《工程材料与热成型》课件-3.选用铁碳合金及碳素钢

纯铁的塑性、韧性较好，强度、硬度很低，因此很少作为结构材料使用。在纯铁中加入少量的碳形成铁碳合金，可使纯铁强度和硬度明显提高。分析铁碳合金的基本组织铁和碳发生相互作用形成固溶体和金属化合物，同时固溶体和金属化合物又可组成具有不同性能的多相组织。

铁碳合金的基本组织有：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3C)、珠光体（P）和莱氏体（Ld）。图铁碳相图

碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体具有体心立方晶格，晶格的间隙分布较分散，间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。铁素体的塑性、韧性很好（A=30～50%、KU=128～160J），但强度、硬度较低(Rm=180～280MPa、ReH=100～170MPa、硬度为50～80HBW)。图铁素体的显微组织一、铁素体奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(Rm=400MPa、A=40～50%、硬度为160～200HBW)，易锻压成形。

碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体具有面心立方晶格，其致密度较大，晶格间隙的总体积虽较铁素体小，但其分布相对集中，单个间隙的体积较大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大，为2.11%。图奥氏体的显微组织二、奥氏体

渗碳体是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，常用分子式Fe3C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高（800HBW），塑性和韧性极低（断后伸长率和冲击吸收能量几乎为零），脆性大。渗碳体分布在钢中主要起强化作用，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。三、渗碳体图渗碳体的显微组织

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，其性能介于铁素体和渗碳体之间，其具有较高的强度（Rm=770Mpa）和塑性（A=20～25%），硬度适中（180HBW）。珠光体在显微镜下呈片层状，其显微组织如图所示，图中黑色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。四、珠光体图

珠光体的显微组织

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称为莱氏体，用符号Ld表示。在727℃以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用符号L’d表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。五、莱氏体图5莱氏体的显微组织发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。—爱因斯坦发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。—爱因斯坦碳钢容易冶炼，价格低廉，易于加工，性能上能满足一般机械零件的使用要求，因此是工业中用量最大的金属材料。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢，属于非合金钢。掌握常存杂质元素对碳钢性能的影响实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，其中还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素，这些元素的存在对钢的性能有较大影响。碳钢钢棒碳钢钢管碳钢钢板锰是由炼铁原料铁矿石及炼钢时添加的脱氧剂（锰铁）之中带入的，非合金钢中锰的质量分数一般约为0.25%~0.80%。锰的影响锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性，与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用。锰还能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。因此，锰在钢中是一种有益元素。硅也是来自于生铁和脱氧剂。硅的影响硅在钢中也是一种有益的元素，其含量一般在0.4%以下。硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响不显著。锰铁硅铁硫是由生铁和炼钢燃料带入的杂质元素，在钢中是一种有害的元素。硫的影响硫在钢中不溶于铁，而与铁化合形成化合物FeS，FeS与Fe能形成低熔点共晶体，熔点仅为985℃，且分布在奥氏体的晶界上。当钢材在1000～1200℃进行压力加工时，共晶体已经熔化，并使晶粒脱开，钢材变脆，这种现象称为热脆性，为此，钢中硫的含量必须严格控制。在钢中增加锰的含量，使之与硫形成MnS（熔点1620℃），可消除硫的有害作用，避免热脆现象。硫铁矿磷由生铁带入钢中，在一般情况下，钢中的磷能全部溶于铁素体中。磷的影响

磷有强烈的固溶强化作用，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。

一般希望冷脆转变温度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。而磷在结晶过程中，由于容易产生晶内偏析，使局部区域含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。

冷脆对在高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重的危害性，此外，磷的偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。

通常情况下，磷是有害的杂质，在钢中要严格控制磷的含量。

但含磷量较多时，由于脆性较大，在制造炮弹钢以及改善钢的切削加工性方面则是有利的。炮弹比利时阿尔伯特运河钢桥因

磷高产生冷脆性于1938年冬

发生断裂坠入河中

发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。—爱因斯坦用于制造各类机械零件以及建筑工程结构的钢称为结构钢，包括碳素结构钢与合金结构钢。碳素结构钢的冶炼及加工工艺简单、成本低，这类钢的生产量在全部结构钢中占有很大比例。普通碳素结构钢含杂质较多，价格低廉，用于对性能要求不高的地方，其含碳量多在0.30％以下，含锰量不超过0.80％，强度较低，但塑性、韧性、冷变形性能好。除少数情况外，普通碳素结构钢一般不作热处理，而是直接使用。多制成条钢、异型钢材、钢板等。用途很多，用量很大，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。选用碳素结构钢碳素结构钢普通碳素结构钢的牌号由代号（Q）、屈服强度数值、质量等级符号和脱氧方法符号四个部分表示，还可以在末尾加上尾缀说明质量等级和脱氧方法。

是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号和脱氧方法。

国标中规定了A、B、C、D四种质量等级，其中，A级质量最差，D级质量最好。表示脱氧方法时，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢在钢号后加“b”，特殊镇静钢在钢号后加“TZ”，镇静钢在钢号后加“Z”，其中特殊镇静钢和镇静钢则可省略不加任何字母。例如：Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。Q235AF槽钢选用碳素结构钢尾缀主体牌号“Q”钢铁牌号的统一数字代号有利于现代化数据处理设备进行存储和检索，统一数字代号作为牌号的辅助表达，有利于和国际接轨，目前工业生产中以传统牌号为主，具体规定及牌号对应可查阅新国标GB/T17616-2013《钢铁及合金牌号统一数字代号体系》。各国钢铁牌号标准不尽相同，国际交流中可根据表格进行换算。碳素工具钢经最终热处理后，硬度可达HRC60~65，其耐磨性和加工性都较好，价格也低廉，生产上得到广泛应用。选用碳素工具钢1.特性及应用碳素工具钢是用于制造刃具、模具、量具及其他工具的钢，如图所示，特点是生产成本低，加工性能优良、强度、硬度较高，耐磨性好，但塑韧性较差，适用于各种手用工具。因大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢的含碳量较高，含碳量为0.65%~1.35%，而且都是优质或高级优质钢。此类钢一般以退火状态供应市场。使用时再进行适当的热处理。碳素工具钢制造的千分尺1.特性及应用碳素工具钢的缺点是红硬性差，当刃部温度大于200℃时，硬度、耐磨性会显著降低。另外，由于淬透性差，直径厚度在15~20mm以下的试样在水中才能淬透，尺寸大的难以淬透，形状复杂的零件，水淬容易变形和开裂，所以碳素工具钢大多用于受热程度较低，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。碳素工具钢制造丝锥2.牌号表示方法用“碳”字汉语拼音字母字首“T”加上数字表示。数字表示钢平均含碳量的千分数。例如T12钢表示wc=1.2%的碳素工具钢。如果牌号未尾处写上“A”，则表示钢中含硫、磷量较少，为高级优质钢，如末尾处加上“Mn“，则表示含锰量较高。例:T8T10A碳素工具钢碳质量分数wc=0.8%碳素工具钢碳质量分数wc=1.0%高级优质钢3.碳素工具钢的应用各种牌号的碳素工具钢淬火后的硬度相差不大，但随着含碳量的增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。因此，不同牌号的工具钢在用途上有所区别。碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能如表所示。T7、T7A淬火回火后，常用于制造能承受振动、冲击，并且在硬度适中情况下有较好韧性的