第四章 鐵碳合金r

第四章鐵碳合金

在自然界中鐵的儲藏量豐富又集中，并且易于開采和生產(chǎn)。鐵碳合金是以鐵為主，加入少量碳而形成的合金，具有多種相結(jié)構(gòu)和組織，因而鐵碳合金的性能變化范圍很寬。再加上其價格較低，易于加工等優(yōu)點，所以鐵碳合金在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，學(xué)會分析和掌握鐵碳合金是學(xué)習(xí)鋼鐵材料的基礎(chǔ)。

鐵碳合金相圖是研究平衡條件下鐵碳合金的成分、溫度和組成相之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的圖形。鐵碳合金相圖具有實用價值的只是鐵與滲碳體組成的這一部分。本章以Fe-Fe3C相圖為工具來研究鐵碳合金，并學(xué)習(xí)有關(guān)碳鋼的基本知識。第一節(jié)Fe-Fe3C相圖一、Fe-Fe3C相圖中的組元常壓下，熔點1538℃，在相圖中用A表示，固態(tài)下鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變式：（一）鐵Lδ－Feγ－Feα－Fe1394℃912℃體心立方體心立方面心立方鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特性是鋼鐵在熱處理后獲得多種多樣結(jié)構(gòu)、組織與性能的理論依據(jù)。液相1538℃機械性能b=180-230MN/m20.2=100-170MN/m2=30-50%=70-80%αk=1.5-2MJ/m2HB=50-80工業(yè)純鐵中常含有<0.0218%的碳及其它雜質(zhì)(二)滲碳體滲碳體：Fe3C是一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳6.69%其硬度很高HB800塑性幾乎為0。室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金中的碳多以滲碳體形式存在于組織中。滲碳體在高溫下，長時間保溫時將分解：

Fe3C3Fe+C(石墨G)滲碳體的熔點難于精確測定，通常采用理論計算值1227℃，在相圖中用D表示。二、Fe－Fe3C相圖中的基本相

碳在α－Fe中形成的間隙式固溶體。(用F或α表示)

晶體結(jié)構(gòu)：體心立方。最大溶碳量為0.0218%C，性能與純鐵相近。（一）鐵素體奧氏體：碳在γ－Fe中形成的間隙式固溶體。(用A或γ表示)晶體結(jié)構(gòu)：面心立方。最大溶碳量2.11%C。是一種在高溫(>727℃)存在的相，其強度硬度不高，塑性很好所以鋼材熱壓力加工在奧氏體狀態(tài)下進行。鐵素體：相圖中GPQG區(qū)為鐵素體單相區(qū)。（二）奧氏體相圖中EJNGSE為奧氏體單相區(qū)（三）高溫鐵素體高溫鐵素體：碳在δ－Fe中形成的間隙式固溶體。(用δ表示)

晶體結(jié)構(gòu)：體心立方。最大溶碳量為0.53%C相圖中AHNA區(qū)為高溫鐵素體單相區(qū)。（四）滲碳體（Fe3C）滲碳體既是組元又是合金的組成相，相圖中的DFKL可視為滲碳體的“單相區(qū)”，(用Cm表示)

。（五）液相在液相線ABCD以上區(qū)域鐵和碳所形成的均勻液體，(用L表示)

。三、Fe－Fe3C相圖分析（一）圖中的點符號

溫度℃含碳量(%)※AHJB※E※CF※D※G※P※SKM※NOQ’Q153814951495149511481148114812279127277277277701394770400室溫00.090.170.532.114.306.696.6900.02180.776.69000.50.00090.0008Q’(二)圖中的線液相線：ABCD固相線：AHJECF三條水平線：包晶線LB+HAJ

(HJB)共晶線LcAE+Fe3C(ECF)共析線AsFP+Fe3C(PSK)

A1三條特性線：ES線－碳在A中的固溶線AcmPQ線－碳在F中的固溶線GS線－A開始析出F或F全部溶入A的轉(zhuǎn)變線A3Q’（三）圖中的面——相區(qū)5個單相區(qū)：、A、F、L、Fe3C7個兩相區(qū)：L++AL+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C四、典型合金的平衡結(jié)晶過程由鐵碳相圖，可按含碳量和組織不同分成三類

亞共晶白口鐵<4.3%C白口鐵=4.3%C過共晶白口鐵>4.3%C

(1)工業(yè)純鐵（<0.0218%C）(2)鋼

(0.0218-2.11%C)亞共析鋼<0.77%C共析鋼0.77%C過共析鋼>0.77%C(3)白口鑄鐵（2.11-6.69%C)（一）共析鋼的結(jié)晶過程珠光體中的鐵素體與滲碳體呈層片狀，其相對量可用杠桿定律求出：式中X為含碳量，共析鋼X=0.77%代入計算結(jié)果為：F≈88%Fe3C=1-F=12%故F呈寬片狀，可視為珠光體的基體；共析滲碳體片呈薄片狀分布于鐵素體的基體中。PFFe3C相組成物：F、Fe3C組織組成物：P（F、Fe3C）(二)亞共析鋼的結(jié)晶過程隨含碳量的增加亞共析鋼組織中P的相對量增加，F(xiàn)的相對量減少。10鋼（0.1%C)PFP45鋼（0.45%C)FPF60鋼（0.6%C)根據(jù)杠桿定律可以計算室溫下各種亞共析鋼中相組成物及組織組成物的相對量。組織組成物的計算：設(shè)亞共析鋼的成分為Ch，將x=Ch代入下式：相組成物的計算同共析鋼，只要代入相應(yīng)的含碳量。相組成物：F、Fe3C組織組成物：F、P（F、Fe3C）(三)過共析鋼的結(jié)晶過程PFe3CII根據(jù)杠桿定律可以計算室溫下各種過共析鋼中相組成物及組織組成物的相對量。相組成物的計算同共析鋼，只要代入相應(yīng)的含碳量組織組成物的計算：相組成物：F、Fe3C組織組成物：P、Fe3CII(四)共晶白口鐵的結(jié)晶過程L’d相組成物：F、Fe3C組織組成物：L’d(五)亞共晶白口鐵結(jié)晶過程L’dP+Fe3CII亞共晶白口鐵室溫下組織組成物的計算：=1-L’d-P相組成物：F、Fe3C組織組成物：P、Fe3CII、L’d(六)過共晶白口鐵結(jié)晶過程Fe3CIL’d相組成物：F、Fe3C組織組成物：L’d、Fe3CI我們已經(jīng)學(xué)過五種滲碳體：Fe3CI、Fe3C

II、Fe3C

III、Fe3C共晶（萊氏體中的滲碳體）、Fe3C共析（珠光體中的滲碳體），它們本質(zhì)并無區(qū)別（成分、結(jié)構(gòu)及本身性質(zhì)均相同，屬于同一種相）只是由于來源和形態(tài)不同，屬于不同的組織組成物。它們對鐵碳合金的性能將具有不同的影響。第二節(jié)含碳量對鐵碳合金平衡組織及性能的影響一、含碳量對組織的影響隨C%增加,Fe3C%增加其分布形式也發(fā)生變化在P中共析Fe3C分布在F基體上；過共析鋼中Fe3CII以網(wǎng)狀分布在原奧氏體晶界上；在Ld’中共晶Fe3C作為基體。各種組織的定量關(guān)系也可采用作圖法加以標(biāo)定：二、含碳量對機械性能的影響F為基體（鋼）Fe3C為強化相C%強度。含碳量大于0.9-1.0%后二次Fe3C以網(wǎng)狀分布在晶界上，顯著降低鋼的強度和韌性。Fe3C作為基體（白口鐵）顯著降低塑性、韌性和強度，故白口鐵又硬又脆極少直接使用。三、含碳量對工藝性能的影響

(一)對切削加工性能的影響低碳鋼F多易粘刀影響表面粗糙度高碳鋼Fe3C含量多硬度高刀具易磨損，切削加工性不好。中碳鋼F和Fe3C比例適當(dāng)，硬度適中，切削加工性較好。

(二)對可鍛性的影響鋼加熱到高溫獲得單相奧氏體，可鍛性較好，而白口鐵以滲碳體為基體所以不可以鍛造。

(三)對鑄造性的影響鑄造性主要決定于液態(tài)金屬的流動性，共晶成分可使合金在恒溫下結(jié)晶，所以共晶合金鑄造性能最好。第三節(jié)碳鋼一、常存雜質(zhì)元素的影響

主要有四種：錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)（一）錳：是有益元素。脫氧劑。碳鋼中含錳量通常<0.8%。

錳具有較強脫氧能力。能減輕硫的有害作用。

溶于鐵素體，固溶強化。增加珠光體使其變細(xì)提高強度。（二）硅：是有益元素。脫氧劑。碳鋼中含硅量通常<0.35%。

其脫氧能力>錳。能溶于鐵素體，固溶強化。（三）硫：有害元素。產(chǎn)生熱脆。含量必須嚴(yán)控。

S與Fe化合成FeS與-Fe形成熔點為988℃的共晶體分布與奧氏體晶界上，熱加工時造成晶界開裂，使鋼變脆。（四）磷：有害元素。產(chǎn)生冷脆。含量必須嚴(yán)控。

磷溶于鐵素體雖然提高強度，但在室溫下鋼的塑性和韌性急劇下降，而使鋼變脆。二、碳鋼的分類、編號和用途

（一）碳鋼的分類1、按鋼的含碳量分類：低碳鋼≤0.25%C中碳鋼0.3–0.55%C高碳鋼≥0.60%C2、按鋼的質(zhì)量：普通碳素鋼S%≤0.055%P%≤0.045%；優(yōu)質(zhì)碳素鋼S和P均≤0.040；高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼S%≤0.030%P%≤0.035%3、按用途分類：碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種工程構(gòu)件和機械零件（一般為低中碳鋼）碳素工具鋼：主要用于制造各種刃具、模具、量具（一般為高碳鋼）

1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88）含碳量為0.06–0.38%。通常以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，一般不進行熱處理

主要用于建筑、橋梁、船舶、車輛等工程構(gòu)件及普通機器零件。

編號：代表屈服強度的字母（Q）、屈服點數(shù)值（MPa）、

質(zhì)量等級及脫氧方法?！癚”為漢語拼音屈服強度的首位字母；A、B、C、D為質(zhì)量等級，并逐級升高；F為沸騰鋼，b為半鎮(zhèn)靜鋼，Z為鎮(zhèn)靜鋼，TZ為特殊鎮(zhèn)靜鋼。按規(guī)定Z與TZ予以省略。

例：Q235--A·F,表示屈服點s≥235MPa的A級、沸騰鋼。按屈服點數(shù)值（MPa）可分為5種牌號：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。

Q195、Q215：含碳量低，強度較低，塑性好。主要用于制造強度要求不高的普通鉚釘、螺釘、螺母、墊圈等。（二）碳鋼的編號和用途Q235：強度與塑性居中，主要用于橋梁建筑等鋼結(jié)構(gòu)。也制造強度要求一般的普通零件，如螺釘、螺母、螺栓、銷軸、拉桿等。Q255、Q275：含碳量較高，強度較高，可用于制造強度要求高一些的普通零件，如農(nóng)業(yè)機械零件中的轉(zhuǎn)軸、掛鉤、搖桿等。還常軋制成各種農(nóng)業(yè)機械用的型鋼和異型鋼。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB699-88）

這類鋼同時保證化學(xué)成分和機械性能。S、P含量均≤0.040%。1）正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼C%<0.25%時Mn%=0.35-0.65%C%>0.25%時Mn%=0.50-0.80%這類鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，代表鋼的平均含碳量，以0.01%含碳量為單位。例如：20鋼表示平均含碳量為0.2%；45鋼表示平均含碳量0.45%。除08鋼外，相鄰鋼號間隔數(shù)字為5。2）較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。C%=0.15–0.60%時Mn%=0.7-1.0%C%>0.60%時Mn%=0.9-1.2%牌號為在兩位含碳量數(shù)字后附以漢字“錳”或化學(xué)符號Mn。例如：20Mn表示平均含碳量為0.2%，含錳量為0.7–1.0%。

65Mn表示平均含碳量為0.65%，含錳量為0.9-1.2%。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造機械零件，故又稱為機械零件用鋼。08-25(30)鋼：屬于低碳鋼，其