中科大机械工程材料课件02碳钢

第二章 碳钢本章主要内容碳钢的分类和牌号纯铁的结晶和晶体结构铁碳合金中的相和组织组成物Fe-Fe3C相图杂质元素对钢性能的影响压力加工对钢组织和性能的影响第一节 纯铁的组织和性能问题什么是过冷现象和过冷度？什么是晶体和晶体结构？什么是晶体缺陷？可分为几类？对晶体的性能有哪些影响？纯铁的同素异构体有哪些？具有哪种的晶体结构？一、纯铁的结晶结晶：晶体由液态变成固态的过程。2过冷现象和过冷度 过冷度：理论结晶温度和实际开始结晶温度之差。结晶过程(a)(b)(c)(d)(e)(f)形成晶核晶核长大全部结晶3 结晶过程：形成晶核和晶核长大二、晶体结构晶体结构：原子、分子或者离子在空间的具体排列称为晶体结构。2如何研究晶体结构？

晶体原子

点

点阵

晶格

晶胞晶体结构晶胞参数晶胞：构成晶格的最基本的单元。 3金属中常见的晶体结构类型

体心立方(BCC）面心立方（FCC）密排六方（HCP)铁（-Fe）,钨(W),铬（Cr）,钼（Mo）,钒（V)等a=b=c,===90°铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)铁（

－Fe)等a=b=c,===90°钛（Ti）、锆（Zr、镁（Mg)、锌（Zn）等a=b

c,==90°=120°晶体结构与材料性能：（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp4 纯铁的同素异构转变1394ºCg-Fe面心立方a-Fe体心立方d-Fe体心立方912ºC三、晶体缺陷1 晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。分类（按空间尺寸分）

点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，例如空位、置换原子、间隙原子。同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。线缺陷：不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小,例如位错。钛合金中的位错线刃位错空位空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子

面缺陷：不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。工业纯铁的晶界晶界亚晶界ABCD3晶体缺陷对晶体性能的影响位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。点缺陷点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与位错密度有关。强度位错密度面缺陷：晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。强化材料的方法之一组织：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成。性能：强度低，塑性、韧性好。（性能随晶粒尺寸的改变而改变，晶粒越小，纯铁的强度越高，塑性、韧性越好。）应用：作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。四、工业纯铁的组织、性能和应用细晶强化晶粒度级别晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是7-8级，晶粒尺寸为0.022mm第二节铁碳合金中的相和组织组成物铁和碳的相互作用表现在哪些方面？什么是固溶体？分为哪几类？什么是固溶强化和细晶强化？铁碳合金中的相和组织组成物有哪些？一、铁和碳的相互作用铁和碳的相互作用表现为两方面铁和碳形成固溶体（1）固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。形成固溶体形成化合物（2）固溶体的分类：

置换固溶体间隙固溶体置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。

如：Fe与Mn、Si

、Al、Cr、Ti、Nb等形成置换固溶体间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。

例如：Fe与C,N,O,H形成间隙固溶体

置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶剂原子溶质原子AB（3） 铁与碳形成的固溶体

（4）固溶体的性能

与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。铁素体：碳溶于a铁中形成的固溶体称为铁素体，用a或者F表示。奥氏体：碳溶于g铁中形成的固溶体称为奥氏体，用g或者A表示。固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。强化材料的方法之一2铁与碳形成化合物（加入较多的碳）（1）铁与碳形成的化合物：渗碳体（Fe3C)（2）化合物的性能特点：晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体结构复杂，熔点高、硬而脆。（3）对合金性能的影响

渗碳体能提高合金的硬度、耐磨性，会降低合金的塑性和韧性。以层片状或者球形均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或者作为基体出现时，急剧降低材料的强度、塑性韧性。二、铁碳合金中的相和组织组成物相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。铁碳合金中的相有：铁素体、奥氏体和渗碳体铁碳合金中的组织组成物：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。铁素体珠光体第三节 Fe-Fe3C相图需要掌握知识点Fe-Fe3C相图中重要的点、线和相区。Fe-Fe3C相图中的重要转变及产物。应用Fe-Fe3C相图分析典型成分铁碳合金的结晶过程。分析室温下得到的相和组织组成物。会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的质量分数。碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。一、基本概念相图：表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形，又称状态图或平衡图。相图的分类（根据组元数量分） 二元相图（两个组元配成的合金体系） 三元相图（三个组元配成的合金体系）3相图的建立：实验测定不同成分合金的转变温度，将所有的开始转变点连接起来，将所有的转变结束点连接起来。液相线固相线二、Fe-Fe3C相图相图中的点（14个）（1）组元的熔点：

A(0,1538)

铁的熔点

D(6.69,1227)Fe3C的熔点（2）同素异构转变点

N（0，1394）d-Fe

g－Fe G（0，912）g－Fe

a-Fe（3）碳在铁中最大溶解度点

P（0.218，727）碳在a-Fe中的最大溶解度

E（2.11，1148）碳在

g-Fe中的最大溶解度

H(0.09，1495）碳在

d-Fe中的最大溶解度

Q（0.0008，RT）室温下碳在a-Fe中的溶解度Fe-Fe3C相图三相共存点

S（共析点）（g＋a＋Fe3C）

C（共晶点）（g＋L

＋Fe3C）

J（包晶点）（d＋g＋L

）相图中的线液相线(ＡＢＣＤ):结晶时液相的成分，在其上体系为液相固相线（ＡＨＪＥＣＦ）：结晶时固相的成分，其下为固相。Fe-Fe3C相图（5）其它点B（0.53，1495）发生包晶反应时液相的成分F（6.69,1148)渗碳体

K(6.69,727)渗碳体表示恒温转变的线：HJB包晶转变

ECF共晶转变

PSK共析转变相图中的相区 单相区（4个＋1个）L、a、g、d（＋Fe3C）

两相区（7个）L+d,L+Fe3C，L+g,

d+g,g+a g+Fe3C,a+Fe3

固溶度线：ES碳在奥氏体中的最大溶解度随温度的变化线 （温度

，最大溶解度

）；（0.77%--2.11%）

PQ

：碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线 （温度

，最大溶解度

）(0.0008%—0.0218%)

同素异构转变线：NH和NJ，GS和GP（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变。4 Fe-Fe3C相图中的转变强调！根据相图规则，两个单相区之间必然夹一个两相区，两相区的两个相就由这两个单相区的相组成。Lg:由液相中直接结晶出g相。（合金的成分线和BC线相交，即含碳量Wc：0.53%~4.3%LFe3C:由液相中直接结晶出Fe3C相。（合金的成分线和CD线相交，即含碳量Wc：4.3%~6.69%L

d:由液相中直接结晶出d相。（合金的成分线和AB线相交，即含碳量Wc：0～0.53%）过合金的成分点作垂直于横坐标的直线，称为成分线（2）同素异构转变d(b.c.c)

g(f.c.c)NH（开始线）

NJ（结束线）g(f.c.c)

a(b.c.c)GS（开始线）

GP（结束线）铁与碳形成固溶体之间的同素异构转变（3）析出转变：从一个固相中析出另一个固相的转变。温度降低，C在Fe中的溶解度也降低，合金的含碳量就超过溶解度，多余的碳就以Fe3C析出。gFe3CII（二次渗碳体）析出aFe3CIII（三次渗碳体）析出二次渗碳体多以网状形式析出，损害材料的强度、塑性韧性（4）恒温转变

1）包晶转变→HJB线

dH0.09LB0.53gJ0.17+1495ºC

含义：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应---包晶转换反应。（具有J点成分的铁-碳合金冷却至14950C，体系中的液相和d相在转变过程中恰好全部消耗完，得到单一的gJ相。）发生包晶反应的合金成分：C%：0.09%--0.53%即合金的成分线与HJB线相交；

产物：单相奥氏体（gJ）包晶点（J点）：（0.17，1495）

Ldg2）共晶转变含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。 （Fe-Fe3C系：由C点成分的液相在11480C下同时生成具有E点成分的g相和Fe3C。）发生共晶反应的成分范围：Wc

：2.11%—6.69%(合金成分线与ECF线相交)

产物：gE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Ld表示。 （Fe3C为基体；gE

呈粒状或杆状分布在基体上）共晶点C

(4.3,1148)

gE2.11Lc4.3Fe3C6.69+1148ºCgEFe3C莱氏体3）共析转变含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。

(在Fe—Fe3C体系中，在7270C下由S点成分的g相同是生成P点成分的a相和Fe3C；产物：a相和Fe3C的两相混合物，以层片形式混合，称为珠光体，用P表示。合金范围：Wc:0.0218%—6.69%(合金成分线与PSK线相交)S点:共析点，（0.77，727）(具有S点成分的Fe—C合金冷却至7270C时，合金全部发生共析转变，生成珠光体。)

aP0.0218gs0.77Fe3C6.69+727ºC珠光体5典型铁碳合金结晶过程分析方法和步骤在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等）根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。6几种典型铁碳合金的结晶过程分析1Wc＝0.77%的铁碳合金的结晶过程成分线如线（1）所示，成分线与相图中的各条线的交点记作1,2,3T>T1T1>T>T2T3<T<T2T<T3室温下的相：a+Fe3C组织组成物：P(珠光体）（100％）形貌：a和Fe3C层片状混合物问题？已知：合金的总质量为1，含碳量为0.77%。室温下由a和Fe3C两相组成，其中a中含碳量为0.0008%,Fe3C中含碳量为6.69%.求：合金室温下a相的质量分数Ma和Fe3C质量分数MFe3C。（写出表达式即可）？珠光体

杠杆定律

用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对质量。

杠杆的支点是两个相的平均质量分数（合金的成分点），端点分别是两个相的成分点。

a相的质量分数Fe3C相的质量分数aFe3CA(0.0008)B(6.69)0.77CWc=0.6%的铁碳合金（见相图中的成分线（2））

成分线与相图上各条线的交点记做1,2,3,4

T1~T2T2~T3T3~T4T<T4T1~T2：液相＋g相匀晶转变T2~T3：g相简单冷却T3~T4：g相＋a相同素异构转变（g相

a相）T＝T4：共析转变,gs全部转变成珠光体60钢的组织计算组织组成物的质量分数杠杆定理不能直接用来计算室温下组织组成物的质量分数；可根据结晶过程发生的转变，分析室温下的组织组成物是由哪些相转变而来的，这些相的质量分数就是它们转变成的组织组成物的分数。在Fe-Fe3C系中，由于共析转变发生在727°C，所以应该分析在727°C下、未发生共析转变的相的组成，从而获得室温下组织组成物的质量分数。室温下组织组成物：珠光体（P）和铁素体(F)珠光体是由727°C下具有S点成分的奥氏体(gs)转变而来；铁素体是由727°C下具有P点成分的铁素体相（ap）转变而来。727°C下，发生共析转变之前，体系中的奥氏体(gs)和铁素体相（ap）可以用杠杆定律计算。apgsA(0.0218)B(0.77)0.6C

室温下：珠光体的质量分数等价于727°C下奥氏体(gs)相质量分数；铁素体相(F）的质量分数等价于727°C下铁素体相（ap）的质量分数。3Wc＝1.2%的的铁碳合金（见相图中的成分线（3））

成分线与相图上各条线的交点记做1,2,3,4T>T1T1~T2T2~T3T3~T4T<T4T＝T1：开始结晶，T=T2:晶界过程结束，体系为固相T3～T4：开始从g相中析出Fe3CII,沿g相中晶界分布，成网状。T＝T4：发生共析转变，gs全部转变成珠光体。T12钢的组织1234共晶白口铸铁室温下的组织组成物：莱氏体过共晶白口铸铁室温组织组成物：一次渗碳体＋莱氏体亚共晶白口铸铁室温组织组成物：珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体4Wc=4.3%铁碳合金的结晶过程分析5Wc=3.0%铁碳合金的结晶过程分析6Wc=5.0%铁碳合金的结晶过程分析室温莱氏体亚共晶白口铸铁室温下的组织形貌过共晶白口铸铁室温组织形貌四、碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响1铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织的分类白口铸铁工业纯铁Wc<0.0218%组织：铁素体和少量三次渗碳体钢亚共析钢（Wc<0.77%）

共析钢（Wc＝0.77%）过共析钢（Wc>0.77%)组织：铁素体和珠光体组织：珠光体和二次渗碳体组织：珠光体亚共晶白口铸铁(Wc>2.11%)

组织：珠光体＋二次渗碳体 ＋莱氏体共晶白口铸铁(Wc＝4.3%)

组织：莱氏体过共晶白口铸铁(Wc>4.3%)组织：一次渗碳体＋莱氏体2碳对合金平衡组织的影响（Fe3C的形态)F+Fe3CIIIFe3C位于晶界，细小的薄片F+PFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）P＋Fe3CIIPFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状P＋Fe3CII＋L’dFe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）Fe3C作为莱氏体的基体L’dFe3C作为莱氏体的基体L’d+Fe3CIFe3C为粗大长片状Fe3C作为莱氏体的基体含碳量逐渐增加3含碳量对力学性能的影响（1）含碳量增加，硬度增加（2）含碳量增加，塑性韧性降低（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆四Fe—Fe3C相图的应用1为选材提供成分依据。

2为制定热加工工艺提供依据。（1）制定热处理工艺的依据（2）为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理）第四节钢中杂质元素对钢性能的影响钢的性能与含碳量有关；还受钢中杂质元素的影响。了解钢中的合金元素及其对性能的影响。一、硅和锰溶入铁素体中，产生固溶强化作用，提高钢的强度和硬度少量的硅和锰有利Si形成SiO2,Mn形成MnS，形成夹杂物，降低钢的性能较多的硅和锰有害钢中规定：WSi

<0.5%，WMn<0.8%

二、硫和磷硫：引起热脆；磷：引起冷脆

硫磷降低钢的焊接性能2适当增加硫、磷含量，可提高钢的切削加工性能；磷可增加钢在大气中的耐腐蚀性能三、钢中气体对钢的作用氢：引起氢脆。在钢中产生裂纹，降低钢的塑性韧性；容易在焊缝处产生裂纹。2氮：引起应变时效，增加钢的脆性；(不利）钢中有Al、V、Ti、Nb时，氮可细化晶粒，提高钢的强度；氮也可提高钢的耐热性能。(有利）第六节压力加工对钢组织和性能的影响

知识要点（1）压力加工的分类；冷加工和热加工的定义。（2）冷加工对金属组织和性能的影响。（加工硬化）（3）冷变形组织加热过程中组织和性能的变化。（三个阶段）（4）去应力退火和再结晶退火的应用。一基本概念1压力加工：金属材料在外力作用下发生的一种塑性变形过程。（工业生产上将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或者钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程。）2

压力加工的目的（1）获得规定形状和尺寸的零件和产品（2）改变钢的组织和性能3压力加工的分类冷(压力)加工（T<T再）热(压力)加工（T>T再）按加工温度是否高于再结晶温度二冷加工对组织和性能的影响1冷加工对金属材料微观组织的影响（1）随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈细条状或者纤维状；（2）晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加。晶粒被拉长或者压扁晶粒被拉长或者压扁成为细条状组织和纤维组织，等轴晶粒未变形原始晶粒轻微变形的滑移线拉长或压扁的晶粒细条状组织和纤维组织2冷加工对性能的影响（1）力学性能:随变形量增加，强度、硬度增加，塑性韧性降低。加工硬化：把金属材料经过冷变形后，随变形度增加强度、硬度增加，塑性、韧性下降的现象称为加工硬化。强化材料的方法之一（2）物理化学性能:电阻增加，抗腐蚀性能降低。（3）大变形量形成的织构带来各向异性。（4）产生残余应力，使零件尺寸不稳定；残余压应力可提高疲劳强度，残余拉应力降低腐蚀性能。“加工硬化”是强化金属材料的一种手段，尤其是对那些不能用热处理方法强化的金属。

制耳现象三冷变形钢在加热过程中组织和性能的变化随着加热温度的升高冷变形钢经历三个阶段：回复、再结晶、晶粒长大。

1回复阶段：基本上保持加工硬化效果。（1）显微组织形貌保持不变；（2）强度硬度略有降低，内应力明显下降；（3）原子排列畸变程度减轻，空位剧烈减少，电阻明显降低。（4)此阶段称为“去应力退火”组织随加热温度的变化

2再结晶：温度较高，加工硬化效果消除，恢复材料的塑性变形能力。

（1）组织：碎的，拉长的晶粒转变细小的等轴晶粒。（2）内应力：完全消失（3）性能：恢复塑性韧性，sb、HB↓↓,d、

↑↑

（4）此阶段又称再结晶退火。3晶粒长大：在结晶结束后，加热温度继续升高或者延长时间，晶粒长大。带来的后果是强度、塑性韧性下降。组织随加热温度的变化4影响再结晶晶粒大小的因素

临界变形度:金属冷变形后再结晶时晶粒极易长得粗大，这时所对应的应变量，称为临界变形度。金属材料的临界变形度一般为（2%～10％）。（1）变形度大于临界变形度，变形度越大，退火后晶粒尺寸越小。强调！冷热加工都要避开临界变形度，避免组织粗大。（2）退火温度：不宜过高，也不能太低。工业中常用的再结晶温度为：

T=T再

+150-2500C(T再=0.4Tm)T再是金属最低再结晶温度作