材料科學基礎-鐵碳合金

1、第四章第四章 鐵碳合金鐵碳合金 本章是本課程的重點章本章是本課程的重點章 本章目的：本章目的： 1 介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相； 2 分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結晶過程和其成分組織性能間合金的結晶過程和其成分組織性能間關系；說明鐵碳相圖的基本應用；關系；說明鐵碳相圖的基本應用； 3 介紹各種碳鋼的牌號及應用。介紹各種碳鋼的牌號及應用。本章重點：本章重點：（1）重要概念：鐵素體）重要概念：鐵素體 奧氏體奧氏體 珠光體珠光體 萊氏體萊氏體 共共晶滲碳體晶滲碳體 共析滲碳體共析滲碳體 二次滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵

2、碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要線意義；鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；線意義；鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結晶過程分析，室溫平衡組織）典型鐵碳合金的結晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分）掌握鐵碳合金的成分組織性能之間的關系組織性能之間的關系 1 鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金鐵碳合金應用最廣泛的合金應用最廣泛的合金 一一 鐵碳合金中的基本相和基本組織鐵碳合金中的基本相和基本組織 (一一) 純鐵的晶體結構與性能純鐵的

3、晶體結構與性能 1 純鐵冷卻中晶體結構的變化：純鐵冷卻中晶體結構的變化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構轉變純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構轉變A4A3A2(770)居里點居里點(順磁性與鐵順磁性與鐵磁性轉變溫度磁性轉變溫度)具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一提與原因之一2 純鐵的顯微組織純鐵的顯微組織 單相的單相的Fe3 純鐵純鐵(工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵)的性能的性能 強度低強度低(b=180230MPa); 硬度低硬度低(50HBS80HBS)、軟、軟; 塑性好塑性好(:3050

4、； :70 80 ) 鐵磁性鐵磁性4 應用：應用： 儀器儀表用軟磁鐵芯儀器儀表用軟磁鐵芯（二）（二） 鐵碳合金中的基本相和基本組織鐵碳合金中的基本相和基本組織 1 基本組元基本組元： Fe、C 2 基本相基本相： （1）鐵素體）鐵素體(或或 F ) ： 定義定義: C在體心立方在體心立方Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 但但C在在Fe中的溶解度極小中的溶解度極小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能性能: 強硬度低強硬度低(50HBS80HBS)， 塑韌性好塑韌性好(:70 80 ; Ak=160J ) 與工業(yè)純鐵同與工業(yè)純鐵同良好塑韌性良好塑韌性鋼中鋼中基體相基體相（

5、2）奧氏體）奧氏體(或或 A ) 定義定義：C在面心立方在面心立方Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 溶碳量較大：溶碳量較大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能性能: 強硬度較低強硬度較低； 塑性較好塑性較好, 變形抗力較低變形抗力較低, 易于鍛壓成形易于鍛壓成形; 順磁性順磁性。 熱加工熱加工(塑性變形塑性變形) 相相 合金化后成為室溫基體相合金化后成為室溫基體相(無磁性無磁性)；（3）滲碳體）滲碳體(Fe3C) Fe與與C形成的金屬化合物，含形成的金屬化合物，含6.69%C， 復雜正交晶系。復雜正交晶系。 性能性能 強度低：強度低：b= 30MPa; 硬度高硬度高：80

6、0HB 無塑性：無塑性：=0; =0; Ak=0 弱的鐵磁性弱的鐵磁性(0.9%后后，強度反而強度反而下降下降；脆性二次滲碳體含碳量1%時，于晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡，脆性滲碳體處出現(xiàn)早期裂紋并擴展導致強度降低。共晶白口鐵由于含有大量滲碳體故強度很低。低溫Ld塑性低至0沖擊韌性對組織敏感，硬度不敏感，硬度主要取決組成相的數(shù)量基本原因：基本原因： 與構成相或組織的性能有關。與構成相或組織的性能有關。 鐵素體相鐵素體相: 軟韌相軟韌相， 滲碳體相：滲碳體相：硬脆相硬脆相； 珠光體組織的性能介與兩者之間珠光體組織的性能介與兩者之間: 強韌強韌 故工業(yè)上使用的鐵碳合金一般含碳量不超過故工業(yè)上使用的鐵碳合金一

7、般含碳量不超過1.3% F P Fe3Cb(MN/m2) 230 750 30 (%) 50 20 0 a k (J/cm2) 160 30 0 HB 80 200 800 【硬度硬度】： 非組織敏感性能非組織敏感性能 主要取決于相的構成主要取決于相的構成，包括組成相的硬度和相對，包括組成相的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。 相構成：相構成： FFe3C 隨碳含量增加，高硬度的隨碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的增多而低硬度的F減少，故合金硬度線性增大，從減少，故合金硬度線性增大，從80HBS(100%F)增大到增大到800HBW(10

8、0%Fe3C) 亞共析鋼硬度與相構成或碳含量關系：亞共析鋼硬度與相構成或碳含量關系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %【強度強度】： 對組織形態(tài)比較敏感對組織形態(tài)比較敏感。故不僅與相構成有關，更。故不僅與相構成有關，更主要的與組成相形態(tài)、分布即組織構成有極大關系。主要的與組成相形態(tài)、分布即組織構成有極大關系。 亞共析鋼亞共析鋼： F先先+P構成，均為韌性組織，構成，均為韌性組織，強度與硬度一致強度與硬度一致。隨碳含量增加，鋼中強韌的隨碳含量增加，鋼中強韌的P組織數(shù)量增加，而強硬組織數(shù)量增加，而強硬度很低的度很低的F先先不斷下降，不斷下降，故合金強度隨硬度增大而增故合金強度隨硬

9、度增大而增大大；b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40過共析鋼過共析鋼： Fe3C先先+P，為韌性組織脆性組織，為韌性組織脆性組織 與脆性組織與脆性組織(Fe3C先先)的形態(tài)直接相關：的形態(tài)直接相關： C0.9%1.0%后，后，隨隨C而陡降。而陡降。出現(xiàn)網(wǎng)狀出現(xiàn)網(wǎng)狀Fe3CFe3C為沿晶粒狀為沿晶粒狀塑韌性：塑韌性： Fe3C極脆相，無塑、韌性；合金塑性變極脆相，無塑、韌性；合金塑性變形完全由形完全由 F 提供，隨提供，隨C%增高，增高， F不斷減少，不斷減少，故塑韌性不斷下降故塑韌性不斷下降。思考題：思考題： 試從化學成分、相構成、組織構成

10、等方面對工試從化學成分、相構成、組織構成等方面對工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機械性能進行分析、比業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機械性能進行分析、比較、解釋。較、解釋。l 切削加工性能切削加工性能 材料鐵素體多，硬度太軟,容易粘刀,切削熱大,影響表面粗糙度; 滲碳體多的材料，硬度太大,刀具磨損嚴重。 鋼的硬度為鋼的硬度為HB170250時，切削加工性能較好。時，切削加工性能較好。l 可鍛性：可鍛性： 低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨含碳量增加，可鍛性變差。 三、對工藝性能的影響三、對工藝性能的影響l 鑄造性：鑄造性： 共晶成分鑄鐵鑄造性好共晶成分鑄鐵鑄造性好: 流動性好，流動性好，縮孔集中縮孔集中,偏析??；偏析小

11、；液相線和固相線距離越大，流動性差，分散縮孔多，偏析大，鑄造性越差。所以，鋼的鑄造性差。化學成分與澆注溫度是重要因素。解釋液態(tài)收縮，凝固收縮，固態(tài)收縮； 少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、氮等元素，它們會影響到鋼的質(zhì)量和性能。l 錳的影響 脫氧劑。 有益元素，碳鋼中不超過0.8%，（1）溶入鐵素體中起固溶強化；（2）形成MnS，消除硫的有害影響。5 鋼中雜質(zhì)元素集鋼錠組織鋼中雜質(zhì)元素集鋼錠組織 一一 雜質(zhì)元素對鋼性能的影響雜質(zhì)元素對鋼性能的影響l 硅的影響 脫氧劑，有益元素，可固溶強化。鋼中碳含量不超過0.5%l 硫的影響硫的影響 有害元素，礦石和燃料帶入，以FeS夾雜物形式存在晶界上 造成

12、熱加工開裂“熱脆”， 原因：形成Fe+FeS共晶，熔點為989，低于熱加工的加熱溫度1150，而導致熱加工時開裂； 若鋼中含氧量高時，還會形成熔點更低(940)的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。 防止熱脆防止熱脆： （1）降硫：）降硫： 普通碳素結構鋼要求：普通碳素結構鋼要求：S0.040%0.050%（2）加入適當?shù)模┘尤脒m當?shù)腗n，改變硫的存在方式。，改變硫的存在方式。Mn與與S的化學親的化學親和力大于和力大于Fe，優(yōu)先形成，優(yōu)先形成MnS，MnS的熔點的熔點1600，高于熱加，高于熱加工溫度，可避免熱脆的發(fā)生。工溫度，可避免熱脆的發(fā)生。l 磷的影響磷的影響 磷是有害雜質(zhì)元素，它主

13、要由礦石和生鐵等煉鋼原料帶入鋼中。 磷在鐵中固溶度較大，其在鋼中固溶強化作用很強，但同時劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌脆轉變溫度升高，稱為“冷脆”。 磷具有嚴重的偏析傾向磷有益作用是提高切削性能，它與銅共存能提高鋼的耐大氣腐蝕能力韌性降低體現(xiàn)在兩方面：韌性降低體現(xiàn)在兩方面： (1) 沖擊功沖擊功Ak；(2) 韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度Tk韌性區(qū)韌性區(qū)脆性區(qū)脆性區(qū)韌脆轉變溫度韌脆轉變溫度l氮、氫、氧等微量氣體的影響氮、氫、氧等微量氣體的影響【氮】煉鋼時氮通過爐氣進入鋼中。鋼件快速冷卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。在隨后放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼的韌性。有害作用主要通過

14、淬火時效和應變時效表現(xiàn)的。 稱為藍脆(因300左右應變時最易產(chǎn)生) 藍脆是造成船舶、橋梁災難性事故的原因之一。 消除方法：加Al形成AlN，另外它還能阻礙加熱時奧氏體晶粒的長大?！練錃洹?氫的危害氫的危害 引起氫脆；大量細微裂紋引起氫脆；大量細微裂紋白點。白點。高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫度下降，氫在鋼中的溶解度急劇降低，氫來不及逸出，過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處偏聚，并逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內(nèi)應力，導致微裂紋，氫使鋼變脆的現(xiàn)象稱為氫脆嚴重的缺陷。消除方法：鍛后緩冷。尤其對大型鍛件。【氧氧】 氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，往往成為裂紋的起點，對鋼的

15、塑性、韌性、疲勞強度等影響很大。有害元素利用：S、P在易切鋼中應用，P在炮彈鋼中的應用鋼材橫斷面低倍形貌：鋼材橫斷面低倍形貌：又稱又稱 “發(fā)裂發(fā)裂”鋼材縱斷面低倍形貌：也鋼材縱斷面低倍形貌：也稱稱“白點白點”二、鋼錠的宏觀組織及其缺陷二、鋼錠的宏觀組織及其缺陷 根據(jù)含氧量和放出CO程度，可將鋼錠分為鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。v鎮(zhèn)靜鋼（氧 0.01% ,常0.002 0.003 %）組織致密常用于高性能要求零件 主要為表層細晶區(qū)，柱狀晶區(qū)，中心等軸晶區(qū)；鋼錠下部還有一個等軸晶組成的致密沉積錐體。 主要缺陷有：縮孔、縮松、偏析、氣泡等；縮孔位于上端；縮松多出現(xiàn)在鋼錠上部和中部；氣泡包括皮下氣泡和內(nèi)

16、部氣泡；偏析主要為方框偏析和點狀偏析。 方形偏析形成與鋼錠的結晶過程有關。由于選擇結晶，較多雜質(zhì)聚集在柱狀晶和等軸晶區(qū)域形成區(qū)域偏析。 點狀偏析的產(chǎn)生與夾雜物和氣體有關，斑點中含C和S都較高。 嚴重的點狀偏析容易在斑點處產(chǎn)生應力集中，并導致早期疲勞裂紋。堅殼帶有致密細小的等軸晶組成。蜂窩氣泡帶由分布在柱狀晶帶內(nèi)的長形氣泡所構成；中心堅固帶由沒有氣泡的柱狀晶組成 二次氣泡帶在柱狀 晶間 錠心帶由粗大等軸 晶組成。v沸騰鋼（氧=0.030.07%）含0.27%C沸騰鋼的宏觀組織：表面至心部由堅殼帶，蜂窩氣泡帶，中心堅固帶，二次氣泡帶和錠心帶五區(qū)所組成。l 碳鋼的分類、編號及用途碳鋼的分類、編號及用

17、途 碳素鋼由于價格低廉，便于冶煉、加工應用最為廣泛；在碳鋼的基礎上加入合金元素，以改善某些性能形成合金鋼一、鋼的分類一、鋼的分類l按照用途分類：可分為結構鋼，工具鋼和特殊性能鋼按照用途分類：可分為結構鋼，工具鋼和特殊性能鋼l 按化學成分分類：碳鋼分為低碳鋼按化學成分分類：碳鋼分為低碳鋼(0.6%)；合金鋼分為：低合金鋼；合金鋼分為：低合金鋼(10%).l按品質(zhì)分類：以按品質(zhì)分類：以S、P含量分類，為普通質(zhì)量鋼，優(yōu)質(zhì)鋼、含量分類，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；優(yōu)質(zhì)鋼的高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼；優(yōu)質(zhì)鋼的S、P0.035%二、二、 鋼的編號鋼的編號 1）碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼）

18、碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼 Q+屈服點數(shù)值屈服點數(shù)值+質(zhì)量等級質(zhì)量等級+脫氧方法脫氧方法 如：如： Q195、Q235AF，Q235BZ；合金鋼；合金鋼Q345C 由由A到到E，磷、硫含量降低；，磷、硫含量降低；Z鎮(zhèn)靜鋼，鎮(zhèn)靜鋼，F(xiàn)沸騰鋼沸騰鋼 （與舊標準的對比：（與舊標準的對比： Q235A3） 屬構件用鋼，碳含量（屬構件用鋼，碳含量（0.06%0.4%）l 按顯微組織分類 如：亞共析鋼，共析鋼，過共析鋼和萊氏體鋼；或珠光體貝氏體鋼和馬氏體鋼，奧氏體鋼；等等 2) 優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼 08F、10、20 : 塑韌性、焊接性好塑韌性、焊接性好冷沖、焊接、滲碳件冷沖、焊接、滲碳件調(diào)

19、質(zhì)后綜合機性好調(diào)質(zhì)后綜合機性好調(diào)質(zhì)件調(diào)質(zhì)件強度高、彈性極限高強度高、彈性極限高彈性元件彈性元件25、30、35、40、45 : 50、60、65 : C含量含量(0.06%0.70%)用兩位數(shù)字表示(平均含碳量萬分之幾)，如45鋼表示C=0.45%； 08鋼為C=0.08%；50Mn表示C=0.5%,Mn0.71.0%3) 碳素工具鋼碳素工具鋼 C含量（含量（0.65%1.35%）T+數(shù)字數(shù)字(表示碳含量千分之幾表示碳含量千分之幾) 如如T8鋼鋼 ,C=0.8%T7、T8： 一定韌性一定韌性 沖頭、錘子、鑿子沖頭、錘子、鑿子T9、T10：硬度高、韌性適中；鉆頭、手鋸條、刨刀：硬度高、韌性適中；

20、鉆頭、手鋸條、刨刀 T12(A)、T13： 硬度高、韌性低硬度高、韌性低; 銼、刮刀、量具銼、刮刀、量具又如：又如：T8Mn高Mn鋼C=0.8%; T10A優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼 C=1%4) 合金結構鋼合金結構鋼 數(shù)字數(shù)字+合金元素符號合金元素符號+數(shù)字數(shù)字 如：如：20MnVB前面數(shù)字表示含碳量萬分之幾，合金元素后面數(shù)字表示合金元素百分之幾 如35SiMn C=0.35% 含Si，Mn5）合金工具鋼）合金工具鋼 數(shù)字數(shù)字+合金元素符號合金元素符號+數(shù)字數(shù)字 C 1.0% 則不標出碳量 如：CrMn C 1.0% 在牌號前以千分之幾表示 如：9Mn2V Cr 1.0% 鉻以千分之幾表示并數(shù)字前置0

21、如：Cr066）鉻滾動軸承鋼）鉻滾動軸承鋼 GCr+數(shù)字組成，數(shù)字表示鉻含量千分之幾；如GCr157）不銹鋼與耐熱鋼）不銹鋼與耐熱鋼 數(shù)字(C)+合金元素符號+數(shù)字 C 0.08% 以06表示 如：06Cr19Ni10 C 0.03% 以022表示 如：022Cr19Ni10 C 0.01% 以008表示 如：008Cr30Mo21 何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、變態(tài)萊氏體？分別寫出它們的符號和性能特點。變態(tài)萊氏體？分別寫出它們的符號和性能特點。2 一堆鋼材由于混雜，不知道化學成分，現(xiàn)抽出一一堆鋼材由于混雜，不知道化學成分，現(xiàn)抽出一根進行金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其根進行金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其中珠光體的面積大約占中珠光體的面積大約占40，由于珠光體與鐵素，由于珠光體與鐵素體的比容相近，可用顯微組織中珠光體與鐵素體體的比容相近，可用顯微組織中珠光體與鐵素體的面積百分數(shù)替代二者的重量百分數(shù)，試估算該的面積百分數(shù)替代二者的重量百分數(shù)，試估算該鋼材的含碳量。鋼材的含碳量。 習題與思考題習題與思考題4 何謂共析轉變和共晶轉變？寫出它們的反應式何謂共析轉變和共晶轉變？寫出它們的反應式5 指出下列名詞的主要區(qū)別：一次滲碳體、二次滲指出下列名詞的主要區(qū)別：一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共