工程材料第五章鐵碳合金

1、第五章第五章 鐵碳合金鐵碳合金(相圖及碳素鋼相圖及碳素鋼)第一節(jié)第一節(jié) 鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與性能鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)與性能鐵是具有同素異構(gòu)性的金屬鐵是具有同素異構(gòu)性的金屬-F體（液體（L）-Fe-Fe時間時間1538以上為液體，以上為液體，L1538-1394 具有體心立方晶格，具有體心立方晶格，-Fe1394-912 具有面心立方晶格具有面心立方晶格, -Fe912 以下具有體心立方晶格，以下具有體心立方晶格， -Fe同素異晶轉(zhuǎn)變：同素異晶轉(zhuǎn)變：晶格類型隨溫度改變而改變的現(xiàn)象。晶格類型隨溫度改變而改變的現(xiàn)象。重結(jié)晶：重結(jié)晶：固態(tài)下晶格類型的轉(zhuǎn)變，亦存在生核和長大的過程。固

2、態(tài)下晶格類型的轉(zhuǎn)變，亦存在生核和長大的過程。純鐵的力學(xué)性能：純鐵的力學(xué)性能：b=250MPa =50% 80HB ，軟而韌。軟而韌。1 液相液相 （L）：）：2 鐵素體（鐵素體（F）：）：3 奧氏體（奧氏體（A）：）：4 滲碳體（滲碳體（Fe3C）:高溫下，碳均勻地溶解在鐵水中，用高溫下，碳均勻地溶解在鐵水中，用L表示。表示。碳溶于碳溶于-Fe所形成的間隙固溶體，其結(jié)構(gòu)為體心所形成的間隙固溶體，其結(jié)構(gòu)為體心立方晶格。在立方晶格。在727有最大的溶解度有最大的溶解度0.0218%，室，室溫下的溶解度僅為溫下的溶解度僅為0.0008%，是一種，是一種軟而韌軟而韌的相。的相。碳溶于碳溶于-Fe所形成

3、的間隙固溶體，結(jié)構(gòu)為面心立方晶所形成的間隙固溶體，結(jié)構(gòu)為面心立方晶格。在格。在1148時有最大的溶解度時有最大的溶解度2.11%，在，在727時時其溶碳量下降到其溶碳量下降到0.77%。也是一種。也是一種軟而韌軟而韌的相。的相。鐵和碳的一種較穩(wěn)定的化合物，鐵和碳的一種較穩(wěn)定的化合物，WWC C=6.69% =6.69% 滲碳體具有較復(fù)雜的晶滲碳體具有較復(fù)雜的晶格格在一定的條件下，它可以分解：在一定的條件下，它可以分解：FeFe3 3C-F+GC-F+G（石墨）。（石墨）。滲碳體的力學(xué)性能：滲碳體的力學(xué)性能：=0% 800HB=0% 800HB是一種是一種硬而脆硬而脆的相。的相。5 固溶體固溶體

4、（）：碳溶于碳溶于-Fe所形成的間隙固溶體所形成的間隙固溶體 存在于很小的高溫區(qū)間存在于很小的高溫區(qū)間1 珠光體（珠光體（P）：）： Wc = 4.3 %由由F與與Fe3C相間排列而形成的機械混合物，相間排列而形成的機械混合物，b b=800MPa =20 =800MPa =20 25% 180HB 25% 180HB，綜合力學(xué)性能好綜合力學(xué)性能好。高溫下是高溫下是A與與Fe3C組成的機械混合物，組成的機械混合物， 727727以下則是由以下則是由P P與與Fe3C組成的機械混合五物物組成的機械混合五物物性能硬而脆，性能硬而脆，700HB =0%700HB =0%。鐵碳合金中的機械混合物鐵碳合

5、金中的機械混合物：2 萊氏體（萊氏體（Ld）：）： Wc = 4.3 %機械混合物：兩個或兩個以上相混合而成，有確定成分和形機械混合物：兩個或兩個以上相混合而成，有確定成分和形 成溫度，有明顯形態(tài)。成溫度，有明顯形態(tài)。顯微組織：在顯微鏡下觀察到的晶粒的大小、形態(tài)、分布。顯微組織：在顯微鏡下觀察到的晶粒的大小、形態(tài)、分布。分析顯微組織時要注意區(qū)別相組成物和組織組成物。分析顯微組織時要注意區(qū)別相組成物和組織組成物。相組成物：構(gòu)成顯微組織的基本相，它有確定的成分和結(jié)構(gòu)，相組成物：構(gòu)成顯微組織的基本相，它有確定的成分和結(jié)構(gòu)， 但沒有形態(tài)的概念。例但沒有形態(tài)的概念。例 Fe3C組織組成物：指在相變過程中

6、形成的、有清晰的輪廓、在顯微組織組成物：指在相變過程中形成的、有清晰的輪廓、在顯微 鏡下能清楚區(qū)別開來的組成部分。例鏡下能清楚區(qū)別開來的組成部分。例 P、Fe3C 標注相圖中的相區(qū)，可以按相組成物標注，也可以按組織標注相圖中的相區(qū)，可以按相組成物標注，也可以按組織 組成物標注。組成物標注。 按組織組成物標注相區(qū)，相圖上表明的組織與顯微鏡下觀察按組織組成物標注相區(qū)，相圖上表明的組織與顯微鏡下觀察到的顯微組織能互相對應(yīng)，便于了解任一成分的合金在任一溫到的顯微組織能互相對應(yīng)，便于了解任一成分的合金在任一溫度下的組織狀態(tài)及溫度變化時組織的變化規(guī)律。度下的組織狀態(tài)及溫度變化時組織的變化規(guī)律。第二節(jié)第二節(jié)

7、 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖一一 相圖分析相圖分析鐵碳合金分類：鐵碳合金分類： 工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵：WWC0.0218% 碳素鋼：碳素鋼：0.02%WWC 2.11% 白口鐵：白口鐵：WWC2.11% 特性線、點的含義特性線、點的含義ABCD線線：液相線液相線L4.3 A+Fe3C 1148共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：ECF線線：共晶轉(zhuǎn)變線：共晶轉(zhuǎn)變線C點點 ：共晶點：共晶點AHJECF線線：固相線：固相線共晶體共晶體 Ld共晶鐵：共晶鐵：4.3%亞共晶鐵：亞共晶鐵：2.11%4.3%過共晶鐵：過共晶鐵：4.3%6.69%ES線線：碳在碳在A體中的溶解度曲線體中的溶解度曲線GS線線：共析反應(yīng)：共析反應(yīng)：

8、S共析點：共析點：PSK線線：共析轉(zhuǎn)變線，：共析轉(zhuǎn)變線， 所在溫度所在溫度727A Fe3CA F727A0.77 F+Fe3C 鐵素體的開始析出線鐵素體的開始析出線共析體共析體 PHJB線線：包晶轉(zhuǎn)變線：包晶轉(zhuǎn)變線PQ線線：碳在鐵素體中的溶解度曲線。：碳在鐵素體中的溶解度曲線。特性點特性點 表表 5 - 1LB +H AJ1495簡化的鐵碳合金相圖簡化的鐵碳合金相圖二二 典型合金的結(jié)晶過程典型合金的結(jié)晶過程鐵碳合金分類：鐵碳合金分類： 工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵：WWC0.0218% 碳素鋼：碳素鋼：0.02%WWC 2.11% 白口鐵：白口鐵： 2.11% WWC6.69%亞共析鋼：亞共析鋼：0.

9、0218%0.77%共析鋼：共析鋼：0,77%過共析鋼：過共析鋼：0.77%2.11%亞共晶白口鐵：亞共晶白口鐵：2.11%4.3%共晶白口鐵：共晶白口鐵：4.3%過晶白口鐵：過晶白口鐵：4.3%6.69%（一）共析鋼的結(jié)晶過程分析（一）共析鋼的結(jié)晶過程分析pPF（二）亞共析鋼的結(jié)晶過程分析（二）亞共析鋼的結(jié)晶過程分析計算計算C = 0.4%亞共析鋼室溫組織中亞共析鋼室溫組織中P和和F的相對重量：的相對重量：P = 0.4 / 0.77100% 52%F = 48%亞共析鋼常溫下組織是亞共析鋼常溫下組織是 P+F 的。的。碳碳PF 強度、硬度強度、硬度，塑性、韌性塑性、韌性P+Fe3C（二）過

10、共析鋼的結(jié)晶過程分析（二）過共析鋼的結(jié)晶過程分析過共析鋼的常溫組織是過共析鋼的常溫組織是 P+Fe3C。 碳碳 Fe3C P 硬度硬度 塑性、韌性塑性、韌性 ，b 含碳量為含碳量為1%的過共析鋼中的過共析鋼中Fe3C和和P相對重量為：相對重量為：Fe3C =（10.77）/（6.690.77）100% 3.9%P = 1 3.9% 96.1%過共析鋼中二次過共析鋼中二次Fe3C最多可達多少？最多可達多少？Fe3C=（2.110.77）/（6.690.77）100% 22.6%LdLd（四）共晶（四）共晶 白口鑄鐵結(jié)晶過程分析白口鑄鐵結(jié)晶過程分析A+Fe3C+LdLdP+Fe3C+（五）亞共晶（

11、五）亞共晶 白口鑄鐵結(jié)晶過程分析白口鑄鐵結(jié)晶過程分析Ld+Fe3CLd+Fe3C（六）過共晶（六）過共晶 白口鑄鐵結(jié)晶過程分析白口鑄鐵結(jié)晶過程分析二二 典型合金的結(jié)晶過程典型合金的結(jié)晶過程鐵碳合金分類：鐵碳合金分類： 工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵：WWC0.0218% 碳素鋼：碳素鋼：0.02%WWC 2.11% 白口鐵：白口鐵： 2.11% WWC6.69%亞共析鋼：亞共析鋼：0.0218%0.77%共析鋼：共析鋼：0,77%過共析鋼：過共析鋼：0.77%2.11%亞共晶白口鐵：亞共晶白口鐵：2.11%4.3%共晶白口鐵：共晶白口鐵：4.3%過晶白口鐵：過晶白口鐵：4.3%6.69%（一）（一）共析鋼

12、（共析鋼（wwc= 0.77%）123溫度溫度 結(jié)晶情況結(jié)晶情況 組織組織Tt1 沒有結(jié)晶沒有結(jié)晶 L體體T= t1 開始結(jié)晶開始結(jié)晶 L+At1t2 繼續(xù)結(jié)晶繼續(xù)結(jié)晶 L AT=t2 結(jié)晶結(jié)束結(jié)晶結(jié)束 A體體t2t3 組織不變組織不變 A體體727T=t3 A0.77 F+Fe3C P體體T t3 組織基本不變組織基本不變 P體體常溫下組織全部是常溫下組織全部是P體的鋼叫共析鋼。體的鋼叫共析鋼。共析鋼的共析鋼的WWC=0.77%（二）（二） 亞共析鋼亞共析鋼（wwc=0.45%鋼鋼）123溫度溫度 結(jié)晶情況結(jié)晶情況 組織組織Tt1 沒有結(jié)晶沒有結(jié)晶 L體體T= t1 開始結(jié)晶開始結(jié)晶 L+A

13、t1t2 繼續(xù)結(jié)晶繼續(xù)結(jié)晶 L AT=t2 結(jié)晶結(jié)束結(jié)晶結(jié)束 A體體t2t3 組織不變組織不變 A體體727T=t4 A0.77 P P+FT t4 組織基本不變組織基本不變 P+F4T=t3 A F A+F開始析出開始析出t3t4 A F A F 繼續(xù)析出繼續(xù)析出亞共析鋼常溫下組織是亞共析鋼常溫下組織是 P+F 的。的。P+F碳碳PF 強度、硬度強度、硬度塑性、韌性塑性、韌性（三）（三）過共析鋼過共析鋼（WWc0.77%）1234P+F過共析鋼的常溫組織是過共析鋼的常溫組織是 P+Fe3C。溫度溫度 結(jié)晶情況結(jié)晶情況 組織組織Tt1 沒有結(jié)晶沒有結(jié)晶 L體體T= t1 開始結(jié)晶開始結(jié)晶 L+

14、At1t2 繼續(xù)結(jié)晶繼續(xù)結(jié)晶 L AT=t2 結(jié)晶結(jié)束結(jié)晶結(jié)束 A體體t2t3 組織不變組織不變 A體體727T=t4 A0.77 P P+Fe3C T t4 組織基本不變組織基本不變 P+Fe3CT=t3 A Fe3C A+Fe3C開始析出開始析出t3t4 A F e3C A F e3C 繼續(xù)析出繼續(xù)析出P+Fe3C 碳碳 Fe3C P 硬度硬度 塑性、韌性塑性、韌性 L+Fe3C1148 727 （四）共晶（四）共晶 白口鑄鐵結(jié)晶過程分析白口鑄鐵結(jié)晶過程分析Ld1148 共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變 Ld（A2.11% Fe3C）T 從從A中析出中析出 Fe3C727 A0.77% P Ld （P F

15、e3C）室溫：室溫： Ld LdL+Fe3CLd1148 727 Ld（五）亞共晶（五）亞共晶 白口鑄鐵結(jié)晶過程分析白口鑄鐵結(jié)晶過程分析A+Fe3C+LdLdP+Fe3C+液相線液相線 1148： LA ； T1148： A2.11% L4.3% L4.3% Ld T 從從 A 析出析出 Fe3C1148 727 ：AFe3CLdLd Ld P Fe3C LdT727 A0.77% P（六）（六） 過白口鑄鐵過白口鑄鐵（W W c2.11%的鐵碳合金）的鐵碳合金）的分類和組織的分類和組織液相線液相線 1148： L Fe3CT1148： L4.3% L4.3% LdT727 Ld Ld 室溫組

16、織：室溫組織： Ld Fe3C1148 727 ：Fe3C LdL+Fe3CLdA+Fe3C+LdLdP+Fe3C+LdLd+Fe3CLd+Fe3C1148 727 三三 鐵碳合金相圖的兩種形式鐵碳合金相圖的兩種形式1 組織組成物填充相圖各區(qū)組織組成物填充相圖各區(qū)Ld（AFe3C）P（F+Fe3C）Ld （P Fe3C）L+Fe3CLdA+Fe3C+LdLdP+Fe3C+LdLd+Fe3CLd+Fe3C組織組成物有清晰的輪廓。按組織組成物標注相區(qū)，相圖上的組織與顯組織組成物有清晰的輪廓。按組織組成物標注相區(qū)，相圖上的組織與顯微鏡下觀察到的顯微組織能互相對應(yīng)，便于了解任一成分的合金在任一微鏡下觀

17、察到的顯微組織能互相對應(yīng)，便于了解任一成分的合金在任一溫度下的組織狀態(tài)及溫度變化時組織的變化規(guī)律。溫度下的組織狀態(tài)及溫度變化時組織的變化規(guī)律。2 相組成物填充相圖各區(qū)相組成物填充相圖各區(qū)（一）（一） 鋼和白口鐵中各相相對重量可以利用杠桿定律計算鋼和白口鐵中各相相對重量可以利用杠桿定律計算共析鋼中共析鋼中F和和Fe3C的相對重量：的相對重量：F =（6.690.77）/6.69100% 88%Fe3C = 1 88% 12%杠桿定律可以推廣，用于計算各基本組織的相對重量杠桿定律可以推廣，用于計算各基本組織的相對重量含碳量為含碳量為1%的過共析鋼中的過共析鋼中Fe3C和和P相對重量為：相對重量為：

18、Fe3C =（10.77）/（6.690.77）100% 3.9%P = 1 3.9% 96.1%四四 鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系鐵碳合金的成分與性能的關(guān)系成分成分、組織組織 性能性能過共析鋼中二次過共析鋼中二次Fe3C最多可達多少？最多可達多少？Fe3C=（2.110.77）/（6.690.77）100% 22.6%組織組成物相對量（組織組成物相對量（%）相組成物相對量（相組成物相對量（%）（二二） 鐵碳合金的相組成物和組織組成物的相對量鐵碳合金的相組成物和組織組成物的相對量22.6%2、鑄造方面：、鑄造方面：確定合適的澆注溫度確定合適的澆注溫度（液相線以上（液相線以上50100），估算鑄造

19、性能。估算鑄造性能。3、鍛造方面：確定始鍛溫度和終鍛溫度。、鍛造方面：確定始鍛溫度和終鍛溫度。4、焊接方面：估計焊后組織。、焊接方面：估計焊后組織。 5、鋼的熱處理。、鋼的熱處理。C HB ak 亞共析鋼中：亞共析鋼中：C b過共析鋼中過共析鋼中: C b （三）含碳量對力學(xué)性能的影響（三）含碳量對力學(xué)性能的影響1確定材料的含碳量與力學(xué)性能之間的關(guān)系確定材料的含碳量與力學(xué)性能之間的關(guān)系 正確選擇材料。正確選擇材料。（四）鐵碳合金相圖在生產(chǎn)中的應(yīng)用（四）鐵碳合金相圖在生產(chǎn)中的應(yīng)用第三節(jié)第三節(jié) 碳素鋼碳素鋼W W c2.11%的鐵碳合金，并含有的鐵碳合金，并含有Si、Mn、S、P等雜質(zhì)元素。等雜質(zhì)

20、元素。一一 常存元素對鋼性能的影響常存元素對鋼性能的影響1 碳（碳（C）：）：C HB ak亞共析鋼中：亞共析鋼中：C b過共析鋼中過共析鋼中: C b2 錳（錳（Mn）:消除硫?qū)︿摰挠泻ψ饔?。消除硫?qū)︿摰挠泻ψ饔?。溶于溶于F體體Fe3C ，提高鋼的強度和硬度；，提高鋼的強度和硬度；錳在碳鋼的含量為錳在碳鋼的含量為0.250.80%。3 硅（硅（Si）：）：能溶于鐵素體，提高其強度；硅在碳鋼的含量為能溶于鐵素體，提高其強度；硅在碳鋼的含量為0.40%。4 硫（硫（S）：）：在鋼中與在鋼中與Fe化合形成化合形成FeS,而而FeS與與Fe形成低熔點共晶形成低熔點共晶體，導(dǎo)致鋼的熱脆性。鋼中的含硫量

21、小于體，導(dǎo)致鋼的熱脆性。鋼中的含硫量小于0.05%。5 磷（磷（P）：）：P能固溶于能固溶于F體，使鋼的強度、硬度提高，但鋼的塑性和韌性體，使鋼的強度、硬度提高，但鋼的塑性和韌性大大下降，導(dǎo)致鋼的冷脆性。其含量控制在大大下降，導(dǎo)致鋼的冷脆性。其含量控制在0.045%以下。以下。HBSbA k W W c0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4二二 碳素鋼的分類碳素鋼的分類（一）按鋼的含碳量分類（一）按鋼的含碳量分類（二）按鋼的質(zhì)量分類（二）按鋼的質(zhì)量分類（三）按鋼的用途分類（三）按鋼的用途分類W W c0.25%0.25% W W c0.60%W W c0.60%低碳鋼：低碳

22、鋼：中碳鋼：中碳鋼：高碳鋼高碳鋼：普通鋼：普通鋼：優(yōu)質(zhì)鋼：優(yōu)質(zhì)鋼：高級優(yōu)質(zhì)鋼：高級優(yōu)質(zhì)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼碳素工具鋼wws s0.055%0.055% wwP P 0.045%0.045%wws s0.04%0.04% wwP P 0.04%0.04%wws s0.03%0.03% wwP P 0.035%0.035%：低、中碳鋼低、中碳鋼：高碳鋼高碳鋼三三 碳鋼的編號和用途碳鋼的編號和用途 碳素鋼碳素鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼碳素工具鋼優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼：優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼：高級優(yōu)質(zhì)工具鋼：高級優(yōu)質(zhì)工具鋼：Q195 Q215 Q235 Q255 Q27

23、510 15 20 2545； 35A表示表示高級高級優(yōu)質(zhì)碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，素結(jié)構(gòu)鋼， wc=0.35%T7 T8 T9 T13T7A T8AT13A 碳素結(jié)構(gòu)鋼以屈服強度命名，牌號表示方法碳素結(jié)構(gòu)鋼以屈服強度命名，牌號表示方法 ：Q s min質(zhì)量等級質(zhì)量等級脫氧程度符號脫氧程度符號例：例：Q235AF：鋼的鋼的s235MPa的的A級沸騰鋼級沸騰鋼 （一）碳素結(jié)構(gòu)鋼（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼工程用鋼，在熱軋工程用鋼，在熱軋、正火狀態(tài)使用正火狀態(tài)使用，一般不需要熱一般不需要熱處理，供應(yīng)時保證力學(xué)性能處理，供應(yīng)時保證力學(xué)性能。應(yīng)用：應(yīng)用：P58Q195、Q215A、Q215B： 塑性較好，有一定強度。通常

24、軋制成薄板塑性較好，有一定強度。通常軋制成薄板、 鋼筋鋼筋、鋼管鋼管、型鋼等，或制造鉚釘型鋼等，或制造鉚釘、螺釘螺釘、 軸套軸套、銷銷、拉桿拉桿、沖壓件等。沖壓件等。Q235A、Q235B、Q235C、Q235D： 強度較高，制造轉(zhuǎn)軸強度較高，制造轉(zhuǎn)軸、心軸心軸、拉桿拉桿、吊鉤等。吊鉤等。 Q255A、Q255B、Q275： 強度較高。制造軋輥強度較高。制造軋輥、主軸主軸、摩擦離合器摩擦離合器、 剎車鋼帶等。剎車鋼帶等。（二二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼： 牌號表示方法牌號表示方法 ：二位二位數(shù)字數(shù)字：鋼中碳含量的萬分之幾，例鋼中碳含量的萬分之幾，例45鋼，鋼，wc=0.45% 二位二位數(shù)字后加數(shù)字后加 “A” 表示表示高級高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，例例35A鋼鋼，