第四章 鐵碳合金

第四章鐵碳合金教學(xué)要求:了解鐵碳合金的基本相；熟記鐵碳合金相圖了解典型鐵碳合金的結(jié)晶過程，了解鐵碳合金的成分、組織和性能的變化規(guī)律，并具有基本的分析和應(yīng)用能力掌握碳鋼的分類、牌號和應(yīng)用。第四章鐵碳合金§4.1鐵碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相圖§4.3碳素鋼本章小結(jié)習(xí)題第四章鐵碳合金§4.1鐵碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相圖§4.3碳素鋼本章小結(jié)習(xí)題§4.1鐵碳合金的基本相液態(tài)下，鐵與碳無限互溶；固態(tài)下，鐵與碳形成間隙固溶體，碳含量大時可形成一系列化合物鐵碳合金在固態(tài)下的基本相分為

鐵素體固溶體

奧氏體金屬化合物：Fe3C§4.1鐵碳合金的基本相鐵素體（F）－－C溶入α-Fe，體心立方晶格其力學(xué)性能與純鐵相似，塑性好而強度比較低伸長率δ=45%～50%。σb≈250MPa奧氏體（A）－－C溶入γ-Fe，面心立方晶格其存在溫度區(qū)間為：727-1495，具有良好的塑性，易于壓力加工伸長率δ=40%～50%。HBW=170~220§4.1鐵碳合金的基本相滲碳體（Fe3C）－－C與Fe的金屬化合物，晶格復(fù)雜熔點高，硬而脆，HBW≈800滲碳體在鐵碳合金中的形態(tài)可呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀、板條狀一定條件下分解

Fe3C→3Fe+C(石墨)第四章鐵碳合金§4.1鐵碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相圖§4.3碳素鋼本章小結(jié)習(xí)題§4.2Fe-Fe3C相圖Fe—Fe3C相圖是表示在緩慢冷卻(加熱)條件下(即平衡狀態(tài))不同成分的鋼和鑄鐵在不同溫度下所具有的組織或狀態(tài)的一種圖形。Fe—Fe3C相圖清楚地反映了鐵碳合金的成分、組織、性能之間的關(guān)系，是研究鋼和鑄鐵及其加工處理(鑄、鍛、焊、熱處理等加工工藝)的重要理論基礎(chǔ)。§4.2Fe-Fe3C相圖一、Fe—Fe3C相圖分析（一）上半部分圖形—由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的一次結(jié)晶（912℃以上）A點——

純鐵的熔點D點——

滲碳體的熔點E點——

在1148℃時碳在γ-Fe中的最大溶解度，也是鋼和鐵的分界點C點——

為共晶點。具有C點成分(ωc=4.3％)的液態(tài)合金在恒溫下(1148℃)將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即從液相中同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體組成的機械混合物(共晶體)，稱為萊氏體(Ld)。其反應(yīng)式為：LCLd(AE+Fe3C)§4.2Fe-Fe3C相圖一、Fe—Fe3C相圖分析（一）上半部分圖形—由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的一次結(jié)晶（912℃以上）AC線和CD線——液相線。ωc<4.3％的液態(tài)合金冷卻到AC線溫度時開始結(jié)晶出奧氏體(A)ωc>4.3％的合金冷卻到CD線溫度時開始結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳體，用Fe3C?表示。AECF線——固相線。在此線以下，合金完成結(jié)晶，全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。AE線是合金完成結(jié)晶，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度線。ECF線叫共晶線，是一條水平恒溫線。液態(tài)合金冷卻到共晶線溫度(1148℃)時，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變而生成萊氏體

(Ld)。ES線——碳在奧氏體中的溶解度曲線，通常稱為Acm線。碳在奧氏體中的最大溶解度是E點(ωc=2.11％)，隨著溫度的降低，碳在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出二次滲碳體，用Fe3CП表示。

§4.2Fe-Fe3C相圖一、Fe—Fe3C相圖分析（二）下半部分圖形——固態(tài)下相變G點——為α-Fe與γ-Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點，溫度為912℃；P點——為在727℃時碳在α-Fe中最大溶解度（wc=0.0218％）;S點——為共析點。具有S點成分(wc=0.77％)的奧氏體在恒溫下（727℃）將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，即奧氏體同時生成鐵素體和滲碳體片層相間的機械混合物(共析體)，稱為珠光體

(P)。其反應(yīng)式為：AS

珠光體的性能介于兩組成相性能之間。一般為：

σb=750～900MPa；

δ=20％～25％；硬度180～280HBW。FP+Fe3C§4.2Fe-Fe3C相圖一、Fe—Fe3C相圖分析（二）下半部分圖形——固態(tài)下相變

GS線——是奧氏體冷卻時開始向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度線，稱為A3

線PSK線——叫共析線，稱為A1線。奧氏體冷卻到共析線溫度(727℃)時，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體

(P)，ωc>0.0218％的鐵碳合金均會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變；PQ線——是碳在鐵素體中的溶解度曲線碳在鐵素體中最大的溶解度是P點(ωc=0.0218％)，隨著溫度的降低，溶解度將逐漸減少，室溫時，鐵素體中溶碳量幾乎為零。從727℃冷卻到室溫的過程中，鐵素體內(nèi)多余的碳將以滲碳體的形式析出，稱為三次滲碳體，用Fe3CШ表示。一、Fe—Fe3C相圖分析§4.2Fe-Fe3C相圖(三)Fe—Fe3C相圖中鐵碳合金的分類

根據(jù)相圖中P點和E點，可將鐵碳合金分為三大類：工業(yè)純鐵碳鋼白口鑄鐵§4.2Fe-Fe3C相圖工業(yè)純鐵共析鋼碳鋼過共析鋼白口鑄鐵

亞共析鋼鐵碳合金共析鋼工業(yè)純鐵碳鋼亞共析鋼過共析鋼共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵§4.2Fe-Fe3C相圖工業(yè)純鐵碳鋼白口鑄鐵工業(yè)純鐵－－成分為P點左面(ωc<0.0218％)的鐵碳合金其室溫組織為鐵素體。鐵碳合金工業(yè)純鐵二、Fe—Fe3C合金結(jié)晶過程分析工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程:

1-2點間L→3-4點間→A5-6點間A→7點，→Fe3C。NSJBHL+++

AAAAA相圖冷卻曲線工業(yè)純鐵共析鋼碳鋼

過共析鋼白口鑄鐵

亞共析鋼鐵碳合金碳鋼－－

成分為P點與E點之間(wc=0.0218％～2.11％)的鐵碳合金。其特點是高溫固態(tài)組織為塑性很好的奧氏體，因而可進行壓力加工。共析鋼碳鋼共析鋼－－成分為S點(wc=0.77％)的合金室溫組織為珠光體。珠光體共析鋼的結(jié)晶過程

1-2點間:L→AS點：

A?F+Fe3C,為珠光體。AAAA工業(yè)純鐵共析鋼碳鋼

過共析鋼白口鑄鐵

亞共析鋼鐵碳合金亞共析鋼碳鋼亞共析鋼－－成分為S點左面(wc=0.0218％～0.77％)室溫組織：珠光體+鐵素體。含0.45%C鋼的組織亞共析鋼的結(jié)晶過程以0.45%C的鋼為例4點:A→F4-5點:A成分沿GS線變到S點5點：A→P珠光體溫度繼續(xù)下降，F(xiàn)中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計.

+Fe3CⅢGSPABJHAAAAAAAAF含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織在0.0218~0.77%C

范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。工業(yè)純鐵共析鋼碳鋼

過共析鋼白口鑄鐵

亞共析鋼鐵碳合金過共析鋼碳鋼過共析鋼－－成分為S點右面(wc=0.77％～2.11％)室溫組織：珠光體+二次滲碳體（網(wǎng)狀）。含1.4%C鋼的組織

過共析鋼的結(jié)晶過程1~2點:L→A

3點:A→,Fe3CⅡ3-4點：A成分沿ES線變化到S點4點：A→P。AAAAAAAF工業(yè)純鐵碳鋼

白口鑄鐵鐵碳合金共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵白口鑄鐵共晶白口鑄鐵－－成分為C點(ωc=4.3％)的合金室溫組織：低溫萊氏體（蜂窩狀）。Fe3C共晶白口鐵的結(jié)晶過程C點：L→A與Fe3C—高溫萊氏體(Ld)2點：Ld共晶A→P—高溫萊氏體(Ld’)萊氏體呈蜂窩狀.Fe3CA共晶白口鐵的結(jié)晶過程AAP工業(yè)純鐵碳鋼

白口鑄鐵鐵碳合金亞晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵－－成分為C點左面(ωc=2.11％～4.3％)室溫組織：低溫萊氏體+珠光體+二次滲碳體亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程1~2點間:L→

A。2點:L→Le。2~3點間:A→

Fe3CⅡ。3點:剩余A→

P。工業(yè)純鐵碳鋼

白口鑄鐵鐵碳合金過晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵－－成分為C點右面(ωc=4.3％～6.69％)室溫組織：低溫萊氏體+一次滲碳體（長條狀）。過共晶白口鐵的結(jié)晶過程1~2點:L→Fe3C—Fe3CⅠ，呈粗條片狀。2點:L→Le。FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析.wmv

三、鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系§4.2Fe-Fe3C相圖(一)含碳量與平衡組織間的關(guān)系鋼鐵素體F亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對量%相組成物相對量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體三、鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系§4.2Fe-Fe3C相圖(二)含碳量與力學(xué)性能間的關(guān)系塑性、韌性：隨含碳量增加而下降硬度：隨含碳量增加而上升強度：隨含碳量增加而上升，在0.9%C達到最大，之后Fe3CⅡ為晶界連續(xù)網(wǎng)狀，強度隨含碳量增加下降當C%＞2.11%，組織中有大量Fe3C，合金太脆.(三)

含碳量對工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼好②可鍛性能:低碳鋼好③焊接性能:低碳鋼好④鑄造性能:共晶合金好⑤熱處理性能鑄造焊縫組織模鍛車刨§4.2Fe-Fe3C相圖四、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用(一)作為選用鋼鐵材料的依據(jù)1、各種型鋼及橋梁、車輛、船舶、各種建筑結(jié)構(gòu)等，都需要強度較高、塑性及韌性好、焊接性能好的材料，故應(yīng)選用碳含量較低的鋼材；2、機器零件需要強度、塑性、韌性等綜合性能較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的鋼；各類工具、刃具、量具、模具要求硬度高、耐磨性好的材料，則可選用碳含量較高的鋼3、純鐵的強度低，不宜用作工程材料，常用的是它的合金4、白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能鍛造和切削加工，但鑄造性能好，耐磨性高，適于制造不受沖擊、要求耐磨、形狀復(fù)雜的工件，如軋輥、球磨機的磨球、犁鏵、拔絲模等。

§4.2Fe-Fe3C相圖四、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用(二)在鑄造生產(chǎn)上的應(yīng)用

根據(jù)Fe—Fe3C相圖的液相線，可以找出不同成分的鐵碳合金的熔點，從而確定合金的熔化澆注溫度

(溫度一般在液相線以上50～100℃)。

靠近共晶成分的鐵碳合金不僅熔點低，而且結(jié)晶溫度區(qū)間也較小，故具有良好的鑄造性能。因此生產(chǎn)上總是將鑄鐵的成分選在共晶成分附近?！?.2Fe-Fe3C相圖四、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用(三)在鍛壓工藝方面的應(yīng)用

根據(jù)Fe—Fe3C相圖可以選擇鋼材的鍛造或熱軋溫度范圍。通常鍛、軋溫度選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)，這是因為鋼處于奧氏體狀態(tài)時，強度較低，塑性較好，便于成形加工。

始鍛(或始軋)溫度控制在固相線以下100～200℃范圍內(nèi)，溫度不宜太高，以免鋼材氧化嚴重；

終鍛(或終軋)溫度取決于鋼材成分，一般亞共析鋼控制在稍高于GS線，過共析鋼控制在稍高于PSK線，溫度不能太低，以免鋼材塑性變差，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。§4.2Fe-Fe3C相圖四、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用(四)在熱處理方面的應(yīng)用Fc—Fe3C相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。各種熱處理工藝的加熱溫度都是依據(jù)Fe—Fe3C相圖選定的。Fe—Fe3C相圖的局限性：1、Fe—Fe3C相圖不能說明快速加熱或冷卻時鐵碳合金組織的變化規(guī)律；2、通常使用的鐵碳合金中，除含有Fe、C兩種元素外，尚有其它多種雜質(zhì)或合金元素，這些都會對Fe—Fe3C相圖產(chǎn)生影響，故應(yīng)予以考慮。第四章鐵碳合金§4.1鐵碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相圖§4.3碳素鋼本章小結(jié)習(xí)題§4.3碳素鋼碳素鋼(簡稱碳鋼)是ωc<2.11％而且以碳為主要合金元素的鐵碳合金。

一、常存雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響常見雜質(zhì)：錳、硅、硫、磷等

(一)錳的影響0.8%時為雜質(zhì),是有益元素。作用為：①強化鐵素體；②脫氧；③消除硫的有害作用?！?.3碳素鋼

一、常存雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響

(二)硅的影響

0.4%時為雜質(zhì)，是有益元素。作用為：

①強化鐵素體；②脫氧；③增加鋼液流動性。

§4.3碳素鋼(三)硫的影響常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶體(985℃)，熱加工時(1150~1200℃)，由于其熔化而導(dǎo)致開裂，稱熱脆性.鋼中的硫應(yīng)控制在0.045%以下.硫是有害元素。鋼中加入錳，可以形成高熔點(1620℃)的MnS，MnS呈粒狀分布在晶粒內(nèi)，且在高溫下有一定塑性，從而避免熱脆。

一、常存雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響含硫較多的鋼中形成較多的MnS，在切削加工過程中MnS能起斷屑作用，故

可改善鋼的切削加工性能，這是S有利的一面。鋼中的MnS夾雜§4.3碳素鋼(四)磷的影響有害元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。P一般控制在0.045%以下.

一、常存雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響比利時阿爾伯特運河鋼橋因磷高產(chǎn)生冷脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中§4.3碳素鋼二、碳鋼的分類(一)按鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)分類中碳鋼

0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C碳素鋼§4.3碳素鋼二、碳鋼的分類(二)按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。鋼類碳素鋼PS普通質(zhì)量鋼≤0.045≤0.050優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.030高級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.020特級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.015§4.3碳素鋼二、碳鋼的分類(三)按用途分類工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛機器用鋼結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼§4.3碳素鋼三、碳鋼的牌號與應(yīng)用我國鋼材的編號是采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯數(shù)字相結(jié)合的方法。采用漢語拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個字母.如：20Si2Mn、GCr15常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號（GB/T221—2000）名稱符號位置名稱符號位置碳素結(jié)構(gòu)鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強度鋼Q頭鍋爐用鋼g尾易切削鋼Y頭焊接氣瓶用鋼HP尾碳素工具鋼T頭車輛車軸用鋼LZ頭(滾珠)軸承鋼G頭機車車軸用鋼JZ頭焊接用鋼H頭沸騰鋼F尾鉚螺鋼ML頭半鎮(zhèn)靜鋼b尾船用鋼國際符號鎮(zhèn)靜鋼Z尾汽車大梁用鋼L尾特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ尾壓力容器用鋼R尾質(zhì)量等級A.B.C.D.E尾（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼Q表示“屈服強度”；屈服強度值單位是MPa；質(zhì)量等級符號為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號:沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。如，碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號表示為Q235AF、Q235BZ。鋼板三、碳鋼的牌號與應(yīng)用§4.3碳素鋼

Q+最低屈服強度值+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號鋼板（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾。如，45鋼—平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。三、碳鋼的牌號與應(yīng)用§4.3碳素鋼

牌號用兩位數(shù)字表示。齒輪加工方鋼*說明：①含Mn量為0.7~1.2%時，在兩位數(shù)字后加元素符號“Mn”，如40Mn。②

對于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼,在鋼號后分別加字母F和b，如08F、10b。③高級優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號后加字母A，如20A。（三）碳素工具鋼T表示“碳素工具鋼”；數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾.如，T8—其平均含碳量為千分之八(0.8%C)。三、碳鋼的牌號與應(yīng)用§4.3碳素鋼

T+數(shù)字說明：碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的。高級優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號后加“A”，如，T8A。

絲錐銼刀（四）鑄造碳鋼ZG表示“鑄鋼”；兩組數(shù)字分別表示σs、、σb.三、碳鋼的牌號與應(yīng)用§4.3碳素鋼

ZG+數(shù)字-數(shù)字鑄鋼件2.5噸大齒輪鑄件如，ZG230-450另一種表示方法，如，ZG25—其平均含碳量為萬分之25(0.25%C)。第四章鐵碳合金§4.1鐵碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相圖§4.3碳素鋼本章小結(jié)習(xí)題FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLe+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度本章小結(jié)一、鐵碳合金相圖二、鋼的分類及牌號、應(yīng)用碳素結(jié)構(gòu)鋼—如：Q235.有害雜質(zhì)較多，保證力學(xué)性能而不保