工程材料---第五章鐵碳合金

1、第第 五五 章章 鐵鐵 碳碳 合合 金金 概概 述述一、一、Fe-CFe-C合金在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位和作用合金在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位和作用二、我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過程和概況二、我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)過程和概況1、煉鐵2、煉鋼3、我國(guó)鋼鐵發(fā)展簡(jiǎn)史高爐煉鐵生鐵煉鋼電爐平爐轉(zhuǎn)爐軋成型材鍛機(jī)加工成零件重熔鑄鐵 鑄鐵件三、研究三、研究Fe-CFe-C合金的基本思路和主要工具合金的基本思路和主要工具工藝成分組織性能應(yīng)用2、主要工具 Fe-C相圖相圖 3、重點(diǎn)內(nèi)容 Fe-C相圖、鋼的相和組織組成、性能相圖、鋼的相和組織組成、性能1、研究思路第一節(jié)第一節(jié) 鐵碳（鐵碳（Fe-CFe-C）合金相圖）合金相圖 碳在鐵碳合金中有三種

2、存在形式： 間隙固溶體間隙固溶體 、化合物化合物、游離態(tài)石墨游離態(tài)石墨 ?！綟e - C相圖介紹】：Fe - C相圖分析：. Fe - C 形成的化合物；Fe3C、Fe2C、FeC. Fe - C相圖是具有多種化合物的相圖 .Fe-C相圖由多個(gè)二元相圖構(gòu)成 4. Fe - Fe3C相圖是我們研究的重點(diǎn)一、一、FeFeFeFe3 3C C相圖相圖二、二、 Fe- FeFe- Fe3 3C C相圖組元的性能與相的類型相圖組元的性能與相的類型、 純鐵 Fe 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變:3、滲碳體( Fe3C 、 Cm)-Fe bcc-Fe fcc-Fe bcc13949122、單相固溶體 高溫鐵素體（相） 奧氏體

3、（相、A） 鐵素體（相、F）bccbccfcc 1、邊垂線（對(duì)應(yīng)Fe 和Fe3C ） 2、單相區(qū) ： 、Fe3C3、雙相區(qū) ： （L、 ） 、 L、 LFe3C 、Fe3C、Fe3C 4、三相區(qū)：S點(diǎn)、C點(diǎn) 5、重要的線GSE線、PSK線和ECF線 6、重要的點(diǎn)C點(diǎn)、E點(diǎn)和S點(diǎn) 、Fe3C三、三、FeFeFeFe3 3C C相圖分析相圖分析四、四、FeFeC C合金室溫下基本相和組織、性能合金室溫下基本相和組織、性能 1、相和組織、相和組織成分晶格性能特點(diǎn)Fbcc塑性好，強(qiáng)度低Afcc塑性好，強(qiáng)度低Cm6.69%硬脆，強(qiáng)度低P0.77%組織強(qiáng)度高，較高的塑、韌性2、性能對(duì)比：、性能對(duì)比： b

4、PF、ACm HB CmPF、A Ak、 A、FPCm第二節(jié)第二節(jié) 典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程一、鐵碳合金的一般分類一、鐵碳合金的一般分類 1、工業(yè)純鐵 (0.0218% C ) 組織為 F 體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶白口共晶白口過共晶白口重點(diǎn)重點(diǎn)3、白口鑄鐵(2.11%C6.69%) 2、鋼 (0.02182.11% C )C: 0.02180.77C: 0.77C: 0.772.11二、典型成分合金的結(jié)晶過程及室溫組織二、典型成分合金的結(jié)晶過程及室溫組織 （一）（一）工業(yè)純鐵( 0.0218%C )工業(yè)純鐵組織金相圖工業(yè)純鐵組織金相圖室溫下相組成：F+Fe3

5、C 組織組成：F+Fe3C（二）共析鋼（二）共析鋼(C=0.77%)(C=0.77%)【P體】是由 F 體和Cm體兩相組成的片狀交替機(jī)械混合物。轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變室溫組織：珠光體室溫組織：珠光體 ( P )共析鋼金相共析鋼金相組織組織圖圖（三）亞共析鋼（三）亞共析鋼(0.0218%C0.77%)(0.0218%C0.77%) （以含0.4%C的鐵碳合金為例） 轉(zhuǎn)變特點(diǎn)： 勻晶固溶共析 室溫組織：（FP） 或（P） 相組成物：（Fe3C） 組織組成物（先析P） 相、組織計(jì)算：亞共析鋼組織金相圖亞共析鋼組織金相圖（四）過共析鋼（四）過共析鋼(0.77%C 2.11

6、%)(0.77%C 2.11%) （以含1.2%C的鐵碳合金為例） 轉(zhuǎn)變特點(diǎn)：勻晶固溶共析 相組成物：（F + Fe3C） 組織組成物（Fe3CII + P） 相、組織組成物相對(duì)重量： Fe3CII(%) = (1.2-0.77)/(6.69-0.77) 100% P(%) =1- Fe3CII(%) 過共析鋼組織金相圖過共析鋼組織金相圖小結(jié): 鋼的組織特征(a) 鐵素體(F+Fe3C) 500(c) 珠光體(P)500(b) 鐵素體+珠光體(P+F)500d) 珠光體+二次滲碳體(P+Fe3C)5000.01%C0.45%C0.77%C1.2%C （五）共晶白口鑄鐵（五）共晶白口鑄鐵（C%=

7、4.3%C%=4.3%） 轉(zhuǎn)變特點(diǎn)： 共晶+固溶+共析 轉(zhuǎn)變過程：如圖5-13示 室溫組織： Le = （P+ Fe3C ） 注意：Le的組成相還是（F+Fe3C）共晶白口鐵組織金相圖（六）亞共晶白口鑄鐵（略（六）亞共晶白口鑄鐵（略）（七）過共晶白口鑄鐵（略（七）過共晶白口鑄鐵（略） 總結(jié)總結(jié): Fe-C合金的相組成和組織組成合金的相組成和組織組成三、成分（三、成分（C%C%）與相、）與相、組織、性能（退火碳組織、性能（退火碳鋼）關(guān)系鋼）關(guān)系1.1.成分（成分（C%C%）與相、組織）與相、組織2.成分與性能成分與性能1) HB：取決于組成相或組織組成物的硬度和相對(duì)量. 通常C Cm HB C

8、0.9%以后C 0.9% 時(shí).3) Ak: C Cm F ak 4) 亞共析鋼性能估算2)b四、相圖應(yīng)用四、相圖應(yīng)用 1、合理選材的依據(jù)； 2、確定鑄造溫度的依據(jù)； 3、確定鍛、軋溫度的依據(jù)； 4、確定熱處理溫度的依據(jù)。五、五、Fe-C相圖的局限性相圖的局限性1、Fe-Fe3C相圖反映了平衡相，而不是組織；2、Fe-Fe3C相圖是二元合金平衡狀態(tài)圖；3、Fe-Fe3C相圖平衡條件下的狀態(tài)圖；第三節(jié)第三節(jié) 碳碳 鋼鋼成分特點(diǎn):(Fe、C)+雜質(zhì)元素(Si、Mn、S、P、O、N等)一、雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能影響一、雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能影響 鋼中的雜質(zhì)一般是指Mn、Si、P、S。是由原料帶入或脫氧殘留的元素。

9、 1 1、MnMn ：含量為0.250.8, 是有益元素有益元素。作用為：1) 強(qiáng)化鐵素體； 2) 脫氧、脫硫降低鋼的脆性： 消除硫的有害作用, FeS+Mn=(MnS)+Fe 脫氧, FeO+Mn=(MnO)+Fe 1）強(qiáng)化鐵素體； 2）脫氧，Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe 3）增加鋼液流動(dòng)性。 3 3、S S：一般是有害元素。：一般是有害元素。2、Si： 0.5%時(shí)為雜質(zhì)，是有益元素。作用為：時(shí)為雜質(zhì)，是有益元素。作用為： 合金晶界的低熔點(diǎn)硫化物共晶合金晶界的低熔點(diǎn)硫化物共晶常以FeS形式存在。FeS分布在在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶,引起鋼的熱脆性.一般鋼中的硫應(yīng)控制在0.045%以

10、下。有易作用: 易切削鋼中含有較高的硫.Fe+FeS985L Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔點(diǎn)高(1600)。 4 4、P P：一般是有害元素。：一般是有害元素。 溶入鐵素體，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。 P一般控制在0.045%以下.有易作用: 1)提高在大氣中的耐腐蝕性能; 2)炮彈用鋼加磷,提高殺傷力.鋼中的鋼中的MnS夾雜夾雜比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因磷高產(chǎn)生比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因磷高產(chǎn)生冷脆性于冷脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中年冬發(fā)生斷裂墜入河中 5 5、氣體元素、氣體元素 N N：室溫下N在鐵素體中溶解度很低，鋼

11、中過飽和N在常溫放置過程中以FeN、Fe4N形式析出使鋼變脆, 稱時(shí)效脆化。 加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除時(shí)效傾向。 O O：氧在鋼中以氧化物的形式存在，其與基體結(jié)合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源。鋼中鋼中TiN夾雜夾雜鋼中氧化物夾雜鋼中氧化物夾雜 H H：常溫下氫在鋼中的溶解度也很低。當(dāng)氫在鋼中以原子態(tài)溶解時(shí)，降低韌性，引起氫脆氫脆。 當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點(diǎn)白點(diǎn)或發(fā)裂發(fā)裂。二、碳鋼分類二、碳鋼分類 1、按碳含量分：低碳鋼C0.25%中碳鋼0.25C0.6% 2、按冶金質(zhì)量分： (按S、P含量分)普通碳素鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素

12、鋼(A)3、按用途分：碳素結(jié)構(gòu)鋼工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件碳素工具鋼用于制造各種工具 4、按冶煉方法分：平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼S0.055%, P0.045%S0.040%, P0.040%S0.030%, P0.035% 鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼 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)生碳氧反應(yīng)而處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)。 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)生碳氧反應(yīng)，析出大量的CO氣體，引起鋼液沸騰。四、碳鋼的牌號(hào)（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 1、老牌號(hào) 甲類鋼：A1 A7 乙類鋼：B1 B7 特類鋼：C2 C5 2、新牌號(hào)例：Q 235 A F屈屈服強(qiáng)度脫氧方式質(zhì)量

13、等級(jí)表表3-2 3-2 碳素結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能碳素結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能(GB/T700-1988)(GB/T700-1988)牌牌號(hào)號(hào)等等級(jí)級(jí)拉拉 伸伸 試試 驗(yàn)驗(yàn)沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) s ，MPa抗拉抗拉強(qiáng)度強(qiáng)度 b b / /MPa伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 s , , %溫度溫度V V型沖型沖擊功擊功( (縱向縱向) )J鋼材厚度鋼材厚度( (直徑直徑) )，mm鋼材厚度鋼材厚度( (直徑直徑),), mm164060100150150164060100150150不小于不小于不小于不小于不小于不小于Q195195315-39033Q215A/B215195175165335-41031292726

14、/20/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221/200/-20/27Q255A/B255235215205410-51024222019/20/27Q275275255235225490-61020181615用途用途鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。 多邊型角鋼多邊型角鋼螺釘、鉚釘螺釘、鉚釘鋼筋、螺紋鋼鋼筋、螺紋鋼建筑構(gòu)件鋼橋梁 （二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 保證成分和性能 以萬(wàn)分之一碳量萬(wàn)分之一碳量為單位的數(shù)字表示牌號(hào) 表示平均含碳量為0.4的如如40Mn表示 較高含Mn （0.71.7）的40鋼（三）高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳

15、素結(jié)構(gòu)鋼如如40A表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)如如40S0.040%, P0.040%S0.030%, P0.035%表表5-4 5-4 優(yōu)質(zhì)碳素鋼的化學(xué)成分和性能優(yōu)質(zhì)碳素鋼的化學(xué)成分和性能鋼號(hào)鋼號(hào)化學(xué)成分，化學(xué)成分，% s ，MPaCMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.0

16、30.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035175205245315335355375400420用途用途較重要的零件，如汽車外殼、齒輪、軸、連桿、彈簧等。較重要的零件，如汽車外殼、齒輪、軸、連桿、彈簧等。 汽車曲軸汽車曲軸1025鋼：鋼：3555鋼：鋼：6070鋼：鋼：（四）碳素工具鋼（以T+T+以含碳量的千分之一

17、以含碳量的千分之一為單位的數(shù)字表示牌號(hào)） 如T8T13、T8A鋼號(hào)鋼號(hào)C, %Mn, %Si, %S, %P, %退火后退火后HBS, 水冷淬火水冷淬火溫度，溫度，T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.350.400.400.40-0.600.400.40-0.600.400.400.400.350.350.350.350.35 0.35 0.350.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-78