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1、第四章 铁碳合金 铁碳合金系相图 铁碳合金平衡冷却过程分析 碳对铁碳合金的影响 碳钢 铸铁 第一节 铁碳合金系相图 一、组元的特性 1.纯铁纯铁的同素异晶转变 铁素体的磁性转变温度为770(居 里点)，曾经把770912无磁性( 顺磁性)的铁称为Fe。 工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度 低，塑性、韧性好。 抗拉强度 b180230Mpa 延伸率 3050 断面收缩率7080 冲击韧性 ak160200J/cm2 硬度 5060HB 一、组元的特性 第一节 铁碳合金系相图 2.碳 游离的碳有石墨和金刚石两 种晶体结构，在铁碳合金中的游 离态是石墨。石墨(Graphite)具 有简单六方晶格。同
2、一晶面上碳 原子以共价键结合,间距0.142nm 结合力较强，两层晶面的间距为 0.34nm，结合力弱。 石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大 快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。 石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但 其强度、硬度、塑性和韧性都极低。 二、铁碳合金中的基本相 第一节 铁碳合金系相图 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由相 形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由相 形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也
3、为bcc，相出 现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。 Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为 6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称 为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。 石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记 G(Graphite)。 L相 碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。 三、铁碳合金三相平衡转变 第一节 铁碳合金系相图 这是一包晶反应，发生在高温， 并且在随后的冷却过程中组织还 会发生变化，不作讨论。 共晶反应，产物共晶体组织称为 莱氏体，记录Ld(Ledeburite
4、) 共析反应，产物为两相层片交替 分布的共析体组织称为珠光体， 记录P(Pearlite) 四、FeFe3C 合金相图 第一节 铁碳合金系相图 图 1、相图形式 四、FeFe3C合金相图 第一节 铁碳合金系相图 2、相图中各点的参数及含义 四、FeFe3C合金相图 第一节 铁碳合金系相图 3、相图中相区 五个单相区：液相区 L 高温固溶体 奥氏体 (A) 铁素体 (F) 渗碳体 Fe3C 七个双相区：L L L Fe3C Fe3C Fe3C 三个三相区：HJB线 L ECK线 L Fe3C PSK线 Fe3C 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型： 工业纯铁
5、 (C%0.02%) 钢 (C%2.11%) 亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁 灰口铸铁 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 一、工业纯铁(C%0.02%) 含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从Fe中析出的 Fe3C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过 饱和状态。 通常的组织为单一铁素体。 二、共析钢(C%0.77%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 相转变过程 组织转变过程 L L+A P 二、共析钢(C%0.77%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组 织为单一的珠光体。两相的重量比两相的厚度比8:1 三、亚共析钢(C%=0.020.
6、77%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织转变 L A F+A F+P 三、亚共析钢(C%=0.020.77%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织相对数量计算： 四、过共析钢(C%=0.772.11%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织转变：L LA A AFe3CII PFe3CII 四、过共析钢(C%=0.772.11%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很 脆，工程中使用并不希望出现这种组织。 五、共晶白口铁(C%4.3%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织转变 L (LLd) Ld Ld 五、共晶白口铁(C%4.3%) 第二节
7、铁碳合金平衡冷却分析 六、亚共晶白口铁(C%=2.114.3%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织转变 L LA ALd AFe3CIILd PFe3CIILd 六、亚共晶白口铁(C%=2.114.3%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 七、过共晶白口铁(C%=4.36.69%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织转变 L L+Fe3CI Fe3CI+Ld Fe3CI+Ld 七、过共晶白口铁(C%=4.36.69%) 第二节 铁碳合金平衡冷却分析 Fe3C的形式 一次渗碳体Fe3CI 二次渗碳体Fe3CII 三次渗碳体Fe3CIII (共析)珠光体中 (共晶)莱氏体中 第三节 碳对铁碳合金的影
8、响 一、碳对室温平衡组织的影响 一、碳对室温平衡组织的影响 第三节 碳对铁碳合金的影响 一、碳对室温平衡组织的影响 第三节 碳对铁碳合金的影响 二、碳对力学性能的影响 第三节 碳对铁碳合金的影响 第四节 碳钢 一、碳钢中的常存元素 碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的材料中 存在，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指： Si、Mn 冶金时自然存在对性能无不利影响而保留 S、P 冶金时难以彻底清除而存在于钢中 一般钢中大致含量： Si0.250.30% Mn0.250.50% S0.05% P=0.045 二、钢的冶炼过程对性能的影响 第四节 碳钢 1.钢锭中的组织缺陷 缩孔
9、：大多材料凝固后体积收缩留下的 空腔。力图让缩孔集中在冒口，可切去 。 疏松：微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒 间凝固的封闭而得不到液体补充而留下得 缺陷。轧制可减小或消除其部分不利的影 响。 气孔：凝固中未排出在凝固体而形成的 缺陷。气体的来源析出和反应型。 夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂 物有浇铸中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等。 成分偏析：成分不均匀叫做偏析。有宏观偏析和微观偏析 二、钢的冶炼过程对性能的影响 第四节 碳钢 2.常存元素对性能的影响 磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧 性，特别是低温下会使性能恶化冷脆性。 硫：S在钢
10、中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988，在此温度以上 工作和锻造时因晶界熔化而开列热脆。适量的S可概述钢的 切削性能。 硅：Si溶入铁素体，可提高强度和硬度。 锰：Mn与S、C的结合力比Fe强，可生成MnS，塑性和熔点比FeS 高，消除S的不利影响，但MnS会降低疲劳强度和断裂韧性，所 以依然要控制含硫量。 Si、Mn含量以自然出现为原则，人为专门加入组成合金钢。 三、碳钢的分类 第四节 碳钢 按含碳量分：低碳钢 WC 0.25 中碳钢 0.25 0.6 按质量用途分：普碳钢 普通碳素结构钢 碳结钢 优质碳素结构钢 碳工钢 碳素工具钢 按质量分：普通碳素钢 WP 0.045 WS 0.055
11、优质碳素钢 WP 0.040 WS 0.040 高级优质碳素钢WP 0.035 WS 0.030 冶炼方法：沸腾钢半镇定钢 镇定钢 四、普通碳素结构钢 第四节 碳钢 牌号 早期牌号：A1、A2、A3、A7 数字越大，强度越高，相应塑性就低一些 。 近代推荐：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 Q的含义为“屈”，数字为钢的屈服强度 MPa。 特点：检查标准为仅检查材料的力学性能，不考察其成分， 大多为轧制的型材(钢板、圆、扁、管、角)。钢厂 出厂状态为热轧制后在空气中自然冷却(正火)。 性能标准参阅GB70088 教材有择录 用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用 于
12、普通简单结构零件。 五、优质碳素结构钢 第四节 碳钢 牌号 08、08F、10、15、20、45、50、65 数字为钢中C的含量(万分之几)基本范围，0.05一档。对 其中含S、P较低的优质钢后加字母 A，如45A。 特点： 出厂检验要求保证化学成分为主，力学性能为辅助检 验项目。钢厂出厂时保证碳的含量，为达到相应的力学性 能指标，其他元素各厂有少量的差异。 性能标准参阅GB69988 教材有择录 用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件，一般都要热处 理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬 度愈高，塑性相应会降低。而以45钢附近的韧性较好。 此外，铸钢的成分参照相同标准，牌号Z
13、Gxxxxxx，性能一 般比钢厂标准略低，用于形状复杂性能要求较高的零件。 六、碳素工具钢 第四节 碳钢 牌号 T8、(T9)、T10、T10A、(T11)、T12、T12A、T13 T的表示为“碳工钢”，数字为钢的含碳量(千分之几) 。后缀A为低杂质的优质钢 特点：钢厂出厂状态为热轧制后进行球化退火，组织为颗粒 状的碳化物球化珠光体，可以直接进行机械加工。 性能标准参阅GB129886 用途：碳素工具钢经过热处理(淬火低温回火)后具有高的 硬度，用来制造尺寸较小、简单量具，低速加工用的刃 具和模具，如具锯、手工工具、木工工具、简单的冲压 模具等。 第五节 铸铁 引言 从铁铁碳平衡相图图已知，
14、含 碳量大于2.11的铁铁碳合金称 为铸铁为铸铁 。工业业上常用的铸铁铸铁 成分范围围通常为为：C:2.54.0% Si:1.03.0% Mn:0.51.4% S:0.020.20% P:0.010.50% 。有时为时为 了改善其性能，加入 一定量的合金元素Cr、Mo、V 、Cu、Al等，总总的来说说与钢钢相 比，含碳和硅的量较较大，杂质杂质 元素比钢钢也多。 碳以石墨G的形式存在，可 以与Fe构成平衡状态。 一、 铁碳合金的石墨化 第五节 铸铁 1.热力学原理 从热力学可知，碳以石墨状存在比在渗碳体中处在更低 的能量状态。 Fe3C Fe(C)G 转变是自发过程，尽管在 许多情况下，铁碳合金
15、中的碳以渗碳体出现，这仅仅是动力 学原因导致，在条件适合时生成渗碳体的转变过程中碳将析 出生成石墨，有时已经生成的渗碳体会分解而生成石墨。 石墨化是指铸铁铸铁 在冷却的过过程中，当碳处处于过饱过饱 和时时 ，碳原子析出形成石墨的过过程。 2.石墨化过程 在共晶温度1154以上温度发生的石墨化。仅在过共晶材 料中，从液体相中过饱和碳析出的石墨将漂浮在液体之上，不 会进入铸铁材料的组织中。并且工程中不应用过共晶铸铁，所 以通常讨论的石墨化有以下三各阶段。 一、 铁碳合金的石墨化第五节 铸铁 第一阶段 高温石墨化，发生在1154 共晶转变时转变时 石墨的形成，LC AEG。得到的组织组织 为为(奥氏体石墨)的共晶体，这这个石墨也称为为共晶石墨。 第二阶段 中间石墨化，发生在1154738之间 奥氏体随温度在下降，对对碳的溶解度也下降，这时过这时过 饱饱和的碳以石墨的方式析出，奥氏体的成分沿ES变化， 析出的石墨也称为二次石墨GII。 第三阶段 低温石墨化，发生在738 共析转变时转变时 石墨的形成，AS PpG。得到的组织为组织为 (铁素体石墨)，这时析出石墨难以形核，往往在前两阶段 出现的石墨基础上长大 。 工程实际中这三个阶段有时可能发生，有时只能发生
