第4章_鐵碳合金

1、 碳鋼碳鋼和和鑄鐵鑄鐵都是鐵碳合金，是目前最主要應(yīng)用的金屬材料。都是鐵碳合金，是目前最主要應(yīng)用的金屬材料。 鐵碳相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳相圖，對鐵碳相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的制定以及產(chǎn)品的質(zhì)量分于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的制定以及產(chǎn)品的質(zhì)量分析等都有十分重要的意義。析等都有十分重要的意義。 鐵與碳可以形成鐵與碳可以形成FeFe3 3CC，F(xiàn)eFe2 2CC，F(xiàn)eCFeC等多種穩(wěn)定化合物，因此，等多種穩(wěn)定化合物，因此，鐵碳相圖可以分成四個獨立的區(qū)域。鐵碳相圖可以分成四個獨立的區(qū)域。 含碳量大于含碳量

2、大于6.696.69的鐵碳合金在工業(yè)上沒有應(yīng)用價值，所以在的鐵碳合金在工業(yè)上沒有應(yīng)用價值，所以在研究鐵碳合金時，僅研究研究鐵碳合金時，僅研究Fe-FeFe-Fe3 3CC部分。部分。 鐵碳合金中的碳有兩種存在形式：鐵碳合金中的碳有兩種存在形式：滲碳體滲碳體（FeFe3 3CC）和）和石墨石墨。在通常情況下，碳以滲碳體形式存在，即鐵碳合金按在通常情況下，碳以滲碳體形式存在，即鐵碳合金按Fe-FeFe-Fe3 3CC系系轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 4.1 4.1 鐵碳合金的基本相鐵碳合金的基本相1、純鐵、純鐵 鐵在鐵在15381538結(jié)晶為結(jié)晶為bccbcc的的 - Fe - Fe；當(dāng)溫度繼續(xù)冷卻到；當(dāng)溫度繼續(xù)

3、冷卻到13941394時，時，F(xiàn)e Fe 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)?fcc fcc 的的 - Fe - Fe；冷卻到；冷卻到912912時，時，fcc fcc 的的 - Fe- Fe又轉(zhuǎn)變?yōu)橛洲D(zhuǎn)變?yōu)閎cc bcc 的的 - Fe - Fe；912912以下，鐵的結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。以下，鐵的結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。 通常，把通常，把 - Fe - Fe - Fe - Fe 的轉(zhuǎn)變稱為的轉(zhuǎn)變稱為A A4 4轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點稱為界點稱為A A4 4點。把點。把 - Fe - Fe- Fe - Fe 的轉(zhuǎn)變稱為的轉(zhuǎn)變稱為A A3 3轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點稱為臨界點稱為A A3 3

4、點。點。 固態(tài)下的同素異晶轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶一樣，也是形核與長大的過程，固態(tài)下的同素異晶轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶一樣，也是形核與長大的過程，為與液態(tài)結(jié)晶相區(qū)別，將此過程稱為為與液態(tài)結(jié)晶相區(qū)別，將此過程稱為重結(jié)晶重結(jié)晶。鐵的多性型轉(zhuǎn)變是鋼的合。鐵的多性型轉(zhuǎn)變是鋼的合金化和熱處理的基礎(chǔ)。金化和熱處理的基礎(chǔ)。 - Fe - Fe在在770770還將發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，由高溫的順磁性還將發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，由高溫的順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蔫F磁性狀態(tài)。常稱為轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蔫F磁性狀態(tài)。常稱為A A2 2轉(zhuǎn)變，此溫度稱為轉(zhuǎn)變，此溫度稱為居里點。磁性轉(zhuǎn)變時晶格類型不變，故磁性轉(zhuǎn)變不屬于居里點。磁性轉(zhuǎn)變時晶格類型不變，故磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變。相變

5、。 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中的間隙固溶體，中的間隙固溶體，bccbcc晶格，常用晶格，常用 或或F F表示。表示。 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中的八面體間隙，最大固溶度在中的八面體間隙，最大固溶度在727727為為0.0218%0.0218%或或0.101%at0.101%at；室溫的溶解度一般低于；室溫的溶解度一般低于0.001%0.001%。 碳在碳在bccbcc晶格晶格-Fe-Fe中的間隙固溶體叫中的間隙固溶體叫 鐵素體，又稱鐵素體，又稱高溫鐵素體高溫鐵素體，常用或常用或 表示。表示。 鐵素體在鐵素體在14951495時的最大溶碳量為時的最大溶碳量為0.09%0.09%。 fccfcc晶

6、格比晶格比bccbcc晶格具有較大的致密度，為什么晶格具有較大的致密度，為什么A A比比F F具有較大的具有較大的溶碳能力呢？溶碳能力呢？ 晶體結(jié)構(gòu)的間隙尺寸有關(guān)：晶體結(jié)構(gòu)的間隙尺寸有關(guān)：-Fe-Fe的的a=0.3656nm (950) a=0.3656nm (950) ，八面體間隙半徑為八面體間隙半徑為0.0535nm0.0535nm，和碳原子，和碳原子0.077nm0.077nm較接近，所以碳較接近，所以碳在在A A中的溶解度較大。中的溶解度較大。 -Fe-Fe的的a=0.2866nm(20) a=0.2866nm(20) ，碳原子通常溶于八面體間隙中，碳原子通常溶于八面體間隙中，而其間隙

7、半徑只有而其間隙半徑只有0.0186nm0.0186nm，遠小于碳的原子半徑，所以碳在鐵，遠小于碳的原子半徑，所以碳在鐵素體中的溶解度很小。素體中的溶解度很小。 碳溶于碳溶于-Fe中的間隙固溶體，為中的間隙固溶體，為fcc晶格，用晶格，用或或A表示。奧氏體表示。奧氏體的最大溶碳量在的最大溶碳量在1148，為，為2.11%。2 2、鐵素體、鐵素體 3、奧氏體、奧氏體 4 4、滲碳體、滲碳體(Fe3C) 滲碳體具有很高的硬度，約滲碳體具有很高的硬度，約800HB800HB，但塑性很差，延伸率接近，但塑性很差，延伸率接近于零。根據(jù)理論計算，滲碳體的熔于零。根據(jù)理論計算，滲碳體的熔點為點為122712

8、27。230230以上鐵磁性消以上鐵磁性消失，此溫度為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫失，此溫度為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度，稱為度，稱為A A0 0轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變。 鐵與碳形成的間隙化合物，具有正交結(jié)構(gòu)，可用符號鐵與碳形成的間隙化合物，具有正交結(jié)構(gòu)，可用符號CCmm表示。滲碳表示。滲碳體屬于正交晶系，體屬于正交晶系，a=0.4515nma=0.4515nm，b=0.5077nmb=0.5077nm，c=0.6726nmc=0.6726nm，其中，其中含有含有1212個鐵原子和個鐵原子和4 4個碳原子。滲碳體的碳含量為個碳原子。滲碳體的碳含量為6.69%6.69%或或25%at25%at。 滲碳體是一個亞穩(wěn)相，如在高

9、溫長時間加熱，就要分解為鐵滲碳體是一個亞穩(wěn)相，如在高溫長時間加熱，就要分解為鐵( (實際上是以鐵為基的固溶體實際上是以鐵為基的固溶體) )和石墨。在鋼中，當(dāng)碳從鐵基固溶和石墨。在鋼中，當(dāng)碳從鐵基固溶體（奧氏體或鐵素體）中排出時，常以滲碳體的形式析出而不是體（奧氏體或鐵素體）中排出時，常以滲碳體的形式析出而不是石墨。是由于形成滲碳體時需要碳原子的擴散距離比形成石墨時石墨。是由于形成滲碳體時需要碳原子的擴散距離比形成石墨時所需的擴散距離短得多。所需的擴散距離短得多。 滲碳體一旦形成，在較低溫度下，它的分解速率是很慢的，滲碳體一旦形成，在較低溫度下，它的分解速率是很慢的，因此，在大多數(shù)情況下，我們只

10、考慮鐵碳亞穩(wěn)定系相圖，即因此，在大多數(shù)情況下，我們只考慮鐵碳亞穩(wěn)定系相圖，即Fe-Fe-FeFe3 3CC相圖。但應(yīng)注意，滲碳體分解的快慢與鋼中是否含有其它元相圖。但應(yīng)注意，滲碳體分解的快慢與鋼中是否含有其它元素有密切的關(guān)系。素有密切的關(guān)系。4.2 Fe-Fe4.2 Fe-Fe3 3C C相圖分析相圖分析0 00.530.534.304.306.696.692.112.110 00.090.090.170.176.696.690 00 00.02180.02180.770.770.00570.0057A AB BCCD DE EGGH HJ JK KMMN NP PS SQQ153815381

11、4951495114811481227122711481148 912 9121495149514951495 727 727 770 77013941394 727 727 727 727 600 600符號符號 溫度溫度 碳量碳量1 1、 相圖中的點、線、區(qū)相圖中的點、線、區(qū)FeFeFeFe3 3CCSQPNKJHGFEDCBA+ + FeFe3 3C C+L+L+ + L+ L+ L LL+ L+ FeFe3 3C C+ + FeFe3 3C CC%溫度溫度一、一、Fe-Fe3C相圖分析相圖分析2 2、 包晶轉(zhuǎn)變（水平線包晶轉(zhuǎn)變（水平線HJBHJB） 在在14951495的恒溫下，成分為

12、的恒溫下，成分為0.53%C0.53%C的液相和成分為的液相和成分為0.09%C0.09%C的的 相相發(fā)生發(fā)生包晶反應(yīng)包晶反應(yīng)，形成成分為，形成成分為0.17%C0.17%C的的 相，其反應(yīng)式為：相，其反應(yīng)式為：JCHBL1495 包晶反應(yīng)時，包晶反應(yīng)時， 相沿相沿 相與液相的界面生核，并向相與液相的界面生核，并向 相和液相兩個相和液相兩個方向長大。包晶反應(yīng)終了時，方向長大。包晶反應(yīng)終了時， 相與液相同時耗盡，變?yōu)閱蜗嘞嗯c液相同時耗盡，變?yōu)閱蜗?。 0.090.17%0.090.17%之間的合金，由于之間的合金，由于 相的量較相的量較多多，包晶反應(yīng)結(jié)束后，包晶反應(yīng)結(jié)束后，液相耗盡，液相耗盡，

13、相有剩余相有剩余。 相在隨后的冷卻過程中，通過同素異晶轉(zhuǎn)變相在隨后的冷卻過程中，通過同素異晶轉(zhuǎn)變而變成而變成 相相。 0.170.53%0.170.53%之間的合金，由于之間的合金，由于反應(yīng)前反應(yīng)前 相較相較少少，液相較多，所以反，液相較多，所以反應(yīng)后，應(yīng)后，L L相有剩余相有剩余，L L相在隨后冷卻相在隨后冷卻過程中結(jié)晶成過程中結(jié)晶成 相。相。 0.09%0.09%的合金，按勻晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈暮辖?，按勻晶轉(zhuǎn)變?yōu)?相之后，繼續(xù)冷卻時發(fā)生固溶體的同相之后，繼續(xù)冷卻時發(fā)生固溶體的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗨禺惥мD(zhuǎn)變?yōu)閱蜗?。 含碳量在含碳量在0.532.11%0.532.11%之間的合金，之間的合金，按勻晶轉(zhuǎn)變

14、凝固后，組織也是單相按勻晶轉(zhuǎn)變凝固后，組織也是單相 。 3 3、 共晶轉(zhuǎn)變（水平線共晶轉(zhuǎn)變（水平線ECFECF） 共晶轉(zhuǎn)變是在共晶轉(zhuǎn)變是在11481148的恒溫下，由的恒溫下，由4.3%C4.3%C的液相轉(zhuǎn)變?yōu)榈囊合噢D(zhuǎn)變?yōu)?.11%C2.11%C的的 和和CCmm組成的混合物。組成的混合物。其反應(yīng)式為：其反應(yīng)式為：FECFeLCC31148 共晶轉(zhuǎn)變形成的共晶轉(zhuǎn)變形成的 和和CCmm的混合物，稱為的混合物，稱為萊氏體萊氏體，以符號，以符號L Ld d表示。表示。 萊氏體中，萊氏體中，CCmm是連是連續(xù)分布的相，續(xù)分布的相， 相呈顆粒相呈顆粒狀分布在滲碳體基體上。狀分布在滲碳體基體上。 由于滲碳

15、體很脆，由于滲碳體很脆，所以萊氏體是塑性很差所以萊氏體是塑性很差的組織。的組織。4 4、 共析轉(zhuǎn)變（水平線共析轉(zhuǎn)變（水平線PSKPSK） 共析轉(zhuǎn)變是在共析轉(zhuǎn)變是在727727的恒溫下，由的恒溫下，由0.77%C0.77%C的的 相轉(zhuǎn)變?yōu)橄噢D(zhuǎn)變?yōu)?.0218%C0.0218%C的的 和和6.696.69CC的滲碳體組成的混合物。的滲碳體組成的混合物。其反應(yīng)式為：其反應(yīng)式為：KPCSCFe3727 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體珠光體，用符號，用符號P P表示。共析轉(zhuǎn)變的水平線表示。共析轉(zhuǎn)變的水平線PSKPSK，稱為共析線，稱為共析線或共析溫度，常用或共析溫度，常用A A1 1表示。表

16、示。 經(jīng)共析轉(zhuǎn)變形成的珠光體是層片狀的，經(jīng)共析轉(zhuǎn)變形成的珠光體是層片狀的，其中滲碳體和鐵素體含量的比值為其中滲碳體和鐵素體含量的比值為wwFe3CFe3C/w/wF F1/81/8。如果忽略鐵素體和滲碳體比。如果忽略鐵素體和滲碳體比容上的微小差別，則鐵素體的體積是滲碳體容上的微小差別，則鐵素體的體積是滲碳體的的8 8倍。倍。%7 .88%1000218. 069. 677. 069. 6PKSKWP %3 .11%10077. 069. 60218. 077. 0PKPSWCFe3 5 5、 三條重要的特性曲線三條重要的特性曲線 GSGS線，又稱為線，又稱為A A3 3線。線。冷卻過程中，由冷

17、卻過程中，由A A析出析出 F F 的開始線。的開始線。在加熱過程中，在加熱過程中，F(xiàn) F 溶入溶入A A的終了線。的終了線。 GSGS線由線由GG點演變而來，隨含碳量的增加，點演變而來，隨含碳量的增加， 使使A A向向 F F 的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低。的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低。 ESES線，也叫線，也叫A ACmCm線。線。 碳在碳在A A中的溶解度曲線，當(dāng)溫度低于此曲中的溶解度曲線，當(dāng)溫度低于此曲線時，就要從線時，就要從A A中析出次生滲碳體，常稱為二中析出次生滲碳體，常稱為二次滲碳體，因此該曲線又是二次滲碳體的開始次滲碳體，因此該曲線又是二次滲碳體的開始析出線。析出線。 PQPQ線

18、，碳在線，碳在F F中的中的溶解度曲線溶解度曲線。 F F 的最大溶碳量于的最大溶碳量于727727時達到最大值時達到最大值0.0218%C0.0218%C。隨溫度。隨溫度，F(xiàn) F 中的溶碳量逐漸中的溶碳量逐漸，在，在300300以下，溶碳量以下，溶碳量0.001%C0.001%C。當(dāng)。當(dāng) F F從從727727冷卻下來時，要從冷卻下來時，要從 F F 中析出滲碳體，稱為中析出滲碳體，稱為三次滲碳體三次滲碳體。二、鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織二、鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織 鐵碳合金的組織是液態(tài)結(jié)晶及固態(tài)重結(jié)晶的綜合結(jié)果，研究結(jié)晶鐵碳合金的組織是液態(tài)結(jié)晶及固態(tài)重結(jié)晶的綜合結(jié)果，研究結(jié)晶過程，目

19、的是分析合金的組織形成，以考慮其對性能的影響。過程，目的是分析合金的組織形成，以考慮其對性能的影響。 根據(jù)組織特征，將鐵碳合金按含碳量劃分為七種類型：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金按含碳量劃分為七種類型： 通常按有無通常按有無共晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變將鐵碳合金分為碳鋼和鑄鐵兩大類，即含碳將鐵碳合金分為碳鋼和鑄鐵兩大類，即含碳量量2.11%2.11%的為的為碳鋼碳鋼，含碳量，含碳量2.11%2.11%的為的為鑄鐵鑄鐵。含碳量。含碳量0.0218%0.0218%的的為為工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵。按。按Fe-FeFe-Fe3 3CC系結(jié)晶的鑄鐵，系結(jié)晶的鑄鐵，碳以碳以FeFe3 3CC的形式存在，斷口的形式存在，斷口呈白

20、亮色，稱為呈白亮色，稱為白口白口鑄鐵。鑄鐵。 工工 業(yè)業(yè) 純純 鐵：鐵： 0.0218%C0.0218%C； 共共 析析 鋼：鋼： 0.77 %C0.77 %C； 亞亞 共共 析析 鋼：鋼： 0.02180.77 %C0.02180.77 %C； 過過 共共 析析 鋼：鋼： 0.772.11 %C0.772.11 %C； 共共 晶晶 白白 口口 鐵：鐵： 4.30 %C4.30 %C； 亞共晶白口鐵：亞共晶白口鐵： 2.114.30 %C2.114.30 %C； 過共晶白口鐵：過共晶白口鐵： 4.306.69 %C4.306.69 %C。K1. 1. 工業(yè)純鐵的平衡結(jié)晶過程及組織工業(yè)純鐵的平衡

21、結(jié)晶過程及組織L 勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變 LL固溶體固溶體同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變， 晶核晶核常優(yōu)先在常優(yōu)先在相界相界上形成并長大上形成并長大形成單相形成單相單相單相 降溫降溫 時無變化時無變化冷至冷至5 5點，同素點，同素異晶轉(zhuǎn)變異晶轉(zhuǎn)變， 也是在也是在 晶界優(yōu)晶界優(yōu)先形核后長大。先形核后長大。形成單相形成單相冷至冷至7 7點，碳在點，碳在F F中中的溶解度達到飽和，的溶解度達到飽和，滲碳體將從滲碳體將從F F中析中析出，在緩慢的冷卻出，在緩慢的冷卻條件下，滲碳體常條件下，滲碳體常沿沿F F晶界呈片狀析晶界呈片狀析出。出。 FeFe3 3CC工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵的室溫工業(yè)純鐵的室溫組織組織組成

22、物為：鐵素體加三次滲碳體（組成物為：鐵素體加三次滲碳體（F+FeF+Fe3 3CC） 相相組成物為：組成物為： + Fe + Fe3 3CC 室溫時，三次滲碳體的最大析出量是含碳室溫時，三次滲碳體的最大析出量是含碳0.0218的鐵碳合金，的鐵碳合金，其含量可用杠桿定律求出：其含量可用杠桿定律求出：%33. 0%100W69. 60218. 0CFe3 Fe3C的量極少，若忽略三次的量極少，若忽略三次滲碳體，則工業(yè)純鐵的室溫組織全滲碳體，則工業(yè)純鐵的室溫組織全為鐵素體。為鐵素體。K 1 1點以上合點以上合 金為液相金為液相按勻晶轉(zhuǎn)變按勻晶轉(zhuǎn)變成奧氏體成奧氏體不發(fā)生變化不發(fā)生變化727727恒溫恒

23、溫69. 630.021877. 0CFe 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 P P（共析滲（共析滲碳體碳體+ + ），隨后），隨后 FeFe3 3CC，與共析滲碳體連在，與共析滲碳體連在一起，且數(shù)量少，顯微鏡下一起，且數(shù)量少，顯微鏡下難以分辨，對組織和性能影難以分辨，對組織和性能影響不大。響不大。2. 2. 共析鋼（共析鋼（0.77%C0.77%C）共析鋼室溫共析鋼室溫組織組織組成物為：全部珠光體組成物為：全部珠光體 相相組成物為：組成物為： + Fe3C相相組成物的相對含量為：組成物的相對含量為：%9 .88%1000218. 069. 677. 069. 6%100PKSKW %1 .11%100021

24、8. 069. 60218. 00.77%100PKPSWCFe3 共析鋼的室溫金相組織 K勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變 L3. 3. 亞共析鋼（亞共析鋼（0.40%C0.40%C）14951495液相剩余液相剩余 LB+HJ 剩余液相剩余液相 LL溫度降至溫度降至3 3點，點，得單相得單相 。降。降溫時不變化。溫時不變化。單相單相冷卻冷卻時析出時析出 727727 S SP P+Fe+Fe3 3CC 形成形成P P 先共析先共析F F和和P P中的中的F F都將都將析出三次滲析出三次滲碳體，但其碳體，但其數(shù)量很少，數(shù)量很少，可忽略不計?？珊雎圆挥?。 亞共析鋼的室溫金相組織 通常把共析轉(zhuǎn)變前從通常把共析轉(zhuǎn)

25、變前從A A中析出的中析出的F F，稱先共析，稱先共析F F。 亞共析鋼亞共析鋼室溫室溫組織組織組成物組成物為：先共析鐵素體和珠光體為：先共析鐵素體和珠光體 5 .49%1000.02180.770.400.77w F相相組成物為：組成物為： + Fe3C%5 .505 .491wP 94.3%1000.02186.690.406.69w 7 . 5%3 .941wCFe3 近似估計含碳量：近似估計含碳量：WWCCPP0.80.8接近接近P點點 離異共析離異共析 游離滲碳體游離滲碳體K4. 4. 過共析鋼（過共析鋼（1.2%C1.2%C） S SP P+Fe+Fe3 3CC 形成形成P P 7

26、27727Fe3CP P與與ES相遇相遇Fe3CFe3C勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變 LL單相單相 降溫降溫 時無變化時無變化繼續(xù)冷卻時，繼續(xù)冷卻時，P中的中的 F會會析出三次滲析出三次滲碳體，因析碳體，因析出量較少可出量較少可忽略不計。忽略不計。 過共析鋼室溫金相組織 過共析鋼室溫過共析鋼室溫組織組織組成物為：珠光體和二次滲碳體組成物為：珠光體和二次滲碳體 在過共析鋼中，二次滲碳體的數(shù)在過共析鋼中，二次滲碳體的數(shù)量隨鋼中含碳量增加而增加。當(dāng)含碳量隨鋼中含碳量增加而增加。當(dāng)含碳量達到量達到2.11%時，二次滲碳體的數(shù)量時，二次滲碳體的數(shù)量達到最大值，其含量可用杠桿定律求達到最大值，其含量可用杠桿定律求出出

27、%3 .23%10076. 069. 676. 014. 23CFeW%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 CFeW%7%10077. 069. 677. 02 . 13 CFeW%93%10077. 069. 62 . 169. 6 PW相相組成物為：組成物為： + Fe3C.382%1000.02186.69.216.69w 7 .17%1000218. 069. 60218. 02 . 1wCFe3 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼K液相液相5. 5. 共晶白口鐵（共晶白口鐵（4.30%C4.30%C） 11481148L LCCE

28、E+Fe+Fe3 3CCF F L Ld d FeFe3 3CC依附在共晶滲依附在共晶滲碳體難以分辨碳體難以分辨 727727+Fe+Fe3 3CCL Ld d 室溫組織是珠光體分布在共晶滲碳體的基體上（低溫萊氏體）室溫組織是珠光體分布在共晶滲碳體的基體上（低溫萊氏體） 。室溫萊氏體保持了在高溫下共晶轉(zhuǎn)變后所形成的萊氏體的形態(tài)特征，室溫萊氏體保持了在高溫下共晶轉(zhuǎn)變后所形成的萊氏體的形態(tài)特征，但組成物發(fā)生了改變。但組成物發(fā)生了改變。 共晶白口鐵共晶白口鐵共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體時兩相的相對含量為：共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體時兩相的相對含量為：%2 .52%10011. 269. 630. 469. 6 W%8

29、 .47%10011. 269. 611. 230. 4CFe3 W室溫相組成物為：室溫相組成物為： + Fe3C8 .35%1000.02186.69.346.69w 2 .64%1000218. 069. 60218. 03 . 4wCFe3 K6. 6. 亞共晶白口鐵（亞共晶白口鐵（3.0%C3.0%C）勻晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變 LL 11481148L LCCE E+Fe+Fe3 3CCF F FeFe3 3CC 先共晶先共晶 共晶共晶 727727+Fe+Fe3 3CC亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 黑色樹枝狀的是由先共晶黑色樹枝狀的是由先共晶奧氏體轉(zhuǎn)變成的奧氏體轉(zhuǎn)變成的P，周圍白色部，周圍白色部

30、分是由先共晶奧氏體中析出的分是由先共晶奧氏體中析出的二次滲碳體，其余部分為低溫二次滲碳體，其余部分為低溫萊氏體。萊氏體。 亞共晶白口鐵室溫亞共晶白口鐵室溫組織組織為：為：P+Fe3C+Ld 4 .59%1002.114.303.04.30w 6 .40%1002.114.302.113.0wdL %4 .13%4 .590.776.690.772.11wCFe3 WWP P59.459.413.4% = 46%13.4% = 46%室溫室溫相相組成物為：組成物為： + Fe3C%3 .55%1000218. 069. 60 . 369. 6 W%7 .44%1000218. 069. 6021

31、8. 00 . 33 CFeW7. 7. 過共晶白口鐵（過共晶白口鐵（5.0%C5.0%C）KLFeLFe3 3CC FeFe3 3C C 11481148L LCCE E+Fe+Fe3 3CCF F Fe3C 2 2 2 2點以下點以下共晶共晶FeFe3 3CC 727727+Fe+Fe3 3CCFe3C過共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵室溫過共晶白口鐵室溫組織組織為：為：Fe3C+Ld 室溫室溫相相組成物為：組成物為： + Fe3C%3 .25%1000218. 069. 60 . 569. 6 W%7 .74%1000218. 069. 60218. 00 . 53 CFeW3 .29

32、%1003 . 46.693 . 45.0wdL %7 .70%100.346.690 . 56.69wCFe3 過共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵共晶白口鐵共晶白口鐵SQPNJHGECBAL+L+ + L+ L+ LL+ L+ FeFe3 3C CC%溫度溫度A+FFAA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CKDF三、三、 含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響A+ Fe3CP+ Fe3C1. 1. 對平衡組織的影響對平衡組織的影響相組成：相組成： + F

33、e + Fe3 3C C 。隨碳含量增加，。隨碳含量增加， ， FeFe3 3CC 隨碳含量增加，鐵碳合金組織變化為：隨碳含量增加，鐵碳合金組織變化為：F (F+FeF (F+Fe3 3CC ) F+P P P+Fe) F+P P P+Fe3 3CC P+Fe P+Fe3 3CC+L+Ld d L Ld d L Ld d+Fe+Fe3 3CCI I FeFe3 3CC0 0100100C%00.772.114.30.0218FPLdFe3CFe3C100C%6.69成分變化成分變化 不同性質(zhì)結(jié)晶過程不同性質(zhì)結(jié)晶過程 相發(fā)生變化相發(fā)生變化 組織變化組織變化同一種相，生成條件不同，形態(tài)可有很大變化

34、。同一種相，生成條件不同，形態(tài)可有很大變化。鐵素體：鐵素體： 一般為塊狀。一般為塊狀。 +Fe+Fe3 3C C 與與CCmm相互制約，呈交替層片狀。相互制約，呈交替層片狀。滲碳體：生成條件不同，形態(tài)變化較復(fù)雜，鐵碳合金的組織變化主滲碳體：生成條件不同，形態(tài)變化較復(fù)雜，鐵碳合金的組織變化主 要由它引起。要由它引起。 LFeLFe3 3CC 一次滲碳體，呈規(guī)則長條狀。一次滲碳體，呈規(guī)則長條狀。 FeFe3 3CC 二次滲碳體，呈二次滲碳體，呈網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界。網(wǎng)狀分布于奧氏體晶界。 FeFe3 3CC 三次滲碳體，三次滲碳體，沿晶界呈小片狀分布。沿晶界呈小片狀分布。 L+FeL+Fe3 3C

35、 C 共晶滲碳體，共晶滲碳體，為連續(xù)的基體，較粗大，有時呈魚為連續(xù)的基體，較粗大，有時呈魚骨狀。骨狀。2 . 2 . 對力學(xué)性能的影響對力學(xué)性能的影響鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相。鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相。 珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，滲碳體以細片狀分散地分布在珠光體由鐵素體和滲碳體所組成，滲碳體以細片狀分散地分布在鐵素體的基體上，起了強化作用。因此珠光體有較高的強度和硬度，鐵素體的基體上，起了強化作用。因此珠光體有較高的強度和硬度，但塑性較差。珠光體內(nèi)的層片越細，則強度越高。但塑性較差。珠光體內(nèi)的層片越細，則強度越高。當(dāng)組織中出現(xiàn)以滲碳體為基體的萊氏體時，塑性降低到零。當(dāng)組織中出現(xiàn)

36、以滲碳體為基體的萊氏體時，塑性降低到零。 滲碳體的硬度很高，但是極脆，不能使合金的塑性提高，合金的滲碳體的硬度很高，但是極脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性變形主要由鐵素體來提供。塑性變形主要由鐵素體來提供。 在亞共析鋼中，隨著含碳量在亞共析鋼中，隨著含碳量，珠光體逐漸，珠光體逐漸，強度、硬度，強度、硬度，而塑性、韌性而塑性、韌性。 含碳量達到含碳量達到0.77%0.77%時，其性能就是珠光體的性能。時，其性能就是珠光體的性能。 在過共析鋼中，含碳量接近在過共析鋼中，含碳量接近1.0%1.0%是其強度達到最大值，含碳量繼是其強度達到最大值，含碳量繼續(xù)續(xù)，強度，強度。這是由于脆性的二次滲碳體在

37、晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，。這是由于脆性的二次滲碳體在晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，使鋼的脆性大大增加。使鋼的脆性大大增加。 硬度對組織或組成相的形態(tài)不太敏感，它的大小主要取決于組成相硬度對組織或組成相的形態(tài)不太敏感，它的大小主要取決于組成相的數(shù)量和硬度。的數(shù)量和硬度。 隨著含碳量的隨著含碳量的、高硬度的滲碳體、高硬度的滲碳體、低硬度的鐵素體、低硬度的鐵素體，鐵碳合金，鐵碳合金的硬度呈直線的硬度呈直線。 沖擊韌性對組織十分敏感。沖擊韌性對組織十分敏感。 含碳量增加時，脆性的滲含碳量增加時，脆性的滲碳體增多，韌性降低。碳體增多，韌性降低。 當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)狀的二次滲碳體當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)狀的二次滲碳體時，韌性急劇下降。時，韌性急

38、劇下降。 總起來看，韌性比塑性下總起來看，韌性比塑性下降的趨勢要大。降的趨勢要大。四、鐵碳相圖的應(yīng)用四、鐵碳相圖的應(yīng)用 1、選用材料、選用材料： 由鐵碳相圖可知，合金中隨著含碳量的不同，由鐵碳相圖可知，合金中隨著含碳量的不同，其組織各不相同，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能不同。其組織各不相同，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能不同。因此，我們就可以根據(jù)機器零件所要求的性能因此，我們就可以根據(jù)機器零件所要求的性能來選擇不同含碳量的材料。來選擇不同含碳量的材料。2、判斷切削加性能、判斷切削加性能： 低碳鋼低碳鋼中鐵素體較多，塑性好，加工性不好；中鐵素體較多，塑性好，加工性不好；中碳鋼中碳鋼中鐵素體含量比例適當(dāng)，鋼的硬度適當(dāng)，

39、中鐵素體含量比例適當(dāng)，鋼的硬度適當(dāng)，易于加工。易于加工。3、制定熱加工工藝：、制定熱加工工藝： 在在鑄造鑄造工藝方面，根據(jù)相圖可以確定合適的工藝方面，根據(jù)相圖可以確定合適的熔化溫度和澆注溫度，含碳量為熔化溫度和澆注溫度，含碳量為4.3%的鑄鐵鑄的鑄鐵鑄造性最好；在造性最好；在鍛造鍛造工藝方面，可以選擇鋼材的工藝方面，可以選擇鋼材的軋制和鍛造的溫度范圍應(yīng)在奧氏體區(qū)。軋制和鍛造的溫度范圍應(yīng)在奧氏體區(qū)。4、應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)：、應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)： 由相圖可知合金在固態(tài)加熱和冷卻過程中均有由相圖可知合金在固態(tài)加熱和冷卻過程中均有組織的變化，可以進行熱處理。并且可以正確組織的變化，可以進行熱處理。并且可以

40、正確選擇加熱溫度。選擇加熱溫度。4.3 4.3 碳碳 素素 鋼鋼 碳的質(zhì)量分數(shù)小于碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11%并且含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳并且含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。其中，硅和錳是有益元素，而硫和磷是有害元素。合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。其中，硅和錳是有益元素，而硫和磷是有害元素。一、存雜質(zhì)元素對鋼性能的影響一、存雜質(zhì)元素對鋼性能的影響1錳的影響錳的影響 錳來自于生鐵和脫氧劑，在鋼中是一種有益的元素，其含量一般在錳來自于生鐵和脫氧劑，在鋼中是一種有益的元素，其含量一般在0.8%以下。以下。錳能溶入鐵素體中形成固溶體，產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的強

41、度和硬度；少部分的錳錳能溶入鐵素體中形成固溶體，產(chǎn)生固溶強化，提高鋼的強度和硬度；少部分的錳則溶于則溶于Fe3C，形成合金滲碳體；錳能增加組織中珠光體的相對量，并使其變細；錳，形成合金滲碳體；錳能增加組織中珠光體的相對量，并使其變細；錳還能與硫形成還能與硫形成MnS，以減輕硫的有害作用。，以減輕硫的有害作用。2硅的影響硅的影響 硅也是來自于生鐵和脫氧劑，在鋼中也是一種有益的元素，其含量一般在硅也是來自于生鐵和脫氧劑，在鋼中也是一種有益的元素，其含量一般在0.4%以下。硅和錳一樣能溶入鐵素體中，產(chǎn)生固溶強化，使鋼的強度、硬度提高，但使以下。硅和錳一樣能溶入鐵素體中，產(chǎn)生固溶強化，使鋼的強度、硬度

42、提高，但使塑性和韌性降低。當(dāng)硅含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時，對鋼的性能影塑性和韌性降低。當(dāng)硅含量不多，在碳鋼中僅作為少量雜質(zhì)存在時，對鋼的性能影響亦不顯著。響亦不顯著。3硫的影響硫的影響 硫是由生鐵和燃料帶入的雜質(zhì)元素，在鋼中是一種有害的元素。硫在鋼中不溶硫是由生鐵和燃料帶入的雜質(zhì)元素，在鋼中是一種有害的元素。硫在鋼中不溶于鐵，而與鐵化合形成化合物于鐵，而與鐵化合形成化合物FeS，F(xiàn)eS與與Fe能形成低熔點共晶體，熔點僅能形成低熔點共晶體，熔點僅985，且分布在奧氏體的晶界上。當(dāng)鋼材在且分布在奧氏體的晶界上。當(dāng)鋼材在10001200進行壓力加工時，共晶體已經(jīng)熔進行壓力加工時，共晶體已

43、經(jīng)熔化，并使晶粒脫開，鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性，為此，鋼中硫的含量必須嚴化，并使晶粒脫開，鋼材變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性，為此，鋼中硫的含量必須嚴格控制。在鋼中增加錳含量，使之與硫形成格控制。在鋼中增加錳含量，使之與硫形成MnS(熔點熔點1620)，可消除硫的有害作，可消除硫的有害作用，避免熱脆現(xiàn)象。用，避免熱脆現(xiàn)象。 4磷的影響磷的影響 磷是由生鐵帶入鋼中的有害雜質(zhì)元素。磷在鋼中能全部溶入鐵素體，使鋼的強磷是由生鐵帶入鋼中的有害雜質(zhì)元素。磷在鋼中能全部溶入鐵素體，使鋼的強度、硬度有所提高，但卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低，使鋼變脆。這種情況度、硬度有所提高，但卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇

44、降低，使鋼變脆。這種情況在低溫時更為嚴重，因此稱為冷脆性。所以，鋼中的磷含量也應(yīng)嚴格控制。在低溫時更為嚴重，因此稱為冷脆性。所以，鋼中的磷含量也應(yīng)嚴格控制?？傊撝绣i、硅是有益的元素，允許一定的含量，而硫、磷是有害的元素，應(yīng)嚴總之，鋼中錳、硅是有益的元素，允許一定的含量，而硫、磷是有害的元素，應(yīng)嚴格控制其含量。但是，在易切鋼中適當(dāng)提高硫、磷的含量，使切屑易斷，可改善切格控制其含量。但是，在易切鋼中適當(dāng)提高硫、磷的含量，使切屑易斷，可改善切削加工性能。削加工性能。 碳的質(zhì)量分數(shù)小于碳的質(zhì)量分數(shù)小于2.11%并且含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳并且含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)元素的鐵碳

45、合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。其中，硅和錳是有益元素，而硫和磷是有害元素。合金稱為碳素鋼，簡稱碳鋼。其中，硅和錳是有益元素，而硫和磷是有害元素。 1、碳鋼的分類、碳鋼的分類 （1）根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)不同可分為：低碳鋼、）根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)不同可分為：低碳鋼、 中碳鋼和高碳鋼三類。中碳鋼和高碳鋼三類。 低碳鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)低碳鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)小于或等于小于或等于0.25%； 中碳鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)為中碳鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)為0.250.60%； 高碳鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)高碳鋼：碳的質(zhì)量分數(shù)大于大于0.60%。 （2）根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)元素硫、磷的質(zhì)量分數(shù)的多少可分為三類：）根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)元素硫、磷的質(zhì)量分

46、數(shù)的多少可分為三類： 普通質(zhì)量鋼；普通質(zhì)量鋼； 優(yōu)質(zhì)鋼；優(yōu)質(zhì)鋼； 高級優(yōu)質(zhì)鋼。高級優(yōu)質(zhì)鋼。 （3）根據(jù)鋼的用途不同可分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和碳素鑄鋼三類。）根據(jù)鋼的用途不同可分為：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和碳素鑄鋼三類。 碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造工程結(jié)構(gòu)和各種機械零件。碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造工程結(jié)構(gòu)和各種機械零件。 碳素工具鋼：主要用于制造各種刃具、模具和量具。碳素工具鋼：主要用于制造各種刃具、模具和量具。 碳素鑄鋼：主要用于制作形狀復(fù)雜、難以用鍛壓等方法成形的鑄鋼件。碳素鑄鋼：主要用于制作形狀復(fù)雜、難以用鍛壓等方法成形的鑄鋼件。 2、碳鋼的牌號、性能及用途、碳鋼的牌號、性能及用途 （1

47、）碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表鋼材屈服點的字母、屈服點數(shù)值、）碳素結(jié)構(gòu)鋼：碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表鋼材屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級共有四級，分別用質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四部分按順序組成。其中質(zhì)量等級共有四級，分別用A、B、C、D表示。表示?！癋”表示沸騰鋼；表示沸騰鋼；“b”表示半鎮(zhèn)靜鋼；表示半鎮(zhèn)靜鋼；“Z”表示鎮(zhèn)靜鋼；表示鎮(zhèn)靜鋼；“TZ”表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號中表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號中“Z”和和“TZ”符號可省略。符號可省略。 例如：例如：Q235-AF，牌號中，牌號中“Q”代表屈服點代表屈服點“屈屈”字的漢語拼音首位字母，字的漢

48、語拼音首位字母，“235”表示屈服點表示屈服點S235MPa，“A”表示質(zhì)量等級為表示質(zhì)量等級為A級，級，“F”表示沸騰鋼表示沸騰鋼(冶煉冶煉時脫氧不完全時脫氧不完全)。 常用鋼及應(yīng)用：常用鋼及應(yīng)用：Q195、Q215、Q235屬低碳鋼，有良好的塑性和焊接性能，屬低碳鋼，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的強度，通常軋制成型材、板材和焊接鋼管等用于橋梁、建筑工程結(jié)構(gòu)，并具有一定的強度，通常軋制成型材、板材和焊接鋼管等用于橋梁、建筑工程結(jié)構(gòu)，在機械制造中用作受力不大的零件，在機械制造中用作受力不大的零件， 如螺釘、螺帽、墊圈、地腳螺釘、法蘭以及不太重要的軸、拉桿等，其中以如螺釘、螺帽、墊圈、地腳

49、螺釘、法蘭以及不太重要的軸、拉桿等，其中以Q235應(yīng)用最廣。應(yīng)用最廣。 Q235C、Q235D質(zhì)量好，用作重要的焊接結(jié)構(gòu)件。質(zhì)量好，用作重要的焊接結(jié)構(gòu)件。 Q255、Q275強度較高，可用作受力較大的機械零件。強度較高，可用作受力較大的機械零件。 碳素結(jié)構(gòu)鋼一般不進行熱處理，以供應(yīng)狀態(tài)直接使用。但也可根據(jù)需要進行熱碳素結(jié)構(gòu)鋼一般不進行熱處理，以供應(yīng)狀態(tài)直接使用。但也可根據(jù)需要進行熱加工和熱處理。加工和熱處理。 （2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼： 其牌號用兩位數(shù)字表示，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬倍數(shù)。例如其牌號用兩位數(shù)字表示，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬倍數(shù)。例如45鋼，表鋼，表示鋼中平

50、均碳的質(zhì)量分數(shù)為示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)為0.45%。若鋼中錳的含量較高，則在兩位數(shù)字后面加錳。若鋼中錳的含量較高，則在兩位數(shù)字后面加錳元素的符號元素的符號“Mn”。 例如例如65Mn鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)為鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分數(shù)為0.65%，含錳量較高，含錳量較高(為為0.91.2%)。若為沸騰鋼，在兩位數(shù)字后面加符號若為沸騰鋼，在兩位數(shù)字后面加符號“F”，例如，例如08F鋼。鋼。 08F鋼：是一種含碳量很低的沸騰鋼，強度很低，塑性很好。一般由鋼廠軋鋼：是一種含碳量很低的沸騰鋼，強度很低，塑性很好。一般由鋼廠軋成薄鋼板或鋼帶供應(yīng)。主要用于制造冷沖壓件，成薄鋼板或鋼帶供應(yīng)。主要用于制造冷沖壓件， 如外殼、容器、罩子等。如外殼、容器、罩子等。 1025鋼：屬低碳鋼，強度、硬度低，塑性、韌性好，并具有良好的冷沖壓鋼：屬低碳鋼，強度、硬度低，塑性、韌性好，并具有良好的冷沖壓性能和焊接性能。常用于制造冷沖壓件和焊接構(gòu)件，以及受力不大、韌性要求高的性能和焊接性能。常用于制造冷沖壓件和焊接構(gòu)件，以及受力不大、韌性要求高的機械零件，機械零件， 如螺栓、螺釘、螺母、軸套、法蘭盤、焊接容器等。還可用作尺寸不大，形如螺栓、螺釘、螺母、軸套、法蘭盤、焊接容器等。還可用作尺寸不大，