量为1.2%的奥氏体组成。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程单相奥氏体冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点，二次渗碳体沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布。由于渗碳体的析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度到达4点(727℃)时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变:As→Fp+Fe3C,形成珠光体，此时，先析出的渗碳体保持不变，这个渗碳体又称先共析渗碳体，所以，共析转变结束时的组织为二次渗碳体和珠光体。因为Fe3CⅡ是从奥氏体中析出的，并分布于其边界处，所以，过共析钢在室温下的二次渗碳体为Fe3CⅡ组织，呈网状分布在片状珠光体的周围。继续降温，珠光体中的铁素体也析出Fe3CⅢ，但量非常少，可以忽略。所以，过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体，如图4-9所示。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程室温下，所有过共析钢的平衡组织都由珠光体和二次渗碳体组成，所有过共析钢都由铁素体和渗碳体两相组成，以含碳量为1.2%的过共析钢为例，其相对数量的计算方法如下。①相(F和Fe3C)的相对数量计算:此合金在室温下的相组成为F和Fe3C，可用杠杆定律计算，其相对数量分别为或上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程②组织(P和Fe3CⅡ)的相对数量计算:含碳量为1.2%的铁碳合金在室温下的平衡组织为P和Fe3CⅡ，因为是组织组成物，不能直接用杠杆定律计算相对数量，但由于P是由A转变得到的，所以，可选择在两相(A和Fe3CⅡ)区内，计算出A的相对量，即可得到P的数量。在A和Fe3CⅡ两相区域内可用杠杆定律，其相对数量分别为或上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程所有过共析钢在室温下的平衡组织都由珠光体和二次渗碳体组成，即含碳量在0.77%~2.11%之间的铁碳合金室温下的平衡组织都由珠光体和二次渗碳体组成，而且随着含碳量的增加，Fe3CⅡ数量逐渐增多，含碳量增加到E点(w(C)=2.11%)时，Fe3CⅡ数量达到最大值。根据杠杆定律，可算出E点成分的铁碳合金(图4-8)，室温时，珠光体和Fe3CⅡ的相对数量分别为或上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程2.工业纯铁以含碳量为0.01%的工业纯铁为例，分析其平衡结晶过程。液态合金首先按匀晶转变结晶出δ固溶体，δ固溶体在继续冷却过程中发生固溶体的同素异构转变δ→A。奥氏体晶核通常优先在δ固溶体的晶界上形成并长大，转变结束后，合金为单相奥氏体。在继续冷却过程中，奥氏体又发生同素异构转变A→F，得到铁素体，同样，铁素体也在奥氏体的晶界优先形核并长大。铁素体冷却到PQ线时，碳在铁素体中的溶解量达到饱和，继续冷却，渗碳体将从铁素体中析出，即形成Fe3CⅢ。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程Fe3CⅢ常以两种形态出现:一种是以点状形态分布在铁素体的晶粒内部，对铁素体起着强化作用，这是最常见的形态;另一种是当冷却速度非常缓慢，碳原子能够得到充分扩散时，析出的Fe3CⅢ能够集中到铁素体的晶界处，这种形态较难得到，很少见。室温下，工业纯铁的组织为铁素体和Fe3CⅢ，即含碳量在0.0008%~0.0218%之间的铁碳合金的室温平衡组织都是铁素体和Fe3CⅢ，且随着含碳量增加，Fe3CⅢ数量逐渐增多，当含碳量增加到尸点(w(C)=0.0218%)时，Fe3CⅢ数量达到最大值。根据杠杆定律可算出P点成分的铁碳合金(图4-8)，室温时，铁素体和Fe3CⅢ的相对数量分别为上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程由此可见，工业纯铁中Fe3CⅢ的量很少，最多也只能达到0.3%，可忽略不计。工业纯铁的室温组织如图4-10所示。3.白口铸铁(1)共晶白口铸铁共晶白口铸铁的结晶过程如图4-11所示。当合金溶液冷却至1点(1148℃)时，液相L在恒温下发生共晶转变，，转变产物为奥氏体(A/γ)和渗碳体(Fe3C)的机械混合物，即高温莱氏体，用Le表示。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程冷却到1点以下时，奥氏体中不断析出二次渗碳体(Fe3CⅡ)，它通常依附于共晶渗碳体上而不能分辨。同时，奥氏体碳的质量分数沿ES线逐渐减小。当温度降到2点(727℃)时，奥氏体的质量分数达到0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体。此后的莱氏体组织由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成，这种室温下的组织保留了高温莱氏体的形态特征，但是，组成相奥氏体已经发生了转变，成为低温莱氏体或变态莱氏体，用Le′表示。图4-12为共晶白口铸铁在室温下的显微组织。共晶白口铸铁的室温平衡组织全部为Le′，由铁素体和渗碳体两相组成，其在室温下的相对数量分别为上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程或所以，共晶白口铸铁室温平衡组织的组成为100%的Le′，室温下，相组成为35.7%的铁素体和64.3%的渗碳体。(2)亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁的结晶过程如图4-13所示。在点1~2温度区间内为匀晶转变，自液相(L)中不断结晶出初生奥氏体，并且初生奥氏体的成分沿AE线变化，逐渐趋于E点。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程液相的成分则沿EC线变化，逐渐趋于C点。当冷却至2点(1148℃)时，奥氏体碳的质量分数为2.11%(E点)，剩余液相便发生共晶转变，形成高温莱氏体。在继续冷至室温的过程中，初生奥氏体中将析出二次渗碳体，当温度达到727℃时，剩余的初生奥氏体发生共析反应，生成珠光体，而高温莱氏体的变化则与共晶白口铸铁的结晶过程相同，所以，亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体(P+Fe3CⅡ+Le′)，由于渗碳体的含量相对很少，所以，只有在高倍显微镜下或电子显微镜下才能观察到沿珠光体边界分布的二次渗碳体，如图4-14所示。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程由于室温下的亚共晶白口铸铁的平衡组织由P+Fe3CⅡ+Le’组成，而珠光体和低温莱氏体均由铁素体和渗碳体两个基本相组成，所以，亚共晶白口铸铁在室温下由铁素体和渗碳体两相组成。以含碳量为3.0%的亚共晶白口铸铁为例，它们的相和组织的相对数量计算方法如下。①相(F和Fe3C)的相对数量的计算:上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程或②组织的(P+Fe3CⅡ+Le')相对数量的计算:Fe3CⅡ在2~3点之间沿初生A边界析出，P由冷却至3点时的初生奥氏体发生共析反应生成。Le’由Le转变而来，Le由冷却到2点的剩余的液相发生共晶反应而形成。所以，含碳量为3.0%的合金中组织的相对含量为初生A中析出的Fe3CⅡ和P的相对数量为上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程由计算可知，室温下，含碳量为3.0%的亚共晶白口铸铁的铁素体和渗碳体相含量分别为55.2%和44.8%;室温下的组织由40.6%的低温莱氏体、13.4%的二次渗碳体和46%的珠光体组成。

(3)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的结晶过程如图4-15所示。在1~2温度区间，从液相中结晶出一次渗碳体(Fe3CⅠ)。随着一次渗碳体的不断析出，剩余液相的碳浓度沿DC线变化，逐渐趋于C点。当冷却至2点(1148℃)时，剩余液相碳的质量分数达到C点，发生共晶转变，形成高温莱氏体。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程在以后的降温过程中，一次渗碳体不再发生变化，而高温莱氏体的变化与共晶白口铸铁的结晶过程相同，所以，室温下过共晶白口铸铁的组织为一次渗碳体和低温莱氏体(Fe3CⅠ+Le')。图4-16所示为过共晶白口铸铁的室温平衡组织。过共晶白口铸铁在室温下包含F和Fe3C两个基本相，组织由Fe3CⅠ+Le'组成，以含碳量为5.0%的铁碳合金为例计算组织和相的相对数量。①相(F和Fe3C)的相对数量计算:上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程或②组织(Fe3CⅠ+Le‘)的相对数量计算:通过计算可知，过共晶白口铸铁中的F和Fe3C两相的相对数量分别为25.3%和45.7%，Fe3CⅠ+Le‘两种组织的相对数量分别为29.3%和70.7%。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程4.2.3含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响1.含碳量对铁碳合金平衡组织的影响根据前面对铁碳合金平衡结晶过程的分析，可得到如图4-17所示的按组织组成物区分的简化Fe-Fe3C相图。从相组成物的情况来看，铁碳合金在室温下的平衡组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，而且随着含碳量的增加，铁素体相减少，渗碳体相增多，当含碳量达到6.69%时，全部由渗碳体相组成。此外，随着含碳量增加，不仅铁碳合金组织中的渗碳体的数量增加，且渗碳体的分布和形态也发生变化。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程即Fe3CⅢ(点状或沿铁素体晶界分布的小片)→共析Fe3C

(分布在铁素体内的层片状)→Fe3CⅡ(沿奥氏体晶界呈网状分布)→共晶Fe3C(为莱氏体的基体)→Fe3CⅠ(呈条状分布在莱氏体上)。可见，铁碳合金含碳量的变化，不仅会引起相的相对数量的变化，还会引起组织形态的变化，从而引起铁碳合金性能的变化。2.含碳量对铁碳合金机械性能的影响室温下，铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成，而且随着含碳量增加，铁素体量减少，渗碳体量增加。铁素体是软、韧的相，渗碳体是硬、脆的相。所以，随着含碳量增加，铁碳合金硬度提高，塑性和韧性下降。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程铁素体和渗碳体的相对数量和分布状况等对铁碳合金的性能有重要影响，特别是渗碳体的数量和分布形态对合金的强度影响显著。在以铁素体为基体组织的铁碳合金中，渗碳体一般起强化作用，数量越多、越细小、分布越均匀，则钢的强度越高，即含碳量增加，强度升高，直到含碳量达到0.8%，强度达到最高值。当含碳量超过共析成分后，由于强度很低的渗碳体沿着珠光体晶界分布，钢的强度的增加变慢。当含碳量超过0.9%时，渗碳体在珠光体晶界形成网状，易产生裂纹，使钢的强度降低。因此，形成了如图4-18所示的钢中含碳量和机械性能的关系曲线。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程当铁碳合金的含碳量继续增加到大于2.11%时，铁碳合金为白口铸铁，由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工，除少数耐磨件外很少应用。事实上，为了保证工业用钢具有足够的强度和适当的塑性、韧性，其含碳量一般不超过1.3%。3.含碳量对铁碳合金工艺性能的影响(1)切削加工性能钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低碳钢的平衡结晶组织中铁素体较多，塑性、韧性很好，但切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此，切削加工性能较差。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程高碳钢中渗碳体较多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也不好。中碳钢中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度与塑性也比较适中，切削加工性能较好。一般来说，钢的硬度在170~230HB时切削加工性能较好。

(2)压力加工性能金属压力加工性能主要与金属的可锻性有关。金属的可锻性，是指金属在压力加工时能改变形状而不产生裂纹的性能。钢的可锻性主要与含碳量及组织有关，低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。由于奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形，当钢加热到高温获得单相奥氏体组织时，可具有良好的可锻性。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程白口铸铁无论在低温或高温条件下，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，可锻性很差，不允许进行压力加工。(3)铸造性能随着含碳量的增加，钢的结晶温度间隔增大，先结晶形成的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，流动性变差。铸铁的流动性要好于钢，随着含碳量的增加，亚共晶白口铁的结晶温度间隔缩小，流动性提高;过共晶白口铁的流动性降低;共晶白口铁的结晶温度最低，且又是在恒温下结晶，流动性最好。含碳量对钢的收缩性也有影响，一般情况下，当浇注温度一定时，随着含碳量的增加，钢液温度与液相线温度差增加，液态收缩增大;同时，含碳量增加，钢的凝固温度范围变宽，凝固收缩增大，出现缩孔等铸造缺陷的倾向增大。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程此外，钢在结晶时的成分偏析也随含碳量的增加而增大。4.2.4铁碳合金相图的应用1.在选材方面的应用Fe-Fe3C相图中合金的成分、组织和性能之间的变化规律，可作为工程上选择材料的依据。低碳钢(w(C)≤0.25%)适用于要求塑性和韧性好的材料，例如建筑结构、各种型钢和容器用钢等。中碳钢((0.25%<w(C)<0.60%)适用于要求强度、塑性和韧性较好的材料，例如各种机器零件等。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程高碳钢(0.60%≤w(C)≤1.3%)适用于要求硬度高、耐磨性好的材料，例如各种工具等。白口铸铁虽然有脆性，但硬度高，具有很好的耐磨能力，可用于需要耐磨而不受冲击的零件，例如拉丝模、冷轧辊、犁桦和球磨机的磨球等。2.在铸造方面的应用根据合金在铸造时对流动性的要求，一般是熔点低和结晶温度区间较小的合金流动性好，在相图上可选择合金的成分和合金的浇注温度，一般以液相线上50℃~100℃作为浇注温度为宜。从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分附近，即含碳量为4.3%左右和接近纯铁成分的合金的流动性最好。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程在生产铸钢时，常选用含碳量为0.15%~0.60%的合金，而生产铸铁时，常选用共晶成分(含碳量为4.3%)附近的合金，因为它们的结晶温度区间小，熔点低，铸造性能较好。3.在锻轧方面的应用由于奥氏体的晶格结构为面心立方，具有很强的塑性变形能力，因此，钢的锻造和热轧一般都选择在单相的奥氏体区。钢的锻造和热轧的开始温度常选在固相线以下100℃~200℃的温度范围内，多数在1150℃~1250℃范围内，温度不能高，否则钢材会过氧化或过烧(晶界出现熔化)。而锻轧的终了温度常选在750℃~850℃范围内，不能过低，否则会因钢材塑性差而导致钢材开裂;也不能过高，否则锻轧后再结晶会使奥氏体的晶粒粗大，钢材性能变差。上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程一般来说，亚共析钢取接近上限温度，而过共析钢取接近下限温度。4.在焊接方面的应用焊接工艺的特点是对被焊材料进行局部加热、熔化并冷却结晶，使焊件的不同部位处于不同的温度条件下，而整个焊缝区相当于经受一次冶金过程或不同加热规范的热处理过程而出现不同的组织，引起性能不均匀。根据Fe-Fe3C相图可分析碳钢焊缝组织，并用适当的热处理来减轻或消除组织不均匀所引起的性能不均匀，或选用适当成分的钢材来减轻焊接过程对焊缝区组织和性能产生的不利影响。5.在热处理方面的应用上一页下一页返回4.2典型铁碳合金的平衡结晶过程Fe-Fe3C相图对钢的热处理工艺有着很重要的意义，特别是在钢的热处理时，可作为选择加热温度的根据。没有Fe-Fe3C相图，钢的热处理将无法或很难进行。应用Fe-Fe3C相图时应注意以下两方面的问题:铁碳合金相图中仅有铁和碳两种元素，而工程上使用的铁碳合金，除含铁、碳两种元素外，还有其他多种杂质或合金元素，这些元素对相图会有影响;Fe-Fe3C相图虽然表示了铁碳合金在不同温度下的组织状态，但这种平衡组织是以极其缓慢的冷却速度冷却得到的，而在生产实践中，冷却速度不可能如此缓慢。当冷却速度较快时，合金的相变临界点及冷却后的组织与相图中表示的有所不同。上一页返回4.3碳钢4.3.1钢中常存杂质元素对钢的性能的影响在钢铁的生产冶炼过程中，由于原材料中常含有杂质，同时，在炼钢过程中，由于一些工艺的需要，还会有意加入一些物质，使钢中常存一些杂质元素，主要有Mn,Si,S和P四种。①Mno钢中的锰来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。一般认为，锰在钢中是一种有益的元素。碳钢的含锰量通常小于0.80%;含锰合金钢的含锰量一般控制在1.0%~1.2%范围内。锰大部分溶于铁素体，形成置换固溶体，并使铁素体强化;另一部分锰溶于Fe3C，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高。锰与硫化合成MnS，能减轻硫的有害作用。当锰含量不高，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。下一页返回4.3碳钢②Si。硅来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，碳钢的含硅量通常小于0.35%。硅与锰一样能溶于铁素体，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。有一部分硅存在于硅酸盐夹杂中。当硅含量不高，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不显著。③S。硫是炼钢生铁带来的且在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而是以FeS的形式存在，FeS会与铁形成共晶体，并分布于奥氏体的晶界上。当钢材在1000℃~1200℃的温度下压力加工时，由于FeS-Fe共晶体(熔点只有989℃)已经熔化，晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。上一页下一页返回4.3碳钢在钢中提高锰的含量，可消除硫的有害作用，锰能与硫形成熔点为1620℃的MnS，而且MnS在高温时具有塑性，这样避免了热脆现象。④.P。磷也是由生铁带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。磷在钢中全部溶于铁素体，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。磷的存在还会使钢的焊接性能变差，因此，钢的含磷量应严格控制，普通钢含磷量ω(P)≤0.045%，优质钢含磷量ω(P)≤60.035%，高级优质钢含磷量ω(P)≤60.030%，特级优质钢含磷量ω(P)≤0.025%。但是，在适当的情况下，硫、磷也有一些有益的作用。上一页下一页返回4.3碳钢对于硫，当钢的含硫量较高(0.08%~0.3%)时，适当提高钢的含锰量(0.6%~1.55%)，使硫与锰结合成MnS，切削时易于断屑，能改善钢的切削性能，故易切削钢中含有较多的硫。对于磷，如与铜配合，能增加钢的抗大气腐蚀能力，改善钢材的切削加工性能。此外，钢中还有氧、氮、氢等气体杂质，它们对钢的性能也会产生影响。氧。钢中的氧全部以氧化物形式存在，所以，氧对钢性能的危害主要表现为氧化物夹杂对钢的性能的影响。钢的含氧量增加，氧化物夹杂数量增加，则钢的塑性、韧性降低，疲劳强度、耐蚀性和热加工性能变差，故应严格控制钢的氧含量。上一页下一页返回4.3碳钢氮。氮能溶于铁素体，在钢正火或淬火情况下形成含氮量过饱和的。固溶体。这种固溶体在591℃时的最大溶氮量为0.1%，随着温度的降低，氮在铁中的溶解度急剧下降，并以Fe4N形式析出。因此，含氮的淬火钢易出现时效硬化，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。这种时效硬化现象对锅炉钢板、化工容器及深冲零件都是不利的，因为这样会造成局部地区脆化，影响锅炉及化工容器的安全使用，所以，从时效的角度考虑，氮是有害元素。但是，如果钢中含有Al,V,Nb等合金元素，能形成弥散度很高的AlN,VN,NbN等特殊氮化物，使铁素体强化并细化晶粒，此时，钢的强度和韧性都可显著提高。上一页下一页返回4.3碳钢氢。氢的原子半径很小，能以离子或原子形式溶入液态或固态钢中，溶入固态钢中便形成间隙固溶体。随着钢的含氢量的增加，钢的塑性、韧性急剧降低，即所谓的氢脆。如果氢在钢中聚集成分子状态析出，则会在局部区域形成很大的压力，造成钢材的内部裂纹，在断日上呈现银灰色斑点，即自点，使钢的断裂强度降低。因此，氢是钢中的有害杂质。4.3.2钢锭的种类按照浇注前钢液脱氧程度不同，可把钢锭分为镇静钢、沸腾钢及介于二者之间的半镇静钢三类。1.镇静钢上一页下一页返回4.3碳钢钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不发生碳-氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢。2.沸腾钢在冶炼后期，将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模后发生碳-氧反应，析出大量的co气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。3.镇静钢与沸腾钢的比较与应用镇静钢与沸腾钢各有优缺点:①沸腾钢成本低，成材率高。②沸腾钢表面质量好，冲压性能，焊接性能好。上一页下一页返回4.3碳钢③镇静钢的钢材质量好。因此，凡要求冲压性能好、含碳量较低的普通结构件都选用沸腾钢。4.3.3碳钢的分类、编号和用途1.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。(1)按含碳量分类低碳钢:ω(c)≤0.25%;中碳钢:0.25%<ω(c)

<0.60%;上一页下一页返回4.3碳钢高碳钢:0.60%≤ω(c)≤1.3%。(2)按质量分类即按含有杂质元素S,P的多少分类。普通碳素钢:优质碳素钢:高级优质碳素钢:特级优质碳素钢:

(3)按用途分类碳素结构钢:用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑构件等)及机器零件(如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等)。上一页下一页返回4.3碳钢碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。2.碳钢的牌号和用途

(1)普通碳素结构钢这类钢主要是保证机械性能，牌号体现机械性能。一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。根据国家标准GB700-1988，普通碳素结构钢的牌号表示方法及符号有如下规定:钢的牌号用Q和数字表示，Q为屈服强度的“屈”字汉语拼音第一个字母，数字表示屈服强度数值(MPa)。如，Q275，表示屈服强度为275MPa的普通碳素结构钢。上一页下一页返回4.3碳钢若牌号后面标注字母A,B,C,D，则表示钢材质量等级不同，即S,P含量不同。A,B,C,D表示质量等级依次提高。若牌号后面有标注，F表示沸腾钢，b为半镇静钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇静钢，一般Z和TZ不标出。如，Q235-A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢。表4-3和表4-4分别列出了普通碳素结构钢的牌号、成分、机械性能及应用。(2)优质碳素结构钢这类钢同时保证钢的化学成分和机械性能，一般都要经过热处理以提高机械性能。上一页下一页返回4.3碳钢根据国家标准GB/T699-1999，优质碳素结构钢的牌号表示方法规定如下:其牌号用两位数字表示，两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几。优质碳素结构钢按冶金质量分为优质钢、高级优质钢和特级优质钢。高级优质钢(ω(S)、ω(P)≤0.030%)在牌号后面加A;特级优质钢(、(ω(S)≤0.020%、ω(P)≤0.025%)在牌号后面加E;优质钢在牌号上不另外加符号。专用优质碳素结构钢采用阿拉伯数字(以万分之几计的平均含碳量)和规定的代表产品用途的符号表示。优质碳素结构钢主要用于制造机械零件，产量大，价格低廉，应用广泛。上一页下一页返回4.3碳钢表4-5和表4-6分别列出了优质碳素结构钢的牌号、成分和机械性能。根据含碳量的不同，优质碳素结构钢有不同的用途。08,08F,10,10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能。常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等。15,20,25钢，用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞销、样板等。30,35,40,45,50钢，经热处理(淬火+高温回火)后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较好的塑性、韧性，用于制作轴类零件，例如，用40,45钢制作汽车和拖拉机的曲轴、连杆，以及一般机床的主轴、机床的齿轮和其他受力不大的轴类零件。上一页下一页返回4.3碳钢

55,60,65钢，经热处理(淬火+中温回火)后具有高的弹性极限，常用来制作负荷不大、尺寸较小(截面尺寸<12~15mm)的弹簧，如调压调速弹簧、柱塞弹簧、测力弹簧等。(3)碳素工具钢根据国家标准GB1298-1986的规定，这类钢的牌号用“碳”或T字后加数字表示，数字表示钢的平均含碳量的千分之几。碳素工具钢的成分和性能见表4-7.碳素工具钢经热处理(淬火+低温回火)后硬度高，用于制造尺寸较小、要求耐磨的量具、刃具、模具等。上一页下一页返回4.3碳钢

T7,T7A,T8,TBA,T8MnA等用于制造要求具有较高韧性、可承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子