第五章鐵碳合金

第五章鐵碳合金鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CC%(at%)→鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).一、鐵碳合金的組元和相碳在δ-Fe中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ表示。

都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體⒈組元：Fe、Fe3C⒉相⑴鐵素體：碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體,用F

或

表示。

⑵奧氏體:碳在-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在區(qū)進(jìn)行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強(qiáng)度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體二、鐵碳合金相圖的分析⒈特征點(diǎn)

?????LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

⒉特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFD

⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體,用Le表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體PSK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3

線。ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。⑶三個(gè)三相區(qū)：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線

⒊相區(qū)⑴五個(gè)單相區(qū)：

L、、、、Fe3C

⑵七個(gè)兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C三、典型合金的平衡結(jié)晶過程⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相

①亞共析鋼(0.0218~0.77%C)

②共析鋼(0.77%C)

③過共析鋼(0.77~2.11%C)鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：⑴工業(yè)純鐵(<0.0218%C)組織為單相鐵素體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵⑶白口鑄鐵(2.11~6.69%C)鑄造性能好,硬而脆①亞共晶白口鑄鐵(2.11~4.3%C)②共晶白口鑄鐵(4.3%C)③過共晶白口鑄鐵(4.3~6.69%C)㈠工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)椋?-4點(diǎn)間→，5-6點(diǎn)間→。到7點(diǎn)，從中析出Fe3C。NSJBHL+++

工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。室溫下Fe3CⅢ最大量為:

從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。

Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。㈡共析鋼的結(jié)晶過程

合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)?。到S點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

S?P+Fe3C,

全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。共析鋼的結(jié)晶過程珠光體在光鏡下呈指紋狀.轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點(diǎn)以下，共析

中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P.珠光體Q室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？Q43219㈢亞共析鋼的結(jié)晶過程0.09~0.53%C亞共析鋼冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng).以0.45%C的鋼為例合金在4點(diǎn)以前通過勻晶—包晶—?jiǎng)蚓Х磻?yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)椤５?點(diǎn)，由中析出。到5點(diǎn),成分沿GS線變到S點(diǎn)，

發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計(jì).+Fe3CⅢGSPABJH亞共析鋼的結(jié)晶過程利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:

C%=P面積%×0.77%(忽略中含碳量，P面積%=QP)共析溫度下相的相對重量為：

組織組成物的相對重量為：

S’室溫下相的相對重量百分比為：室溫下組織組成物的相對重量百分比為：S’亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織㈣過共析鋼的結(jié)晶過程

合金在1~2點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

,到3點(diǎn),開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈網(wǎng)狀分布.溫度下降,Fe3CⅡ量增加。到4點(diǎn)，

成分沿ES線變化到S點(diǎn)，余下的

轉(zhuǎn)變?yōu)镻。在共析溫度下Fe3CⅡ的相對量？過共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量隨含碳量而增加,含碳量為2.11%時(shí),Fe3CⅡ量最大：含1.4%C鋼的組織室溫下兩相的相對重量百分比：室溫下兩組織組成物的相對重量百分比：12345S’㈤共晶白口鐵的結(jié)晶過程

合金冷卻到C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Le),萊氏體是共晶

與共晶Fe3C的機(jī)械混合物,呈蜂窩狀.Fe3C共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對重量百分比為:C點(diǎn)以下,

成分沿ES線變化，共晶

將析出Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ與共晶Fe3C

結(jié)合，不易分辨。1’2Fe3C溫度降到2點(diǎn),

成分達(dá)到0.77%,此時(shí),相的相對重量:在2點(diǎn),共晶

發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體,用Le’表示.

2點(diǎn)以下，共晶體中P的變化同共析鋼。S共晶白口鐵室溫組織為Le’(P+Fe3C),它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征。室溫下兩相的相對重量百分比為：

㈥亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程合金在1~2點(diǎn)間析出

。到2點(diǎn)，液相成分變到C點(diǎn),并轉(zhuǎn)變?yōu)長e。2~3點(diǎn)間從中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶襯托出來。到3點(diǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)镻。亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3CⅡ+Le’。室溫下組織組成物相對重量百分比為：ECFD1234N室溫下相的相對重量百分比?㈦過共晶白口鐵的結(jié)晶過程1~2點(diǎn)間從液相中析出Fe3C,這種滲碳體稱一次滲碳體，用Fe3CⅠ表示，呈粗條片狀。到2點(diǎn)，余下的液相成分變到C點(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)長e。DFK3Fe3C1242點(diǎn)以下,Fe3CⅠ成分重量不再發(fā)生變化,Le變化同共晶合金,其室溫組織為Fe3CⅠ+Le’。

組織組成物與相組成物標(biāo)注區(qū)別主要在+Fe3C和+Fe3C兩個(gè)相區(qū).+Fe3C相區(qū)中有四個(gè)組織組成物區(qū)，+Fe3C相區(qū)中有七個(gè)組織組成物區(qū)。

㈧組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注+Fe3C+Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度㈨含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響⒈含碳量對室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：

鋼鐵素體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⒉含碳量對力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時(shí)，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Le’,合金太脆.⒊含碳量對工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼合適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:第六章介紹鑄造焊縫組織模鍛切削加工的基本形式車刨鉆銑磨

工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。

1、Mn:0.8%時(shí)為雜質(zhì),是有益元素。作用為：

①強(qiáng)化鐵素體；②消除硫的有害作用。一、雜質(zhì)元素對性能的影響鋼中的雜質(zhì)一般是指Mn、Si、P、S。是由原料帶入或脫氧殘留的元素。

①強(qiáng)化鐵素體；②增加鋼液流動(dòng)性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶(985℃)，熱加工時(shí)(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.2、Si：0.5%時(shí)為雜質(zhì)，是有益元素。作用為：

合金晶界的低熔點(diǎn)硫化物共晶Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔點(diǎn)高(1600℃)。4、P：也是有害元素。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.鋼中的MnS夾雜比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因磷高產(chǎn)生冷脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中二、鋼的分類1、按化學(xué)成分分

中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C低合金鋼合金元素總量5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量10%碳素鋼合金鋼

鋼類碳素鋼合金鋼P(yáng)SPS普通質(zhì)量鋼≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼.根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，各質(zhì)量等級鋼的磷、硫含量如下：3、按用途分

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼耐磨鋼機(jī)器用鋼結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼擠壓模具齒輪刀具三、鋼的編號(hào)我國鋼材的編號(hào)是采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?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(shí)，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(gè)字母.常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號(hào)（GB/T221—2000）名稱符號(hào)位置名稱符號(hào)位置碳素結(jié)構(gòu)鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強(qiáng)度鋼Q頭鍋爐用鋼g