工程材料应用基础第05章 铁碳合金.ppt

1、第五章 铁碳合金,第一节 铁碳合金的基本组织,铁素体（F或） 铁素体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度很小，727时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。 奥氏体（A或） 奥氏体是碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在-Fe中的溶碳量较高，1148时2.11%；1148时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。,渗碳体（Fe3C） 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69，具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差

2、，、Ak接近于零，脆性很大。 珠光体（P） 奥珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏体冷却时，在727恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 莱氏体（Ld或Ld） 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。,第二节 铁碳合金相图,A点：纯铁的熔点，温度1538,Wc=0 G点：纯铁的同素异晶转变点，冷却到912时,发生-F-Fe Q点：600时,碳在-Fe中的溶解度,Wc=0.0057% D点：渗碳体熔点,温度1227,Wc=6.69%,

3、一、主要特性点,C点：共晶点，温度1148，Wc=4.3%，成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应： E点：碳在-Fe中的最大溶解度,温度1148，Wc=2.11% S点：共析点，温度727，Wc=0.77%，成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应： P点：碳在-Fe中的最大溶解度,温度727, Wc=0.0218%,LC AE + Fe3C,1148,AS FP + Fe3C,727,ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。 AECF线 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。 EC

4、F水平线 共晶线，Wc2.11%的铁碳合金，缓冷至该线1148时，均发生共晶转变，生成莱氏体。,二、特性线,ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（WC2.11），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出Fe3C。 GS线 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线,通常称为A3线。 PSK水平线 共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度727时，将发生共析转变生成珠光体P，WC0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。,GP线 0Wc0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。 PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。

5、在727时,Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600时，Wc=0.0057%。 在727缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3C）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3C的存在。,以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。,单相区 有、F、A、L和Fe3C五个单相区 两相区 七个两相区：LA区、L+Fe3C区、A+Fe3C区、AF区、F+Fe3C区、 L、 A 三相区 ECF共晶线是L、A、Fe3C的三相共存线 PSK共析线是A、F、Fe3C的三相共存线,三、相区,四、铁碳合金的分类,Wc 0.02%,2 铁碳合金相图

6、分析,727下P中两相相对含量,室温下P中两相相对含量,共析钢金相组织图,亚共析钢组织金相图,Fe3C,过共析钢组织金相图,亚共析钢与过共析钢组织比较,铁碳合金组织特征,(a) 0.01%C铁素体500,(c).0.77%C珠光体500,(b) 0.45%C铁素体+珠光体500,d). 1.2%C铁素体+二次渗碳体500,图4-11,共晶白口铁组织金相图,P,Fe3C,Ld,亚共晶白口铁组织金相图,Fe3C,Fe3C+Fe3C,P,过共晶白口铁组织金相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,( A+Fe3C ),Ld,Ld+Fe3

7、C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,( F+ Fe3C ),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,( P+Fe3C ),3 铁碳合金的成分、组织与性能间的关系,一、碳的质量分数对平衡组织的影响 随着含碳量的增加，铁碳合金的室温组织变化顺序为:,FF+PP P+Fe3C P+Fe3C+Ld Ld Ld+ Fe3C,碳的质量分数增高时，组织中不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。渗碳体由层状分布在铁素体基体内（如珠光体），变为呈网状分布在晶界上（如Fe3C），最后形成莱氏体时，渗碳体已作

8、为基体出现 。,在铁碳合金中，渗碳体一般可看作是一种强化相。 基体是铁素体，随着渗碳体数量的增加，其强度和硬度升高，而塑性与韧性相应降低。当,二、碳的质量分数对力学性能的影响,硬而脆的渗碳体以网状分布在晶界，特别是作为基体出现时，将使铁碳合金的塑性、韧性大大下降。,纯铁：塑性好、韧性很好，而强度和硬度很低。 亚共析碳钢：随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度呈直线上升，而塑性、韧性不断下降。 过共析碳钢：当钢中WC0.9%时，脆性的二次渗碳体数量也相应增加，形成网状分布，使其脆性增加，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降。所以，工业上使用钢的碳质量分数一般为WC=1.3%1.4%

9、。 白口铸铁：特硬特脆，难以切削加工，因此很少应用。但它耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸铁的毛坯。,4 相图的实际应用,铸造：共晶成分的合金，其凝固温度间隔最小（为零），故流动性好，分散缩孔较小，有可能得到致密的铸件。 锻造：钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体的温度范围内进行，才能有较好的塑性 。 焊接：焊接时在不同加热区域会获得不同的高温组织，随后的冷却也就可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。 切削加工：生产中最常用的办法之一是通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切削加工性得到改善，其依据也是铁

10、碳相图。,5 碳钢,1、生铁的冶炼 原料：铁矿石 燃料：焦炭 熔剂：石灰石 设备：高炉,2、钢的冶炼 原料：生铁、废钢 燃料：焦炭 熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂 设备：电弧炉,钢铁材料的生产过程,生铁的冶炼,钢的冶炼,一、碳素钢的分类： 按碳的质量分数分类: 低碳钢: Wc 0.25% 中碳钢: 0.25% Wc 0.6% 高碳钢: Wc 0.6% 按钢的质量分类: 碳素钢: Ws 0.055%，Wp 0.045% 优质碳素钢: Ws、 Wp 0.040% 高级优质碳素钢: Ws 0.030% ，Wp 0.035%,按钢的用途分类: 碳素结构钢 ：用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳

11、钢。 碳素工具钢 ：用于制造各种工具。一般为高碳钢。 按冶炼方法分类： 镇静钢：是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。 沸腾钢：是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。,二、杂质元素对钢性能的影响 有益元素 Si 有很强的固溶强化作用,能脱氧。 Mn 脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。 有害元素: P 有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。 S 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂 )。,三、碳素钢的牌号 普通碳素结构钢： Q+数

12、字，如Q235表示屈服点是235MPa；Q235-AF,表示屈服点为235的A级沸腾钢。 优质碳素结构钢：两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数，如20钢表示平均含碳量为0.20%，15Mn表示钢材中的含锰量比较高 。 碳素工具钢：数字表示钢材中平均含碳量的千分数, T10A表示平均含碳量为1.0%,A表示高级优质钢。,四、碳钢的应用 普通碳素结构钢： Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。 Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通

13、常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、稍等零件 。,优质碳素结构钢： 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，如活塞钢、样板等； 30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件； 55、60、65钢热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。,碳素工具钢

14、各牌号淬火后硬度相近，但随含碳量的增加，钢的耐磨性增加，韧性降低。 T7、T8适于制作承受一定冲击的工具，如钳工、凿子等； T9、T10、T11适于制作冲击较小而硬度、耐磨性要求较高的小丝锥、钻头等； T12、T13则适于制作耐磨但不承受冲击的锉刀、刮刀等。,五、 合金钢的编号、用途 合金钢的编号采用：数字(或符号)+化学元素+ 数字 A 的方法。前面数字表示含碳量，后面数字表示合金含量 %。 1.合金结构钢和弹簧钢的编号： 含碳量以百分之几表示，合金元素 1.5%、2.5%、3.5%相应的以2、3、4表示。 如：a )低合金钢(GB1591-88) 16Mn C:0.120.20% Mn:1

15、.201.60% 15MnV C:0.120.18% Mn:1.201.60%V:0.040.12% b )合金结构钢(GB3077-88) 30CrMnSi C:0.270.34% Cr:0.801.10% Mn:0.801.10% Si:0.901.20% 38CrMoAl C:0.350.42% Mo:0.150.25% Al:0.701.10%,35CrMo: C: 0.320.40% Cr: 0.801.10% Mo:0.150.25% 40Cr C: 0.370.44% Cr: 0.801.10% 20SiMn2MoV C: 0.170.23% Si: 0.901.20% Mn:2

16、.202.60% V:0.500.12% c ) 弹簧钢 60Si2Mn: C: 0.460.54% Si: 1.502.00% Mn: 0.600.90% 50CrVA: C:0.460.54%Cr:0.801.10%V:0.100.20% 2.合金工具钢、高速工具钢、滚动轴承钢的编号： 平均含碳量 1.00%时，数字不标注； 1.00%时，数字以千分之几表示牌号前“G”表示“滚动”轴承钢、合金元素表示固相。 a )合金工具钢(GB1299-85) 量具、刃具钢： 9SiCr C:0.850.95% Si:1.201.60% Cr:0.951.25%,冷作模具钢： Cr12 C:2.002.

17、30% Cr:11.513.00 9Mn2V C:0.850.95% Mn:1.702.00 V:0.100.25% 热作模具钢： 5CrMnMo C:0.500.60% Mn:1.201.60% Cr:0.600.90% Mo:0.150.30% 3Cr2W8V C: 0.300.40% Cr: 2.202.70% W:7.509.00% V:0.200.50% b ) 高速工具钢(GB9943-88) W18Cr4V C:0.700.80% W:17.5019.00% Cr:3.804.40% V:1.001.40% W6Mo5Cr4V2: C:0.800.90% W:5.506.75% Mo:4.55.50% Cr:3.804.40% V:1.752.20% c )滚动轴承钢(YB9-68) 合金元素以千分之几表示,GCr9 C:1.051.15% Cr:0.901.20% GCr15 C:0.951.05% Cr:1.301.65% 3.不锈钢、耐热钢的编号： 平均含碳量以千分之几表示，一个“O”表示含C量 0.1%，两个“O”表示 C 0.03%,合金元素含量以%表示。 a )不锈钢(GB1220-84) 2Cr13 C:0.160.25%