工程材料应用基础第05章 铁碳合金

※以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。
若是加热过程，则相反。
三、相区 单相区 有δ、F、A、L和Fe3C五个单相区 2. 两相区 七个两相区：L＋A区、L+Fe3C区、A+Fe3C区、A＋F区、 F+Fe3C区、 δ ＋ L、 A ＋ δ 3. 三相区 ECF共晶线是L、A、Fe3C的三相共存线 PSK共析线是A、F、Fe3C的三相共存线 1.
5. C点：共晶点，温度1148℃，Wc=4.3%，成分为C的液相， 冷却到此温度时，发生共晶反应： LC
1148℃
AE + Fe3C
6. E点：碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃，Wc=2.11% 7. S点：共析点，温度727℃，Wc=0.77%，成分为S点的奥 氏体，冷却到此温度时，发生共析反应： AS
第五章 铁碳合金
第一节 铁碳合金的基本组织
铁素体（F或α） 铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方 晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室温时 为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。 显微组织是明亮的多边形晶粒。 2. 奥氏体（A或γ） 奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方 晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%；1148℃ 时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其 晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。 1.
共晶白口铁组织金相图
Ld’
Fe3CⅡ
P
亚共晶白口铁组织金相图
Fe3CⅠ
P
Fe3C+Fe3CⅡ
过共晶白口铁组织金相图
A T°
匀晶相图 L+A
L
1148℃ C
共晶相图
D
L+ Fe3CⅠ F
G 共析相图
A
E A+ Fe3CⅡ
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C
6.69 0.77 100% 88.8%
共析钢金相组织图
α
Ｐ
亚共析钢组织金相图
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
亚共析钢与过共析钢组织比较
铁碳合金组织特征
(a) 0.01%C铁素体500×
(b) 0.45%C铁素体+珠光体 500×
(c).0.77%C珠光体 500×
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500× 图4-11
数，如20钢表示平均含碳量为0.20%，15Mn表示钢材中的含
锰量比较高 。
碳素工具钢：数字表示钢材中平均含碳量的千分数, T10A表 示平均含碳量为1.0%,A表示高级优质钢。
四、碳钢的应用 1. 普通碳素结构钢： Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，焊接性能好，塑 性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢 管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零 件。 Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧 性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结 构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、稍等零件 。
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
§2 铁碳合金相图分析
727℃下P中两相相对含量
6.69 0.77 100% 88.5%
6.69 Fe3C 0.77 100% 11.5% 6.69 室温下P中两相相对含量
6.69 0.0218 Fe3C 0.77 0.0218 100% 11.2% 6.69 0.0218
二、碳的质量分数对力学性能的影响 在铁碳合金中，渗碳体 一般可看作是一种强化 相。 基体是铁素体，随着 渗碳体数量的增加，其 强度和硬度升高，而塑 性与韧性相应降低。当 硬而脆的渗碳体以网状分布在 晶界，特别是作为基体出现时， 将使铁碳合金的塑性、韧性大 大下降。
1. 纯铁：塑性好、韧性很好，而强度和硬度很低。 2. 亚共析碳钢：随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度 呈直线上升，而塑性、韧性不断下降。 3. 过共析碳钢：当钢中WC>0.9%时，脆性的二次渗碳体数量 也相应增加，形成网状分布，使其脆性增加，不仅使钢的 塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降。所以，工 业上使用钢的碳质量分数一般为WC=1.3%～1.4%。
4. 白口铸铁：特硬特脆，难以切削加工，因此很少应用。但 它耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形 状复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸铁的毛坯。
§4
相图的实际应用
1. 铸造：共晶成分的合金，其凝固温度间隔最小（为零）， 故流动性好，分散缩孔较小，有可能得到致密的铸件。 2. 锻造：钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体的温度 范围内进行，才能有较好的塑性 。 3. 焊接：焊接时在不同加热区域会获得不同的高温组织，随 后的冷却也就可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接 后采用热处理方法加以改善。 4. 切削加工：生产中最常用的办法之一是通过适当的热处理 工艺，改变材料的金相组织，使材料的切削加工性得到改 善，其依据也是铁碳相图。
727℃
FP + Fe3C
8. P点：碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃, Wc=0.0218%
二、特性线 1. ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳 合金在此线以上处于液相。 2. AECF线 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此 线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。 3. ECF水平线 共晶线，Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线1148℃时， 均发生共晶转变，生成莱氏体。
四、铁碳合金的分类
工业纯铁 ——Wc< 0.02% 铁 碳 合 金 分 类 碳 钢 白 口 铸 铁 亚共析钢 ——0.0218% < Wc <0.77% 共 析 钢 ——Wc= 0.77% 过共析钢 ——0.77% < Wc < 2.11% 亚共晶白口铸铁
——2.11% < Wc < 4.3%
——Wc=4.3% ——4.3% < Wc < 6.69%
二、杂质元素对钢性能的影响 1. 有益元素
Si — 有很强的固溶强化作用,能脱氧。
Mn — 脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。 2. 有害元素: P — 有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。 S — 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂 )。
三、碳素钢的牌号
普通碳素结构钢： Q+数字，如Q235表示屈服点是235MPa； Q235-A· F,表示屈服点为235的A级沸腾钢。 优质碳素结构钢：两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F P+Fe3CⅡ 0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
§3 铁碳合金的成分、组织与性能间的关系
一、碳的质量分数对平衡组织的影响 随着含碳量的增加，铁碳合金的室温组织变化顺序为: F→F+P→P →P+Fe3CⅡ → P+Fe3CⅡ+Ld’ →Ld’→ Ld’+ Fe3CⅠ 碳的质量分数增高时，组织中不仅渗碳体的数量增加， 而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。渗碳体 由层状分布在铁素体基体内（如珠光体），变为呈网状分布在 晶界上（如Fe3CⅡ），最后形成莱氏体时，渗碳体已作为基体 出现 。
3.
渗碳体（Fe3C） 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具 有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，δ 、Ak接 近于零，脆性很大。 4. 珠光体（P） 奥珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏 体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织是 铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之 间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 5. 莱氏体（Ld或Ld'） 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在 1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。
2. 优质碳素结构钢： 08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成 型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、 汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室 等； 15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐 磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等； 30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具 有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、 韧性，用于制作轴类零件； 55、60、65钢热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性 极限，常用作弹簧。
料：铁矿石 燃料：焦炭 熔剂：石灰石 设备：高炉
2、钢的冶炼
原料：生铁、废钢 燃料：焦炭 熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂
设备：电弧炉
生铁的冶炼
钢的冶炼
一、碳素钢的分类： 1. 按碳的质量分数分类: 低碳钢: Wc ≤ 0.25% 中碳钢: 0.25% ≤ Wc ≤ 0.6% 高碳钢: Wc > 0.6% 2. 按钢的质量分类: 碳素钢: Ws ≤ 0.055%，Wp ≤ 0.045% 优质碳素钢: Ws、 Wp ≤ 0.040% 高级优质碳素钢: Ws ≤ 0.030% ，Wp ≤ 0.035%
7. GP线 0＜Wc＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出 铁素体的终了线。 8. PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时,Wc=0.0218%， 溶碳量最大，在600℃时，Wc=0.0057%。 在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁 素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CⅢ）的形式析出。 一般情况下，忽略Fe3CⅢ的存在。