工程材料工程材料机械制造基础机械制造基础 - -ⅠⅠ 第五章第五章 铁碳合金相图铁碳合金相图 第五章第五章 铁碳合金相图铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram ) ¨Fe – C 相图的基础知识相图的基础知识¨形成形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结相图组元和基本组织的结构与性能构与性能¨Fe - Fe3C 相图的建立与分析相图的建立与分析¨碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响¨Fe - Fe3C 相图的应用相图的应用¨铁碳合金的生产及分类铁碳合金的生产及分类 第一节第一节 Fe - C相图的基础知识相图的基础知识1.铁与碳可以形成铁与碳可以形成 Fe3C、、Fe2C、、FeC 等一系列化合物等一系列化合物2.稳定的化合物可以作为一个独的组稳定的化合物可以作为一个独的组 元3.Fe – C 二元相图二元相图 Fe – C 二元相图二元相图Fe3C Fe2CFeC温度FeC(6.69%C) Mg – Si 合金相图合金相图 第二节第二节 形成形成Fe - Fe3C 相图组元相图组元 和基本组织的结构与性能和基本组织的结构与性能 一一. .组元组元 * * 铁铁 ( ferrite ) * * 渗碳体渗碳体 ( Cementite ) 二二.基本组织基本组织1.铁素体铁素体 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于碳溶于α–Fe中形成的间隙固溶体。
中形成的间隙固溶体u显微组织和力学性能几乎与纯铁相同显微组织和力学性能几乎与纯铁相同 u力学性能特点：力学性能特点： 强度、硬度较低，塑性、韧性较好强度、硬度较低，塑性、韧性较好 σb ＝＝180-280MPa; 180-280MPa; δ=30%-50%; ψ=70%-80%; a k =160-200J/cm2; HBS=50-80 铁素体铁素体组织金组织金相图相图 2.奥氏体奥氏体 ( A ) --- Austenite 碳溶碳溶于于γ-Fe中形成中形成的的间隙固溶隙固溶体高温相）体高温相）较低硬度（低硬度（170-220HBS））;良好的塑性良好的塑性δ=40%-50%; 低的变形抗力低的变形抗力σb ＝＝394MPa; 易于锻压成型易于锻压成型 奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图 3. 渗碳体渗碳体 ( ( Fe3C ) --- Cementite（（6.69%C) 铁与碳铁与碳形成的金属形成的金属化合物u强度低，强度低，σb ＝＝30MPau硬度却很高，约硬度却很高，约800HBWu极脆，塑性、韧性几乎为零极脆，塑性、韧性几乎为零 渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图 4.珠光体珠光体 ( P ) --- Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
铁素体和渗碳体组成的机械混合物 5.莱氏体莱氏体 ( Ld ) --- Ledeburite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物奥氏体和渗碳体组成的机械混合物 第第 三三 节节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析相图的建立与分析一一. .Fe - Fe3C 相图的建立相图的建立v包晶包晶反应相图反应相图v共晶共晶反应相图反应相图v共析共析反应相图反应相图 Fe - Fe3C 相图相图FeT°Fe3C Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+ Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T°( A+Fe3C )LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+ Fe3CⅡ( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶共晶相图相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C ) Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K( P+Fe3C )P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ( F+ Fe3C )A+ Fe3CⅡL+ Fe3CⅠ( A+Fe3C ) Fe - Fe3C 相图相图 二. Fe - Fe3C 相图的分析相图的分析¨五个五个重要的成份点重要的成份点: P、、S、、E、、C、、K。
¨四条重要的线四条重要的线: EF、、ES、、GS、、FK¨三个重要转变三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶包晶转变反应式、共晶 转变反应式、共析转变反应式转变反应式、共析转变反应式¨二个重要温度二个重要温度: 1148 ℃ 、、727 ℃ 1.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB + H AJ1495℃3.共析转变反应式共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P 727℃2.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC ( AE + Fe3C ) Le 1148℃ 三三. .典型铁碳合金的结晶过程分析典型铁碳合金的结晶过程分析¨工业纯铁工业纯铁 ( ingot iron )¨共析钢共析钢 ( eutectoid steel )¨亚共析钢亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )¨过共析钢过共析钢 ( hypereutectoid steel )¨共晶白口铁共晶白口铁 ( eutectoid white iron )¨亚共晶白口铁亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )¨过共晶白口铁过共晶白口铁( hypereutectoid white iron ) 1.工业纯铁工业纯铁 ( Wc < 0.0218% ) 工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图 2. 共析钢共析钢 ( Wc = 0.77% ) 共析钢组织金相图共析钢组织金相图 3.亚共析钢亚共析钢 ( Wc = 0.45% ) 亚共析钢组织金相亚共析钢组织金相图图 4.过共析钢过共析钢 ( Wc = 1.2% ) 过共析钢组织金相过共析钢组织金相图图 5.共晶白口铁共晶白口铁 ( Wc = 4.3% ) 共共晶晶白口铁组织金相白口铁组织金相图图 6.亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% ) 亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图 7.过共晶白口铁过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% ) 过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图 组织组成物组织组成物:F ; Fe3CF ; P 0.77-0.45F = 100%=43% 0.77-0.02 0.45-0.02P = 100% = 57% 0.77-0.02相相组成物组成物: 6.69-0.45F = 100% = 94% 6.69-0.02P = 1 – WF = 57%Fe3C = 1 - WF = 6%0.020.450.776.69 第四节第四节 碳的质量分数对铁碳碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响合金组织、性能的影响 ¨碳的质量分数对碳的质量分数对平衡组织平衡组织的影响。
的影响¨碳的质量分数对碳的质量分数对力学性能力学性能的影响¨碳的质量分数对碳的质量分数对工艺性能工艺性能的影响 一一. .碳的质量分数对平衡组织的影响碳的质量分数对平衡组织的影响 二二. .碳的质碳的质 量分数对量分数对 力学性能力学性能 的影响的影响 三三. .碳的质量分数对碳的质量分数对 工艺性能的影响工艺性能的影响¨对对铸造性能铸造性能的影响¨对对锻造性能锻造性能的影响¨对对焊接性能焊接性能的影响¨对对切削加工性能切削加工性能的影响 第五节第五节 Fe - Fe3C 相图的应用相图的应用选择材料方面的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用 一一. .选择材料方面的应用选择材料方面的应用1. 分析零件的工作条件分析零件的工作条件, , 根据铁碳合金根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料行选择材料2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律的变化规律 , 确定选定材料的工作范确定选定材料的工作范 围。
围 二二. .制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用 第六节第六节 铁碳合金的生产及分类铁碳合金的生产及分类v钢铁的冶炼钢铁的冶炼v钢锭的组织、质量及缺陷钢锭的组织、质量及缺陷v碳素钢的分类、编号及用途碳素钢的分类、编号及用途 一一. .钢铁的冶炼钢铁的冶炼高炉高炉炼铁炼铁铸铁锭铸铁锭生产铸铁件生产铸铁件炼钢生铁炼钢生铁转炉转炉平炉平炉电炉电炉生产钢件生产钢件 转炉炼钢转炉炼钢平炉炼钢平炉炼钢电弧炉炼钢电弧炉炼钢 1.炼铁的冶金反应特点炼铁的冶金反应特点:还原反应还原反应 Fe2O3 Fe3O4FeOFeCO气体气体高温高温 2.炼钢的冶金反应特点炼钢的冶金反应特点: : 氧化反应氧化反应炼钢生铁炼钢生铁氧化反应氧化反应 二二. .钢锭的组织、质量及缺陷钢锭的组织、质量及缺陷一一)杂质元素对钢的质量和性能的影响杂质元素对钢的质量和性能的影响 Ø Mn — — 脱氧、去硫脱氧、去硫, ,提高钢的强度提高钢的强度 和硬度Ø Si — — 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,能脱能脱 氧1.有益元素有益元素 2.有害元素有害元素: :Ø P — — 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,低温低温 韧性差韧性差 ( ( 冷脆冷脆 ) )。
Ø S — — 能引起钢在热加工时或高温工能引起钢在热加工时或高温工 作下开裂作下开裂 ( ( 热裂热裂 ) ) 3.气体元素气体元素:Ø N：：钢中过饱和钢中过饱和N在常温放置过程中会发生在常温放置过程中会发生时时 效脆化效脆化加加Ti、、V、、Al等元素可消除时效等元素可消除时效 倾向Ø O：：钢中的氧化物易成为钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源疲劳裂纹源Ø H：：原子态的过饱和氢时将降低韧性原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起引起氢氢 脆脆当氢在缺陷处以当氢在缺陷处以 分子态析出时，会产分子态析出时，会产 生很高内压，形成微生很高内压，形成微 裂纹，其内壁为白色，裂纹，其内壁为白色， 称称白点白点或或发裂发裂钢中钢中白点白点 二二) )钢锭的组织及其宏观缺陷钢锭的组织及其宏观缺陷镇静钢镇静钢沸腾钢沸腾钢半镇静钢半镇静钢 1.镇静钢镇静钢 ( killed steel ) 钢钢液在液在浇注前用锰铁、硅铁和铅浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧进行了充分脱氧 ,Wo = 0.01%左右左右, 成成分较均匀、组织较致密。
主要用于机分较均匀、组织较致密主要用于机械性能要求较高的零件械性能要求较高的零件 2.沸腾钢沸腾钢 ( boiling steel ) 钢液在钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo = 0.03%～～0.07%,成分偏析较严重、成分偏析较严重、组织不致密机械性能不均匀组织不致密机械性能不均匀, 冲击韧冲击韧性差性差, 常用于要求不高的零件常用于要求不高的零件 3.半镇静钢半镇静钢 ( balanced steel ) 半镇静钢是半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进是用锰铁和硅铁进行脱氧其质量也介于二者之间行脱氧其质量也介于二者之间,可代可代替部分镇静钢替部分镇静钢,一般不适于做重要零件一般不适于做重要零件 三三. .碳素钢的分类、编号及用途碳素钢的分类、编号及用途¨碳素钢的分类碳素钢的分类¨碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途 一一) )碳素钢的分类碳素钢的分类1.按碳的质量分数分类按碳的质量分数分类: : * * 低碳钢低碳钢: : Wc ≤ 0.25% * * 中碳钢中碳钢: : 0.25% ≤ Wc ≤ 0.6% * * 高碳钢高碳钢: : Wc > 0.6% 2.按钢的质量分类按钢的质量分类: :* * 碳素钢碳素钢: : Wp = (0.035% ～～ 0.045%) Ws = (0.035% ～～ 0.050%)* * 优质碳素钢优质碳素钢: : Wp = 0.035% Ws = (0.030% ～～ 0.035%) * * 高级优质碳素钢高级优质碳素钢: : Wp ≤ 0.030% Ws = ( 0.020%～～0.025% ) 3.按钢的用途分类按钢的用途分类:•碳素结构钢碳素结构钢 ( carbon structural steel ) 用于制造各种机械零件、工程构用于制造各种机械零件、工程构 件。
一般为低、中碳钢一般为低、中碳钢•碳素工具钢碳素工具钢 ( carbon tool steel ) 用于制造各种工具一般为高碳钢用于制造各种工具一般为高碳钢 二二) )碳素钢的编号及用途碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢: : Q 235 — — A · · F沸腾钢沸腾钢A等级质量等级质量 s ≥ 235 MPa屈服强度屈服强度 用途用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件热处理热处理：：热轧空冷空冷组织组织：：S＋＋F建筑构件钢桥梁 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢* * 45 --- Wc = 45%00* * 较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn --- Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%～～1.0% 用途：用途：较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等 热处理热处理：渗碳、：渗碳、淬火、回火等淬火、回火等汽车曲轴汽车曲轴 3.碳素工具钢（碳素工具钢（淬火后淬火后HRC≥62））T 12 A高级优质高级优质 Wc = 12%0碳素工具钢碳素工具钢 用途用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。
冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等 螺纹量规螺纹量规热处理热处理：淬火：淬火 + 低温回火低温回火组织组织：：回火回火M＋＋ 粒状粒状Fe3C + A' 4.铸造碳钢铸造碳钢性能性能 —— 强度和塑性、韧性高于铸铁强度和塑性、韧性高于铸铁 ，但铸造流动性能差，收缩率大但铸造流动性能差，收缩率大ZG 200 - 400σb ≥ 400MPaσs≥ 200MPa铸钢铸钢 热处理热处理:退火或正火，细化晶粒，消除魏氏组织退火或正火，细化晶粒，消除魏氏组织及铸造应力及铸造应力组织组织 —— P＋F用途用途 —— 形状复杂，需一定强度、塑韧性的零形状复杂，需一定强度、塑韧性的零件，如轧辊、机座、外壳件，如轧辊、机座、外壳轧辊轧辊外壳外壳 。