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1、第四章 铁碳合金,本章是本课程的重点章 本章目的： 1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相； 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分组织性能间关系；说明铁碳相图的基本应用； 3 介绍各种碳钢的牌号及应用。,本章重点：,（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 二次渗碳体 （2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征； （3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征 （4）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关系,1 铁碳合金与铁碳相图,铁碳合金应用最广泛的合金 一 铁碳
2、合金中的基本相和基本组织 (一) 纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁冷却中晶体结构的变化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变,A4,A3,A2(770) 居里点(顺磁性与铁磁性转变温度),具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一,2 纯铁的显微组织 单相的Fe,3 纯铁(工业纯铁)的性能 强度低(b=180230MPa); 硬度低(50HBS80HBS)、软; 塑性好(:3050； :70 80 ) 铁磁性,4 应用： 仪器仪表用软磁铁芯,（二） 铁碳合金中的基本相和基本组织,1 基本组元： Fe、C 2 基本相：
3、（1）铁素体(或 F ) ： 定义: C在体心立方Fe中的间隙固溶体 但C在Fe中的溶解度极小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能: 强硬度低(50HBS80HBS)， 塑韧性好(:70 80 ; Ak=160J ) 与工业纯铁同,（2）奥氏体(或 A ) 定义：C在面心立方Fe中的间隙固溶体 溶碳量较大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能: 强硬度较低； 塑性较好, 变形抗力较低, 易于锻压成形; 顺磁性。 热加工(塑性变形) 相 合金化后成为室温基体相(无磁性)；,（3）渗碳体(Fe3C) Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C， 复杂正交
4、晶系。 性能 强度低：b= 30MPa; 硬度高：800HB 无塑性：=0; =0; Ak=0 弱的铁磁性(230 ), 硬、脆 钢中强化相,3 组织,Fe-C合金成分范围宽，相构成只三个，但性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或单相或混合相存在 不同组织 （1）铁素体(F) （2）奥氏体(A) （3）渗碳体(Fe3C) （4）珠光体(P) ：F Fe3C；共析反应产物 （5）莱氏体(Ld)：AFe3C；共晶反应产物 （6）变态莱氏体(Ld)：PFe3C,单相组织,两相组织,二、FeFe3C相图分析,实际组元： Fe-Fe3C,ES: 相的溶解度曲线 PQ: 相的溶解度曲线 GS: 先共
5、析相析出线,J点包晶点 1495 0.17% C C点共晶点 1148 4.3% C S点共析点 727 0.77%,E点的最大溶碳量 2.11% C P点的最大溶碳量 0.0218% C,三 铁碳合金的平衡结晶过程及组织 1 铁碳合金分类,工业纯铁,钢,铸铁,按照铁碳相图， 根据碳含量不同分为三大类：,根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型： （1）工业纯铁 Wc0.0218 （2）共析钢 Wc=0.77 （3）亚共析钢 Wc=0.02180.77 （4）过共析钢 Wc=0.772.11 （5）共晶白口铁 Wc=4.3 （6）亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 （7）过共晶白口铁 Wc=4.3
6、06.69,工业纯铁,共析钢,过共析钢,亚共晶白口铁,共晶白口铁,过共晶白口铁,亚共析钢,合金 WC= 0.01% 的工业纯铁,常温下的组织构成： F+Fe3C,合金：共析钢,常温下的组织构成： P,不同放大倍数下P的显微组织,计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量？,WF=SK/PK =(6.690.77)/(6.690.0218)100% =88.7% W Fe3C = 188.7% = 11.3%,亚共析钢(0.4%C),常温下的组织构成： F先共析 P,L,L,Fe3C,先共析F,P,计算WC=0.4%钢中的组织组成物,W F先 = (0.770.40) / (0.770.0218) 1
7、00% = 49.5% WP = 149.5% = 50.5%,先共析F 和 P 的含量？,计算相组成物,WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3% WFe3C = 194.3% = 5.7%,铁素体 和 Fe3C 的含量？,过共析钢( 1.0%C ),L,1.0 0.77 +Fe3C,P +Fe3C,相构成：F+ Fe3C 组织构成： Fe3C+P,Fe3C,P,合金 共晶白口铁,1148发生共晶转变 LC E+ Fe3C,K,合金 亚共晶白口铁 组织构成： P + Ld,合金 过共晶白口铁 组织构成： Fe3C+ Ld, + Fe3C,0.4%C
8、,铁碳相图不足：,Fe3C + ,1%C,PFe3CLd,F,FFe3C,F先+P,P,P+Fe3C,LdFe3C,Ld,组织构成图,工业纯铁,共析钢,过共析钢,亚共晶白口铁,共晶白口铁,过共晶白口铁,亚共析钢,解释工业纯铁、钢、白口铸铁组织上的主要差别,四 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 （一） 对相构成及平衡组织的影响,铁碳合金成分范围与室温平衡组织：,1 对相构成的影响,2 对组织构成的影响,(二) 对机械性能的影响,对性能影响的原因分析,1 碳含量碳钢机械性能的影响及分析 总体： 随碳含量增加，碳素钢的硬度线性提高而塑韧性下降；强度先随硬度的提高而提高，但大约当C%0.9%后，强
9、度反而下降；,原因： 与构成相或组织的性能有关。 铁素体相: 软韧相， 渗碳体相：硬脆相； 珠光体组织的性能介与两者之间: 强韧,硬度： 非组织敏感性能 主要取决于相构成，包括组成相的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。 相构成： FFe3C,随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C),亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %,强度： 对组织形态很敏感。故不仅与相构成有关，更主要的与组成相的形态、分布即组织构成有极大关系。 亚共析钢： F先+P构
10、成，均为韧性组织，强度与硬度一致。随碳含量增加，钢中强韧的P组织数量增加，而强硬度很低的F先不断下降，故合金强度随硬度增大而增大；,b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40 过共析钢： Fe3C先+P，为韧性组织脆性组织 与脆性组织(Fe3C先)的形态直接相关： C0.9%1.0%后，随C而陡降。,出现网状Fe3C,Fe3C为沿晶粒状,塑韧性： Fe3C极脆相，无塑、韧性；合金塑性变形完全由 F 提供，随C%增高， F不断减少，故塑韧性不断下降。,思考题： 试从化学成分、相构成、组织构成等方面对工业纯铁、钢、白口铸铁的机械性能进行分析、比较、解
11、释。,(三) 对工艺性能的影响 1 切削加工性能 材料的硬度太软,容易粘刀,切削热大,影响表面粗糙度; 材料的硬度太硬,刀具磨损严重。 钢的硬度为HB170250时，切削加工性能较好。 2 可锻性：低碳钢塑性好，可锻性好。随含碳量增加，可锻性变差。,3 铸造性： 共晶成分的铸铁流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性好； 液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。,一 杂质元素对钢性能的影响 少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。 （一）锰的影响 脱氧剂。 有益元素，碳钢中不超过0.8%， （1）固溶强化； （2）形成M
12、nS，消除硫的有害影响。,2 碳钢,（二）硅的影响 脱氧剂，有益元素，碳钢中含量不超过0.5%， 固溶强化。,（三）硫的影响 有害元素，矿石和燃料带入。 以FeS夹杂物形式存在晶界上 “热脆”， 原因：形成Fe+FeS共晶，熔点为989，低于热加工的加热温度1150，而导致热加工时开裂。 若钢中含氧量高时，还会形成熔点更低（940）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。,防止热脆： （1）降硫： 普通碳素结构钢要求： S0.040%0.050% （2）改变硫的存在方式： 加入适当的Mn，Mn与S的化学亲和力大于Fe，优先形成MnS，MnS的熔点1600，高于热加工温度，可避免热脆的发生。,
13、（四）磷的影响 有害杂质元素， 矿石和生铁等炼钢原料带入。,磷在钢中固溶强化作用很强，但同时剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧脆转变温度升高，称为“冷脆”。,韧性降低体现在两方面： (1) 冲击功Ak；,(2) 韧脆转变温度Tk,韧性区,脆性区,韧脆转变温度,（五）氮、氢、氧等微量气体的影响 1、氮 炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。 称为蓝脆(因300上下应变时最易产生) 蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。 消除方法：加Al形成AlN,2、氢 高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，氢在钢中
14、的溶解度急剧降低，但氢来不及逸出表面，过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚，并逐渐形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹，这种氢使钢变脆的现象称为氢脆严重的缺陷。 消除方法： 锻后缓冷。尤大型锻件。,3、氧： 氧化物夹杂物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。 有害元素的利用： S、P在易切钢中的应用 P在炮弹钢中的应用。,二 碳钢分类、编号及用途,1 分类 按化学成分： 低、中、高碳钢：0.25%；0.6% 用 途：结构钢 工具钢 质量：优质、高级优质、普通；( S、P),2 钢编号,反映：成分、用途 （1）普通碳素结构钢 （0.0
15、6%0.4%）力性要求 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275； Q235-AF 与旧标准的对比： Q235A3 -构件用钢,(2) 优质碳素结构钢(0.06%0.70%) 反应成分,08F、10、20 :,塑韧性、焊接性好 冷冲、焊接、渗碳件,调质后综合机性好 调质件,强度高、弹性极限高 弹性元件,25、30、35、40、45 :,50、60、65 :,(3) 碳素工具钢（0.65%1.35%）,T7、T8： 一定韧性 冲头、锤子、凿子,T9、T10：硬度高、韧性适中； 钻头、手锯条、刨刀,T12(A)、T13： 硬度高、韧性低 锉、刮刀、量具,习题与思考题 1 何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体？分别写出它们的符号和性能特点。 2 一堆钢材由于混杂，不知道化学成分，现抽出一根进行金相分析，其组织为铁素体加珠光体，其中珠光体的面积大约占40，由于珠光体与铁素体的比容相近，可用显微组织中珠光体与铁素体的面积百分数替代二者的重量百分数，试估算该钢材的含碳量。 3 已知珠光体的HBS180，20，铁素体的HB
