金屬學(xué)與熱處理課件06鐵碳合金

鐵碳合金

本章目的：

1介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；

2分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過程和其成分－組織－性能間關(guān)系；說明鐵碳相圖的基本應(yīng)用；

3介紹各種碳鋼的牌號(hào)及應(yīng)用。機(jī)械知網(wǎng)本章重點(diǎn)：（1）重要概念：鐵素體奧氏體珠光體萊氏體共晶滲碳體共析滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點(diǎn)、重要線意義；鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對(duì)量的計(jì)算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分—組織－性能之間的關(guān)系機(jī)械知網(wǎng)

§1鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金——應(yīng)用最廣泛的合金一鐵碳合金中的基本相和基本組織

(一)純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與性能

1純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化：

1538℃1394℃912℃

L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

bccfccbcc——純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變機(jī)械知網(wǎng)A4A3A2(770℃)居里點(diǎn)(順磁性與鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度)——具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一機(jī)械知網(wǎng)2純鐵的顯微組織單相的α－Fe3純鐵(工業(yè)純鐵)的性能

強(qiáng)度低(σb=180～230MPa);

硬度低(50HBS~80HBS)、軟;

塑性好(δ:30％～50％；

ψ:70％～80％)

鐵磁性4應(yīng)用：儀器儀表用軟磁鐵芯機(jī)械知網(wǎng)（二）鐵碳合金中的基本相和基本組織

1

基本組元：Fe、C

2基本相：

（1）鐵素體(α或F)：

定義:C在體心立方α－Fe中的間隙固溶體但C在α－Fe中的溶解度極小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)

性能:強(qiáng)硬度低(50HBS~80HBS)，塑韌性好(ψ:70％～80％;

Ak=160J)——與工業(yè)純鐵同良好塑韌性→鋼中基體相機(jī)械知網(wǎng)（2）奧氏體(γ或A)

定義：C在面心立方γ－Fe中的間隙固溶體溶碳量較大：

0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)

性能:強(qiáng)硬度較低；

塑性較好,變形抗力較低,易于鍛壓成形;

順磁性。

——熱加工(塑性變形)相

——合金化后成為室溫基體相(無磁性)；機(jī)械知網(wǎng)（3）滲碳體(Fe3C)Fe與C形成的金屬化合物，含6.69%C，復(fù)雜正交晶系。性能

強(qiáng)度低：σb=30MPa;

硬度高：800HB

無塑性：δ=0;ψ=0;

Ak=0

弱的鐵磁性(<230℃)——硬、脆→鋼中強(qiáng)化相機(jī)械知網(wǎng)3組織

Fe-C合金成分范圍寬，相構(gòu)成只三個(gè)，但性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或單相或混合相存在→不同組織（1）鐵素體(F)

（2）奧氏體(A)

（3）滲碳體(Fe3C)

（4）珠光體(P)：F＋Fe3C；共析反應(yīng)產(chǎn)物

（5）萊氏體(Ld)：A＋Fe3C；共晶反應(yīng)產(chǎn)物

（6）變態(tài)萊氏體(Ld′)：P＋Fe3C單相組織兩相組織機(jī)械知網(wǎng)二、Fe―Fe3C相圖分析實(shí)際組元：

Fe-Fe3C機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.530.171538℃912℃H機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008包晶線HJBLB+δHγJ共析線PSKγSαP+Fe3C共晶線ECFLCγE+Fe3C機(jī)械知網(wǎng)ES:γ相的溶解度曲線PQ:α相的溶解度曲線GS:先共析α相析出線LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008機(jī)械知網(wǎng)J點(diǎn)―包晶點(diǎn)

1495℃0.17%CC點(diǎn)―共晶點(diǎn)

1148℃4.3%CS點(diǎn)―共析點(diǎn)

727℃0.77%LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008E點(diǎn)―γ的最大溶碳量2.11%CP點(diǎn)―α的最大溶碳量0.0218%C機(jī)械知網(wǎng)三鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織

1鐵碳合金分類LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵鋼鑄鐵按照鐵碳相圖，根據(jù)碳含量不同分為三大類：機(jī)械知網(wǎng)根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型：（1）工業(yè)純鐵Wc＜0.0218％（2）共析鋼Wc=0.77％（3）亞共析鋼Wc=0.0218％～0.77％（4）過共析鋼Wc=0.77％～2.11％（5）共晶白口鐵Wc=4.3％（6）亞共晶白口鐵Wc=2.11％～4.3％（7）過共晶白口鐵Wc=4.30％～6.69％機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008合金①WC=0.01%的工業(yè)純鐵δ常溫下的組織構(gòu)成：

F+Fe3CⅢ機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ合金②：共析鋼727℃時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

γS(αP＋Fe3C)=P常溫下的組織構(gòu)成：

P機(jī)械知網(wǎng)不同放大倍數(shù)下P的顯微組織

機(jī)械知網(wǎng)計(jì)算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對(duì)含量？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.008WF=SK/PK=[(6.69－0.77)/(6.69－0.0218)]×100%=88.7%WFe3C=1－88.7%=11.3%機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ亞共析鋼(0.4%C)常溫下的組織構(gòu)成：

F先共析＋PL→δL＋δ→γγ→αγ→α＋Fe3C機(jī)械知網(wǎng)先共析FP機(jī)械知網(wǎng)0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計(jì)算WC=0.4%鋼中的組織組成物WF先=[(0.77－0.40)/(0.77－0.0218)]×100%=49.5%WP=1－49.5%=50.5%

——先共析F和P的含量？機(jī)械知網(wǎng)0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計(jì)算相組成物WF=[(6.69－0.40)/(6.69－0.0218)]×100%=94.3%WFe3C=1－94.3%=5.7%

——鐵素體和Fe3C的含量？機(jī)械知網(wǎng)過共析鋼(1.0%C)L→γγγ1.0→γ0.77+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ相構(gòu)成：F+Fe3C

組織構(gòu)成：Fe3CⅡ+P機(jī)械知網(wǎng)Fe3CⅡP機(jī)械知網(wǎng)1148727合金⑤共晶白口鐵1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變

LCγE+Fe3C萊氏體——Ld室溫組織：變態(tài)萊氏體—Ld′(P+Fe3C＋Fe3CⅡ)機(jī)械知網(wǎng)機(jī)械知網(wǎng)K

合金⑥亞共晶白口鐵組織構(gòu)成：

P+Ld′2.114.30.7711487276.69機(jī)械知網(wǎng)2.114.30.7711487276.69

合金⑦過共晶白口鐵組織構(gòu)成：

Fe3CⅠ+Ld′機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeTJA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃α+Fe3C

0.4%Cα先共析+α共析+Fe3C共析P先共析FP

鐵碳相圖不足：機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeTJA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃Fe3C+α

1%Cα共析Fe3C共析PFe3CⅡFe3CⅡP機(jī)械知網(wǎng)P＋Fe3CⅡ＋Ld′FF＋Fe3CⅢF先+PPP+Fe3CⅡLd′＋Fe3CⅠLd′組織構(gòu)成圖機(jī)械知網(wǎng)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼解釋工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵組織上的主要差別機(jī)械知網(wǎng)四含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響（一）對(duì)相構(gòu)成及平衡組織的影響鐵碳合金成分范圍與室溫平衡組織：機(jī)械知網(wǎng)1對(duì)相構(gòu)成的影響機(jī)械知網(wǎng)2對(duì)組織構(gòu)成的影響機(jī)械知網(wǎng)(二)對(duì)機(jī)械性能的影響機(jī)械知網(wǎng)對(duì)性能影響的原因分析1碳含量碳鋼機(jī)械性能的影響及分析總體：

隨碳含量增加，碳素鋼的硬度線性提高而塑韌性下降；強(qiáng)度先隨硬度的提高而提高，但大約當(dāng)C%>0.9%后，強(qiáng)度反而下降；機(jī)械知網(wǎng)原因：與構(gòu)成相或組織的性能有關(guān)。鐵素體相:軟韌相，滲碳體相：硬脆相；珠光體組織的性能介與兩者之間:強(qiáng)韌

FPFe3Cσb(MN/m2)

23075030δ(%)50200

ak(J/cm2)160300HB80200800

機(jī)械知網(wǎng)硬度：

——非組織敏感性能

主要取決于相構(gòu)成，包括組成相的硬度和相對(duì)數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對(duì)較小。相構(gòu)成：F＋Fe3C

隨碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F減少，故合金硬度線性增大，從80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C)機(jī)械知網(wǎng)

亞共析鋼硬度與相構(gòu)成或碳含量關(guān)系：HB≈80×w(F)%+800×w(Fe3C)%機(jī)械知網(wǎng)強(qiáng)度：

對(duì)組織形態(tài)很敏感。故不僅與相構(gòu)成有關(guān)，更主要的與組成相的形態(tài)、分布即組織構(gòu)成有極大關(guān)系。亞共析鋼：

F先+P構(gòu)成，均為韌性組織，強(qiáng)度與硬度一致。隨碳含量增加，鋼中強(qiáng)韌的P組織數(shù)量增加，而強(qiáng)硬度很低的F先不斷下降，故合金強(qiáng)度隨硬度增大而增大；機(jī)械知網(wǎng)σb＝(0.3~0.4)HBHRC＜40σb＝8.61×103/(100-HRC) HRC＞40過共析鋼：

Fe3C先+P，為韌性組織＋脆性組織

——σ與脆性組織(Fe3C先)的形態(tài)直接相關(guān)：

C％<0.9%~1.0%時(shí)，σ隨C％↑而變化的趨勢(shì)與亞共析鋼類似；

C％>0.9%~1.0%后，σ隨C％↑而陡降。機(jī)械知網(wǎng)出現(xiàn)網(wǎng)狀Fe3CⅡFe3CⅡ?yàn)檠鼐Я顧C(jī)械知網(wǎng)塑韌性：

Fe3C極脆相，無塑、韌性；合金塑性變形完全由F提供，隨C%增高，F(xiàn)不斷減少，故塑韌性不斷下降。機(jī)械知網(wǎng)思考題：試從化學(xué)成分、相構(gòu)成、組織構(gòu)成等方面對(duì)工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機(jī)械性能進(jìn)行分析、比較、解釋。機(jī)械知網(wǎng)

(三)對(duì)工藝性能的影響

1切削加工性能材料的硬度太軟,容易粘刀,切削熱大,影響表面粗糙度;材料的硬度太硬,刀具磨損嚴(yán)重。鋼的硬度為HB170～250時(shí)，切削加工性能較好。

2可鍛性：低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨含碳量增加，可鍛性變差。機(jī)械知網(wǎng)3鑄造性：共晶成分的鑄鐵流動(dòng)性好，縮孔集中，偏析小，鑄造性好；

液相線和固相線距離越大，流動(dòng)性差，分散縮孔多，偏析大，鑄造性越差。所以，鋼的鑄造性差。機(jī)械知網(wǎng)機(jī)械知網(wǎng)一雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、氮等元素，它們會(huì)影響到鋼的質(zhì)量和性能。（一）錳的影響脫氧劑。有益元素，碳鋼中不超過0.8%，（1）固溶強(qiáng)化；（2）形成MnS，消除硫的有害影響。§2碳鋼機(jī)械知網(wǎng)（二）硅的影響脫氧劑，有益元素，碳鋼中含量不超過0.5%，固溶強(qiáng)化。機(jī)械知網(wǎng)（三）硫的影響有害元素，礦石和燃料帶入。以FeS夾雜物形式存在晶界上→

“熱脆”，

原因：形成Fe+FeS共晶，熔點(diǎn)為989℃，低于熱加工的加熱溫度1150℃，而導(dǎo)致熱加工時(shí)開裂。若鋼中含氧量高時(shí)，還會(huì)形成熔點(diǎn)更低（940℃）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。機(jī)械知網(wǎng)

防止熱脆：

（1）降硫：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求：

S≤0.040%~0.050%（2）改變硫的存在方式：

加入適當(dāng)?shù)腗n，Mn與S的化學(xué)親和力大于Fe，優(yōu)先形成MnS，MnS的熔點(diǎn)1600℃，高于熱加工溫度，可避免熱脆的發(fā)生。機(jī)械知網(wǎng)機(jī)械知網(wǎng)（四）磷的影響

——有害雜質(zhì)元素，

——礦石和生鐵等煉鋼原料帶入。

磷在鋼中固溶強(qiáng)化作用很強(qiáng)，但同時(shí)劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，稱為“冷脆”。機(jī)械知網(wǎng)韌性降低體現(xiàn)在兩方面：

(1)沖擊功Ak↓；(2)韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk↑韌性區(qū)脆性區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度機(jī)械知網(wǎng)機(jī)械知網(wǎng)（五）氮、氫、氧等微量氣體的影響

1、氮煉鋼時(shí)氮通過爐氣進(jìn)入鋼中。鋼件快速冷卻時(shí)氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。在隨后放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼的韌性。

——稱為藍(lán)脆(因300℃上下應(yīng)變時(shí)最易產(chǎn)生)

——藍(lán)脆是造成船舶、橋梁災(zāi)難性事故的原因之一。消除方法：加Al形成AlN機(jī)械知網(wǎng)2、氫高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫度下降，氫在鋼中的溶解度急劇降低，但氫來不及逸出表面，過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處偏聚，并逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋，這種氫使鋼變脆的現(xiàn)象稱為氫脆——嚴(yán)重的缺陷。消除方法：鍛后緩冷。尤大型鍛件。機(jī)械知網(wǎng)鋼材橫斷面低倍形貌：又稱“發(fā)裂”鋼材縱斷面低倍形貌：也稱“白點(diǎn)”機(jī)械知網(wǎng)3、氧：氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，對(duì)鋼的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等影響很大。有害元素的利用：

S、P在易切鋼中的應(yīng)用

P在炮彈鋼中的應(yīng)用。機(jī)械知網(wǎng)二碳鋼分類、編號(hào)及用途1分類按化學(xué)成分：低、中、高碳鋼：0.25%；0.6%

用途：結(jié)構(gòu)鋼工具鋼質(zhì)量：優(yōu)質(zhì)、高級(jí)優(yōu)質(zhì)、普通；(S、P)

機(jī)械知網(wǎng)2鋼編號(hào)

反映：成分、用途（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（0.06%~0.4%）——力性要求

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275；

Q235-A·F

與舊標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比：Q235≈A3-----構(gòu)件用鋼機(jī)械知網(wǎng)(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(0.06%~0.70%)

——反應(yīng)成分

08F、10