鐵碳合金相圖(1)

1、整理課件整理課件1 1鐵碳合金相圖整理課件整理課件2 2主要內(nèi)容 鐵碳合金的相結(jié)構(gòu) 鐵碳合金相圖 碳鋼與鑄鐵 鐵碳合金相圖的應(yīng)用及其局限整理課件整理課件3 3第一節(jié) 鐵碳合金的相結(jié)構(gòu) 純鐵從液態(tài)結(jié)晶后得到體心立方晶格的-Fe，隨后隨著溫度的降低發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，得到面心立方晶格的-Fe，再冷卻生成體心立方晶格的-Fe。 碳溶入-Fe和-Fe中所形成的固溶體稱為鐵素體和奧氏體。當(dāng)含量超過鐵素體和奧氏體的溶解度時，則會出現(xiàn)金屬化合物相Fe3C，稱為滲碳體。 碳原子溶入-Fe中所形成的固溶體稱為高溫鐵素體。它在1394以上的高溫出現(xiàn)，對工程上應(yīng)用的鐵碳合金的組織和性能沒有什么影響，故不作為鐵碳合金的

2、基本相。 鐵碳合金相圖的基本組成相是鐵素體，奧氏體和滲碳體。整理課件整理課件4 4ANG純鐵的冷卻曲線Fe-Fe3C相圖（局部）整理課件整理課件5 5一、鐵素體碳原子溶入-Fe中形成的間隙固溶體，稱做鐵素體。由于體心立方晶格的-Fe的晶格間隙半徑只有0.036nm，而碳原子半徑為0.077nm，所以碳在鐵素體中的溶解度很小。在727時最大固溶度為0.0218%，而在室溫時固溶度幾乎降為零。因此，常溫下鐵素體的力學(xué)性能與純鐵相近，其數(shù)值如下： 抗拉強度 b 180-280Mpa屈服強度 S 100-170Mpa斷后伸長率A11.3 30%-50%沖擊韌性K 160-200 J/cm2布氏硬度HB

3、 50-80HBS由此可見，鐵素體有優(yōu)良的塑由此可見，鐵素體有優(yōu)良的塑性和韌性，但強度，硬度較低，性和韌性，但強度，硬度較低，在鐵碳合金中是軟韌相。鐵素在鐵碳合金中是軟韌相。鐵素體是體是912912以下的平衡相，也以下的平衡相，也稱做常溫相，在鐵碳相圖中用稱做常溫相，在鐵碳相圖中用符號符號F F或或表示。表示。整理課件整理課件6 6二、奧氏體 碳原子溶入-Fe中形成的間隙固溶體，稱做奧氏體。具有面心立方晶格的-Fe的晶格間隙半徑為0.052nm，比-Fe的間隙稍大，在1148時碳原子在其中的最大固溶度為2.11%。隨著溫度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727時是0.77%(共析點)。 奧

4、氏體是727以上的平衡相，也稱高溫相。在高溫下，奧氏體具有極好的塑性，所以在此相區(qū)具有良好的熱軋、鍛造等熱加工工藝性能。在鐵碳合金相圖中，奧氏體通常用符號A或表示。整理課件整理課件7 7三、滲碳體 滲碳體是鐵與碳原子結(jié)合形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物，屬于復(fù)雜八面體結(jié)構(gòu)，含碳量6.69%。 滲碳體的硬度高達HB800，但脆性大，塑性和韌性幾乎是零。在鐵碳合金中，它是硬脆相，是碳鋼的主要強化相。滲碳體在碳鋼中的含量和形態(tài)對鋼的性能影響很大。它在鐵碳合金中可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在。 在高溫時，鋼和鑄鐵中的滲碳體在一定時間會發(fā)生下面的分解反應(yīng)，析出石墨態(tài)的碳。反應(yīng)式如下：Fe3C 3Fe+

5、C（石墨）整理課件整理課件8 8一、相圖圖形介紹 在鐵碳合金系中，含碳量高于6.69%的鐵碳合金脆性大，沒有使用價值。因此只研究含碳量小于6.69%的這一部分，通常稱為鐵碳合金相圖，也稱Fe-Fe3C相圖，如圖2-1所示。 在FeFe3C相圖中，較穩(wěn)定的化合物Fe3C與Fe是組成二元合金的兩個組元。相圖有三個部分組成，左上角為包晶相圖。包晶相圖與共晶相圖都是具有三相平衡反應(yīng)的基本相圖，但是在1400以上發(fā)生反應(yīng)，在研究和應(yīng)用中對鐵碳合金的組織和性能都沒有什么影響，故不予研究。FeFe3C相圖可簡化為圖2-2形式。第二節(jié) 鐵 碳 合 金 相 圖整理課件整理課件9 9L+Fe3C圖圖2-1Fe-F

6、e3C 相圖相圖圖圖2-2 簡化的簡化的Fe-Fe3C相圖相圖整理課件整理課件1010 L4.3 A2.11 + Fe3C恒溫1148恒溫727 相圖的右上部為共晶相圖。相圖的右上部為共晶相圖。在在1148時，含碳量時，含碳量4.3%的合金發(fā)生共晶反應(yīng)：的合金發(fā)生共晶反應(yīng)： A0.77 F0.0218 + Fe3C以上反應(yīng)生成的鐵素體與滲碳體組成的機械混合物共析體組織，稱為珠光體，以符號以上反應(yīng)生成的鐵素體與滲碳體組成的機械混合物共析體組織，稱為珠光體，以符號P表示。表示。以上反應(yīng)生成的奧氏體與滲碳體組成的機械混合物共晶體組織，稱為萊氏體，以符號以上反應(yīng)生成的奧氏體與滲碳體組成的機械混合物共晶

7、體組織，稱為萊氏體，以符號Ld表示。表示。 相圖的左下部為共析相圖。相圖的左下部為共析相圖。共析相圖與共晶相圖相似，所不同的是共晶相圖是共析相圖與共晶相圖相似，所不同的是共晶相圖是從液相中同時析出兩個固相，產(chǎn)物稱作共晶體；而共析相圖則是從一個固相中同從液相中同時析出兩個固相，產(chǎn)物稱作共晶體；而共析相圖則是從一個固相中同時析出兩個新的固相，產(chǎn)物稱作共析體。在鐵碳合金中，含碳時析出兩個新的固相，產(chǎn)物稱作共析體。在鐵碳合金中，含碳0.77%的奧氏體在的奧氏體在727時發(fā)生共析反應(yīng)：時發(fā)生共析反應(yīng)：整理課件整理課件1111二、相圖中點、線和相區(qū)的意義珠光體是鐵碳合金中室溫時的一個平衡組織，其力學(xué)性能數(shù)

8、據(jù)如下：布氏硬度 HB 180-280HB斷后延伸率 A11.3 20%25%沖擊韌性 a K 3040J/cm抗拉強度 b 750-900Mpa 鐵碳合金相圖中主要點的溫度、含碳量及含義見下表。鐵碳合金相圖中主要點的溫度、含碳量及含義見下表。特性點溫度（）含碳量（）特性點含義 A15380純鐵的熔點C11484.3共晶點D12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在奧氏體中的最大溶解度G9120-Fe -Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點S7270.77共析點由此可見，珠光體由此可見，珠光體力學(xué)性能介力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，具于鐵素體與滲碳體之間，具有有較好的塑性和韌性，強度較高，較好的塑性

9、和韌性，強度較高，硬度適中。正火后便可得到珠硬度適中。正火后便可得到珠光體組織。光體組織。整理課件整理課件1212鐵碳合金相圖中各主要線的意義：AECF為固相線。為固相線。若溫度低于若溫度低于AECF線時，鐵碳合金凝固為固體。線時，鐵碳合金凝固為固體。ECF為共晶線。為共晶線。若含碳量在若含碳量在ECF線的范圍（線的范圍（2.11%6.69%）內(nèi)，鐵碳合金在）內(nèi)，鐵碳合金在1148時時即發(fā)生共晶反應(yīng)，形成萊氏體。即發(fā)生共晶反應(yīng)，形成萊氏體。ES為碳在奧氏體中溶解度曲線，簡稱為碳在奧氏體中溶解度曲線，簡稱Acm。從該線可以看出，在從該線可以看出，在1148時碳在奧氏時碳在奧氏體中的最大溶解度為體

10、中的最大溶解度為2.11%，在，在727時，溶解度為時，溶解度為0.77%，隨著溫度降低，碳在奧，隨著溫度降低，碳在奧氏體中的溶解度也降低而從奧氏體中析出滲碳體。從固溶體奧氏體中析出的滲碳體稱氏體中的溶解度也降低而從奧氏體中析出滲碳體。從固溶體奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體（為二次滲碳體（Fe3C）。從液相中直接結(jié)晶出的滲碳體稱為一次滲碳體（）。從液相中直接結(jié)晶出的滲碳體稱為一次滲碳體（Fe3C），），從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體（從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體（Fe3C）。）。GS為奧氏體在冷卻過程中析出鐵素體的起始溫度線，簡稱為奧氏體在冷卻過程中析出鐵素體的起始溫度線，簡

11、稱A3線。線。GP為奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終止溫度線。為奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終止溫度線。PSK為共析線，簡稱為共析線，簡稱A1線。線。若含碳量在若含碳量在PSK線的范圍（線的范圍（0.0218%6.69%）內(nèi)，奧氏體）內(nèi)，奧氏體在在727時必然發(fā)生共析反應(yīng)，形成珠光體。時必然發(fā)生共析反應(yīng)，形成珠光體。整理課件整理課件1313PQ為碳在鐵素體中溶解度曲線。從該線可以看出，在727時碳在鐵素體中的最大溶解度為0.0218%，在600時溶碳量約為0.0057，在室溫僅能溶解碳0.008%，可忽略不計。故一般鐵碳合金凡是從727緩冷至室溫時，均會從鐵素體中析出滲碳體，稱此滲碳體為

12、三次滲碳體（Fe3C）。 因三次滲碳體數(shù)量極少，對力學(xué)性能影響不大，常予忽略。對于一次，二次，三次因三次滲碳體數(shù)量極少，對力學(xué)性能影響不大，常予忽略。對于一次，二次，三次滲碳體，僅在其來源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶體結(jié)構(gòu)和性能均相同。滲碳體，僅在其來源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶體結(jié)構(gòu)和性能均相同。 簡化的鐵碳合金相圖共有一個液相和三個固相，在相圖中分別占有四個單相區(qū)，即簡化的鐵碳合金相圖共有一個液相和三個固相，在相圖中分別占有四個單相區(qū)，即 L，A，F(xiàn)及及Fe3C；滲碳體是鐵碳相圖的基本組成相，它的成分是固定不變的，因此在相圖上；滲碳體是鐵碳相圖的基本組成相，它的成分是

13、固定不變的，因此在相圖上它的相區(qū)僅是一條豎直線。它的相區(qū)僅是一條豎直線。相圖中有五個雙相區(qū)，即相圖中有五個雙相區(qū)，即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F、A+FeA+Fe3 3C C、F+FeF+Fe3 3C C。相圖中的兩條水平線相圖中的兩條水平線是三相平衡線，線上有三個點，分別與各個單相區(qū)以點相連接，當(dāng)發(fā)生三相平衡反是三相平衡線，線上有三個點，分別與各個單相區(qū)以點相連接，當(dāng)發(fā)生三相平衡反應(yīng)時，三個平衡相的成分即這三個點的成分，說明了在相變過程中相變溫度和各組應(yīng)時，三個平衡相的成分即這三個點的成分，說明了在相變過程中相變溫度和各組成相的相對含量是固定的。成相的相對含量是固

14、定的。 從相圖可以看出，含碳量大于從相圖可以看出，含碳量大于0.008%時任何成分的鐵碳合金在室溫時都處在時任何成分的鐵碳合金在室溫時都處在F+Fe3C相區(qū)內(nèi)，即合金的相結(jié)構(gòu)都要由這兩相組成。但這兩個相的相對量不同，相的相區(qū)內(nèi)，即合金的相結(jié)構(gòu)都要由這兩相組成。但這兩個相的相對量不同，相的形態(tài)和分布不同，即組織不同，合金的性能變化很大。形態(tài)和分布不同，即組織不同，合金的性能變化很大。整理課件整理課件1414三、典型合金結(jié)晶過程及室溫組織工程上使用的鐵碳合金分為工業(yè)純鐵，碳鋼和鑄鐵三大類，它們的區(qū)別在于含碳量的不同。含碳量小于0.0218%的，稱為工業(yè)純鐵；含碳量大于0.0218%而小于2.11%

15、 ，稱為碳鐵；含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的，稱為鑄鐵。在分析鐵碳合金的平衡組織時，在分析鐵碳合金的平衡組織時，按照組織的不同，習(xí)慣將碳鋼分為共析鋼，按照組織的不同，習(xí)慣將碳鋼分為共析鋼，亞共析鋼，過共析鋼；將亞共析鋼，過共析鋼；將鑄鐵分為鑄鐵分為共晶白口鐵，亞共晶白口鐵和過共晶白口共晶白口鐵，亞共晶白口鐵和過共晶白口鐵共六種典型合金鐵共六種典型合金，如圖，如圖2-3所示。所示。整理課件整理課件1515（一）共析鋼上圖中合金稱為共析鋼，其含碳量為0.77%。當(dāng)溫度在1點以上時，合金為液相；溫度降至1點時，開始從液相中析出奧氏體；溫度降至12點之間時，從液相中不斷析出奧氏體。它的特點

16、是液相不斷減少，固相奧氏體不斷增加。剩下的液相的成分沿AC線變化，奧氏體的成分沿AE線變化。當(dāng)溫度降至2點時，合金全部結(jié)晶成奧氏體，溫度降至23點之間時，合金為單相奧氏體。溫度降至3點，即共析點S時，含碳量0.77%的奧氏體在727溫度下發(fā)生共析反應(yīng)。從奧氏體中同時析出鐵素體F和滲碳體Fe3C，兩相所組成的共析組織即珠光體P。整理課件整理課件1616珠光體是在727恒溫下生成的，溫度降到室溫時組織基本不發(fā)生變化。只是鐵素體的含碳量從0.0218%降至幾乎為零，碳則以微量的三次滲碳體的形式析出來。恒溫727LL+A P圖2-5 共析鋼的珠光體組織 500 x共析鋼的結(jié)晶過程如圖共析鋼的結(jié)晶過程如

17、圖2-4所示。珠光體的顯微組織如圖所示。珠光體的顯微組織如圖2-5所示，鐵所示，鐵素體與滲碳體呈層片狀相間而生，有類似貝殼的光澤，故名珠光體。素體與滲碳體呈層片狀相間而生，有類似貝殼的光澤，故名珠光體。共析鋼的結(jié)晶過程用反應(yīng)式表示為：共析鋼的結(jié)晶過程用反應(yīng)式表示為：整理課件整理課件1717（二）亞共析鋼含碳量低于0.77%的鋼稱為亞共析鋼。以圖2-3中合金為例，亞共析鋼的結(jié)晶過程，如圖2-6所示。合金從液相冷卻到1-2點以后，逐漸結(jié)晶出固相的奧氏體；溫度繼續(xù)降至2-3點之間時，完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體；當(dāng)溫度降至3點時，開始從奧氏體中析出鐵素體，鐵素體首先在奧氏體的晶界上形核，隨著溫度降低而長大；

18、溫度降至3-4點時，根據(jù)杠桿定律可以計算出結(jié)晶出的先共析鐵素體含量為4S/（PS），剩下的奧氏體相的量為 P4/（PS）。溫度降至4點時剩下的奧氏體成分和溫度已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件，在727時發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這樣，亞共析鋼奧氏體的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橄裙参鲨F素體（圖27中白色晶粒），另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織（圖27中黑色部分）。溫度繼續(xù)降至室溫時，顯微組織基本不變（析出的三次滲碳體可忽略不計）即為鐵素體加珠光體（F+P）。整理課件整理課件1818 Wc=0.20% Wc=0.40%圖27 亞共析鋼的室溫組織 200 x整理課件整理課件1919鐵素體與珠光體的相對量可用杠桿定律在GPS相區(qū)的

19、PS線上計算出。合金中，珠光體組織含量為：QP=P4/PS100%先共析鐵素體含量為：QF=1QP 或 QF=4SPS100%隨著亞共析鋼含碳量的增加，組織中的珠光體量增加，從0%增加到100%；當(dāng)含碳量增加到0.77%時，珠光體為100%，即共析鋼組織。珠光體中的鐵素體，稱作共析鐵素體，滲碳體稱作共析滲碳體。室溫時，鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)只有鐵素體和滲碳體?？梢岳酶軛U定律在F+Fe3C的兩相區(qū)中計算出亞共析鋼中鐵素體與滲碳體的含量，稱作相的相對含量：QF（總）=（6.69）/（6.690.0218）100%QFe3C = 1 QF（總）其中其中 Q QF F（總）（總）為先共析鐵素體與共析鐵素體

20、之和。式中為先共析鐵素體與共析鐵素體之和。式中 亞共析鋼的含碳量。亞共析鋼的含碳量。亞共析鋼的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示：亞共析鋼的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示：L L+A A FA F+P整理課件整理課件2020含碳量在 0.77% 2.11% 的碳鋼, 稱為過共析鋼。以圖2-3中合金為例，過共析鋼的結(jié)晶過程如圖2-8所示。合金從液相冷卻至1-2點以后，結(jié)晶出奧氏體；溫度繼續(xù)降至2-3之間時，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；溫度降至3點時，碳在奧氏體中溶解度達到飽和。溫度降低至3-4時，開始析出Fe3C，即為二次滲碳體Fe3CII。Fe3CII沿著奧氏體晶界析出。室溫下過共析鋼的顯微組織如圖2-9所示，圖中白色的沿

21、著晶界分布的組織即為二次滲碳體；深色部分的組織為珠光體。溫度降至4點（727）時，析出的二次滲碳體可用杠桿定律在AFe3C兩相區(qū)SK線上計算出來。（三）過共析鋼整理課件整理課件2121 含碳量1.2%的過共析鋼的顯微組織 200 x 含碳量1.4%的過共析鋼的顯微組織 200 x圖2-9整理課件整理課件2222 式中 過共析鋼的含碳量剩余的奧氏體量為1QFe3CII，其成分已沿著ES線變化至S點，已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件，在共析點727時發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體組織的相對量即為剩余奧氏體的量：Q P1QFe3CII 或 Q P利用杠桿定律可以在 F+Fe3C兩相區(qū)中計算出鐵素體與滲碳體

22、相的相對量：QF = Q P （6.690.77）/（6.690.0218）QFe3C = 1 QF%10077. 0-69. 677. 0-%100SKS4%10077.0-69.6-69.6 Q Fe3CII =L L + A A Fe3CII A Fe3CII + P 恒溫727 這樣計算出的這樣計算出的QFe3C為二次滲碳體與共析滲碳體之和。過共析鋼的結(jié)晶為二次滲碳體與共析滲碳體之和。過共析鋼的結(jié)晶 過程可用反應(yīng)式表示為：過程可用反應(yīng)式表示為：整理課件整理課件2323（四）共晶白口鐵圖23中合金稱為共晶白口鐵，含碳量為4.3，其結(jié)晶過程如圖210所示。自液相冷卻至1點，即降至共晶溫度1

23、148時，發(fā)生共晶反應(yīng)，從液相中同時析出含碳量為2.11的奧氏體和含碳量為6.69的滲碳體的共晶體組織，這種機械混合物組織稱為萊氏體用符號Ld表示。萊氏體組織為球狀或短桿狀的奧氏體均勻分布在滲碳體基體上。溫度從1點繼續(xù)下降時，共晶體中奧氏體的碳溶解度下降，不斷析出二次滲碳體。溫度降至727時，奧氏體中的含碳量已降至0.77，此時，奧氏體具備了共析轉(zhuǎn)變的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)槎螡B碳體以及珠光體組織。這樣，共晶白口鑄鐵中的萊氏體組織形態(tài)不變，只是其中球狀和短桿狀的奧氏體轉(zhuǎn)變成了二次滲碳體和珠光體，而且二次滲碳體又與一次滲碳體融為一體，不大容易分辨。這種由一次滲碳體、二次滲碳鐵和珠光體組成的組織稱為低溫萊氏

24、體，用Ld表示，其顯微組織如圖211所示。共晶白口鐵的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示為：L AFe3CI （AFe3CII）Fe3CI 恒溫1148Ld 恒溫727PFe3CIIFe3CI整理課件整理課件2424整理課件整理課件2525（五）亞共晶白口鐵含碳量高于2.11%，低于4.3%的合金稱為亞共晶白口鐵。以圖2-3合金5為例，亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖2-12所示。在共晶反應(yīng)之前，即12之間，從液相中已先結(jié)晶出一部分初生奧氏體A，其形態(tài)如樹枝狀（圖212）。冷卻到2點時，剩下液相的溫度和成分已具備共晶反應(yīng)的條件，遂轉(zhuǎn)化為萊氏體Ld 。A與Ld的相對量可利用杠桿定律從L+A相區(qū)EC線上計算出。初生

25、A+Ld的組織形態(tài)冷卻至室溫時變化不大，只是溫度在1148以下時，初生奧氏體中都要析出Fe3CII；冷卻至727時（即3點時），又具備了共析反應(yīng)的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。室溫的顯微組織為二次滲碳體、珠光體及低溫萊氏體，如圖213所示。合金的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表式為： LAL ALd ALdFe3CII 恒溫727恒溫1148PLd Fe3CII整理課件整理課件2626圖2-13 亞共晶白口鐵的室溫組織 200 x圖中黑色樹枝狀組織為珠光體，其余為共晶組織整理課件整理課件2727（六）過共晶白口鐵 含碳量為4.3%6.69%的鐵碳合金，稱為過共晶白口鐵。以圖 23中合金為例，過共晶白口鐵的結(jié)晶過程如

26、圖2-14所示。 從1點開始自液相中結(jié)晶出呈板條狀的一次滲碳體Fe3CI，剩下的液相在2點1148轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體Ld。所生成的Fe3CI +Ld的組織冷卻至室溫時形態(tài)變化不大。過共晶白口鐵室溫時的顯微組織為板條狀的一次滲碳體及低溫萊氏體，如圖215所示。 L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI恒溫727恒溫1148整理課件整理課件2828整理課件整理課件2929第三節(jié) 碳鋼與鑄鐵含碳量小于0.0218%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵，它的力學(xué)性能與鐵素體基本相同，有良好的塑性和韌性，較低的強度與硬度。在亞共析鋼中，室溫組織為鐵素體+珠光體；而在過共析鋼中，組織則為珠光體+滲碳體。含碳量的變化，室

27、溫組織即變化，隨之碳鋼性能不同。含碳量對碳鋼組織的影響見圖3-1。含碳量對力學(xué)性能的影響見圖3-2，從圖中可以看出，當(dāng)含碳量增加后，碳鋼的強度和硬度升高，而塑性和韌性下降。碳的質(zhì)量分數(shù)小于碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11%而大于而大于0.0218%且不含有特意加入的合金元素的且不含有特意加入的合金元素的鋼稱為碳鋼。鋼稱為碳鋼。目前使用的金屬材料中，碳鋼占有重要地位，工程中使用的目前使用的金屬材料中，碳鋼占有重要地位，工程中使用的碳鋼均含有錳、硅、硫、磷等元素。碳鋼均含有錳、硅、硫、磷等元素。一 碳鋼碳、錳、硅、硫、磷是碳鋼中的常存元素，統(tǒng)稱五大元素。煉鋼時要對上碳、錳、硅、硫、磷是碳鋼中的常存元素，統(tǒng)

28、稱五大元素。煉鋼時要對上述元素含量進行分析和控制。它們的含量對碳鋼的性能有較大的影響。述元素含量進行分析和控制。它們的含量對碳鋼的性能有較大的影響。（一）鋼中常存元素對碳鋼性能的影響（1 1）碳的影響）碳的影響整理課件整理課件3030圖3-1 含碳量對碳鋼組織的影響圖3-2 含碳量對碳鋼力學(xué)性能的影響含碳量的增加，碳鋼中的滲碳體也在不斷的增加。但是，當(dāng)含碳量超過0.9%后，由于游離狀態(tài)的二次滲碳體沿晶界析出，這些硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體包圍住珠光體的晶粒，降低了晶界之間的結(jié)合力，使鋼的脆性增加，反而使碳鋼強度逐漸下降。工程上已很少使用含碳量大于1.4%的碳鋼。整理課件整理課件3131（2）錳的影響錳

29、的影響 錳在碳鋼中是作為脫氧、去硫的元素加入的。一般碳鋼的含錳在碳鋼中是作為脫氧、去硫的元素加入的。一般碳鋼的含錳量為錳量為0.25%-0.8%。鋼中的錳一部分形成。鋼中的錳一部分形成MnS和和MnO的夾雜物，其余的夾雜物，其余的錳溶入鐵素體和滲碳體中。錳溶入鐵素體中起到固溶強化的作用，從的錳溶入鐵素體和滲碳體中。錳溶入鐵素體中起到固溶強化的作用，從而提高鋼的強度。而提高鋼的強度。錳是有益元素錳是有益元素。（3）硅的影響硅的影響 硅與錳相似，具有較強的脫氧作用。硅溶入鐵素體中可提高硅與錳相似，具有較強的脫氧作用。硅溶入鐵素體中可提高鋼的強度，且塑性、韌性降低不明顯，但含量大于鋼的強度，且塑性、

30、韌性降低不明顯，但含量大于0.8%時，鋼的塑性、時，鋼的塑性、韌性顯著下降。一般控制鋼中硅含量在韌性顯著下降。一般控制鋼中硅含量在0.5%以下。以下。（4 4）硫的影響）硫的影響 硫是煉鋼過程中難以除盡的雜質(zhì)元素。易以硫是煉鋼過程中難以除盡的雜質(zhì)元素。易以FeSFeS的形式與的形式與FeFe形成低熔點的共晶體并附在晶界上，這種共晶體熔點為形成低熔點的共晶體并附在晶界上，這種共晶體熔點為958958，使得在，使得在1100110012001200時熱軋、熱鍛的鋼材易產(chǎn)生熱裂紋并報廢，稱為時熱軋、熱鍛的鋼材易產(chǎn)生熱裂紋并報廢，稱為熱脆性熱脆性。在鋼中的含量應(yīng)控制在在鋼中的含量應(yīng)控制在0.04%0.

31、04%以下。但硫以下。但硫可以改善鋼的被切削性能，所可以改善鋼的被切削性能，所用在易切削鋼中硫是作為有益元素加入的。用在易切削鋼中硫是作為有益元素加入的。（5 5）磷的影響）磷的影響 磷來源于煉鋼原料，為雜質(zhì)元素。它可以溶入鐵素體中而磷來源于煉鋼原料，為雜質(zhì)元素。它可以溶入鐵素體中而提提高鋼的高鋼的冷脆性冷脆性并并使鋼的塑韌性明顯降低。在鋼中的含量不得超過使鋼的塑韌性明顯降低。在鋼中的含量不得超過0.04%0.04%。整理課件整理課件3232除了上述常存的元素外，還有氫、氧、氮等殘存與鋼中，這些氣體易形成除了上述常存的元素外，還有氫、氧、氮等殘存與鋼中，這些氣體易形成白點、氣孔和非金屬夾雜物。

32、特別是氧化物夾雜白點、氣孔和非金屬夾雜物。特別是氧化物夾雜SiO2、MnO等。這些缺陷等。這些缺陷的存在，均降低鋼材質(zhì)量。的存在，均降低鋼材質(zhì)量。（二）常見合金元素對鋼性能的影響在機械制造中，對工件的性能要求愈來愈高，碳鋼已不能滿足，就必須添加在機械制造中，對工件的性能要求愈來愈高，碳鋼已不能滿足，就必須添加合適的合金元素以改善材料的性能。合適的合金元素以改善材料的性能。（1）由碳鋼制成的零件尺寸不宜太大。否則，因淬透性不夠而不能滿足工件對強度、硬度與塑韌性良好配合的要求。加入合金元素可提高淬透性。（2）用碳鋼制成的切削刀具不能滿足切削紅硬性的要求。用合金工具鋼、高速鋼和硬質(zhì)合金可滿足。（3）

33、碳鋼不能滿足特殊性能的要求，如耐熱、耐低溫、抗腐蝕、有強烈磁性或無磁性等，只有特種的合金鋼才能具有這些性能。整理課件整理課件3333Cr 提高鋼的淬透性，并有二次硬化作用，增加鋼的耐磨性，含量超過提高鋼的淬透性，并有二次硬化作用，增加鋼的耐磨性，含量超過12時，鋼具有良好的高溫抗氧化性和耐腐蝕性，是不銹鋼及耐熱鋼的主要合金時，鋼具有良好的高溫抗氧化性和耐腐蝕性，是不銹鋼及耐熱鋼的主要合金元素。鉻在調(diào)質(zhì)合金鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火回火后具有元素。鉻在調(diào)質(zhì)合金鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能；在滲碳鋼中可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表較好的綜合力

34、學(xué)性能；在滲碳鋼中可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。面的耐磨性。 Mo 提高鋼的淬透性，在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能使較大截面的零件淬深、淬透，提提高鋼的淬透性，在調(diào)質(zhì)鋼中，鉬能使較大截面的零件淬深、淬透，提高鋼的回火穩(wěn)定性，從而更有效地降低殘余應(yīng)力，提高塑性。在滲碳鋼中，高鋼的回火穩(wěn)定性，從而更有效地降低殘余應(yīng)力，提高塑性。在滲碳鋼中，鉬能在表面滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向，減少滲碳層鉬能在表面滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向，減少滲碳層中殘余奧氏體，相對地增加了表層的耐磨性。中殘余奧氏體，相對地增加了表層的耐磨性。 Mn 錳是良好的脫氧劑和脫硫劑錳是良好的脫氧

35、劑和脫硫劑。錳和鐵形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧錳和鐵形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度。氏體的硬度和強度?？梢允箍梢允逛摰恼{(diào)質(zhì)組織均勻、細化，可以避免滲碳層中碳鋼的調(diào)質(zhì)組織均勻、細化，可以避免滲碳層中碳化物的聚集成塊，但增大了鋼的過熱敏感性和回火脆性傾向?；锏木奂蓧K，但增大了鋼的過熱敏感性和回火脆性傾向。整理課件整理課件3434二 鑄鐵鑄鐵是含碳量在2.116.69的鐵碳合金。碳以滲碳體形式存在的鑄鐵，斷口呈銀白色，稱為白口鑄鐵。碳以全部或大部分片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰暗色，稱為灰口鑄鐵。（一）概述鐵碳相圖中，滲碳體鐵碳相圖中，滲碳體Fe3C作為一個組元是較穩(wěn)定的相。但在鐵

36、碳合金中，它作為一個組元是較穩(wěn)定的相。但在鐵碳合金中，它仍是個亞穩(wěn)相，石墨才是穩(wěn)定的相。仍是個亞穩(wěn)相，石墨才是穩(wěn)定的相。在工業(yè)上應(yīng)用的鑄鐵中，碳一般都是以在工業(yè)上應(yīng)用的鑄鐵中，碳一般都是以石墨狀態(tài)存在，這使得鑄鐵有許多優(yōu)點。石墨狀態(tài)存在，這使得鑄鐵有許多優(yōu)點。（1）優(yōu)良的鑄造性能優(yōu)良的鑄造性能 澆注的溫度低、流動性好、偏析傾向小、收縮率小。澆注的溫度低、流動性好、偏析傾向小、收縮率小。（2）優(yōu)良的減震性優(yōu)良的減震性 由于石墨的存在，便于吸收機械振動能，使之變?yōu)闊崮?。因此由于石墨的存在，便于吸收機械振動能，使之變?yōu)闊崮?。因此鑄鐵具有優(yōu)良的減震性，特別適合制作各種機床床身、設(shè)備底座等。鑄鐵具有優(yōu)良

37、的減震性，特別適合制作各種機床床身、設(shè)備底座等。（3）良好的切削加工性能良好的切削加工性能 由于石墨割裂了基體的連續(xù)性，鑄鐵在切削時易于斷屑，由于石墨割裂了基體的連續(xù)性，鑄鐵在切削時易于斷屑，所以鑄鐵有很好的切削加工性能。所以鑄鐵有很好的切削加工性能。 鑄鐵的強度、塑性、韌性都很差，屬于脆性材料。這是鑄鐵的根本缺點。鑄鐵的強度、塑性、韌性都很差，屬于脆性材料。這是鑄鐵的根本缺點。它的導(dǎo)熱它的導(dǎo)熱性差焊接性差，因此鑄鐵不適合制作各類結(jié)構(gòu)件和重要零件。性差焊接性差，因此鑄鐵不適合制作各類結(jié)構(gòu)件和重要零件。整理課件整理課件3535影響石墨化的因素主要是化學(xué)成分和冷卻速度。碳和硅是促進石墨化的主要元素

38、，碳和硅的含量越高，鑄鐵的石墨化越充分；其次是冷卻速度，鑄鐵件的冷卻速度快時，易生成Fe3C而白口化。冷卻速度慢時，鑄鐵件易于石墨化。鑄鐵中析出石墨后，若石墨化進行得徹底，將得到鐵素體基體及石墨的組織；若石墨化不完全，則得到鐵素體及珠光體基體和石墨的組織或珠光體和石墨的組織。鑄鐵的組織是在鋼的基體上分布著大小和形狀不同的石墨。由于石墨形態(tài)不同，鑄鐵可分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。（二）鑄鐵的石墨化整理課件整理課件3636（三）鑄鐵分類球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，有效地提高了鑄鐵的機械性能，特別是提高了塑性和韌性，其綜合性能接近于鋼。微觀組織如圖3-3所示。球墨鑄鐵的牌號用符號

39、QT及數(shù)字表示，QT表示球墨鑄鐵，數(shù)字表示球墨鑄鐵的抗拉強度和延伸率的最低值。例如，QT600-02表示b 600MPa，A2?？慑戣T鐵是白口鑄鐵在高溫下長時間保溫獲得的，所以生產(chǎn)周期長，成本可鍛鑄鐵是白口鑄鐵在高溫下長時間保溫獲得的，所以生產(chǎn)周期長，成本高?，F(xiàn)已逐漸被球墨鑄鐵取代。高?，F(xiàn)已逐漸被球墨鑄鐵取代?；铱阼T鐵是目前使用最廣泛的鑄鐵，占鑄鐵總量的灰口鑄鐵是目前使用最廣泛的鑄鐵，占鑄鐵總量的80%。整理課件整理課件3737由于球墨鑄鐵中石墨多為球狀，大大減少了鑄鐵由于球墨鑄鐵中石墨多為球狀，大大減少了鑄鐵的應(yīng)力集中，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且工藝簡的應(yīng)力集中，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且工藝簡

40、單，成本低，所以廣泛應(yīng)用于制造各種機械零件，單，成本低，所以廣泛應(yīng)用于制造各種機械零件，如發(fā)動機曲軸、連桿、軸瓦、齒輪、汽輪機汽缸如發(fā)動機曲軸、連桿、軸瓦、齒輪、汽輪機汽缸等。等。圖圖3-3 球墨鑄鐵正火后球墨鑄鐵正火后組織組織 400 x球墨鑄鐵正火后組織說明：基體為珠光球墨鑄鐵正火后組織說明：基體為珠光體加斷續(xù)狀鐵素體，石墨為黑色球狀。體加斷續(xù)狀鐵素體，石墨為黑色球狀。整理課件整理課件3838第四節(jié) 鐵碳合金相圖的應(yīng)用及其局限一一 鐵碳合金相圖的應(yīng)用鐵碳合金相圖的應(yīng)用（一）選材方面的應(yīng)用（一）選材方面的應(yīng)用對于需要具有良好的塑性、韌性的材料如廠房結(jié)構(gòu)、冷卻塔，則可選用鐵對于需要具有良好的塑

41、性、韌性的材料如廠房結(jié)構(gòu)、冷卻塔，則可選用鐵素體組織多的低碳鋼（素體組織多的低碳鋼（C C =0.1%-0.25%=0.1%-0.25%）；）；對于要求綜合機械性能較高的材料即強硬度、塑韌性都較好如軸、齒輪，則對于要求綜合機械性能較高的材料即強硬度、塑韌性都較好如軸、齒輪，則可選用組織是鐵素體加珠光體的中碳鋼（可選用組織是鐵素體加珠光體的中碳鋼（C C=0.25%-0.65%=0.25%-0.65%）；）；對于需要硬度高、耐磨性好的材料時如工具、軸承，則可選含碳量更高的其對于需要硬度高、耐磨性好的材料時如工具、軸承，則可選含碳量更高的其組織是珠光體加滲碳體的高碳鋼（組織是珠光體加滲碳體的高碳鋼

42、（C C=0.8%-1.4%=0.8%-1.4%）。）。鐵碳合金相圖很好地反映了材料成分與組織之間的關(guān)系，鐵碳合金相圖在鐵碳合金相圖很好地反映了材料成分與組織之間的關(guān)系，鐵碳合金相圖在選擇材料、金屬加工、熱處理以及選配合金鋼、合金鑄鐵等方面有著重要選擇材料、金屬加工、熱處理以及選配合金鋼、合金鑄鐵等方面有著重要作用。如圖作用。如圖4-1所示。所示。 整理課件整理課件3939（二）鍛造方面的應(yīng)用（二）鍛造方面的應(yīng)用 鋼處于奧氏體狀態(tài)時強度低，塑性好，因此熱鍛、熱軋選在單相奧氏體鋼處于奧氏體狀態(tài)時強度低，塑性好，因此熱鍛、熱軋選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下區(qū)內(nèi)進行。一般

43、始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100200范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。溫度高時，鋼的變形抗力小，但溫度不能過高，以防鋼材過熱、過燒。溫度高時，鋼的變形抗力小，但溫度不能過高，以防鋼材過熱、過燒。終鍛、終軋溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。亞共終鍛、終軋溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上，避免變形時出現(xiàn)大量鐵素體，線以上，避免變形時出現(xiàn)大量鐵素體，而使強度降低。我公司始鍛溫度為而使強度降低。我公司始鍛溫度為11001200，終鍛溫度為，終鍛溫度為9001000。（三）熱處理方面的應(yīng)用（三）熱處理方面的應(yīng)用 鐵碳相圖

44、對于制定熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退鐵碳相圖對于制定熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)鐵碳相圖確定的。鋼的熱處理種類分火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)鐵碳相圖確定的。鋼的熱處理種類分為整體熱處理和表面熱處理兩大類。常用整體熱處理工藝有正火，退火、為整體熱處理和表面熱處理兩大類。常用整體熱處理工藝有正火，退火、淬火和回火，俗稱淬火和回火，俗稱“四把火四把火”。表面熱處理分為表面淬火與化學(xué)熱處理兩。表面熱處理分為表面淬火與化學(xué)熱處理兩類。類。整理課件整理課件4040正火正火正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上

45、30-50，保溫適當(dāng)時間后，在靜止的，保溫適當(dāng)時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火的主要目的是細化組織，改善空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火的主要目的是細化組織，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態(tài)的組織，常用作預(yù)先熱處理。正火后的組鋼的性能，獲得接近平衡狀態(tài)的組織，常用作預(yù)先熱處理。正火后的組織可通過鐵碳平衡相圖反應(yīng)出來，如圖織可通過鐵碳平衡相圖反應(yīng)出來，如圖4-2所示。所示。退火退火將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜的速度冷卻將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜的速度冷卻（通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻）的一種金屬熱處理工藝。退火的（通常是緩慢冷

46、卻，有時是控制冷卻）的一種金屬熱處理工藝。退火的目的如下：目的如下： （1）降低硬度，改善切削加工性；）降低硬度，改善切削加工性； （2）消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；）消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向； （3）細化晶粒，調(diào)整組織，）細化晶粒，調(diào)整組織，提高工件的綜合機械性能。提高工件的綜合機械性能。整理課件整理課件4141淬火淬火淬火是將鋼加熱到臨界溫度淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之完全或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷一溫度，保溫一段時間，使之完全或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到卻速度的冷速快冷到Ms點以下進行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工點以下進行馬