第04章鐵碳合金

1、第四章第四章 鐵碳合金鐵碳合金第一節(jié)第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織鐵素體（鐵素體（F或或） 鐵素體是碳溶于鐵素體是碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格。碳在格。碳在-Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，727時時0.0218%；室溫時為；室溫時為0.0008%，幾乎為零。其強(qiáng)度和硬度很低，塑性、韌性好。顯，幾乎為零。其強(qiáng)度和硬度很低，塑性、韌性好。顯微組織是明亮的多邊形晶粒。微組織是明亮的多邊形晶粒。奧氏體（奧氏體（A或或） 奧氏體是碳溶于奧氏體是碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格。碳在格。碳在

2、-Fe中的溶碳量較高，中的溶碳量較高，1148時時2.11%；1148時為時為0.77%。其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。其晶粒。其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。其晶粒呈多邊形，晶界較鐵素體平直。呈多邊形，晶界較鐵素體平直。 滲碳體（滲碳體（FeFe3 3C C）滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，碳含量是滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，碳含量是6.696.69，具，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。其硬度很高，塑性和韌性很差，有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。其硬度很高，塑性和韌性很差，、A Ak k接接近于零，脆性很大。近于零，脆性很大。珠光體（珠光體（P P） 奧珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。

3、是奧氏奧珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。是奧氏體冷卻時，在體冷卻時，在727727恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。顯微組織是恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。顯微組織是鐵素體與滲碳體片層狀交替排列。性能介于鐵素體和滲碳體之鐵素體與滲碳體片層狀交替排列。性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。萊氏體（萊氏體（LdLd或或LdLd）萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。是在萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。是在11481148恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，平均碳含量恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，平均碳含量4.3%4.3%。第二節(jié)第二節(jié) 鐵

4、碳合金相圖鐵碳合金相圖 A點(diǎn)點(diǎn)：純鐵的熔點(diǎn)，溫度：純鐵的熔點(diǎn)，溫度1538,W1538,Wc c=0=0 G點(diǎn)點(diǎn)：純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)，冷卻到：純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)，冷卻到912912時時, ,發(fā)發(fā)生生-F-Fe -F-Fe Q點(diǎn)點(diǎn)：600600時時, ,碳在碳在-Fe-Fe中的溶解度中的溶解度,Wc=0.0057%,Wc=0.0057% D點(diǎn)點(diǎn)：滲碳體熔點(diǎn)：滲碳體熔點(diǎn), ,溫度溫度1227,1227,Wc=6.69%Wc=6.69%一、主要特性點(diǎn)一、主要特性點(diǎn) C點(diǎn)點(diǎn)：共晶點(diǎn)，溫度：共晶點(diǎn)，溫度1148，Wc=4.3%，成分為，成分為C的液相，的液相，冷卻到此溫度時，發(fā)生共晶反應(yīng)：冷卻到此溫

5、度時，發(fā)生共晶反應(yīng)： E點(diǎn)點(diǎn)：碳在：碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度,溫度溫度1148，Wc=2.11% S點(diǎn)點(diǎn)：共析點(diǎn)，溫度：共析點(diǎn)，溫度727，Wc=0.77%，成分為，成分為S點(diǎn)的奧點(diǎn)的奧氏體，冷卻到此溫度時，發(fā)生共析反應(yīng)：氏體，冷卻到此溫度時，發(fā)生共析反應(yīng)： P點(diǎn)點(diǎn)：碳在：碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度,溫度溫度727, Wc=0.0218%LC AE + Fe3C1148AS FP + Fe3C727ABCD線線 液相線液相線，由各成分合金開始結(jié)晶溫度點(diǎn)所組成的線，鐵碳，由各成分合金開始結(jié)晶溫度點(diǎn)所組成的線，鐵碳合金在此線以上處于液相。合金在此線以上處于液相。AHJEC

6、F線線固相線固相線，由各成分合金結(jié)晶結(jié)束溫度點(diǎn)所組成的線。在此，由各成分合金結(jié)晶結(jié)束溫度點(diǎn)所組成的線。在此線以下，合金完成結(jié)晶，全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。線以下，合金完成結(jié)晶，全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。ECF水平線水平線共晶線共晶線，Wc2.11%的鐵碳合金，緩冷至該線的鐵碳合金，緩冷至該線1148時，時，均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成萊氏體。均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成萊氏體。二、特性線二、特性線 ES線線碳在碳在奧氏體奧氏體中的中的溶解度曲線溶解度曲線，通常稱為，通常稱為Acm線。碳在奧氏線。碳在奧氏體中最大溶解度是體中最大溶解度是E點(diǎn)（點(diǎn)（WC2.11），隨著溫度的降低，碳），隨著溫度的降低，碳在奧氏體中的溶解度減小，將

7、由奧氏體中析出在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出Fe3C。GS線線奧氏體冷卻時開始向奧氏體冷卻時開始向鐵素體轉(zhuǎn)變鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度線的溫度線,通常稱為通常稱為A3線。線。PSK水平線水平線共析線共析線，通常稱為，通常稱為A1線。奧氏體冷卻到共析線溫度線。奧氏體冷卻到共析線溫度727時，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體時，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體P，WC0.0218%的鐵碳合金的鐵碳合金均會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。均會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。GP線線0Wc0.0218%的鐵碳合金，緩冷時，由奧氏體中析出的鐵碳合金，緩冷時，由奧氏體中析出鐵素體的終了線。鐵素體的終了線。PQ線線碳在鐵素體中的溶解度曲線。在碳在鐵素體中的溶

8、解度曲線。在727時時,Wc=0.0218%，溶碳量最大，在溶碳量最大，在600時，時，Wc=0.0057%。在在727緩冷時，鐵素體隨著溫度降低，溶碳量減少，鐵緩冷時，鐵素體隨著溫度降低，溶碳量減少，鐵素體中多余的碳將以滲碳體（三次滲碳體素體中多余的碳將以滲碳體（三次滲碳體Fe3C）的形式析出。）的形式析出。一般情況下，忽略一般情況下，忽略Fe3C的存在。的存在。以上各特性線的含義，均是指合金緩慢冷卻過程中的相變。以上各特性線的含義，均是指合金緩慢冷卻過程中的相變。若是加熱過程，則相反。若是加熱過程，則相反。 單相區(qū)單相區(qū)有有、F、A、L和和Fe3C五個單相區(qū)五個單相區(qū)兩相區(qū)兩相區(qū)七個兩相區(qū)

9、：七個兩相區(qū)：LA區(qū)、區(qū)、L+Fe3C區(qū)、區(qū)、A+Fe3C區(qū)、區(qū)、AF區(qū)區(qū) 、F+Fe3C區(qū)、區(qū)、 L、 A 三相區(qū)三相區(qū)ECF共晶線是共晶線是L、A、Fe3C的三相共存線；的三相共存線；PSK共析線是共析線是A、F、Fe3C的三相共存線；的三相共存線；HJB包晶線是包晶線是、 L、A 的三相共存線；的三相共存線；三、相區(qū)三、相區(qū) 四、鐵碳合金的分類四、鐵碳合金的分類 亞共析鋼亞共析鋼共共 析析 鋼鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶鑄鐵亞共晶鑄鐵共晶鑄鐵共晶鑄鐵過共晶鑄鐵過共晶鑄鐵WWc c 0.020.02%0.0218% W Wc c 0.77% W Wc c= 0.77%0.77% W Wc c

10、2.11%2.11% W Wc c 4.3% W Wc c=4.3%4.3% W Wc c 0.9%時，脆性的二次滲碳體數(shù)量時，脆性的二次滲碳體數(shù)量也相應(yīng)增加，形成網(wǎng)狀分布，使其脆性增加，不僅使鋼的也相應(yīng)增加，形成網(wǎng)狀分布，使其脆性增加，不僅使鋼的塑性、韌性進(jìn)一步下降，而且強(qiáng)度也明顯下降。所以，工塑性、韌性進(jìn)一步下降，而且強(qiáng)度也明顯下降。所以，工業(yè)上使用鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為業(yè)上使用鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為WC=1.3%1.4%。 白口鑄鐵白口鑄鐵：特硬特脆，難以切削加工，因此很少應(yīng)用。但：特硬特脆，難以切削加工，因此很少應(yīng)用。但它耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于耐磨、不受沖擊、形它耐磨性好，鑄造性能

11、優(yōu)良，適用于耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件。此外，還用作生產(chǎn)可鍛鑄鐵的毛坯。狀復(fù)雜的鑄件。此外，還用作生產(chǎn)可鍛鑄鐵的毛坯。 4 相圖的實(shí)際應(yīng)用相圖的實(shí)際應(yīng)用 鑄造鑄造：共晶成分的合金，其凝固溫度間隔最小（為零），：共晶成分的合金，其凝固溫度間隔最?。榱悖柿鲃有院?，分散縮孔較小，有可能得到致密的鑄件。故流動性好，分散縮孔較小，有可能得到致密的鑄件。 鍛造鍛造：鋼材的鍛造或軋制應(yīng)選擇在具有單相奧氏體的溫度：鋼材的鍛造或軋制應(yīng)選擇在具有單相奧氏體的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，才能有較好的塑性范圍內(nèi)進(jìn)行，才能有較好的塑性 。 焊接焊接：焊接時在不同加熱區(qū)域會獲得不同的高溫組織，隨：焊接時在不同加熱區(qū)域會獲得

12、不同的高溫組織，隨后的冷卻也就可能出現(xiàn)不同組織與性能，這就需要在焊接后的冷卻也就可能出現(xiàn)不同組織與性能，這就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。后采用熱處理方法加以改善。 切削加工切削加工：生產(chǎn)中最常用的辦法之一是通過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚荷a(chǎn)中最常用的辦法之一是通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，改變材料的金相組織，使材料的切削加工性得到改工藝，改變材料的金相組織，使材料的切削加工性得到改善，其依據(jù)也是鐵碳相圖。善，其依據(jù)也是鐵碳相圖。5 碳鋼碳鋼1、生鐵的冶煉原料：鐵礦石燃料：焦炭熔劑：石灰石設(shè)備：高爐2、鋼的冶煉原料：生鐵、廢鋼燃料：焦炭熔劑：石灰石；氧化劑，脫氧劑設(shè)備：電弧爐鋼鐵材料的生產(chǎn)過程生鐵的冶煉鋼的

13、冶煉一、碳素鋼的分類：一、碳素鋼的分類： 按按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類分類: 低碳鋼低碳鋼: Wc 0.25% 中碳鋼中碳鋼: 0.25% Wc 0.6% 高碳鋼高碳鋼: Wc 0.6% 按按鋼的質(zhì)量鋼的質(zhì)量分類分類: 碳素鋼碳素鋼: Ws 0.055%，Wp 0.045% 優(yōu)質(zhì)碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼: Ws、 Wp 0.040% 1. 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼: Ws 0.030% ，Wp 0.035% 按鋼的按鋼的用途用途分類分類: 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 ：用于制造各種機(jī)械零件、工程構(gòu)件。一般為：用于制造各種機(jī)械零件、工程構(gòu)件。一般為低、中碳鋼。低、中碳鋼。 碳素工具鋼碳素工具鋼 ：用于

14、制造各種工具。一般為高碳鋼。：用于制造各種工具。一般為高碳鋼。 按按冶煉方法冶煉方法分類：分類： 鎮(zhèn)靜鋼：是鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進(jìn)行充分脫氧，鎮(zhèn)靜鋼：是鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進(jìn)行充分脫氧，注入模子后，鋼液不發(fā)生碳注入模子后，鋼液不發(fā)生碳氧反應(yīng)而處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)，故氧反應(yīng)而處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)，故稱鎮(zhèn)靜鋼。稱鎮(zhèn)靜鋼。 沸騰鋼：是在冶煉后期將鋼液用少量錳鐵輕度脫氧，鋼液沸騰鋼：是在冶煉后期將鋼液用少量錳鐵輕度脫氧，鋼液氧含量較高，注入錠模后發(fā)生碳氧含量較高，注入錠模后發(fā)生碳氧反應(yīng)，析出大量的氧反應(yīng)，析出大量的CO氣體，引起鋼液沸騰，故稱為沸騰鋼。氣體，引起鋼液沸騰，故稱為沸騰鋼。二、雜質(zhì)元素對鋼

15、性能的影響二、雜質(zhì)元素對鋼性能的影響 有益元素有益元素 Si 有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能脫氧。有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能脫氧。 Mn 脫氧、去硫，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。脫氧、去硫，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。有害元素有害元素: P 有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，低溫韌性差有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，低溫韌性差 ( 冷脆冷脆 )。 S 能引起鋼在熱加工時或高溫工作下開裂能引起鋼在熱加工時或高溫工作下開裂 ( 熱裂熱裂 )。三、碳素鋼的牌號三、碳素鋼的牌號 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼： Q+數(shù)字?jǐn)?shù)字，如，如Q235表示屈服點(diǎn)是表示屈服點(diǎn)是235MPa；Q235-AF,表示屈服點(diǎn)為表示屈服點(diǎn)為235的的A級沸騰鋼。級沸騰鋼

16、。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字表示鋼材中的平均含碳量的兩位數(shù)字表示鋼材中的平均含碳量的萬分萬分?jǐn)?shù)數(shù)，如，如20鋼表示平均含碳量為鋼表示平均含碳量為0.20%，15Mn表示鋼材中的含表示鋼材中的含錳量比較高錳量比較高 。 碳素工具鋼：數(shù)字表示鋼材中平均含碳量的碳素工具鋼：數(shù)字表示鋼材中平均含碳量的千分?jǐn)?shù)千分?jǐn)?shù), T10A表表示平均含碳量為示平均含碳量為1.0%，A表示高級優(yōu)質(zhì)鋼。表示高級優(yōu)質(zhì)鋼。四、碳鋼的應(yīng)用四、碳鋼的應(yīng)用 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼： Q195、Q215、Q235鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，焊接性能好，塑鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，焊接性能好，塑性、韌性好，有一定強(qiáng)度，常軋制成薄

17、板、鋼筋、焊接鋼性、韌性好，有一定強(qiáng)度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)和制造普通螺釘、螺母等零管等，用于橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)和制造普通螺釘、螺母等零件。件。1. Q255和和Q275鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍高，強(qiáng)度較高，塑性、韌鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍高，強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好，可進(jìn)行焊接，通常軋制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)性較好，可進(jìn)行焊接，通常軋制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造簡單機(jī)械的連桿、齒輪、聯(lián)軸節(jié)、稍等零件構(gòu)件以及制造簡單機(jī)械的連桿、齒輪、聯(lián)軸節(jié)、稍等零件 。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼： 08、08F、10、10F鋼，塑性、韌性好，具有優(yōu)良的冷成型鋼，塑性、韌性好，具有優(yōu)

18、良的冷成型性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車和拖拉機(jī)上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機(jī)駕駛室等；車和拖拉機(jī)上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機(jī)駕駛室等； 15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負(fù)荷較輕、表面要求耐鋼用于制作尺寸較小、負(fù)荷較輕、表面要求耐磨、心部強(qiáng)度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板等；磨、心部強(qiáng)度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板等； 30、35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理（淬火鋼經(jīng)熱處理（淬火+高溫回火）后具高溫回火）后具有良好的綜合力學(xué)性能，即具有較高的強(qiáng)度和較高的塑性、有良好的綜合力學(xué)性能，即具有較高的強(qiáng)度和較高

19、的塑性、韌性，用于制作軸類零件；韌性，用于制作軸類零件； 55、60、65鋼熱處理（淬火鋼熱處理（淬火+中溫回火）后具有高的彈性中溫回火）后具有高的彈性極限，常用作彈簧。極限，常用作彈簧。 碳素工具鋼碳素工具鋼 各牌號淬火后硬度相近，但隨含碳量的增加，鋼的耐磨性各牌號淬火后硬度相近，但隨含碳量的增加，鋼的耐磨性增加，韌性降低。增加，韌性降低。 T7、T8適于制作承受一定沖擊的工具，如鉗工、鑿子等；適于制作承受一定沖擊的工具，如鉗工、鑿子等； T9、T10、T11適于制作沖擊較小而硬度、耐磨性要求較高適于制作沖擊較小而硬度、耐磨性要求較高的小絲錐、鉆頭等；的小絲錐、鉆頭等； T12、T13則適于

20、制作耐磨但不承受沖擊的銼刀、刮刀等。則適于制作耐磨但不承受沖擊的銼刀、刮刀等。 五、五、 合金鋼的編號、用途合金鋼的編號、用途 合金鋼的編號采用：合金鋼的編號采用：數(shù)字?jǐn)?shù)字(或符號或符號)+化學(xué)元素化學(xué)元素+ 數(shù)字?jǐn)?shù)字 A 的方法。前面數(shù)字表示含碳量，后面數(shù)字表示合金含量的方法。前面數(shù)字表示含碳量，后面數(shù)字表示合金含量 %。 1.合金結(jié)構(gòu)鋼和彈簧鋼的編號：合金結(jié)構(gòu)鋼和彈簧鋼的編號：含碳量以百分之幾表示，合金元素含碳量以百分之幾表示，合金元素 1.5%、2.5%、3.5%相應(yīng)的以相應(yīng)的以2、3、4表表示。示。如：如：a )低合金鋼低合金鋼(GB1591-88) 16Mn C:0.120.20%

21、Mn:1.201.60% 15MnV C:0.120.18% Mn:1.201.60%V:0.040.12% b )合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼(GB3077-88) 30CrMnSi C:0.270.34% Cr:0.801.10% Mn:0.801.10% Si:0.901.20% 38CrMoAl C:0.350.42% Mo:0.150.25% Al:0.701.10%35CrMo: C: 0.320.40% Cr: 0.801.10% Mo:0.150.25% 40Cr C: 0.370.44% Cr: 0.801.10% 20SiMn2MoV C: 0.170.23% Si: 0.901.

22、20% Mn:2.202.60% V:0.500.12% c ) 彈簧鋼彈簧鋼 60Si2Mn: C: 0.460.54% Si: 1.502.00% Mn: 0.600.90% 50CrVA: C:0.460.54%Cr:0.801.10%V:0.100.20%2.合金工具鋼、高速工具鋼、滾動軸承鋼的編號：合金工具鋼、高速工具鋼、滾動軸承鋼的編號： 平均含碳量平均含碳量 1.00%時，數(shù)字不標(biāo)注；時，數(shù)字不標(biāo)注； 1.00%時，數(shù)字時，數(shù)字以千分之幾表示牌號前以千分之幾表示牌號前“G”表示表示“滾動滾動”軸承鋼、合金元軸承鋼、合金元素表示固相素表示固相。 a )合金工具鋼合金工具鋼(GB1299-85) 量具、刃具鋼：量具、刃具鋼： 9SiCr C:0.850.95% Si:1.201.60% Cr:0.951.25%冷作模具鋼：冷作模具鋼： Cr12 C:2.002.30% Cr:11.513.00 9Mn2V C:0.850.95% Mn:1.702.00 V:0.100.25% 熱作模具鋼：熱作模具鋼： 5CrMnMo C:0.500.60% Mn:1.201.60% Cr:0.600.90% Mo:0.150.30