《模具材料與熱處理》課件-第二章 鐵碳合金

第二章鐵碳合金第一節(jié)鐵碳合金的基本組織第二節(jié)鐵碳合金相圖第三節(jié)碳素鋼所謂鐵碳合金，是指由鐵和碳兩種元素為主組成的合金，即以鐵和碳為組元的二元合金。如鋼和鑄鐵都是鐵碳合金。第一節(jié)鐵碳合金的基本組織純金屬的強(qiáng)度和硬度一般都是較低，冶煉困難，因而價(jià)格較高，在使用上受到限制。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的是合金，這是因?yàn)樯a(chǎn)中可以通過改變合金的化學(xué)成分（或組織結(jié)構(gòu)）來進(jìn)一步提高金屬材料的力學(xué)性能，并可獲得某些特殊的物理性能和化學(xué)性能（耐腐蝕、耐熱、耐磨、電磁性能等），以滿足機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)對材料的要求。課堂討論想一想：你在日常生活、生產(chǎn)中見到最多的合金是哪類？？鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的合金，它們均是以鐵和碳為基本組元的合金，故又稱為鐵碳合金。即合金是由兩種或兩種以上的元素所組成的金屬材料。鐵碳合金的基本組織有五種鐵素體（F）奧氏體（A）滲碳體（Fe3C）珠光體（P）萊氏體（Ld）單相組織基本組織思考：鐵碳合金的5種基本組織的含碳量是分別是多少？一、鐵素體(F)碳溶解在α—Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示?！竞剂俊?.0218%】鐵素體的晶胞示意圖鐵素體的顯微組織鐵素體是鋼的五種組織中含碳量最低的組織，其室溫性能接近于純鐵。具有良好的塑性、韌性，較低的強(qiáng)度、硬度。二、奧氏體(A)碳溶于γ—Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。【含碳量≤2.11%】奧氏體的晶胞示意圖奧氏體的顯微組織奧氏體呈面心立方晶格，強(qiáng)度、硬度不高。具有良好的塑性，尤其是具有良好的鍛壓性能。三、滲碳體(Fe3C或Cm)滲碳體是含碳量為6.69%的鐵與碳的金屬化合物，其化學(xué)式為Fe3C。滲碳體的晶胞示意圖滲碳體具有復(fù)雜的斜方晶格，具有高熔點(diǎn)（1227℃）、高硬度（950～1050HV），塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。四、珠光體(P)珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。珠光體的顯微組織a)光學(xué)顯微鏡觀察組織b)電子顯微鏡觀察組織珠光體的含碳量為0.77%。強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。五、萊氏體(Ld)萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示?！竞剂?.30%】由于萊氏體的基體是滲碳體，所以它性能接近于滲碳體，硬度很高，塑性很差。鐵碳合金基本組織的性能及特點(diǎn)第二節(jié)鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻(或緩慢加熱)條件下，不同成分的鐵碳合金的狀態(tài)或組織隨溫度變化的圖形。一、簡化的鐵碳合金相圖在鐵碳合金中，鐵和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C（碳化三鐵）、Fe2C（碳化二鐵）、FeC（碳化鐵）等。強(qiáng)調(diào)：生產(chǎn)中鐵碳合金的含碳量一般不超過5%，因?yàn)楹剂扛叩牟牧洗嘈蕴?，難以加工。只研究相圖中含碳量為0～6.69%的部分。為便于掌握和分析Fe—Fe3C相圖，將相圖上實(shí)用意義不大的部分省略，簡化后的Fe—Fe3C相圖如下。二、Fe—Fe3C相圖的分析Fe—Fe3C相圖中有九個(gè)特性點(diǎn)及六條特性線。

1.主要特性點(diǎn)Fe—Fe3C相圖中主要特性點(diǎn)的溫度、含碳量及其含義純鐵熔點(diǎn)共晶點(diǎn)滲碳體的熔點(diǎn)碳在奧氏體中最大溶解度點(diǎn)純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)共析點(diǎn)碳在鐵素體中最大溶解度點(diǎn)共析滲碳體的成分點(diǎn)共晶滲碳體的成分點(diǎn)（1）共晶點(diǎn)C高溫的鐵碳合金液體緩慢冷卻到一定溫度（1148℃）時(shí)，在保持溫度不變的條件下，從一個(gè)液相中同時(shí)結(jié)晶出兩種固相（奧氏體和滲碳體），這種轉(zhuǎn)變稱為共晶轉(zhuǎn)變。（2）共析點(diǎn)S固相的鐵碳合金緩慢冷卻到一定溫度（727℃）時(shí)，在保持溫度不變的條件下，從一個(gè)固相（奧氏體）中同時(shí)析出兩種固相（鐵氏體和滲碳體），這種轉(zhuǎn)變稱為共析轉(zhuǎn)變。2.主要特性線Fe—Fe3C相圖中主要特性線的含義（1）ACD線

液相線，此線以上區(qū)域全部為液相，稱為液相區(qū)，用L表示。在AC線以下結(jié)晶出奧氏體，在CD線以下結(jié)晶出滲碳體（稱為一次滲碳體Fe3CⅠ）ACD線（2）AECF線

固相線，對應(yīng)成分的液態(tài)合金冷卻到此線上的對應(yīng)點(diǎn)時(shí)完成結(jié)晶過程，變?yōu)楣虘B(tài)，此線以下為固相區(qū)。AEC區(qū)內(nèi)為液相合金與固相奧氏體，CDF區(qū)內(nèi)為液相合金與固相滲碳體。AECF線（3）GS線

奧氏體冷卻時(shí)析出鐵素體的開始線，也稱A3線。GS線（4）ES線

碳在奧氏體中的溶解度曲線，也稱Acm線。在1148℃時(shí)，碳在奧氏體中的溶解度為2.11%，在727℃時(shí)降到0.77%。ES線（5）ECF線

共晶線。當(dāng)不同成分液態(tài)合金冷卻到此線（1148℃）時(shí)，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，從剩余液態(tài)合金中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的混合物，即萊氏體（Ld）。共晶轉(zhuǎn)變是一種可逆轉(zhuǎn)變。ECF線（6）PSK線

共析線。也稱A1線。當(dāng)合金冷卻到此線（727℃）時(shí)將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，從合金的奧氏體中同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的混合物，即珠光體（P）。共析轉(zhuǎn)變也是一種可逆轉(zhuǎn)變。PSK線3.主要相區(qū)及組織Fe—Fe3C相圖中主要相區(qū)和組織鐵碳合金相圖記憶口訣溫度成分建坐標(biāo)，鐵碳二元要記牢。兩平三垂標(biāo)特點(diǎn)，九星閃耀五弧交。共晶共析液固線，十二面里組織標(biāo)?；窘M織先標(biāo)好，相間組織共逍遙。分析成分?jǐn)嘟M織，鑄鍛處理離不了。三、鐵碳合金的分類思考：什么是鋼？含碳量不大于0.0218%的鐵碳合金稱為純鐵。含碳量大于0.0218%而不大于2.11%的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類。鐵碳合金的分類和室溫平衡組織1.共析鋼圖中合金Ⅰ為含碳量0.77%的共析鋼。2.亞共析鋼圖中合金Ⅱ是含碳量為0.45%的亞共析鋼。3.過共析鋼圖中合金Ⅲ是含碳量為1.2%的過共析鋼。4.白口鑄鐵圖中合金Ⅳ是共晶白口鑄鐵，合金Ⅴ表示某一成分的亞共晶白口鑄鐵，合金Ⅵ表示某一成分的過共晶白口鑄鐵。四、含碳量對鐵碳合金的影響碳是決定鐵碳合金組織和性能最主要的元素。含碳量對鋼力學(xué)性能的影響分析鐵碳合金的室溫組織不難發(fā)現(xiàn)，含碳量越高，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性、韌性越低，在鋼經(jīng)過熱處理后表現(xiàn)尤為明顯。對非合金鋼及低、中碳合金鋼來說，其含碳量一般不超過1.3%。五、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用Fe—Fe3C相圖揭示了鐵碳合金的組織隨成分變化的規(guī)律，根據(jù)組織可以大致判斷出力學(xué)性能，以便于合理地選擇材料。鐵碳合金相圖與熱加工的關(guān)系Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用作為選材的依據(jù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用在鍛造工藝上的應(yīng)用在熱處理工藝上的應(yīng)用鐵碳合金相圖是在極緩慢的加熱或冷卻條件下得到的，而實(shí)際生產(chǎn)中冷卻速度較快，合金的相變溫度與冷卻后的組織都將與相圖中不；同。另外，通常使用的鐵碳合金，除鐵、碳兩元素外，往往還含有多種雜質(zhì)或合金元素，這些元素對相圖將有影響。所以，在具體應(yīng)用根據(jù)實(shí)際問題進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的分析。第三節(jié)碳素鋼鋼按化學(xué)成分分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼三大類。以鐵為主要元素，0.0218%＜Wc≤2.11%，且在冶煉沒有加入其他合金元素的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱非合金鋼。其冶煉容易，價(jià)格低廉，性能可滿足一般工程構(gòu)件、普通機(jī)械零件和工具的使用要求，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量和用量占鋼總產(chǎn)量的80%以上。課堂討論想一想：你在日常生活、生產(chǎn)中見到哪些用非合金鋼做的構(gòu)件和工具？一、常存雜質(zhì)元素對鋼性能的影響1.錳的影響有益元素，有很好的脫氧能力，還可以與硫形成MnS，從而消除硫的有害作用。錳作為雜質(zhì)，含量一般應(yīng)不超過0.8%。想一想：碳素鋼中存在哪些雜質(zhì)元素？它們對鋼的性能有哪些影響？2.硅的影響有益元素，脫氧能力比錳還強(qiáng)，能提高鋼的強(qiáng)度及質(zhì)量。硅作為雜質(zhì)，含量一般應(yīng)不超過0.4%。3.硫的影響有害元素，常以FeS的形式存在。易使鋼材變脆（熱脆性）。鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制，通常應(yīng)小于0.05%。4.磷的影響有害元素，它使鋼在低溫時(shí)變脆（冷脆性）。鋼中含磷量也要嚴(yán)格控制，通常應(yīng)小于0.045%。5.氧氧通常以FeO形式或非金屬夾雜物(如A12O3、SiO2等)形式存在于鋼中。氧有使鋼呈熱脆性的作用。6.氮氮在高溫下能溶于γ-Fe或α-Fe中，急速冷卻后并不立即析出，而將在長期擱置時(shí)以細(xì)小分散的氮化物析出，從而使鋼的韌性顯著下降，導(dǎo)致工件易于脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效。7.氫有害元素，能造成氫脆、微裂紋（白點(diǎn)）等缺陷二、碳素鋼的分類1.按鋼中含碳量分（1）低碳鋼含碳量≤0.25%。（2）中碳鋼含碳量為0.25%~0.6%。（3）高碳鋼含碳量≥0.60%。想一想：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼是如何劃分的？2.按鋼的質(zhì)量分（1）普通質(zhì)量鋼（2）優(yōu)質(zhì)鋼（3）特殊質(zhì)量鋼3.按鋼的用途分（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件，其含碳量一般都小于0.70%。（2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具等，其含碳量一般均大于0.70%。4.按鋼的脫氧方法分（1）沸騰鋼是指脫氧程度不完全的鋼。（2）鎮(zhèn)靜鋼是指脫氧程度不完全的鋼。（3）特殊鎮(zhèn)靜鋼是指比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分、徹底的鋼。

5.其他分類方法非合金鋼還可以從其他角度進(jìn)行分類。例如，按專業(yè)領(lǐng)域分為鍋爐用鋼、橋梁鋼、礦用鋼等;按冶煉方法分為轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼等。三、碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能和用途鋼的牌號簡稱鋼號，是對每一種具體鋼產(chǎn)品所取的名稱，是人們了解鋼的一種共同語言。我國鋼號的表示方法：采用漢語拼音、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的原則。三、碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能和用途【例】

Q235AF表示屈服強(qiáng)度為235MPa的Ａ級沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼,，如圖所示。

（1）屈服強(qiáng)度字母Q

（2）屈服強(qiáng)度數(shù)值（3）質(zhì)量等級符號：A、B、C、D級，從A到D依次提高。（4）脫氧方法符號：

F－沸騰鋼

b－半鎮(zhèn)靜鋼

Z－鎮(zhèn)靜鋼

TZ－特殊鎮(zhèn)靜鋼（Z與TZ符號在鋼號組成表示方法中予以省略）

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號共有4種：碳素結(jié)構(gòu)鋼的特性和用途見下表，其中以Q235鋼最為常用：強(qiáng)調(diào)：隨著牌號數(shù)值的增大，鋼中含碳量增加，強(qiáng)度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。四、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能和用途

牌號用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示該鋼的平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。45表示平均含碳量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

08表示平均含碳量為0.08％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08～25鋼的含碳量低，屬低碳鋼。這類鋼的強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性及焊接性能良好。用于制造小軸、銷、螺釘和墊圈等。30～55鋼屬中碳鋼。這類鋼具有較高的強(qiáng)度和硬度，其塑性和韌性隨含碳量的增加而逐步降低，切削性能良好。用于制造連桿、曲軸、齒輪和聯(lián)軸器等。60鋼以上的牌號屬高碳鋼。這類鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度和彈性，但焊接性能不好，切削性能稍差，冷變形塑性差。用于制造彈簧墊圈、板簧和螺旋彈