工程材料課件 第四章 鐵碳合金

1、第四章第四章 鐵碳合金鐵碳合金 在自然界中鐵的儲藏量豐富又集中，并且易于開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)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

2、的基礎(chǔ)。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。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。本章以的這一部分。本章以Fe-Fe3C相圖為工具來研究鐵碳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、一、 Fe-Fe3C相圖中的組元相圖中的組元 常壓下，熔點常壓下，熔點 1538 ，在相圖中用，在相圖中用A表表 示

3、，固態(tài)下鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變式：示，固態(tài)下鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變式： （一）鐵（一）鐵 L Fe Fe Fe 1394 912 體心立方體心立方體心立方體心立方面心立方面心立方 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后獲得多種多樣結(jié)構(gòu)、組織與性能的理論依 據(jù)。據(jù)。 液相液相 1538 機械性能機械性能 b=180-230MN/m2 0.2=100-170MN/m2 = 30-50% = 70-80% k=1.5-2M J/m2 HB=50-80 工業(yè)純鐵中常含有工業(yè)純鐵中常含有727)存在的相，其強度硬度不高，塑存在的相，其強

4、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(jìn)行。性很好所以鋼材熱壓力加工在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。 鐵素體：鐵素體： 相圖中相圖中GPQG區(qū)為鐵素體單相區(qū)。區(qū)為鐵素體單相區(qū)。 （二）奧氏體（二）奧氏體 相圖中相圖中EJNGSE為奧氏體單相區(qū)為奧氏體單相區(qū) （三）高溫鐵素體（三）高溫鐵素體 高溫鐵素體：高溫鐵素體：碳在碳在 Fe中形成的間隙式固溶體。中形成的間隙式固溶體。(用用 表示表示) 晶體結(jié)構(gòu)：體心立方。最大溶碳量為晶體結(jié)構(gòu)：體心立方。最大溶碳量為0.53%C 相圖中相圖中AHNA區(qū)為高溫鐵素體單相區(qū)。區(qū)為高溫鐵素體單相區(qū)。 （四）滲碳體（四）滲碳體（Fe3C） 滲碳體既是組元又是合

5、金的組成相滲碳體既是組元又是合金的組成相，相圖中的，相圖中的DFKL可視可視 為滲碳體的為滲碳體的“單相區(qū)單相區(qū)”， (用用Cm表示表示) 。 （五）液相（五）液相 在液相線ABCD以上區(qū)域鐵和碳所形成的均勻液體， (用用L表示表示) 。 三、FeFe3C 相圖分析 （一）圖中的點 符 號 溫度 含碳量(%) A H J B E C F D G P S K M N O Q Q 1538 1495 1495 1495 1148 1148 1148 1227 912 727 727 727 770 1394 770 400 室溫 0 0.09 0.17 0.53 2.11 4.30 6.69 6.

6、69 0 0.0218 0.77 6.69 0 0 0.5 0.0009 0.0008 Q (二二) 圖中的線圖中的線 液相線：液相線：ABCD 固相線：固相線：AHJECF 三條水平線：三條水平線： 包晶線包晶線 LB+ H AJ (HJB) 共晶線共晶線 Lc AE+Fe3C (ECF) 共析線共析線 As FP+Fe3C (PSK) A1 三條特性線：三條特性線： ES線碳在線碳在A中的固溶線中的固溶線 Acm PQ 線線碳在碳在F中的固溶線中的固溶線 GS線線 A開始析出開始析出F或或F全部溶全部溶 入入A的轉(zhuǎn)變線的轉(zhuǎn)變線 A3 Q （三）圖中的面三）圖中的面相區(qū)相區(qū) 5個單相區(qū)：個單

7、相區(qū)： 、 A 、F、 L 、Fe3C 7個兩相區(qū)：個兩相區(qū)： L+ + A L+ A 、 L+Fe3C、 A+ Fe3C、 A+ F、 F+ Fe3C 四、典型合金的平衡結(jié)晶過程四、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 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 4.3%C (1) 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 （ 0.0218%C） (2)鋼鋼 (0.0218-2.11%C) 亞共析鋼亞共析鋼 0.77%C (3) 白口鑄鐵白口鑄鐵 （2.11-6.69%C ) （一）（一） 共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼的結(jié)晶過程 1 2 3 44 3 2 1 L L A

8、A P PSK ECF D A N G Q FeFe3C L A L+A F+A F A+Fe3C F+Fe3C 溫 度 As P(FP+ Fe3C) 3 溫 度 C% 時間 L+Fe3C 珠光體中的鐵素體與滲碳體呈層片狀，其相對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：量可用杠桿定律求出： 式中式中X為含碳量，共析鋼為含碳量，共析鋼X=0.77%代入計算結(jié)果為：代入計算結(jié)果為： F 88% Fe3C=1-F=12% 故故F呈寬片狀，可視為珠光體的基體；共析滲碳體片呈寬片狀，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。呈薄片狀分布于鐵素體的基體中。 P

9、F Fe3C 相相 組組 成成 物：物： F、Fe3C 組織組成物：組織組成物： P（ F、Fe3C ） 69. 6 69. 6 0008. 069. 6 69. 6 % xx F %1 69. 6008. 069. 6 0008. 0 3F xx CFe (二二) 亞共析鋼的結(jié)晶過程亞共析鋼的結(jié)晶過程 1 2 3 4 5 5 4 3 2 1 L L A A P+ F PSK ECF D A N G Q FeFe3C C% L A L+A F+A F A+Fe3C F+Fe3C 時間 溫 度 FA As P(FP+ Fe3C) 4 溫 度 L+Fe3C 隨含碳量的增加亞共析隨含碳量的增加亞共析

10、 鋼組織中鋼組織中P的相對量增的相對量增 加，加，F(xiàn)的相對量減少。的相對量減少。 10鋼（0.1%C) P FP 45鋼（0.45%C) F P F 60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。物及組織組成物的相對量。 0218. 077. 0 77. 0 % x F %1 0218. 077. 0 0218. 0 %F x P 組織組成物的計算：設(shè)亞共析鋼的成分為組織組成物的計算：設(shè)亞共析鋼的成分為Ch，將，將x=Ch 代入下式：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。相組成物的

11、計算同共析鋼，只要代入相應(yīng)的含碳量。 相相 組組 成成 物：物： F、Fe3C 組織組成物：組織組成物： F、P （ F、Fe3C ） (三三) 過共析鋼的結(jié)晶過程過共析鋼的結(jié)晶過程 1 2 3 4 55 4 4 3 2 1 L L A A A Fe3CII As P(FP+ Fe3C) P+ Fe3CII PSK ECF D A N G Q FeFe3C 溫 度 C% L A L+A F+A F A+Fe3C F+Fe3C 時間 溫 度 L+Fe3C P Fe3CII 77. 069. 6 69. 6 % x P%1 77. 069. 6 77. 0 II 3 P x CFe 根據(jù)杠桿定律可

12、以計算室溫下各種過共析鋼中相組成根據(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。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：組織組成物的計算： 相相 組組 成成 物：物： F、Fe3C 組織組成物：組織組成物： P、Fe3CII (四四) 共晶白口鐵的結(jié)晶過程共晶白口鐵的結(jié)晶過程 1 2 3 3 2 1 L L A Lc Ld(AE+Fe3C）) PSK ECF D A N G Q FeFe3C L A L+A F+A F A+Fe3C F+Fe3C 溫 度 As P(FP+ Fe

13、3C) 溫 度 1 2 A Fe3CII Ld(P+ Fe3CII +Fe3C) C% 時間 L+Fe3C Ld 相相 組組 成成 物：物： F、Fe3C 組織組成物：組織組成物： Ld (五五) 亞共晶白口鐵結(jié)晶過程亞共晶白口鐵結(jié)晶過程 1 4 4 3 2 L L A Lc Ld(AE+Fe3C) PSK ECF D A N G Q FeFe3C L A L+A F+A F A+Fe3C F+Fe3C 溫 度 As P(FP+ Fe3C) 溫 度 2 3 A Fe3CII P+ Fe3CII+ Ld(P+ Fe3CII +Fe3C) C% 1 2 3 時間 L+Fe3C Ld P+Fe3CI

14、I 亞共晶白口鐵室溫下組織組成物的計算：亞共晶白口鐵室溫下組織組成物的計算： %100 11. 23 . 4 11. 2 x LL dd %100 11. 23 . 4 3 . 4 3 x CFeP EII %100 11.23 .4 3 .4 77.069.6 11.269.6 x AP S =1-Ld-P 相相 組組 成成 物：物： F、Fe3C 組織組成物：組織組成物： P、Fe3CII、Ld %100 11.23 .4 3 .4 77.069.6 77.011.2 3 x CFe II (六六) 過共晶白口鐵結(jié)晶過程過共晶白口鐵結(jié)晶過程 1 3 4 4 3 2 L L Fe3CI Lc

15、 Ld(AE+Fe3C) PSK ECF D A N G Q FeFe3C L A L+A F+A F A+Fe3C F+Fe3C 溫 度 As P(FP+ Fe3C) 溫 度 2 3 A Fe3CII Fe3CI+Ld(P+ Fe3CII +Fe3C) C% 2 1 時間 L+Fe3C Fe3CI Ld 相相 組組 成成 物：物： F、Fe3C 組織組成物：組織組成物： Ld、Fe3CI 我們已經(jīng)學(xué)過五種滲碳體：我們已經(jīng)學(xué)過五種滲碳體： Fe3CI、Fe3C II、Fe3C III、 Fe3C共晶 共晶（萊氏體中的滲碳體）、 （萊氏體中的滲碳體）、Fe3C共析 共析（珠光體中的滲 （珠光體中

16、的滲 碳體），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?？椊M成物。它們對鐵碳合金的性能將具有不同的影響。 第二節(jié)第二節(jié) 含碳量對鐵碳合金平衡組織含碳量對鐵碳合金平衡組織 及性能的影響及性能的影響 一、含碳量對組織的影響一、含碳量對組織的影響 隨隨C%增加增加 , Fe3C%增加增加 其分布形式也發(fā)生變化其分布形式也發(fā)生變化 在在 P中共析中共析Fe3C分布在分布在F基體上；基體上； 過

17、共析鋼中過共析鋼中 Fe3CII以網(wǎng)狀分布在原奧氏體晶界上；以網(wǎng)狀分布在原奧氏體晶界上； 在在Ld中共晶中共晶Fe3C作為基體。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：各種組織的定量關(guān)系也可采用作圖法加以標(biāo)定： 二、二、 含碳量對機械性能的影響含碳量對機械性能的影響 F為基體為基體 （鋼）（鋼）Fe3C為為 強化相強化相 C% 強度強度 。 含碳量大于含碳量大于0.9-1.0%后后 二次二次Fe3C以網(wǎng)狀分布在以網(wǎng)狀分布在 晶界上，晶界上， 顯著降低鋼的顯著降低鋼的 強度和韌性。強度和韌性。 Fe3C作為基體（白口鐵）作為基體（白口鐵） 顯著降低塑性、韌性和顯著降低塑性、韌性和

18、強度，故白口鐵又硬又強度，故白口鐵又硬又 脆極少直接使用。脆極少直接使用。 三、含碳量對工藝性能的影響三、含碳量對工藝性能的影響 (一一) 對切削加工性能的影響對切削加工性能的影響 低碳鋼低碳鋼F多易粘刀多易粘刀 影響表面粗糙度影響表面粗糙度 高碳鋼高碳鋼 Fe3C含量多硬度高含量多硬度高 刀具易磨損，切削加工刀具易磨損，切削加工 性不好。性不好。 中碳鋼中碳鋼F和和Fe3C比例適當(dāng)，硬度適中，切削加工性比例適當(dāng)，硬度適中，切削加工性 較好。較好。 (二二) 對可鍛性的影響對可鍛性的影響 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

19、體所以不可以鍛造?？阼F以滲碳體為基體所以不可以鍛造。 (三三)對鑄造性的影響對鑄造性的影響 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。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)第三節(jié) 碳碳 鋼鋼 一、常存雜質(zhì)元素的影響一、常存雜質(zhì)元素的影響 主要有四種：主要有四種： 錳錳(Mn)、硅、硅(Si)、硫、硫(S)、磷、磷(P) （一）錳（一）錳 ：是有益元素。脫氧劑。是有益元素。脫氧劑。 碳鋼中含錳量通常碳鋼中含錳量通常 0.8% 。 錳具有較強脫氧能力。錳具有較強脫氧能力。 能減輕硫的有害作

20、用。能減輕硫的有害作用。 溶于鐵素體，固溶強化。溶于鐵素體，固溶強化。 增加珠光體使其變細(xì)提高強度。增加珠光體使其變細(xì)提高強度。 （二）硅：（二）硅：是有益元素。脫氧劑。碳鋼中含硅量通常是有益元素。脫氧劑。碳鋼中含硅量通常 錳。錳。 能溶于鐵素體，固溶強化。能溶于鐵素體，固溶強化。 （三）硫：（三）硫：有害元素。產(chǎn)生熱脆。含量必須嚴(yán)控。有害元素。產(chǎn)生熱脆。含量必須嚴(yán)控。 S與與Fe化合化合 成成FeS與與 -Fe 形成熔點為形成熔點為988 的共晶體分布與的共晶體分布與 奧氏體晶界上，熱加工時造成晶界開裂，使鋼變脆。奧氏體晶界上，熱加工時造成晶界開裂，使鋼變脆。 （四）磷：（四）磷：有害元素。

21、產(chǎn)生冷脆。含量必須嚴(yán)控。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。劇下降，而使鋼變脆。 二、碳鋼的分類、編號和用途二、碳鋼的分類、編號和用途 （一）碳鋼的分類（一）碳鋼的分類 1、按鋼的含碳量分類：、按鋼的含碳量分類： 低碳鋼低碳鋼 0.25%C 中碳鋼中碳鋼 0.3 0.55%C 高碳鋼高碳鋼 0.60%C 2、按鋼的質(zhì)量：、按鋼的質(zhì)量： 普通碳素鋼普通碳素鋼 S% 0.055% P %0.045% ； 優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼 S和和P均均 0.040； 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級優(yōu)

22、質(zhì)碳素鋼 S% 0.030% P %0.035% 3、按用途分類：、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）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、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）量具（一般為高碳鋼） 1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88） 含碳量為含碳量為0.06 0.38%。通常以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，一般不進(jìn)行熱處理。通常以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，一般不進(jìn)行熱處理 主要用于主要用于建筑、橋梁、船舶、車輛等工程構(gòu)件及普通機器零件。建筑、橋梁、船舶、車輛等工程

23、構(gòu)件及普通機器零件。 編號：編號：代表屈服強度的字母（代表屈服強度的字母（Q）、屈服點數(shù)值（）、屈服點數(shù)值（MPa）、）、 質(zhì)量等級及脫氧方法。質(zhì)量等級及脫氧方法。 “Q”為漢語拼音屈服強度的首位字母；為漢語拼音屈服強度的首位字母；A、B、C、D為質(zhì)量等為質(zhì)量等 級，并逐級升高；級，并逐級升高；F為沸騰鋼，為沸騰鋼，b為半鎮(zhèn)靜鋼，為半鎮(zhèn)靜鋼，Z為鎮(zhèn)靜鋼，為鎮(zhèn)靜鋼，TZ為為 特殊鎮(zhèn)靜鋼。按規(guī)定特殊鎮(zhèn)靜鋼。按規(guī)定Z與與TZ予以省略。予以省略。 例：例：Q235- AF, 表示屈服點表示屈服點 s235MPa的的A級、沸騰鋼。級、沸騰鋼。 按屈服點數(shù)值（按屈服點數(shù)值（MPa）可分為）可分為5種牌號：

24、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。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（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。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含碳量較高，

25、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。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、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。這類鋼同時保證化學(xué)成分和機械性能。S、P含量均含量均0.040%。 1）正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 C%0.25%時時 Mn%=0.50-0.80% 這類鋼的這類鋼的牌號牌號用兩位數(shù)字表示，代表鋼的平均含碳量，以用兩位數(shù)字表示，代表鋼的平均含碳量，以0.01

26、% 含碳量為單位。含碳量為單位。 例如：例如：20鋼表示平均含碳量為鋼表示平均含碳量為0.2%；45鋼表示平均含碳量鋼表示平均含碳量0.45%。 除除08鋼外，相鄰鋼號間隔數(shù)字為鋼外，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。）較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 C% = 0.15 0.60%時時 Mn%=0.7 - 1.0% C% 0.60%時時 Mn%=0.9 - 1.2% 牌號牌號為在兩位含碳量數(shù)字后附以漢字為在兩位含碳量數(shù)字后附以漢字“錳錳”或化學(xué)符號或化學(xué)符號Mn。 例如：例如：20Mn表示平均含碳量為表示平均含碳量為0.2%，含錳量為，含錳量為0.7 1.0%。 65Mn表示平均含碳量為表示平均含碳量為0.65%，含錳量為，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。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：鋼：屬于低碳鋼，其強度較低，塑性很好，沖壓、焊接性屬于低碳鋼，其強度較低，塑性很好，沖壓、焊接性 能良好，常用做沖壓件、焊接件、滲碳件等。能良好，常用做沖壓件、焊接件、滲碳件等。