工程材料精品课件：第四章 铁碳合金rr.ppt

1、第四章 铁碳合金,在自然界中铁的储藏量丰富又集中，并且易于开采和生产。铁碳合金是以铁为主，加入少量碳而形成的合金，具有多种相结构和组织，因而铁碳合金的性能变化范围很宽。再加上其价格较低，易于加工等优点，所以铁碳合金在现代工农业生产及人们的日常生活中得到了广泛的应用，学会分析和掌握铁碳合金是学习钢铁材料的基础。铁碳合金在现代工农业生产中得到广泛的应用。,铁碳合金相图是研究平衡条件下铁碳合金的成分、温度和组成相之间的关系及其变化规律的图形。 铁是铁碳合金的基本成分，碳虽然很少，但碳可溶入Fe中形成固溶体，还可和Fe化合形成多种金属化合物，例如Fe3C、Fe2C，具有实际使用意义的只有Fe-Fe3C

2、部分，通常称为Fe-Fe3C相图。本章以Fe-Fe3C相图为工具来研究铁碳合金，并学习有关碳钢的基本知识。,第一节 铁碳合金相图,Fe-Fe3C相图,一、 Fe-Fe3C相图中的组元,常压下，铁的熔点为 1538 ，在相图中用A表示，固态下铁的同素异构转变式：,（一）铁,铁具有同素异构转变的特性是钢铁在热处理后获得多种多样结构、组织与性能的理论依据。,体心立方 面心立方 体心立方,体心立方 面心立方 体心立方,体心立方 面心立方 体心立方,体心立方 面心立方 体心立方,图4-2 铁的冷却曲线,可以看出：强度、硬度很低，塑性很高。,(二) 渗碳体,渗碳体：,Fe3C 是一种复杂结构的间隙化合物，

3、含碳6.69%，属正交晶系。,室温平衡状态下，铁碳合金中的碳多以渗碳体 形式存在于组织中。渗碳体在高温下，长时间保温时将分解：,Fe3C 3Fe+C(石墨G),渗碳体的熔点难于精确测定，通常采用理论计算值1227 ，在相图中用D表示。,渗碳体的机械性能及与纯铁对比：,硬度很高 HB 800 ，是纯铁的10倍以上； 强度很低b约为30MPa，仅为纯铁的1/61/8； 塑性几乎为0，而纯铁的塑性非常高。,二、FeFe3C 相图中的基本相,碳在 Fe中形成的间隙式固溶体。(用F或表示),晶体结构：体心立方。最大溶碳量为0.0218%C（P点）。 室温铁素体的机械性能和纯铁相近。,（一）铁素体,铁素体

4、：,相图中GPQG区为铁素体单相区。,单相区有L、A、F和Fe3C共五个,奥氏体：,碳在 Fe中形成的间隙式固溶体。(用A 或表示),晶体结构：面心立方。 最大溶碳量 2.11%C 。,一般情况下，是一种在高温(727)存在的相，其强度硬度不高，塑性很好，所以钢材热加工在奥氏体状态下进行。,（二）奥氏体,相图中EJNGSE为奥氏体单相区,A塑性变形能力强。,（三）高温铁素体,高温铁素体：,碳在 Fe中形成的间隙式固溶体。(用表示),晶体结构：体心立方。 最大溶碳量为0.53%C （B点）。,相图中AHNA区为高温铁素体单相区。,（五）渗碳体（Fe3C）,渗碳体既是组元又是合金的组成相，相图中的

5、DFKL可视为渗碳体的“单相区”， (用Cm表示) 。,（四）液相,在液相线ABCD以上区域铁和碳所形成的均匀液体，(用L表示) 。,Fe-Fe3C二元合金相图,三、FeFe3C 相图分析,（一）图中的点,Q,Fe-Fe3C二元合金相图,(1) J点 包晶点 (2) C点 共晶点 (3) S点 共析点,J点反应后全部是固溶体，C点是莱氏体，而S点是珠光体。离开这三点成分的合金分别所发生转变产物的量都相对减少，而且离开这三点成分越远的合金，其转变产物量越少，直到没有。,(二) 图中的线,液相线：ABCD，在此线以上 合金为液体。,固相线：AHJECF，在此线以下 合金为固体。,三条重要转变水平线

6、：,Q,HJB线 包晶反应线 包晶线 LB+ H AJ (HJB)包晶反应或包晶转变。,(2) ECF线 共晶反应线： 共晶线 Lc AE+Fe3C (ECF) 共晶反应或共晶转变。莱氏体， 用符号Le表示。,(3) PSK线 共析反应线： 共析线 As FP+Fe3C (PSK) A1 共析反应或共析转变。 珠光体，用符号P表示。,三条特性线： ES线碳在A中的固溶 线 Acm； PQ 线碳在F中的固溶线； 从PQ线和ES线可看出，碳在固溶体和固溶体中溶解度随温度升高而增加。 GS线 A开始析出F或F全部溶入A的转变线 A3,(1) MO线 768(770),(2) UV线 230,两条磁性

7、转变水平线：,（三）图中的面相区,5个单相区： 、 A 、F、 L 、Fe3C,7个两相区：,L+ ,+ A,L+ A 、,L+Fe3C、,A+ Fe3C、,A+ F、,F+ Fe3C,四、典型合金的平衡结晶过程,图4-3 典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置,图4-4 工业纯铁（C）=0.01%）结晶过程示意图,（一）工业纯铁的结晶,（C）=0.01%的合金冷却到8点，即室温时的组织为F+ ，随含碳量增加， 数量逐渐增多，到P点时 数达到最大值。P点成分，室温时F和 的相对数量为：,工业纯铁中 量很少，最多也只能达到0.3%，可忽略不计。工业纯铁的室温组织几乎全部为固溶体，即几乎全部是铁

8、素体，只有极少量的三次渗碳体。,F=(6.69-0.0218)/(6.69-0.0008) 99.7% =(0.0218-0.0008)/(6.69-0.0008) 0.3%。,图4-5 工业纯铁（C）=0.01%）室温平衡状态显微组织（300x）,（二） 共析钢的结晶过程,图4-7 不同放大倍数下的珠光体组织特征,室温下含（C）=0.77%的合金组织是P，并呈片状。共析钢的室温组织全部为P，在组织P中的相组成物分别是 F和 .,珠光体中的铁素体与渗碳体呈层片状，其相对量可用杠杆定律求出：,P,F,Fe3C,相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： P（ F、Fe3C ）,式中X为含碳量，

9、共析钢X=0.77%代入计算结果为：,P中F (固溶体)占有88%，是绝大多数，呈宽片状，可视为珠光体的基体；而 只占12%，是少数，它呈薄片状分布于固溶体的基体内，为强化相，起强化作用。,(三) 亚共析钢的结晶过程,(C)= 0.0218%0.77%的钢都属于亚共析钢，现以(C)=0.4%的合金为例分析它的结晶过程.,随含碳量的增加亚共析钢组织中P的相对量增加，F的相对量减少。,10钢（0.1%C),P,F,P,45钢（0.45%C),F,P,F,60钢（0.6%C),根据杠杆定律可以计算室温下各种亚共析钢中相组成物及组织组成物的相对量。,相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量(室温下

10、0.4%C)。,相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： F、P （ F、Fe3C ）,相(F、Fe3C)的相对数量计算 这个合金在室温下的相为F和Fe3C两个。,设亚共析钢的成分为0.4，将x=0.4代入下式：,(2) 组织(F、P)的相对数量计算 合金在室温下的组织为F和P，它们相对数量的计算方法，因为是组织组成物不能直接用杠杆定理计算相对数量，但由于P是由A固溶体转变得到，可选择在二相(F、A)区内，把A的相对量算出后即可得到P的数量。,(四) 过共析钢的结晶过程,以C质量分数为1.2%的合金为例，分析它的冷却曲线和平衡结晶过程。,图4-11 过共析钢室温显微组织 (a)4%硝酸酒精

11、侵蚀（300x）（p呈黑色块状， 呈白色网状）; (b)碱性苦味酸钠溶液侵蚀（300x）（p呈白色块状， 呈黑色网状）,相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： P、Fe3CII,P,Fe3CII,根据杠杆定律可以计算室温下各种过共析钢中相组成物及组织组成物的相对量。,(1) 相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量(x=1.2),(2) 组织组成物的计算： （P、Fe3CII， x=1.2）,(五) 共晶白口铁的结晶过程,C质量分数量为4.3%C的共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程：,Ld,相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： Ld,根据杠杆定律可以计算室温下共晶白口铁中相

12、组成物及组织组成物的相对量。,(1) 相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量(x=4.3),说明：共晶白口铁渗碳体占64.3%，而F只占35.7%，因为渗碳体是大部分，为基体，它的性能是硬而脆，所以白口铸铁的硬度很高，但很脆。,（2）组织组成物Ld为100%。,(六) 亚共晶白口铁结晶过程,以WC 为3.0%的合金为例分析它的冷却曲线和平衡结晶过程：,Ld,P+Fe3CII,C质量分数为3.0%的亚共晶白口铸铁的显微组织（200x）,相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： P、Fe3CII、Ld,根据杠杆定律可以计算室温下亚共晶白口铁相组成物及组织组成物的相对量。,相组成物的计算：

13、 与共析钢相同，只要代入相应的含碳量(x=3.0),（2）亚共晶白口铁室温下组织组成物的计算：,=1-Ld-P,(七) 过共晶白口铁结晶过程,相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： Ld、Fe3CI,根据杠杆定律可以计算室温下过共晶白口铁相组成物及组织组成物的相对量。,(1) 相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量(x=5.0),（2）组织组成物（Ld、Fe3CI）计算,我们已经学过五种渗碳体： Fe3CI、Fe3C II、Fe3C III、 Fe3C共晶（莱氏体中的渗碳体）、Fe3C共析（珠光体中的渗碳体），它们本质并无区别（成分、结构及本身性质均相同，属于同一种相）只是由于来源

14、和形态不同，属于不同的组织组成物。它们对铁碳合金的性能将具有不同的影响。,第二节 含碳量对铁碳合金平衡组织 及性能的影响,一、含碳量对组织的影响,随C%增加 , Fe3C%增加 其分布形式也发生变化 在 P中共析Fe3C分布在F基体上； 过共析钢中 Fe3CII以网状分布在原奥氏体晶界上； 在Ld中共晶Fe3C作为基体。,各种组织的定量关系也可采用作图法加以标定：,二、 含碳量对铁碳合金机械性能的影响,钢，F为基体 ，Fe3C为强化相，C%， 强度。 但当含碳量大于0.9-1.0%后， Fe3CII以网状分布在晶界上， 显著降低钢的强度和韧性。 白口铁，Fe3C作为基体，显著降低塑性、韧性和强

15、度，故白口铁又硬又脆极少直接使用。,三、含碳量对工艺性能的影响,(一) 对切削加工性能的影响 低碳钢F多，易粘刀，影响表面粗糙度； 高碳钢Fe3C多，硬度高，刀具易磨损，切削加工性不好。 中碳钢F和Fe3C比例适当，硬度适中，切削加工性较好。 (二) 对可锻性的影响 钢加热到高温获得单相奥氏体，可锻性较好，而白口铁以渗碳体为基体所以不可以锻造。 (三)对铸造性的影响 铸造性主要决定于液态金属的流动性，共晶成分可使合金在恒温下结晶，所以共晶合金铸造性能最好。,第三节 碳 钢,一、常存杂质元素的影响 主要有四种： 锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P) （一）锰 ：是有益元素。脱氧剂。 碳钢中

16、含锰量通常 锰。 能溶于铁素体，固溶强化。 （三）硫：有害元素。产生热脆。含量必须严控。 S与Fe化合 成FeS与 -Fe 形成熔点为988 的共晶体分布与奥氏体晶界上，热加工时造成晶界开裂，使钢变脆。 （四）磷：有害元素。产生冷脆。含量必须严控。 磷溶于铁素体虽然提高强度，但在室温下钢的塑性和韧性急剧下降，而使钢变脆。,二、碳钢的分类、编号和用途,（一）碳钢的分类 1、按钢的含碳量分类：,低碳钢 0.25%C，适用于要求塑性和韧性好的材料。 中碳钢 0.3 0.55%C，用于要求强度、塑性和韧性较好的材料。 高碳钢 0.60%C，适用于要求硬度高，耐磨性好的材料。,2、按钢的质量：,普通碳素

17、钢 S% 0.055% P %0.045% ； 优质碳素钢 S和P均 0.040 % ； 高优碳素钢 S% 0.030% P %0.035%,3、按用途分类：,碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和 机械零件（一般为低中碳钢） 碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具、量具（一般为高碳钢）,1、普通碳素结构钢（GB700-88） 含碳量为：0.06 0.38%。通常不进行热处理以热轧状态供应。 主要用于：建筑、桥梁、船舶、车辆等工程构件及普通机器零件。 牌号：Q195、Q215、Q235、 Q255、Q275。 编号：代表屈服强度的字母（Q）、屈服点数值（MPa）、 质量等级及脱氧方法。 “Q”

18、为汉语拼音屈服强度的首位字母； A、B、C、D为质量等级，并逐级升高； F为沸腾钢，b为半镇静钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇静钢。按规定Z与TZ予以省略。 例：Q235- AF, 表示屈服点s235MPa的A级、沸腾钢。,（二）碳钢的编号和用途,Q195、Q215： 含碳量低，强度较低，塑性好。主要用于制造强度要求不高的普通铆钉、螺钉、螺母、垫圈等。 Q235： 强度与塑性居中，主要用于桥梁建筑等钢结构。也制造强度要求一般的普通零件，如螺钉、螺母、螺栓、销轴、拉杆等。 Q255、Q275： 含碳量较高，强度较高，可用于制造强度要求高一些的普通零件，如农业机械零件中的转轴、挂钩、摇杆等。还常轧制成

19、各种农业机械用的型钢和异型钢。,2、优质碳素结构钢（GB699-88） 这类钢同时保证化学成分和机械性能。S、P含量均0.040%。 1）正常含锰量的优质碳素结构钢,C%0.25%时 Mn%=0.50-0.80%,这类钢的牌号用两位数字表示，代表钢的平均含碳量，以0.01%含碳量为单位。 例如：20钢表示平均含碳量为0.2%；45钢表示平均含碳量0.45%。 除08钢外，相邻钢号间隔数字为5。,2）较高含锰量的优质碳素结构钢。,C% = 0.15 0.60%时 Mn%=0.7 - 1.0% C% 0.60%时 Mn%=0.9 - 1.2%,牌号为在两位含碳量数字后附以汉字“锰”或化学符号Mn。

20、 例如：20Mn表示平均含碳量为0.2%，含锰量为0.7 1.0%。 65Mn表示平均含碳量为0.65%，含锰量为0.9-1.2%。,优质碳素结构钢主要用于制造机械零件，故又称为机械零件用钢。 08-25 (30)钢：属于低碳钢，其强度较低，塑性很好，冲压、焊接性能良好，常用做冲压件、焊接件、渗碳件等。 35-50(55)钢：属于中碳钢，其强度较高，塑性、韧性较好，经调质后具有优良的综合机械性能。常用来制造各种机械结构件，如齿轮、连杆、轴类等零件。 60-70（乃至75、80、85）钢：属于高碳钢，其强度、硬度高，经热处理后具有较高的弹性和韧性，常用来制造弹簧、钢丝绳、车轮、钢轨等。,牌号为在

21、“碳”或“T”字的后面附以数字来表示，数字表示钢的平均含碳量，但以0.10%含碳量为单位。若为高级优质碳素工具钢，则在钢号末端附以“高”或“A”字。 例如：T8、T12分别表示平均含碳量为0.80%和1.20%的碳素工具钢。 而T12A表示平均含碳量为1.20%的高级优质碳素工具钢。,碳素工具钢用于制造各种刃具、模具、量具等。,4、铸造碳素钢（GB11352 89） 铸造碳素钢的含碳量在0.2-0.6%范围，硫、磷含量较高，其铸造性不如铸铁，易于形成偏析等缺陷，需热处理后使用。 其牌号冠以“ZG”后面两组数字，第一组代表最低屈服强度；第二组数代表最低抗拉强度值。 例如：ZG200-400代表s(或0.2）200MPa; b 400MPa 具体牌号、化学成分、力学性能及用途见表4-6。,3、碳素工具钢（GB1298 86）,第四章完,