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1、工程材料及成形工艺基础冯晓梅,第三章 铁碳合金,3-1 铁碳合金的基本相 一、Fe-Fe3C相图的组元,1Fe组元 -Fe(bcc) -Fe(fcc)-Fe(bcc) (同素异构转变) 强度低、硬度低；韧性、塑性好 2Fe3C （ Cementite， Cm） （在Fe-C相图中表现为位于6.69C处的竖直线） 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,912,1394,二、Fe-Fe3C相图中的相,1液相L 液相L是铁与碳的液溶体。 2相 又称高温铁素体，是碳在Fe中的间隙固溶体， 呈体心立方晶格，在1394以上存在。 3相 也称铁素体，用符号F 或表示，是碳在Fe 中的间隙固溶体，呈体心立方晶

2、格 强度、硬度 低；塑性好（室温：C%=0.0008%, 727 ： C%=0.0218%） 4相 常称奥氏体，用符号A或表示，是碳在Fe中 的间隙固溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的 固溶度极大，在1148时碳溶量最大达2.11%。 奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 5Fe3C相 是一个化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条 状、网状、片状、粒状等形态，是钢中主要的强 化相，对铁碳合金的力学性能有很大影响。,32 FeFe3C相图的分析,一、特性点：,二、特性线,（1）包晶点J与包晶转变线HJB 1495 ，C%=0.17 LB+HAJ 即 L0.53+ 0.09 A0.17。碳的质

3、量分数0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。,（2）共晶点C与共晶转变线ECF 1148 ，C%=4.3% LcAE + Fe3C L4.3 A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）Ld4.3 高温莱氏体 碳的质量分数在2.11%6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,1三条水平线和三个重要点,（3）共析点S与共析转变线PSKA1线 727 ，C%=0.77%,ASFP+Fe3C（共析渗碳体） A0.77 F0.0218+Fe3CP（珠光体） 共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。在放大倍数很高时，

4、可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。碳的质量分数0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。,2液固相线,液相线ACD（ABCD） 固相线AECF （AHJECF）,3溶解度线 ES线：碳在A中的固溶线Acm， 1148 ，2.11%；727 ，0.77%， AA+Fe3CII 如： Ld(P+Fe3CII)+Fe3C共晶低温莱氏体 Ld 碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148冷至727的过程中，将从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体（Fe3C）。 PQ线：碳在F中的固溶

5、线，727 ，0.0218%0.0008%室温。铁碳合金自727冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体（Fe3C）。Fe3C数量极少，往往予以忽略。,4GS线A3线 AA+F, 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线， 通常称A3线。,3 3 典型合金的结晶过程,1.铁碳合金的分类 根据FeFe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁wc 0.0218% 2)钢0.0218% wc 2.11% 3)白口铸铁2.11% wc 6.69%,工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强度低、硬度低,不宜用作结构材料。,钢的共同特点是高温下都有塑性很好的A体组织，适合

6、于压力加工。,白口铸铁因为在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压，而共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。,2、典型合金的结晶,工业纯铁（C%0.0218%）,工业纯铁结晶过程示意图,LL+AAA+FFF+Fe3CIII 相组成物： Fe3C C%=6.69% F C%0.0008% 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）,1,2,3,4,5,共析钢 C%=0.77%,亚共析钢 0.0218%C%0.77%,LL+A A A+F A+P+F P+F 相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F、P P%= F%=,

7、45钢金相,F,P,过共析钢,共晶白口铁（C%=4.3%）,LL+LdLd(A+Fe3C共晶) Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII) Ld(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：Ld,共晶白口铁金相,亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%,相组成物： F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物： P，Ld，Fe3CII,亚共晶白口铸铁金相, 过共晶白口铸铁,相组成物： F%= Fe3C%= 组织组成物：Ld，Fe3C Fe3C%= Ld%=Ld%=,过共晶白口铸铁金相,总结：铁碳合金相图,点：符号、成分、温度,莱氏体Le(

8、A+ Fe3C) Le(P+Fe3C),珠光体P(F+ Fe3C),复相组织组成物：,组织组成物标注,相区标注,线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线,S,Q,P,N,J,H,G,E,C,B,A,A+ Fe3C,A+F,L+A,A+ ,L+ ,F,A,L,L+ Fe3C,F+ Fe3C,A+ Fe3C,A+ Fe3C+Le,Le,Le+ Fe3C,Le+ Fe3C,Le,P+ Fe3C+Le,P+ Fe3C,P+F,P,F+ Fe3C,温度,K,F,D,C%,杠杆定律的应用,3、铁碳合金的成分-组织-性能关系 1、成分变化： 铁碳合金在室温下的组织皆由F和Fe3C两相组成。随碳 含量的增加

9、，F的含量逐渐变少，由100%按直线关系减少到 0%，Fe3C的含量则由0%增加到100%。 2、组织变化： 铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3C、P+ Fe3C+ Ld、Ld、Ld+ Fe3C、Fe3C,（1）力学性能 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，合金的硬度呈直线关系增大。 强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。过共析钢到约wc 1.0%时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。 塑性合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大

10、，F量不断减少时，合金的塑性连续下降。 对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 硬度80F%+180P%(HB) 或硬度80F%+800Fe3C%(HB) 强度230F%+770P%(MPa) 延伸率()50F%+20P%(%),3、性能变化：,（2）工艺性能,共晶或接近共晶成分合金熔点低，结晶范围小，流动性好，具有良好的铸造性能。,锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力，选在单相奥氏体区内进行。,34 Fe-Fe3C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

11、韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。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。 纯铁磁导率高，矫顽力低，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FeFe3C相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 锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力，选在单相奥氏体区内进行。,4.在热处理工艺方面的应用 FeFe3C相图对于制订热处理

12、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FeFe3C相图确定的。 在运用FeFe3C相图时应注意以下两点： FeFe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。FeFe3C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。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。,34 碳钢及其牌号,一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S和气体元素H、O 等。,1锰 有益（0.25-0.80%） a. 脱氧剂： 降低FeO脆性， b. 脱硫剂： Mn+SMnS(降

13、低S的有害作用) 热加工性能 c. 固溶强化： 使性能更优。,2硅 有益 a. 脱氧脆性 b. 固溶强化,3磷 有害 P能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高， 塑性、韧性急剧下降,冷脆,4硫 有害,985时， 产生的共晶体（Fe+FeS） 加入Mn Mn与S形成高熔点的MnS (1600) ， 可消除硫的有害作用（除硫）,热脆,脱氧用硅铁,钢中的MnS夹杂,5气体元素O、N、H O 钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源，机械性 能 ，强度、塑性降低，有害元素 N 钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆 化。 加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向; N是钢产生兰脆的主要原因，有害元素,钢中白点,H

14、 原子态的过饱和氢时将 降低韧性, 引起氢脆；当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。有害元素,1、按冶炼方法分,转炉炼钢,平炉炼钢,生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。,二、碳钢的分类,电弧炉炼钢,2、按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按用途分,4、按化学成分分,三、碳钢的编号方法,我国钢材的编号是采用汉语拼音字 母、化学元素符号和阿拉伯数字相 结合的方法。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名 称、用途、特性和工艺方法时，一 般从代表钢产品名称

15、的汉字的汉语 拼音中选取第一个字母。,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢 Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。 脱氧方法符号：沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。 如碳素结构钢牌号表示为 Q235AF、Q235BZ。,1）成分：0.4%C，P、S 量较多。 2）性能：可焊性、塑性好。 3）热处理：热轧空冷态下使用。 4）使用状态下组织：F+P,热轧钢板,5）用途：常以热轧型材使用， 约占钢材总量

16、的70%。 用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。,2、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢：牌号为两位数字（或加字母Mn） 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几 如45其平均含碳量为万分之四十五（即0.45%C）,制作各种机器零件，一般进行热处理。 08F 塑性好，冷冲压件 10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。 35，45，40，50 齿轮、轴类 60，65 弹簧,*说明： 优质碳素结构钢含Mn量为0.71.2%时，在含碳量数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。 优质碳素结构钢的沸腾钢和半镇静钢，在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。,3、碳素工具钢 牌号为T+数字 “T”表示-“碳素工具钢” 数字表示钢平均含碳量的千分之几 如T8其平均含碳量为千分之八（0.8%C）,4、铸钢 在牌号前加“ZG”, 后两数字分别为最低屈服强度和最低抗拉强度。,碳素工具钢都是优质以上质量的; 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A、T8A。,形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。,碳素工具钢共有七个牌号： T7T1