[材料科学]fe-c合金相图和碳钢

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1、1,铁-碳合金相图与碳钢,2,黑色金属以铁及铁碳为主的合金 （钢铁与铸铁） 有色金属其它金属及其合金 （Cu、Al、Ti 等及其合金）,3,1.铁碳合金的基本组织与性能 钢铁Fe-C合金。 根据Fe-C合金中含碳量不同，组织、性能和应用场合也不同。 一、Fe-C合金的基本组织 1.铁素体 (F) 2.奥氏体 (A) 3.渗碳体（Fe3C） 4.珠光体（P） 5.莱氏体 (Ld),4,1.铁素体 (F) 定义： C在-Fe中的间隙固溶体。 特点： 晶体结构bcc,5,铁的溶碳能力决定于晶格中原子间的间隙大小。只有当晶格中间隙半径与碳原子半径相接近时，碳原子才能溶入到晶格间隙中去。在727最大溶碳

2、量为0.0218%。 铁素体具有良好塑、韧性，较低的强度、 硬度。 铁素体其室温性能接近于纯铁。 铁素体是钢中基体相。,6,2.奥氏体 (A) 定义： C在-Fe中的间隙固溶体。 特点： 晶体结构fcc,7,-Fe的溶碳能力比-Fe要大。 在1148最大溶碳量为2.11%；随着温度的下降，溶碳能力逐渐下降，在727最大溶碳量为0.77%。 奥氏体具有一定的强度和硬度，塑性也很高，在生产中，钢材大多数要加热至高温奥氏体状态进行压力加工。（锻造、轧钢）,8,3.渗碳体（Fe3C或Cm） 定义： Fe与C形成的金属化合物。 特点： 晶体结构与碳和铁 都不一样，是一种 复杂的斜方晶格类型。 渗碳体中碳

3、的质量 分数是6.69。,9,渗碳体：具有高熔点（1227 ）， 高硬度 （9501050HV）， 但脆性大。塑性和韧性极低， 不能单独使用。 渗碳体：在钢铁中的形态： 呈片状、球状或网状。 渗碳体：在铸铁中的形态： 石墨状（片状、球状、团絮状和蠕虫状） 渗碳体是钢中主要强化相。,10,4.珠光体（P） 定义：铁素体与渗碳体形成的混合物。 特点： 珠光体是铁素体与渗碳体交替排列形成的 机械混合物。 珠光体碳的质量分数平均为0.77。 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，有一定的强度和塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织。,11,12,5.莱氏体 (Ld) 定义：奥氏体与渗碳体形成的混合

4、物。 特点： 含碳量为4.3%的液态铁-碳合金 在1148时形成的共晶产物:奥氏体+渗碳体 高温莱氏体(Ld) ； 在727时形成的混合物:珠光体+渗碳体 低温莱氏体(Ld)。,13,莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。 莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体(或珠光体）。,低温莱氏体的显微组织,14,指出： 铁碳合金形成的组织中， 基本相: 铁素体+渗碳体。 基本组织: 铁素体、珠光体、奥氏体、莱氏体 和渗碳体。,15,2.铁碳合金相图（状态图） 铁碳合金相图（状态图）是表示在极其缓慢冷却(或缓慢加热)条件下，不同成分的合金，在不同的温度下所具有的组织状态的

5、一种图形。 作用： 研究铁-碳合金 成分-温度-组织结构之间关系的图形。,16,17,一、铁碳合金相图的组成,18,1.铁碳合金相图简图（简化的Fe -Fe3C相图）,19,2.铁碳合金相的组成 Fe和C 可以形成一系列的化合物。 如：Fe3C 、Fe2C 、FeC。 生产中实际使用的Fe-C合金，含C%量一般不超过5%。 含C%量过高，材料尽管硬度很高，但脆性极大，难以加工，没有使用价值。 基本相： F 和Fe3C,20,二、Fe-Fe3C相图中特性点、线的含义 及各区域内的组织 1）主要特性点（七个） A、C、D、E、G、S、P 2）主要特性线（六条） ACD、AECF、GS、ES、ECF

6、、PSK,21,3）区域内组织 单相组织：（L、A、F、P、Ld、Ld、Fe3C） 双相组织：（L+A、L + Fe3C、A+F、 A+Fe3C 、 F+P、 P+Fe3C 、 Fe3C + Ld 、Fe3C+Ld） 叁相组织：（A+ Ld +Fe3C 、P+Fe3C+ Ld ）,22,1.主要特性点的含义,23,重点掌握： 1. 共晶点： C点 1148 4.3% C 共晶转变： LC AE+Fe3C 组织： 高温萊氏体 Ld 组织： 变态萊氏体 Ld 2.共析点：S点 727 0.77% C 共析转变：AS FPFe3C 组织：珠光体 P,24,2.主要特性线的含义,25,重点掌握： 1.

7、GS线（A3线）A冷却时析出 F 的开始线。 2. ES线（Acm线）碳在A中的溶解度曲线； A冷却时析出Fe3C的开始线。 3. ECF线（共晶转变线）发生共晶转变开 始线。 4. PSK线（A1线）发生共析转变开始线。,26,3.区域内组织演变,27,三、铁碳合金的分类 铁碳合金按其含碳量和室温平衡组织的不同， 一般分为：工业纯铁、钢、白口铸铁(生铁)。,28,铁碳合金的成分和组织关系,29,四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系 随着含碳量的不同，组织变化顺序： F F+P P P+Fe3C P+Fe3C + Ld Ld Ld + Fe3C,指出： 含碳量越高， F数量越少， Fe3C数量

8、越多。 含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性 韧性越低。,30,( F ),( P ),(P+Fe3C),( F+P),31,(P+Fe3C + Ld),( Ld ),( Ld + Fe3C),32,五、Fe-Fe3C相图的应用 铁碳合金状态图从客观上反映了钢铁材料的组织随成分和温度变化的规律，因此在工程上为选材、用材及制定铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。 1.作为选材的依据 2.在铸造生产方面的应用 3.在锻造工艺方面的应用 4.在热处理工艺方面的应用,33,1.作为选材的依据 1）要求强度、硬度不高，但塑性、韧性及焊接性能好， 要求适合于生产成形性能很好的各种型材、板

9、材、 带材、管材等选用低碳钢； 2）要求强度和韧性比较好，可以用来制造工作中承受 冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件（轴类）。 选用中碳钢； 3）要求强度、硬度高而耐磨的各种切削刀具、模具及 量具等选用高碳钢；,34,4）白口铸铁的硬度极高，脆性很大，不能进 行压力加工，但其铸造性能较碳钢好，适 用于制造形状复杂、不受冲击而要求耐磨 的铸件。 如：冷轧辊、拉丝模、货车轮、球磨机磨 球及粉碎机刀片等。,35,2.在铸造生产方面的应用 根据Fe- Fe3C相图的液相线可以确定合金的浇注温度。 从相图上可看出, 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能 最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散

10、缩孔少, 可以获得致密的铸件。所以铸铁在生产上总是 选在共晶成分附近。,36,在铸钢生产中, 碳含量一般规定在0.15-0.6%之间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 因此铸造性 能较好。,37,3.在锻造工艺方面的应用 钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻、始轧温度控制在固相线以下 100200范围内。 一般： 始锻温度：11501250, 终锻温度：750850。,38,4.在热处理工艺方面的应用 Fe- Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。 一些热处理工艺，如：退火、正火、淬火 的加热温度都是依据Fe- Fe3C相图

11、确定的。 这部分内容将在热处理一节中详细阐述。,39,在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相 的平衡状态, 如含有其它元素, 相图将发 生变化。 Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金 中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其 组织转变就不能只用相图来分析了。,40,3.碳素钢 碳素钢简称为碳钢。 是碳的质量分数大于 0.0218小于2.11 的Fe-C合金。 即： 在Fe-Fe3C状态图上 处于P、E 两点之间的 Fe-C合金。,41,实际生产中应用的碳素钢，除含有碳元素之外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素。 在钢铁材料中，碳素钢占有很

12、大的比重。这是由于碳素钢的冶炼简便，价格低廉，性能 也能满足工业上的一般要求，因此在建筑、交 通运输及机械制造工业中应用较为广泛。,42,芜湖奥林匹克体育场,43,一、钢中常存元素及其对性能的影响 碳素钢中除含有铁和碳元素之外，还含有少量的 锰、硅、硫、磷和氢等元素。对钢的性能必然产生 一定的影响。 1.锰的影响 锰是炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢中的元素。 锰可以与硫化合成MnS，以减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能； 锰能大部分溶解于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。 总的来讲Mn是一个有益的元素。（Mn 0.8%）,44,2.硅的影响 硅是作为脱氧

13、剂带进钢中的。硅溶于铁素体中，并使铁素体强化从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。 总的来说钢中硅也是一个有益元素。（Si 0.4%） 3.硫的影响 硫是在炼钢时由矿石和燃料带进钢中的，而且在炼钢时难以除尽，在一般钢中，硫是有害杂质元素。 在固态下，硫不溶于铁，而以Fes的形式存在。 Fes与Fe能形成低熔点的共晶体(Fe+Fes)，其熔点为 985，且分布在晶界上。 当钢材在1000一1200进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。在热压力加工中称为“热脆性”。 （S 0.05%）,45,4.磷的影响 磷是由矿石带入钢中的。磷是一个有害元素。 一般磷在钢中能全部溶于铁素体

14、中，从而提高了铁素体的强度、硬度。但会使钢的塑性和韧性急剧下 降，产生低温脆性称为冷脆性。（P 0.045%） 此外，在某些情况下在钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。例如：钢轨钢。,46,5.氢的影响 氢是在冶炼过程中，由生锈的炉料(含水)及潮湿的大气带进钢中的。它在钢中的含量一般很少，但对钢的危害却很大。 由于氢在钢中的溶解度随温度的下降而显著降低，先析出的原子氢存在于钢的缺陷处，随后原子氢又形成分子氢，并使氢的扩散更加困难。由于温度降低造成氢气分子不断增多，并产生较大的压力从而导致钢的开裂。这种现象称为氢脆。 现代炼钢采取真空冶炼，炉外精炼等方法。,47,1、按钢的含碳量分类

15、 ）低碳钢 c 0.25； ）中碳钢 c = 0.25-0.60； ）高碳钢 c 0.60。,二、碳素钢的分类,48,2、按钢的冶炼质量分类 碳素钢冶炼质量的高低，主要是根据钢中的有害元素S、P的含量多少来划分的: 1）普通钢 S0.05， P0.045； 2）优质钢 S0.035, P0.035； 3）高级优质钢 S0.025，P0.025 4）特级优质钢 S0.015, P0.015,49,3、按钢的用途分类 1）碳素结构钢 主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其含碳量一般都小于0.70。 此类钢常用于制造如齿轮、轴、螺母、弹簧等机械零件，用于制作如桥梁、船舶、建筑等工程结构件。 2）碳素工具钢 主要用于制造各种工具，如：刃具、模具、量具等。 其含碳量一般都大于0.70。（实际：C1.4）,50,4、按冶炼时脱氧程度分类 1）沸腾钢 在冶炼末期，钢液仅用弱脱氧剂锰铁进行不完全脱氧，在钢液中保留相当数量的FeO，在浇注凝固时，由于C和FeO发生反应，钢液中不断析出CO而沸腾，故称为沸腾钢。 这种钢的内部存在着许多气孔，但没有大的缩孔，轧成钢坯后，头部切除量很小，成材率较高，成本较低。但沸腾钢成分偏析大，组织不致密，性能不均匀，冲击韧性较差。 对于力学性能要求高的零件，不宜采用沸腾钢