第三章__铁碳合金和铁碳相图-j1_W

1、第四章铁碳合金和铁碳相图铁碳合金的平衡结晶过程和形成的组织七类合金的室温组织及性能的变化规律碳钢的主要分类、牌号和用途重点掌握：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体之间的联系应用杠杆定律对平衡组织中的各相和组织组成物的相对质量进行计算第四章铁碳合金和铁碳相图4.1 铁碳合金中的组元和基本相4.2Fe-Fe3C相图4.3 典型合金的平衡结晶4.4 碳素钢的分类4.5 碳素钢的牌号、性能及用途 组元： 纯铁、渗碳体 基本 相： 高温铁素体（）、 铁素体（）、 奥氏体（） 渗碳体 基本组织： 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体（P）、莱氏体（Ld/Ld） 纯铁熔点为1538，密度是7.87g/cm3,

2、纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。 由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现象。铁具有同素异构转变的特性是钢铁在热处理后获得多种多样结构、组织与性能的理论依据。1538温1394度-Fe-Fe 液 相 体心立方 面心立方 912-Fe体心立方 室温 时间/s3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁与碳形成具有复杂晶格的稳定间隙化合物Fe3C，通常称为渗 碳体。含碳量6.69%， 硬度很高，强度低， 塑性韧性很差，不能单独使用。理论熔化温度1227。条件适 当时，会分解成单质状态的石墨C 。以片状、粒状、网状、带状分布于合金之中

3、。 3.1 铁碳合金中的组元和基本相形成的间(用F或表示)素体碳溶解在-Fe中隙固溶体-铁 随温度的升高溶碳能力增加，室温为 0.0008%,727时最大，Wc为0.0218%。 塑性、韧性好 强度、硬度低 塑性变形加工 3.1 铁碳合金中的组元和基本相碳溶解在形成的间隙固氏体-Fe中溶体-奥(用A或表示)727以上存在，1148溶碳能力最大，为2.11%，有一定的强度和硬度， 塑性也很好 锻造 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁素体和渗碳体组成的机械混合物-珠光体Wc为0.77%，具有较高的强度、硬度和良好的塑性、韧性，即综合力学性能较好 3.1 铁碳合金中的组元和基本相渗碳体为基体上分布着

4、奥氏体-莱氏体 Wc为4.3%，渗碳体多导致硬度很高，塑性很差，提高合金的耐磨性 返回 3.2Fe-Fe3C相图3.2Fe-Fe3C相图包晶转变匀 晶转变 共析转变 共晶转变 3.2Fe-Fe3C相图相图中的三个重要点相图中的五个单相(区)相图中的三条水平线相图中的四条垂直线 铁碳相图中主要的点、线、区 含义 6.69铁碳相图中主要的点、线、区 含义 L + ddCL+ Fe3L+ g L d + g gg + Fe3Caa + ga + Fe3C以相组成物表示的Fe-Fe3C相图 (2) 线 液相线固相线 三条水平线三条特征线 ES线碳在A中的固溶线AcmPQ 线碳在F中的固溶线GS线 A开

5、始析出F 或F全部溶 入A的转变 线 A3(3) 区 4个单相区 1条垂直线 7个双相区 铁碳相图中三种基本的转变 在1495 发生包晶转变 1495 LB+dH1495 JAd HBL NJg 1227 D 在1148发生共晶转变 GECF1148 1148 LCE+Fe3Ca PSK727 在727发生共析转变 S727 aP+Fe3CFeFe3CQ(二) 图中的线液 相 线 ：ABCD 固相线：AHJECF三条水平线：包晶线 LB+ dH AJ(HJB)共晶线 Lc AE+Fe3C (ECF)共析线As FP+Fe3C (PSK) A1三条特性线：ES线碳在A中的固溶线Acm PQ 线碳

6、在F中的固溶线GS线 A开始析出F或F全部溶入A的转变线A3（三）图中的面相区5个单相区：d、A、F、 L、Fe3C7个两相区：L+ dd+ AL+ A 、L+Fe3C、A+ Fe3C、A+ F、F+ Fe3C3.2Fe-Fe3C相图返回 3.2Fe-Fe3C相图包晶反应：L+共晶反应：LLe( FeC3+ )共析反应： P (FeC3+ )返回 工业纯铁碳素钢 过共析钢 亚共析钢 白口铸铁 3.2Fe-Fe3C相图 亚共晶白口铁过共晶白口铁 共析钢共晶白口铁 3.2Fe-Fe3C相图亚共析用途实例钢 45 钢 碳含量0.45 60 钢 碳含量0.60 3.2Fe-Fe3C相图共析钢的应用举例

7、 T8钢 碳含量 0.80 3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢应用举例 T12 钢碳含量 1.2 返回 3.3 典型合金的平衡结晶工业纯铁 0.0218%亚共析钢 铁碳合金 碳素钢 共析钢 0.77%0.02182.11%过共析钢 白口（铸）铁 2.116.69%亚共晶白口铁 共晶白口铁 4.3%过共晶白口铁 工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C 共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却 匀晶反应L相中析出相（奥氏体A） 单相固溶体的冷却 相发生共析反应生成珠光体P共析钢的结晶过程A1N2L+A温 LDL+Fe3CL1 LA2AECF度 G3A+Fe3CA

8、温度AP(F + Fe C)SF F+A PQFe4F+Fe3CKC%Fe3Cs P333P时间4共析钢的平衡结晶过程注意事项共析反应生成的珠光体在却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成Fe3C起，难以分辨。，但与共析的Fe3C连在一共析钢的室温平衡组织：P冷P：铁素体（F）和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？杠杆定律 计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成分点。 aA(0.0008)C0.77Fe3CB(6.69)a相的质量分数Ma=6.69- 0.776.69 -0.0008100% = 88.5%Fe3C相的质量分

9、数MFe3C= 0.77-0.0008100%=11.5% 6.69 - 0.0008L相冷却亚共析钢的平衡结晶过程L相 相L相+ 相 相，并且L相有剩余剩余L相 相单相共相的冷却 相，但相有剩余析反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相亚共析钢的结晶过程A1N2L+A温 LDL+Fe3CL1 LA2AECF度 G3A+Fe3CA温度3AFF F+ P 4QFe5SF+Fe3CKC%Fe3C44AsP(FP+ Fe3C)P+ F时间5亚共析钢的平衡结晶过程注意事项先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C， 但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P利用杠杆定律计算先析铁素

10、体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的 质量分数计aCP 亚共析钢的平衡结晶过程算727 下, 组织组成物的质量织组成物的Ma =0.77 0.610.77 0.0218量分数 织组成物的M=0.60.0218 P0.77 0.0218分数 P分数A(0.0218)a组质 P组质量 0.6B(0.77)00% = 22.72%100% = 77.28% PFP F 10钢（0.1%C)45钢（0.45%C)随含碳量的增加亚共析钢组织中P的相对量增 PF 加，F的相对量减少。 60钢（0.6%C)过共析钢的平衡结晶过程L相 相 单相固溶体（奥氏体）的冷却 相中

11、析出二次渗碳体（Fe3C） 共析转变： 相（ +Fe3C），存在Fe3C 单相液体的冷却 过共析钢平衡结晶过程 AL+A1L1温 NL度2AG3F+AL+Fe3CECFLA温度2A4A+Fe3CAFe3CII3AsP(FP+ Fe3C)F+Fe3CKF PS4P+ Fe3Q4CIIFe5C%Fe3C时间5过共析钢的平衡结晶过程注意事项从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数课堂作业亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体

12、相的质量分数。（亚共析钢以含碳量0.4%为例，过共析钢以含碳量1.2%为例）返回WF= (0.77-0.45)/(0.77-0.0218)=42.8%WP=57.2%WF= (6.69-0.45)/(6.69-0.0008)=93.4%WFe3C=6.6%WF= (6.69-1.2)/(6.69-0.0008)=82.1%WFe3C=17.9%WFe3C=（1.2-0.77）/(6.69-0.77)=7.3% Wp=100%-7.3%=92.7%共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却 共晶反应：LLd（+Fe3C） 共晶中的相不断析出Fe3C，不可见 共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（Fe

13、3C） (四) 共晶白口铁的结晶过程 ALLNL+AD31L+Fe CL L (A +FeC）)温 cdE3度FC温AE度 11GF+AF PSA+Fe3C2KCF+Fe3AFe3CIIAsP(FP+ Fe3C) 22Ld(P+ Fe3CII +Fe3C)QFeC%3Fe3C时间3 Ld相组成 物：F、Fe3C组织组成物： Ld注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出 Fe3C，但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见共晶白口铁室温组织：态莱氏体Le （珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上共晶白口铁的基体相是C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高变）Fe3亚共晶白口铁的平衡结晶过程匀晶反应： L 相

14、 共晶反应：剩余LLd（+Fe3C） 先共晶相不断析出Fe3C ，共晶相 析出Fe3C不可见 共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 先共晶相 P室温组织： Ld（P+Fe3C） + Fe3C 单相液体的冷却 P(五) 亚共晶白口铁结晶过程 ALL2L+Fe3CNL+A11 LALcLd(AE+Fe3C)温度FC温AE度 22A+Fe3CGAFe3CIIKF+A3AsP(FP+ Fe3C)F+Fe3CF PS33QFe4 C%Fe3C时 间 4P+ Fe3CII+ Ld(P+ Fe3CII +Fe3C)P+Fe3CII Ld过共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却 匀晶反应： L

15、 Fe3C相 C） d（P+Fe3C） e3C共晶反应：剩余LLd（+Fe3共晶相析出Fe3C不可见 共析反应： Ld（+Fe3C） L室温组织： Ld（P+Fe3C） + F(六) 过共晶白口铁结晶过程 ALLNL+A1D1LFe3CI度F温Fe3CL+温AEC2度 LcLd(AE+Fe3C) 22GF F+APSKQA+Fe3C3F+Fe3CAFe3CIIAsP(FP+ Fe3C) 33FeC%4Fe3C时间 4Fe3CI+Ld(P+ Fe3CII +Fe3C)Fe3CI Ld相 组成 物：F、Fe3C组织组成物： Ld、Fe3CI小结碳含量对铁碳合金室温组织的影响LP+Fe3C+Lda+

16、Fe3Ca+PP+Fe3CPFe3C+Ld返回随着含碳量的变化，铁碳合金的组织变化顺序为： PFFFe3CFP工业纯铁碳素钢 P+Fe3C dP+ Fe3CL Ldd3白口铸铁 L Fe C 组织组成物相对质 100F P Fe3C Fe3C 量分数/ 0Ld 相组成物相对质量分数/ 100 aFe3C我们已经学 五种渗碳体： Fe3Fe3C II、Fe3C II Fe3C共晶（莱 体中的渗碳体） 3C共析（珠光体的渗碳体）层状与F交替析出过CI、I、氏、Fe中，Fe3C III 薄片状， 沿 F 晶界 析出Fe3C共析（珠光体中的渗碳体），片Fe3C II网状，沿A晶界析出Fe3C共晶（莱氏

17、体中的渗碳体），作为Ld基体Fe3CI粗大棒状，从液体中析出它们本质并无区别（成分、结构及本身性质均相同，属于同一种物质）只是由于来源和形态不同，属于不同的组织组成物。它们对铁碳合金的性能将具有不同的影响。 硬度 含碳量对铁碳合金力学性能的影响硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度 约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 强度 含碳量对铁碳合金力学性能的影响v , 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密,则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的

18、强度随 而增大。 v 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。 v 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa30 MPa)。 塑性含碳量对铁碳合金力学性能的影响v 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大,F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时

19、,塑性就降到近于零值了。返回铁碳相图的应用1. 在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此 选用碳含量较低的钢材。 各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢如齿轮。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。利用珠光体强度高，铁素体塑性和韧性好。 纯铁磁导率高，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的 铁心等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、 不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 2. 在铸造工艺方面的应用根据Fe-Fe3C相

20、图可以确定合金的浇注温度。浇注 温度一般在液相线以上50100。 3. 在热缎、热轧工艺方面的应用锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一般始缎、始轧温度控制在固相线以下100200范围内，终缎、终轧温度不能过低。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共析钢变形终止温度应控制在PSK线 以上一点，一般始缎温度为11501250，终缎温度为800850。 4. 在热处理工艺方面的应用 Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。 在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： Fe-Fe3C相图只反映铁碳二

21、元合金中相的平衡状态， 如含有其它元素，相图将发生变化。 Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析了。 4.2碳素钢一、成分和主要杂质1. 成分主要元素C：0.0218-2.11%有益常存元素Si、Mn：产生固溶强化有害常存元素P：冷脆S：热脆O、H、N：强度、塑性、韧性（1）Si脱氧剂，（且强化F,提高淬透性） 但SiO2易成为非金属夹杂,Si%0.35%Si+O2SiO2（2） Mn脱氧剂，除硫剂，（且强化F,提高淬透性），但MnO、MnS易成为非金属夹杂物, Mn%0.8%M n+OMnOMn+SMnS（3）S不 利

22、作 用 ： 引 起 热 脆 ,S 0.055%.改善钢的切削加工性（4）P不利作用：引起冷脆,P0.045%。（原因：固溶于F钢强硬度，塑韧性）（5） N、H、O1. 一般情况下均是有害元素N 时效形成氮化物脆化H 氢脆， 白点塑韧性O 形成氧化物 非金属夹杂2. 控制方法：N 加入AlAlNH 冶金时防止进入， 去氢退火O 加脱氧剂Si,Mn等二. 分类低碳钢：0.0218-0.25%按含碳量分类按质量（S、P 含量）分类按用途分类中碳钢：0.25-0.6% 高碳钢：0.6-2.11%普通碳素钢Wp0.045%,Ws 0.05%优质碳素钢 Wp0.04%,Ws 0.04%高级优质碳素钢Wp0

23、.035%,Ws 0.030%碳素结构钢：制造工程构件，如桥梁、船舶、齿轮等碳素工具钢：刃具、量具三、碳素钢的牌号及用途1. 碳素结构钢成分： 含碳量在0.06-0.38%之间；多属于低碳钢和中碳钢，少量高碳钢 非金属夹杂物和有害元素含量较高。 牌号：如 Q235-A，F其中Q表示屈服强度，235为屈服强度最小值， A为质量等级，F脱氧方法 碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988) 牌号 等级 化学成分 脱氧方法 w(C)%w( Mn)%w( Si)%w(S )%w( P)%不大于 Q195 0.06-0.120.25-0.500.600.0500.045F,b,ZQ215A /

24、 B0.09-0.150.25-0.550.600.050 / 0.0450.045F,b,ZQ265A0.14-0.220.60-0.650.600.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.60-0.700.600.0450.045F,b,ZC0.180.65-0.800.600.0400.040ZD0.170.65-0.800.600.0650.065TZQ255A / B0.18-0.280.40-0.700.600.050 / 0.0450.045ZQ275 0.28-0.680.50-0.800.650.0500.045Z多边型角钢 钢筋、螺纹钢应用：钢板、钢筋、型钢等，做

25、桥梁建筑构件 钢桥梁 建筑构件 螺钉、铆钉 2. 优质碳素结构钢成分： 含碳量在0.05-0.7%之间； 有害元素含量较低。 牌号：如 45钢（0.45%），60钢（0.6%）等两位数字表示含碳量，以万分之一为单位 某一元素含量较高时，表示为两位数字+元素符号如 45Mn优质碳素钢的化学成分和性能 钢号 化学成分，%ss ，MPaCMnSiSP08F0.05-0.110.25-0.500.060.0650.065175100.07-0.160.65-0.650.17-0.670.0650.065205200.17-0.260.65-0.650.17-0.670.0650.065245650.6

26、2-0.690.50-0.800.17-0.670.0650.065615400.67-0.440.50-0.800.17-0.670.0650.065665450.42-0.500.50-0.800.17-0.670.0650.065655500.47-0.550.50-0.800.17-0.670.0650.065675600.57-0.650.50-0.800.17-0.670.0650.065400650.62-0.700.50-0.800.17-0.670.0650.065420应用：较重要机械零件，如轴、齿轮、弹簧等 汽车曲轴 需要进行一定的热处理， 如淬火、回火，渗碳等 3. 碳素工具钢成分： 含碳量较高； S和P的含量严格控制。 牌号：如 T8（0.8%）， T12（1.2%） 牌号由代表碳的符号“T”与阿拉伯数字组成， 两位数字表示含碳量，以千分之一为单位 如在数字后出现A，表示高级优质钢，如T12A 特级优质钢，在牌号后加E碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC62) 钢号 C, % Mn, % Si, % S, % P