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1、第五章 铁碳合金,第一节 铁碳合金基本组元、组织及 其性能第二节 铁碳相图分析第三节 碳钢及合金钢概述,1,第一节 铁碳合金基本组元、组织及其性能,一、铁碳合金基本组元二、铁碳相图分析（认识相图结构，点线区， 三种反应）三、基本组织及其性能（组织名称、特点、 性能）,2,钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称。铁和碳是钢铁材料两个最基本的组元。碳的质量分数0.0218%Wc2.11%称为钢，2.11%Wc 6.69%称为铁或铸铁。不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢。,钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会中最为重要的金属材料。为了熟悉
2、并合理利用钢铁材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的本质及其成分、组织结构与性能之间的关系。,3,所研究的Fe-Fe3C相图的位置, Fe 铁是过渡族元素，熔点为1538，密度是7.87g/cm3。, Fe3C 是一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称渗碳体。含碳量6.69%，硬度很高，强度低，塑性韧性很差。理论熔化温度1227。是介稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的石墨C 。,碳质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大，没有使用价值,所以有使用意义并被深入研究的只有Fe-Fe3C这一部分。,一、铁碳合金基本组元,4,固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异
3、构转变。该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。,固态铁的特性同素异构转变,5,二、铁碳相图分析（相图结构，点线区，三种反应）,1、铁碳相图中主要的点、线、区 分析,(1) 点 (见P69),(2) 线 液相线 固相线 三条水平线 三条特征线,(3) 区 4个单相区 1条垂直线 7个双相区,L,L + ,L+ , + Fe3C, + Fe3C, + ,6,铁碳合金中的相,液相L 铁与碳的液溶体。相 是碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394以上存在，1495时溶碳量为0.09%。相 是碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。其中碳的固溶度室温时约为0.0008%，
4、600时为0.0057%，在727时为0.0218%。其性能特点是强度低、硬度低、塑性好相 是碳在Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148时为2.11%。其性能特点是强度较低，硬度不高，易于塑性变形Fe3C相 是一个金属化合物（又称渗碳体），根据其生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。,+L,+Fe3C,+Fe3C,L,7,2、铁碳相图中三种基本转变,8,铁碳相图中三种基本的转变,在1495 发生包晶转变,J,在727发生共析转变,在1148发生共晶转变,9,共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新
5、固相的过程。共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。,共析转变： +,转变产物：共析组织,共晶转变：L +,转变产物：共晶组织,注意：共析转变与共晶转变的区别,10,三、基本组织及其性能（组织名称、特点、性能）,相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。组织：称为奥氏体，用符号A表示。,含碳量：02.11%温度范围：727 1495 ,力学性能：强度、硬度低； 塑性好。,钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制。,奥氏体不锈钢（188型不锈钢）,1、奥氏体（A） C溶于-Fe形成的固溶体,11,相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。组
6、织：称为铁素体，用符号F表示。,含碳量：00.0218%(727 ) 00.0008%(室温)温度范围：912,力学性能：强度、硬度低；塑性好。,工业纯铁0.02%C，冷轧提高强度，得到冷轧板。,2、铁素体（F）C溶于-Fe形成的固溶体,12,相：+ Fe3C两种相组成组织：珠光体，用符号P表示,含碳量：0.77% (称为共析钢)温度范围：727,力学性能：强度、硬度较高； 塑性较好。 钢丝绳,3、珠光体（P）和Fe3C形成的机械混合物,13,共析钢室温组织珠光体（P）,14,相：+ Fe3C两种相。组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号Ld表示。,含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁)温度范围：727
7、,Ld,Ld,室温组织: Ld(P + Fe3C +Fe3C）,4、莱氏体（Ld）P和Fe3C形成的机械混合物,15,Ld (P+Fe3C)+Fe3C,共晶白口铸铁的室温组织,16,5、渗碳体,17,第二节 铁碳相图分析,一、典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织二、杠杆定律的应用三、铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能之间的关系四、铁碳相图的应用,18,1、共析钢,L,+Fe3C,室温组织:P室温相：+Fe3C,L,一、典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织,19,2、亚共析钢,+Fe3C,L,L,L,室温组织:P+F室温相：+Fe3C,20,3、过共析钢,L,L, Fe3C,+Fe3C,室温组
8、织:P+Fe3C室温相：+Fe3C,21,4、共晶白口铁,L,+Fe3C,L+Fe3C, Fe3C,室温组织:Ld 即 P+Fe3C+Fe3C室温相：+Fe3C,22,5、亚共晶白口铁,L,L,L+Fe3C, Fe3C,+Fe3C,室温组织:Ld+P+Fe3C 即(P+Fe3C+Fe3C)+P+Fe3C 室温相：+Fe3C,23,6、过共晶白口铁,L, Fe3C,L+Fe3C,+Fe3C,室温组织:Ld+Fe3C 即(P+Fe3C+Fe3C)+Fe3C 室温相：+Fe3C,24,L+ A,L,P+Fe3C+Ld, + A,L+ Fe3C,A,F, + L,F+A,F+Fe3C,A+Fe3C,F
9、e3C+Ld,A+Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,P+Fe3C,F+P,Fe3C,25,二、杠杆定律的应用,例：共析钢珠光体组织中F和Fe3C的相对量。,Fe3C,F,P,0.0008,6.69,0.77,F%=（6.69-0.77）/（6.69-0.0008）Fe3C%=1-F%,26,1、工业纯铁 （C%0.0218 ）,组织：F或F+ Fe3C ，Fe3C 通常沿晶界析出。,工业纯铁室温组织,性能：b 、HBS 、Ak,三、铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能之间的关系,27,2、碳钢,C%为0.02182.11，碳钢根据碳含量又可分为三类：亚共析钢0.02180.77；共析钢0.77；
10、过共析钢0.772.11。,亚共析钢,过共析钢,28,亚共析钢 （C%为0.02180.77）,组织特征：P+F 随含C量增加， P量逐渐增加，F量逐 渐减少；形态从块状断续网状。性能特点：塑性、韧性好。,15钢,45钢,65钢,29,钢中含碳量%Vp0.77%VF0.0008%,在显微分析中常以P与F的面积数量比来估计亚共析钢的含碳量。,即：C50P0.8C0.40此钢含碳量约为0.40，即40钢。,磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：组织中含有50P和50F，,例如，一种未知钢号的碳钢(退火态)，利用金相法估算此钢的碳含量。,30,共析钢（含碳量0.77%的铁碳合金）,共析钢室温组
11、织,组织：P,性能：良好的综合力学性能（具有强度较高和一定的塑、韧性）,组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈贝壳状,31,过共析钢（含碳量0.77%2.11的铁碳合金）,T12钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀）,组织：P+ Fe3C,性能特点：硬度高，塑、韧性低,组织特征：Fe3C呈网状分布于层片状P周围,32,3、白口铸铁,碳含量为2.116.69，白口铸铁(简称白口铁)又可分为三类：亚共晶白口铁C%为2.114.3，共晶白口铁C%为4.3，过共晶白口铁C%为4.36.69。,过共晶白口铁,亚共晶白口铁,33,亚共晶白口铸铁 （含碳量2.11%4.3）,组织：P+ Fe3C +Ld （Ld
12、 P+Fe3C +Fe3C ）,性能：硬而脆。,34,共晶白口铸铁（含碳量4.3）,共晶白口铸铁的室温组织,室温组织：低温莱氏体（Ld P+Fe3C +Fe3C ）高温组织：高温莱氏体（Ld A+Fe3C ）,性能：硬而脆,35,过共晶白口铸铁（含碳量4.3%6.69）,过共晶白口铸铁室温组织,组织：Ld+ Fe3C （LdP+Fe3C+Fe3C）,性能：硬而脆。,36,15钢,45钢,65钢,T12,Wc，则Fe3C，且其形态由点状层片状网状 基体 粗大板片状，而 F且其形态由大块 状断续网状层片状。,37,由图可知：Wc1.0%时：随钢中Wc，则其HB、b，、Ak；,为保证工业用钢应具有足
13、够的b 和一定的 、Ak ，故其碳含量一般都不超过Wc1.3% 1.4%。,含碳量与力学性能的关系（P79）,因钢中出现Fe3C网而导致钢的b ，但HB ,当 Wc1.0%时：b而HB。为什么？,38,1.硬度 主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。,2.强度 对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中 P 增多而 F 减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc=0.9时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。,3.随碳含量的增大，F量不断减少，合金的塑性、韧性连续下降。,39,对于应用最广的结构材料亚共
14、析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：,或硬度80F%+800Fe3C% (HB),强度230F%+770P% (MPa),延伸率()50F%+20P% (%),工业上广泛使用的钢含碳量1.31.4。,硬度80F%+180P% (HB),40,四、铁碳相图的应用,1、在铸造上的应用2、在锻造上的应用3、在热处理上的应用,41,第三节 碳钢及合金钢概述,一、钢中常存在的杂质元素及其影响二、钢的分类、编号及应用,42,一、钢中常存在的杂质元素及其影响,1、Mn 脱氧；减轻S的影响；固溶强化。,2、Si 固溶强化,3、S 热脆,4、P 冷脆,43,（一）钢的分类,按质量分,优质碳钢
15、（Ws 0.040%，Wp 0.040%）,普通碳钢（Ws 0.055%，Wp 0.045%）,高优碳钢（Ws 0.030%，Wp 0.035%）,按用途分,工具钢（主要用于刀具、量具、模具）,结构钢（主要用于工程构件、机器零件）,按含碳量分,低碳钢（Wc 0.25%）,中碳钢（Wc 0.25 0.60%）,高碳钢（Wc 0.60%）,二、钢的分类、编号及应用,44,（二）钢的编号,(1)普通碳素结构钢,（a） 甲类钢：按力学性能供应,表示方法：甲1（A1）、甲2（A2）甲7（A7）,注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图制定热处理工艺。,1、碳钢
16、的编号,45,（b） 乙类钢：按化学成分供应,表示方法： 乙1（B1）、乙2（B2）、乙7（B7）,注意：可以热处理，但属于普碳钢，性能改善不大。,（c） 特类钢：根据要求供货，保证化学成分和 力学性能。,表示方法： C2、C3、C4、C5,注意：价格太高，一般不用，经常选优质碳素钢。,46,Q 235 A F,新编号,质量等级：A级、B级、C级、D级,F沸腾钢、Z镇静钢、b半镇静钢,47,用途：钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,热处理：热轧空冷组织：SF,48,多边型角钢,钢筋、螺纹钢,螺钉、铆钉,49,（2）优质碳素结构钢,（a）普通锰含量钢：碳含量用两位数字表示，以0.01为单位
17、，如45钢，含C量为 45 / 10000 = 0.45 % 。,（b）较高锰含量钢：碳含量用两位数字表示，以0.01%为单位，后面加汉字“锰”或化学符号“Mn”，如45锰或45Mn钢。,分为普通锰含量钢和较高锰含量钢。,50,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,热处理：渗碳、淬火、回火等。,40Mn钢,钢牌号：,40钢,51,汽车曲轴,弹簧,齿轮,52,（3）碳素工具钢,牌号 : “碳”或T碳含量（千分之几表示)+ 符号,用途：,制造各种刃具、模具、量具。例如冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。,T10A钢,53,螺纹量规,锉刀,钻头,54,2、合金钢的编号,（1）合金结构钢,原则：字母
18、数字化学元素符号数字符号（A）,例 1 ：12 Cr Ni 3 A12铬镍3高级优质钢,55,例 ：G Cr 15滚铬15钢,例 2：Y 40 Mn易切削40锰钢,特例： GCr钢中Cr后的数字表示的是千倍,另外， 还有GCr9 、GCr6、GCr15SiMn等,56,（2） 合金工具钢,原则： 钢中平均含碳量Wc 1.0%时不标， Wc 1% 时以千分之几表示。合金元素含量为百分之几。,例1： 9 Si Cr9硅铬（低合金工具）钢,57,特例：高速钢平均碳含量 1% 也不标。,另外， 还有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等,58,（3） 特殊性能合金钢,原则：钢中平均含碳量 Wc 以千
19、分之几表示。 合金元素平均含量WMe以百分几表示。,例1： 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,例2： 3Cr18 Ni25 Si2耐热不起皮钢,59,（三）合金元素在钢中的作用,1、合金元素的分类,a）强碳化物形成元素,与碳亲和力较强的合金元素。如Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。,在钢中存在形式：含量较低时一般倾向于置换Fe3C内的Fe原子而形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C、（Fe，W）3C等。而含量较高时，除形成渗碳体型碳化物外，还可形成稳定性更高的合金碳化物（Cr7C3、Fe4W2C等）和稳定性特高的特殊碳化物（WC、VC等）。,60,b）弱碳化物形成元素,是指与碳亲和力较弱的合金元素。
20、如Mn。,在钢中存在形式： 少量溶于渗碳体（Fe3C）内，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，大部分溶于铁素体（F）内，形成合金铁素体。,c）非碳化物形成元素,与碳亲和力很弱,不和碳形成碳化物的合金元素。如Ni、Si、Al、Co、Cu、B等。,在钢中存在形式：基本都溶于铁素体（F）内，形成合金铁素体。,61,2、合金元素的作用,固溶强化,除铅外，大多数合金元素（Me）都能溶于F 形成合金F。由于Me与Fe的晶格类型和原子半径的差异而引起F的晶格畸变，产生固溶强化，即使 F 的HB 、 b 。 Me与Fe的晶格类型和原子半径的差异愈大，该Me对F的强化效果也愈大。而F 的 、Ak 与溶入F中的Me
21、种类及数量有关。,62,合金元素对铁素体硬度的影响（退火态）,合金元素对铁素体冲击韧性的影响,63,第二相强化,某些Me加入钢中，增强Fe与C的亲和力，形成稳定性较高的合金渗碳体（Fe,Cr）3C等。随Me及C的加入量增多，能形成稳定性更高的合金碳化物Cr7C3、Cr23C6等及稳定性特高的合金碳化物（WC、VC、TiC等），其熔点、硬度高，难溶于A、难聚集长大，这些碳化物（第二相）呈细小颗粒状、弥散分布在钢的基体上，将使钢的HB 、b，耐磨性增加，但、Ak。,加入Me,合金渗碳体、合金碳化物,细小颗粒状、弥散分布在钢的基体上,强化,64,高速钢W18Cr4V淬火+回火组织,65,细晶强化,大
22、部分Me元素都抑制钢在加热时的A晶粒长大，细化晶粒。尤其是强碳化物形成元素Mo、W、V、Ti等与C形成高熔点、高硬度的合金碳化物（K），并呈细小、颗粒状的质点弥散分布在钢中，这些K对A的晶界起到钉扎作用，强烈阻碍A晶粒长大，故合金钢在淬火加热时易获得细小的A晶粒未溶的K质点，淬火后可获得在硬度高、强韧性好的细小马氏体的基体上弥散分布着K质点的组织。从而使合金钢具有高的硬度、高的强韧性、高的耐磨性。,Me,K,钉扎晶界,阻碍A晶粒长大,66,高速钢W18Cr4V的淬火组织,67,提高钢的淬透性,除Co外，所有Me当他们溶入A中后，均提高钢的淬透性。因此，在获得同样淬硬层深度的情况下，可用冷却能力
23、较低的淬火介质，以减少工件的淬火变形和开裂；在淬火条件相同的条件下，合金钢可获得较深的淬硬层，从而使大截面的工件获得均一的组织，高的力学性能。,淬透性：钢在淬火时获得淬硬层（淬透层） 深度的能力。,68,提高钢的回火稳定性,Me能使淬火钢在回火过程中的M分解和A的转变速度减慢，提高了F再结晶温度，使碳化物不易聚集长大而保持较大的弥散度。因此，提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。,当钢中含有较多的强碳化物形成元素（如W、Mo、V等）时，淬火后的A十分稳定，加热至500 600 仍不分解，尔后在回火冷却过程中部分转变成M，反而使钢的硬度上升；此外，在此温度下回火钢中将沉淀析出这些元素
24、的特殊碳化物并呈弥散分布，致使回火后钢的硬度不但不降反而再增加“二次硬化”。,69,高速钢W18Cr4V 1280 淬火+560 三次回火组织,70,抑制第二类回火脆性,回火脆性：淬火钢在250 350与550650两个温度范围内回火时使钢的韧性显著降低的现象。前者称为第一类回火脆性（不可逆），后者称为第二类回火脆性（可逆）。,第二类回火脆性主要出现在Cr、Mn、Ni、Si等的合金结构钢中。产生回火脆性的原因是回火慢冷时Cr、Mn等Me以及钢中的杂质元素P、Sb、Sn等向原A晶界偏聚有关。,71,1.某Fe-C合金在平衡冷却条件下，在800开始发生AF转变，727发生AP转变，可以知道（ ）。
25、（a）该合金的含碳量 （b）该合金属于过共析合金 （c）该合金含碳量大于0.77% （d）其耐磨性比工业纯铁的低2.某Fe-C合金在平衡冷却条件下，在800开始发生AFe3C转变，727发生AP转变，可以知道（ ）。（a）该合金属于亚共析合金 （b）该合金属于过共析合金 （c）该合金含碳量小于0.02% （d）其耐磨性比工业纯铁的低,随堂练习,72,3.已知某优质碳素钢经完全退火后Fe3C的体积分数为4.8%，其钢号是（ ）。（a）30 （b）50 （c）T7 （d）T104.某Fe-C合金由液态极其缓慢的冷到室温，发生如下反应：L，+Fe3C，+Fe3C，该合金的含碳量范围是（ ）。（a）0
26、.77%且0.77% （d）2.1% 5.价格最高的钢是（ ）。（a）T10 （b）W18Cr4V （c）38CrMoAl （d）Cr12,73,1.在退火状态下，随含碳量增加，钢的强度总是提高的。（ ）2.在退火状态下，随含碳量增加，钢的硬度总是提高的。（ ）3.高碳钢的耐磨性总高于低碳钢的耐磨性。（ ）,74,1完全退火后含碳量为1.0的钢比含碳量为0.5的钢硬度高。2钳工用手工锯锯T10、T12钢料时比锯10、20钢料费力，锯条容易磨钝。3在室温下，含碳量为0.8的钢其强度比含碳量为1.2的钢高。4含碳量为0.45的钢加热到1200开始锻造，冷却到800停止锻造。,三、根据FeFe3C相图，说明产生下列现象的原因。,75,5铁丝易折弯，铸铁易破裂，为什么？,7为什么绑扎物体一般用铁丝（镀锌低碳钢丝）， 而起重机钢丝绳却用60钢（c=0.60%)制成？,6为什么钢铆钉用低碳钢（c=0.25%)制作？,76,有两种含碳量不同的铁碳合金，它们的室温平衡组织各由两种组织组成，它们都有珠光体组织，珠光体的质量分数均为90%。回答以下问题。(1) 分别写出这两种合金的组织名称。(2) 计算这两种合金的含碳量。(3) 计算这两种合金室温下相和Fe3C相的质量分数。,77,
