1、第4章 铁碳合金,4.1 铁碳合金相图及其分析和应用,重点：钢的基本相和显微组织；含碳量与性能的关系。难点：相图的分析。学习方法：掌握“相构成了组织、组织决定了性能”原则。,铁碳合金： 是以Fe和C为组元而形成的一种合金； 是现代工业使用最广泛的合金，占金属零件80-90%。,铁碳相图： 是研究铁碳合金的重要工具, 对于钢铁材料的研究和使用, 特别是热加工工艺制订都有重要的指导意义。,4.1.1 铁碳合金的基本相和组织,(一）基本相1、铁素体：碳固溶于-Fe中形成的间隙固溶体。用(或F)表示。,铁素体显微组织,b = 180230MPaS = 100120MPaHBS = 80 = 3050%
2、ak = 294J/cm2,铁素体机械性能,2、奥氏体：碳固溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体高温相；用或 A 表示。,奥氏体,b= 392MPaS=100150MPa HB =120；= 4050% ak = 320J/cm2,3.渗碳体（Fe3C）具有复杂的 斜方结构,渗碳体性能：,HB = 800 b = 30MPa 0 ak 0,属于硬脆相。是钢中的强化相。它的数量、形状、分布对钢的性能影响很大。,渗碳体分类： Fe3C（块状） Fe3C共晶（鱼骨状） Fe3C（网状） Fe3C共析（层状） Fe3C（短杆状或粒状）,（二）主要显微组织,1、单相组织： F（）、A（）和 Fe3C。
3、2、双相组织：珠光体（P）；莱氏体（Ld）。,1）珠光体（P）：共析转变的产物： AS （FP + Fe3C） 为铁素体与渗碳体的机械混合物，呈层片状。,珠光体（P）的性能： b= 770MPa； HB = 180； = 2035%； ak = 3040J/cm2。,2、莱氏体（Ld）：,共晶转变产物：LC （AE + Fe3C） 为奥氏体与渗碳体的机械混合物，呈鱼骨状和羽毛状性能：硬脆。,莱氏体（Ld）,4.1.1 铁碳合金相图分析,1.特征点,2.特征线,A1线,Acm线,A3线,1）ABCD为液相线, AECF为固相线。2）2条重要水平线（1）ECF水平线 共晶线 在此温度发生共晶转变：
4、,LC AE + Fe3C 转变产物：为奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，记为Ld。,（2） PSK水平线（A1线） 共析线 在此温度发生共析转变： AS FP + Fe3C,转变产物： 为铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，记为P。,3）三条固态转变曲线（1） GS线（A3线）奥氏体析出铁素体的起始温度铁素体全部转变为奥氏体的终了温度。,（2）ES线（Acm）奥氏体的溶解度曲线；当温度低于此曲线时，将从奥氏体中析出二次渗碳体；记为Fe3CII，呈网状。,（3）PQ线铁素体的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，要从铁素体中析出三次渗碳体。记为Fe3CIII可略。,3.特征区,F,A,Fe
5、3C,L,L+A,A+F,A+Fe3C,L+Fe3C,F+Fe3C,1）单相区： A、F、Fe3C。2）两相区： L+A、L+ Fe3C 、 A+ Fe3C 、A+F、F+ Fe3C 。3）三相区：L + A + Fe3C 、A + F + Fe3C,4、铁碳合金分类,A,C,D,F,G,N,K,P,P,S,Q,L,E,工业纯铁,wC.0218,钢,铸铁,4.1.3 典型合金结晶过程分析,1.共析钢（0.77%C）,显微组织：100% P（F+Fe3C）,2.亚共析钢（0.0218% C0.77%）,显微组织：F + P,3.过共析钢（0.77%C 2.11%）,显微组织：P + Fe3C,4
6、.共晶白 口铸铁（4.3%C）,显微组织：100% L、d( 莱氏体）,5.亚共晶白口铸铁（2.11%C4.3%）,显微组织：P + Fe3C + L、d,6.过共晶白口铸铁（4.3%C6.67%）,显微组织： L、d + Fe3C,4.1.4 碳对铁碳合金组织和性能的影响,1、含碳量对碳钢基本相影响碳钢在室温下的基本相： 铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)C% F%、Fe3C %,2、含碳量对碳钢组织影响组织按下列顺序发生变化 C % F F + P P P + Fe3CII。,纯铁,亚共析钢,共析钢,过共析钢,3、含碳量对碳钢的力学性能的影响,1）对塑性、韧性与硬度影响对组织不敏感；取决于基
7、本相的类型和相对量。,铁素体是软韧相渗碳体是硬脆相C%F%塑性、韧性C% Fe3C%硬度,2）含碳量对强度的影响对组织敏感（1）当C % 0.77%： C% P% 强度；,（2）当0.77% C% 1.0%： C %Fe3CII以网状析出强度,4、含碳量对碳钢的工艺性能的影响低碳钢： 压力加工性能（锻造性能）和焊接性能较好；,中碳钢：切削性能和综合机械性能较好。高碳钢：耐磨性较好。碳钢的铸造性能较差。,1、设计选材,4.1.5 铁碳合金相图的应用,铁碳合金的性能是随含碳量而变化的，根据零件的性能要求，可以确定铁碳合金的成分范围。,塑性、韧性,低碳钢 wC%(0.10,0.25),塑性、韧性、强
8、度,中碳钢 wC%(0.25,0.60),硬度、耐磨性,高碳钢 wC%(0.60,1.30),2、制定热加工工艺,铸造工艺：确定浇注温度,锻造工艺：确定锻造温度,3、制定热处理工艺,钢的淬火温度范围,4.2 碳钢,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢：是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢：是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,4.2.1钢中的杂质,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。1、Mn:是有益元素： 强化铁素体； 消除硫的有害作用，形成熔点高MnS。,钢中的MnS夹杂,3、S是有害元素。与Fe在晶
9、界上形成低熔点共晶FeS，热加工时，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.045%以下。,2、Si是有益元素： 强化铁素体； 增加钢液流动性。,合金晶界的低熔点硫化物共晶,4、P也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.,比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中,4.2.2 钢的分类及编号,一、钢的分类1、按化学成分分,2、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。,3、按冶炼方法分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,二、钢的编号（一）碳素结构钢 质量等级符号Q235A
10、（B、C、D） F（Z、b、TZ） 脱氧程度 屈服强度，MPa “屈”,（二）优质碳素结构钢牌号： 两位有效数 +（Mn） 当Mn=0.7%-1.3%标出 含碳量的万分数 例：45 45 Mn,（三）碳素工具钢牌号： T + 数字 + A 高级 含碳量的千分数 “碳” 例：T12A,（四）合金钢的编号1、低合金高强度结构钢,2、合金结构钢,3、合金工具钢,4、特殊性能钢,（六）铸钢“ZG+两位数字”ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几, 如ZG25。,4.2.3 常用碳钢,一、碳素结构钢使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。,铜陵长江公路大桥,牌号、力学性能及应用举
11、例,1、成分：0.4%C, P、S量及非金属夹杂较多。2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：不进行热处理，热轧态下使用。4、使用组织：F+P,5、用途常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接等。,二、优质碳素结构钢,牌号、力学性能及应用举例,三、碳素工具钢共有七个牌号：T7T13,1、成分特点：高碳(0.651.35%C)随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。,2、热处理及组织 热处理：正火 + 球化退火 + 淬火 + 低温回火球化退火目的： 降低硬度, 便于加工; 为淬火作组织准备。 使用组织： M回+颗粒状渗碳体+Ar(少量),3、用途缺点：碳工钢热硬性、淬透性差；应用：制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀、锯条等。T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、剃刀等。,四、铸造碳钢,常用的铸钢的牌号、力学性能及应用举例,结 束,
