第三第三 章章 铁碳合金铁碳合金第三第三 章：铁碳合金章：铁碳合金 概概 述述 3.1 铁碳合金及其相图铁碳合金及其相图 3.2 碳碳 钢钢 3.3 铸铸 铁铁Company Logo概概 述述1、钢和铸铁都是铁和碳的合金，是工业上应、钢和铸铁都是铁和碳的合金，是工业上应用最广泛的重要金属材料用最广泛的重要金属材料2、含碳量为、含碳量为0.0218%2.11%的称为钢的称为钢3、含碳量为、含碳量为 2.11%6.69%的称为铸铁的称为铸铁4、不特意加入合金元素的钢称为、不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（碳碳素钢（碳钢）钢）;5、特意加入一种或数种一定量合金元素的钢、特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为称为合金钢合金钢返回 3.1 3.1 铁碳合金及其相图铁碳合金及其相图 3.1.1 3.1.1 纯铁及其特性纯铁及其特性 3.1.2 3.1.2 铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相 3.1.3 3.1.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 3.1.4 3.1.4 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用 3.1.1 纯铁及其特性纯铁及其特性铁铁(Fe)(Fe)是过渡族元素，是过渡族元素，熔点为熔点为15381538，密度是，密度是7.87g/cm7.87g/cm3 3。
纯铁的强度、硬度低，塑性好纯铁的强度、硬度低，塑性好纯铁（工业纯铁）：含碳量纯铁（工业纯铁）：含碳量 0.0218%0.0218%性能：性能：b b=180=180230MPa 230MPa 0.20.2=100=100170MPa 170MPa =30%=30%50%50%=70%=70%80%80%a ak k=128=128160J/cm 160J/cm 2 2 HBS=50 HBS=508080图3-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化返回 纯铁在纯铁在15381538体心立方晶格体心立方晶格 铁（铁（-Fe-Fe）冷却到冷却到13941394面心立方晶格面心立方晶格 铁（铁（-Fe-Fe）冷却到冷却到912912体心立方晶格体心立方晶格 铁（铁（-Fe-Fe）如如继继续续冷冷却却，晶晶格格类类型型不不再再发发生生变变化化，若若加加热热则则会发生相反的变化会发生相反的变化同同素素异异晶晶（构构）转转变变：金金属属具具有有在在不不同同温温度度晶晶体体结构不同的特性，晶格类型随温度的改变而改变结构不同的特性，晶格类型随温度的改变而改变如铁、钛、钴等如铁、钛、钴等纯铁的同素异晶转变过程可概括为：纯铁的同素异晶转变过程可概括为：-Fe -Fe 13941394 -Fe -Fe 912912 -Fe-Fe。
1 1、同同素素异异晶晶转转变变时时，有有结结晶晶潜潜热热产产生生，同同时时也也遵遵循循晶晶核核形形成成和和长长大大的的结结晶晶规规律律，与与液液态态金金属属的的结结晶晶相相似似，故又称为故又称为重结晶重结晶2 2、在在纯纯铁铁中中溶溶入入其其他他溶溶质质元元素素时时，随随温温度度的的改改变变会会有有不不同同的的固固溶溶体体产产生生，这这些些固固溶溶体体是是钢钢铁铁材材料料的的基基本本组组织织，因因此此，工工程程中中才才有有可可能能通通过过不不同同的的热热处处理理来来改改变钢铁的组织和性能变钢铁的组织和性能同素异晶转变对铁碳合金的影响同素异晶转变对铁碳合金的影响 3.1.2 铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相1.1.铁素体（铁素体（F F）定义：碳溶于定义：碳溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体晶格结构：体心立方晶格晶格结构：体心立方晶格碳溶解度：碳溶解度：0.0218%0.0218%（727727），），0.0057%0.0057%（600600），），0.0008%0.0008%（室温）（室温）性能：性能：b b=180=180230MPa 230MPa 0.20.2=100=100170MPa HBS=50170MPa HBS=508080 =30%=30%50%=70%50%=70%80%a80%ak k=160=160200J/cm 200J/cm 2 2铁素体室温时的性能与纯铁相似铁素体室温时的性能与纯铁相似显微镜下观察，铁素体显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状，晶界曲一的颗粒形状，晶界曲折。
折图3-2 铁素体的显微组织示2 2、奥氏体（、奥氏体（A A）定义：碳溶于定义：碳溶于-Fe-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体（高温组织）（高温组织）晶格结构：面心立方晶格晶格结构：面心立方晶格溶解度：溶解度：0.77%(727)-2.11%(1148)0.77%(727)-2.11%(1148)温度范围：温度范围：727-1495 727-1495 性能：性能：b b400MPa HBS=170400MPa HBS=170220 =40%220 =40%50%50%高塑性、无磁性高塑性、无磁性 奥氏体塑性、韧性好奥氏体塑性、韧性好强度、硬度较低强度、硬度较低常将工件加热到奥氏体状态进行锻造常将工件加热到奥氏体状态进行锻造奥奥氏氏体体的的显显微微组组织织与与铁铁素素体体相相似似，呈呈多多边边形形晶晶粒粒，但晶界较铁素体平直，但晶界较铁素体平直图3-3 奥氏体的显微组织示意图3 3、渗碳体（、渗碳体（FeFe3 3C C）定义：定义：FeFe与与C C形成的金属化合物形成的金属化合物晶格结构：复杂正交晶格结构：复杂正交性能：性能：HBS=800 0 HBS=800 0 00 硬而脆硬而脆钢中强化相钢中强化相（耐磨性好）（耐磨性好）FeFe3 3C 3Fe+CC 3Fe+C（石墨）（石墨）弱的铁磁性弱的铁磁性(230)230)高温高温渗碳体常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大影响。
u 珠光体（珠光体（P P）-共析产物共析产物定义：定义：F F与与 FeFe3 3C C 所形成的机械混合物（平均含碳量：所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%0.77%）性能：性能：b b750MPa HBS=180 20%750MPa HBS=180 20%25%a25%ak k=30=3040J/cm40J/cm2 2 综合性能提升综合性能提升补充：铁碳合金的派生组织补充：铁碳合金的派生组织u 莱氏体（莱氏体（L Ld d或或 L Le e）共晶产物）共晶产物定义：定义：A A与与 FeFe3 3C C 所形成的机械混合物（平均含碳量：所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%4.3%）性能：硬而脆性能：硬而脆共析转变：共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变在一定温度下，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固相的过程成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程共晶转变：共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变在一定温度下，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：共析转变：+转变产物：共析组织转变产物：共析组织L L共晶转变：共晶转变：L +L +转变产物：共晶组织转变产物：共晶组织注意：共析转变与共晶转变的区别注意：共析转变与共晶转变的区别亚共析钢亚共析钢亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢过共析钢过共析钢共析钢共析钢共析钢共析钢亚共晶铸铁亚共晶铸铁亚共晶铸铁亚共晶铸铁过共晶铸铁过共晶铸铁过共晶铸铁过共晶铸铁共晶铸铁共晶铸铁共晶铸铁共晶铸铁奥氏体奥氏体铁素体铁素体珠光体珠光体莱氏体莱氏体渗渗碳碳体体铸铁铸铁钢钢符号符号表示表示概念概念性能性能相相固相固相固溶体固溶体铁素体铁素体F F碳溶于碳溶于 FeFe中中的间隙固溶体的间隙固溶体具有良好的塑性和韧性，具有良好的塑性和韧性，但强度硬度不高但强度硬度不高奥氏体奥氏体A A碳溶于碳溶于 FeFe中中的间隙固溶体的间隙固溶体与溶碳量和晶粒大小有与溶碳量和晶粒大小有关，硬度较低而塑性较关，硬度较低而塑性较高，易于锻压成形高，易于锻压成形金属化金属化合物合物渗碳体渗碳体FeFe3 3C C具有复杂晶格的具有复杂晶格的间隙化合物间隙化合物硬度很高而塑性和韧性硬度很高而塑性和韧性几乎为零，脆性极大几乎为零，脆性极大液相液相L L基本组织：基本组织：基本组织：基本组织：单相组织单相组织:F:F、A A、FeFe3 3C C 莱氏体莱氏体LdLd:(A:(AFeFe3 3C C)在共晶点上得到在共晶点上得到,塑性韧性很差塑性韧性很差,是硬而脆的组织是硬而脆的组织 变态莱氏体变态莱氏体(Ld):P(Ld):PFeFe3 3C C 珠光体珠光体P:(FP:(FFeFe3 3C C)在共析点上得到，具有良好的力学性能在共析点上得到，具有良好的力学性能铁碳合金的基本相和组织铁碳合金的基本相和组织 3.2 碳 钢 3.2.1 含碳量对钢的组织和性能的影响含碳量对钢的组织和性能的影响 3.2.2 杂质元素对碳钢性能的影响杂质元素对碳钢性能的影响 3.2.3 碳钢的分类、牌号、性能及应用碳钢的分类、牌号、性能及应用 3.2.1 含碳量对钢的组织和性能的影响含碳量对钢的组织和性能的影响Company LogoF图图3-17 3-17 含碳量对钢组织和力学性能的影响含碳量对钢组织和力学性能的影响Company Logo返回 3.2.1 含碳量对钢的组织和性能的影响含碳量对钢的组织和性能的影响亚亚共共析析钢钢:随随着着含含碳碳量量的的增增加加，组组织织中中的的珠珠光光体体比比例例增增加加，铁铁素素体体比比例例减减少少，所所以以，它它的的强强度度、硬硬度度随随之之增增加加，而而塑塑性性、韧性则下降。
韧性则下降过过共共析析钢钢:随随着着含含碳碳量量的的增增加加，晶晶界界上上的的二二次次渗渗碳碳体体越越来来越越多，并且逐渐形成连续的网状渗碳体多，并且逐渐形成连续的网状渗碳体含含碳碳量量在在0.9%0.9%以以下下，形形成成的的网网状状渗渗碳碳体体还还不不连连续续时时，钢钢的的强强度随含碳量的增加而增加；度随含碳量的增加而增加；当当含含碳碳量量大大于于0.9%0.9%并并形形成成连连续续网网状状渗渗碳碳体体时时，钢钢的的强强度度开开始始下降含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适 可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好铸铸造造焊焊缝缝组组织织模锻模锻切切削削加加工工 3.2.2 3.2.2 杂质元素对碳钢性能的影响杂质元素对碳钢性能的影响1.1.各种杂质元素的来源各种杂质元素的来源2.2.杂质元素的种类杂质元素的种类3.3.各种杂质元素的作用各种杂质元素的作用4.4.各种杂质元素的含量各种杂质元素的含量锰、硅、硫、磷锰、硅、硫、磷1.1.锰锰 (Mn:(Mn:0.8%0.8%时为杂质时为杂质)来自炼钢原料（生铁和脱氧剂锰铁）来自炼钢原料（生铁和脱氧剂锰铁）有益元素有益元素a.a.锰锰有有较较好好的的脱脱氧氧能能力力，可可使使钢钢中中的的FeOFeO还还原原成成铁铁，改改善钢的质量；善钢的质量；b.b.锰与硫能生成锰与硫能生成MnSMnS，以减轻硫的有害作用；，以减轻硫的有害作用；c.c.锰锰大大部部分分溶溶于于铁铁素素体体中中产产生生固固溶溶强强化化，提提高高钢钢的的强强度度和硬度，一部分锰能溶于渗碳体中形成合金渗碳体。
和硬度，一部分锰能溶于渗碳体中形成合金渗碳体碳钢中碳钢中w wMnMn=0.25=0.250.8%0.8%当锰含量不高时，对钢性能影响不大当锰含量不高时，对钢性能影响不大2.2.硅硅来自来自:生铁和脱氧剂生铁和脱氧剂有益元素有益元素a.a.与钢液中的与钢液中的FeOFeO生成炉渣，消除生成炉渣，消除FeOFeO对钢质量的影响；对钢质量的影响；b.b.强化铁素体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度强化铁素体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度c.c.增加。