機(jī)械工程材料 第五章 鐵碳合金

第五章鐵碳合金第一節(jié)鐵碳合金基本組元、組織及其性能第二節(jié)鐵碳相圖分析第三節(jié)碳鋼及合金鋼概述一、鐵碳合金基本組元二、鐵碳合金中的相三、基本組織及其性能五、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

第一節(jié)鐵碳合金基本組元、組織及其性能

碳素鋼（簡(jiǎn)稱碳鋼）：不特意加入合金元素的鋼。

合金鋼：特意加入一種或數(shù)種一定量合金元素的鋼。鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼。含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。所研究的Fe-Fe3C相圖的位置FeFe3CFe2CFeCCC%(wt%)→1、Fe：過渡族元素，熔點(diǎn)為1538℃，密度是7.87g/cm3。一、鐵碳合金基本組元δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccfccbcc2、Fe3C

：具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常稱滲碳體。含碳量6.69%，硬度很高，強(qiáng)度低，塑性韌性很差。理論熔化溫度1227℃。是介穩(wěn)定化合物，條件適當(dāng)時(shí)，會(huì)分解成單質(zhì)狀態(tài)的石墨C。Fe3C→3Fe+C(石墨)二、鐵碳合金中的相

1、液相L：鐵與碳的液溶體。2、δ相（bcc)：碳在δ—Fe中的間隙固溶體。3、α相（bcc)：碳在α—Fe中的間隙固溶體。4、γ相

(fcc)：碳在γ—Fe中的間隙固溶體。5、Fe3C相（又稱滲碳體）：根據(jù)其生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。L++Fe3C+

Fe3C+

L+Fe3C+

+LFe1234566.6902004006008001000120014001600ANGJBHESCDFKPQ2.114.30.770.020.530.170.0911487271495Wc(%)溫度/℃Fe－Fe3C相圖LFe3C三、基本組織及其性能含碳量：0~2.11%溫度范圍：727℃~1495℃力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低；塑性好。PGQSECJNBDFK2.11727℃1495℃1、奧氏體（A）——C溶于-Fe形成的固溶體相：體心立方，C處在八面體間隙位置，用符號(hào)表示。組織：稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。含碳量：0~0.0218%(727℃)0~0.0008%(室溫)溫度范圍：<912℃力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低；塑性好。工業(yè)純鐵——<0.02%C，冷軋?zhí)岣邚?qiáng)度，得到冷軋板。PGQSECJNBDFK912℃0.02180.00082、鐵素體（F）——C溶于-Fe形成的固溶體相：+Fe3C兩種相組成組織：珠光體，用符號(hào)P表示含碳量：0.77%(稱為共析鋼)溫度范圍：<727℃力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度較高；塑性較好。鋼絲繩SP（P+Fe3C）727℃?0.77GPQSECJNBDFK+Fe3C3、珠光體（P）——和Fe3C形成的機(jī)械混合物相：+Fe3C兩種相。組織：萊氏體，用符號(hào)Ld表示。含碳量：4.3%(稱共晶白口鑄鐵)溫度范圍：<727℃LCLd（E+Fe3C）1148℃?LdGPQSECJNBDFK+Fe3C1148℃727℃4.3Ld′室溫組織:

室溫萊氏體Ld′(P+Fe3CⅡ+Fe3C）s+Fe3CⅡ

727℃+tP727℃-t4、萊氏體（Ld）—A和Fe3C形成的機(jī)械混合物一、鐵碳相圖中主要的點(diǎn)、線、區(qū)

分析二、典型合金的平衡結(jié)晶過程分析三、Fe-Fe3C合金室溫平衡組織及性能四、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、

力學(xué)性能之間的關(guān)系第二節(jié)鐵碳相圖分析以相組成物表示的Fe-Fe3C相圖一、鐵碳相圖中主要的點(diǎn)、線、區(qū)

分析(1)點(diǎn)(見P100)(2)線

液相線固相線三條水平線三條特征線(3)

區(qū)

4個(gè)單相區(qū)1條垂直線7個(gè)雙相區(qū)

L

L++

L+

L+Fe3C

+Fe3C

+Fe3C

+

包晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變鐵碳相圖中三種基本的轉(zhuǎn)變FeFe3CGNA在1495℃發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變?chǔ)肑

在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變SKP727℃LBJH1495℃ECF1148℃D1227℃1495℃LB+H在1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變1148℃LCγE+Fe3C

727℃γSP+Fe3C二、典型合金的平衡結(jié)晶過程分析（一）共析鋼

L→AA→P（α+Fe3C）室溫組織:P室溫相：α+Fe3CLA共析轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對(duì)重量百分比為：室溫下，珠光體中兩相的相對(duì)重量百分比：（二）亞共析鋼A→P（α+Fe3C）L

L→δ

L→AAA→F室溫組織:P+F室溫相：α+Fe3C共析溫度下相的相對(duì)重量為：室溫組織組成物的相對(duì)重量為：

S’（三）過共析鋼L

L→AA→（Fe3C）ⅡA→P(α+Fe3C)室溫組織:P+（Fe3C）Ⅱ室溫相：α+Fe3C

A室溫下兩相的相對(duì)重量百分比：室溫下兩組織組成物相對(duì)重量百分比:1234（四）共晶白口鐵LA→P(α+Fe3C)L→Ld(A+Fe3C)A→（Fe3C）Ⅱ室溫組織:Ld′即P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C室溫相：α+Fe3C（五）亞共晶白口鐵LL→AL→Ld

(A+Fe3C)A→（Fe3C）ⅡA→P(α+Fe3C)室溫組織:Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ

室溫相：α+Fe3C（六）過共晶白口鐵LA→（Fe3C）ⅠL→Ld′(

A+Fe3C)A→P(α+Fe3C)室溫組織:Ld′

+（Fe3C）Ⅰ即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+（Fe3C）Ⅰ

室溫相：α+Fe3C三、Fe-Fe3C合金室溫平衡組織及性能（一）工業(yè)純鐵（C%＜0.0218％

）組織：F或F+（Fe3C）Ⅲ，（Fe3C）Ⅲ呈不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于F晶界。性能：強(qiáng)度、硬度較低，塑性、韌性好。F晶界(Fe3C)Ⅲ（二）碳鋼（C%為0.0218％～2.11％）分為三類：亞共析鋼(0.0218％～0.77％C)共析鋼(0.77％C)過共析鋼（0.77％～2.11％C）亞共析鋼過共析鋼工業(yè)純鐵共析鋼1、亞共析鋼（C%為0.0218％～0.77％）組織特征：P+F

隨含C量增加，P量逐漸增加，F(xiàn)量逐漸減少；形態(tài)從塊狀→斷續(xù)網(wǎng)狀甚至網(wǎng)狀。性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。15鋼FP45鋼FP65鋼FP鋼中含碳量C%＝P%×0.77%＋F%×0.0008%

在顯微分析中常以P與F的面積數(shù)量比來(lái)估計(jì)亞共析鋼的含碳量。即：C％≈50％×0.8％＝0.40％此鋼含碳量約為0.40％，即40鋼。磨制好的金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織發(fā)現(xiàn)：組織中含有50％P和50％F，例如，一種未知鋼號(hào)的碳鋼(退火態(tài))，利用金相法估算此鋼的碳含量?？珊雎?、共析鋼（C%為0.77%）共析鋼室溫組織組織：P性能：較高強(qiáng)度、但塑性較差。P組織特征：Fe3C片狀分布于F基體上，呈貝殼狀3、過共析鋼（C%為0.77%～2.11％）T12鋼退火組織（4%硝酸酒精浸蝕）組織：P+（Fe3C）Ⅱ性能特點(diǎn)：硬度高，塑、韌性低。組織特征：(Fe3C)Ⅱ呈網(wǎng)狀分布于層片狀P周圍P（Fe3C）Ⅱ利用平衡組織中珠光體及滲碳體所占的面積百分比，可以近似估算過共析鋼的含碳量：

C%=P面積%×0.77%+Fe3C面積%×6.69%

（三）白口鑄鐵（C%為2.11％～6.69％）分為三類：亞共晶白口鐵（2.11％～4.3％C）共晶白口鐵（4.3％C）過共晶白口鐵（4.3％～6.69％C）過共晶白口鐵亞共晶白口鐵共晶白口鐵1、亞共晶白口鑄鐵（C%為2.11%～4.3％）組織：P+（Fe3C）Ⅱ+Ld

′[P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C）]性能：硬而脆。Ld′A（Fe3C）ⅡP2、共晶白口鑄鐵（C%為4.3％）共晶白口鑄鐵的室溫組織室溫組織：低溫萊氏體Ld′

[P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C]高溫組織：高溫萊氏體Ld[A+Fe3C]性能：硬而脆Ld'3、過共晶白口鑄鐵（C%為4.3%～6.69％）過共晶白口鑄鐵室溫組織組織：Ld′+（Fe3C）?性能：硬而脆。Ld'（Fe3C）?15鋼45鋼65鋼T12工業(yè)純鐵共析鋼四、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、

力學(xué)性能之間的關(guān)系

Wc↑，則Fe3C%↑，且其形態(tài)由薄片狀（Fe3CⅢ

）→層片狀（共析滲碳體）→網(wǎng)狀（Fe3CⅡ）

→基體（共晶滲碳體）

→粗大板片狀（Fe3CⅠ）

，而F%↓，且其形態(tài)由大塊狀→斷續(xù)網(wǎng)狀→層片狀。鋼鐵素體亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對(duì)量%相組成物相對(duì)量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體Wc≤1.0％時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性不斷下降；Wc＞1.0％時(shí)，因出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降，但硬度仍會(huì)增加。工業(yè)上使用的鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般≤1.3～1.4％。Wc＞2.11％的鐵碳合金（白口鑄鐵）具有萊氏體組織，難以加工，故極少直接使用。40五、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1、為選材提供成分依據(jù)低碳鋼（0.10~0.25%C）：建筑結(jié)構(gòu)和容器等中碳鋼（0.25~0.60%C）：如軸等高碳鋼（0.6~1.3%C）：如工具等白口鐵：如拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等412、為制定熱加工工藝提供依據(jù)（1）在鑄造生產(chǎn)方面的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定鐵碳合金的澆注溫度，澆注溫度一般在液相線以上50℃～100℃。共晶成分的鑄鐵凝固區(qū)間最?。榱悖?，流動(dòng)性好，分散縮孔少，可使縮孔集中在冒口內(nèi)，有可能得到致密的鑄件得到較廣泛的應(yīng)用。

鑄鋼（碳含量一般在wC＝0.15-0.60%之間）直接用鋼水澆注成零件毛坯→成本低。鑄鋼的鑄造性能不好。力學(xué)性能比同成分的鍛鋼差。鑄態(tài)時(shí)晶粒粗大，常出現(xiàn)魏氏組織（鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體），使鋼的塑性和韌性顯著下降。另外，內(nèi)應(yīng)力較大。解決辦法：退火或正火應(yīng)用：用于一些形狀復(fù)雜、難以進(jìn)行鍛造或切削加工、而又要求較高強(qiáng)度和塑性的鑄造零件。43(2)在鍛造生產(chǎn)方面的應(yīng)用一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100℃～200℃范圍內(nèi)。一般始鍛溫度為1150℃～1250℃,終鍛溫度為750℃～850℃。

(3)在熱處理生產(chǎn)方面的應(yīng)用

退火、正火、淬火的加熱溫度都要參考Fe-Fe3C相圖進(jìn)行選擇，

一、鋼中常存雜質(zhì)元素的影響二、鋼的分類及編號(hào)三、合金元素在鋼中的作用第三節(jié)碳鋼及合金鋼概述一、鋼中常存雜質(zhì)元素的影響1、錳的影響（有益元素）脫氧、去硫，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。2、硅的影響（有益元素）很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能脫氧。3、硫的影響（有害元素）引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂(熱脆)。4、磷的影響（有害元素）

很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，低溫韌性差(冷脆)。二、鋼的分類及編號(hào)（一）鋼的分類按質(zhì)量分優(yōu)質(zhì)碳鋼（Ws≤0.040%，Wp≤0.040%）

普通碳鋼（Ws≤0.055%，Wp≤0.045%）

高優(yōu)碳鋼（Ws≤0.030%，Wp≤0.035%）按用途分工具鋼（主要用于刀具、量具、模具）結(jié)構(gòu)鋼（主要用于工程構(gòu)件、機(jī)器零件）按含碳量分低碳鋼（Wc≤0.25%）中碳鋼（Wc0.25~0.60%）高碳鋼（Wc≥0.60%）特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼）（二）鋼的編號(hào)和用途(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼(原稱普通碳素鋼）（a）甲類鋼：按力學(xué)性能供應(yīng)表示方法：甲1（A1）、甲2（A2）……甲7（A7）強(qiáng)度（s、b）升高塑性（、）下降注意：由于不保證化學(xué)成分，所以熱處理時(shí)不能依甲類鋼來(lái)選材，應(yīng)依乙類鋼選，才能根據(jù)相圖制定熱處理工藝。1、碳鋼的編號(hào)（<0.4%C，P、S量及非金屬夾雜較多）（b）乙類鋼：按化學(xué)成分供應(yīng)表示方法：乙1（B1）、乙2（B2）、…、乙7（B7）C%升高注意：可以熱處理，但屬于普碳鋼，性能改善不大。（c）特類鋼：根據(jù)要求供貨，保證化學(xué)成分和力學(xué)性能。表示方法：C2、C3、C4、C5C%升高強(qiáng)度（s、b）升高注意：價(jià)格太高，一般不用，經(jīng)常選優(yōu)質(zhì)碳素鋼。沸騰鋼質(zhì)量等級(jí)（A級(jí)）235為屈服強(qiáng)度（MPa）鋼的屈服點(diǎn)Q235—A?F（d）新編號(hào)質(zhì)量等級(jí)：A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)S%、P%下降，質(zhì)量提高脫氧符號(hào)：F—沸騰鋼、Z—鎮(zhèn)靜鋼、TZ—特殊鎮(zhèn)靜鋼Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)用途：鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。熱處理：熱軋空冷組織：S＋F建筑構(gòu)件鋼橋梁熱連軋鋼板（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（a）正常錳含量鋼：碳含量用兩位數(shù)字表示，以0.01％為單位，如45鋼，含C量為45/10000=0.45%。（b）較高錳含量鋼：碳含量用兩位數(shù)字表示，以0.01%為單位，后面加漢字“錳”或化學(xué)符號(hào)“Mn”。如45錳或45Mn鋼。分為正常錳含量鋼和較高錳含量鋼。用途：較重要的機(jī)器零件，如齒輪、軸、連桿、彈簧等。熱處理：滲碳、淬火、回火等。40Mn鋼WMn0.7~1.0%平均Wc0.40%平均Wc0.40%鋼牌號(hào)：40鋼汽車曲軸彈簧齒輪（3）碳素工具鋼牌號(hào):“碳”或T＋碳含量（千分之幾表示)+符號(hào)用途：制造各種刃具、模具、量具。例如沖頭、鑿子、鉆頭、銼刀、量規(guī)等。T10A鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)wS

≤0.020%，wP≤0.030%平均Wc=1.0%“碳”熱處理：球化退火、淬火+低溫回火組織：P球狀、回火M＋Fe3C粒狀+A'螺紋量規(guī)銼刀鉆頭（4）碳素鑄鋼ZG

200

-400鑄鋼σs≥200MPaσb≥400MPa2、合金鋼的編號(hào)（1）合金結(jié)構(gòu)鋼

原則：字母＋數(shù)字＋化學(xué)元素符號(hào)＋數(shù)字＋符號(hào)（A）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼Me平均含量（百倍）合金元素（Me）的名稱鋼的平均碳含量（實(shí)際碳含量的一萬(wàn)倍表示）例1：12CrNi3A——12鉻鎳3高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼Ni平均含量為3％Cr平均含量小于1.5％鋼的平均碳含量為0.12％表示鋼的用途例：GCr15——滾鉻15鋼表示元素鉻，平均含量為1.5％表示滾動(dòng)軸承用鋼例2：Y40Mn——易切削40錳鋼表示元素錳，平均含量小于1.5％表示鋼中的碳平均含量為0.4％表示易切削鋼特例：GCr鋼中Cr后的數(shù)字表示的是千倍含量另外，還有GCr9、GCr6、GCr15SiMn等（2）合金工具鋼原則：

鋼中平均含碳量Wc≥1.0%時(shí)不標(biāo)，

Wc<

1.0%

時(shí)以千分之幾表示。合金元素含量為百分之幾。例1：9

SiCr——9硅鉻（低合金工具）鋼鋼中Si、Cr平均含量均小于1.5％鋼中碳平均含量為Wc＝0.9％

W18

Cr4

V——鎢18鉻4釩（18-4-1）含碳量未標(biāo)，但平均Wc為0.7~0.8％鋼中平均V含量Wv

<1.5％，Cr含量

WCr＝

4％，W含量Ww＝18％特例：高速鋼平均碳含量<

1%也不標(biāo)。另外，還有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等（3）特殊性能合金鋼原則：鋼中平均含碳量Wc以千分之幾表示。合金元素平均含量WMe以百分之幾表示。例1：1Cr18Ni9Ti——奧氏體不銹鋼鋼中平均WCr=18%,

WNi＝9％,WTi

<1.5％鋼中碳平均含量WC

=0.1％例2：3Cr18

Ni25Si2——耐熱不起皮鋼鋼中平均WCr=18%,

WNi＝25％,WSi=2％鋼中碳平均含量WC

=0.3~0.4％三、合金元素在鋼中的作用（一）合金元素的分類1、強(qiáng)碳化物形成元素與碳親和力較強(qiáng)的合金元素。如Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。在鋼中存在形式：含量較低時(shí)一般傾向于置換Fe3C內(nèi)的Fe原子而形成合金滲碳體（Fe，Cr）3C、（Fe，W）3C等。而含量較高時(shí)，除形成滲碳體型碳化物外，還可形成穩(wěn)定性更高的合