機(jī)械工程材料 第三章 鐵碳合金

1、機(jī)械工程材料課程 第三章 鐵碳合金發(fā)布日期：13-02-10 16:06:04 瀏覽人次：2517機(jī)械工程材料課程 第三章 鐵碳合金發(fā)布日期：13-02-10 16:06:04 瀏覽人次：2520第四章 鐵碳合金鋼鐵材料具有一系列優(yōu)良的機(jī)械性能和工藝性能，因此在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。鋼鐵材料的性能是由它的化學(xué)成分和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)所決定的。而組成鋼鐵材料的兩個(gè)最基本的組元是鐵和碳，所以研究鐵碳合金有非常重要的意義。通過(guò)鐵碳合金相圖的學(xué)習(xí)，來(lái)認(rèn)識(shí)鐵和碳的相互作用，從而了解鐵碳合金成分、組織與性能三者之間的關(guān)系，以便正確地應(yīng)用鐵碳合金相圖的知識(shí)，合理的選用鋼鐵材料和制定各種熱加工工藝。第一節(jié) 鐵碳合

2、金的相組成一、工業(yè)純鐵一般來(lái)講鐵從來(lái)不會(huì)是純的，其中總會(huì)有雜質(zhì)。工業(yè)純鐵中常含有0.100.20%的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)由碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧等十幾種元素所構(gòu)成，其中碳約占0.0060.02%左右。工業(yè)純鐵的顯微組織是由許多不規(guī)則的多邊形小晶粒所組成。純鐵具有“同素異構(gòu)”轉(zhuǎn)變，即在固態(tài)下加熱或冷卻時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的變化。如圖4-1所示。純鐵在室溫下的晶體結(jié)構(gòu)是體心立方晶格，稱之為-Fe，它的晶格常數(shù)a=2.86。-Fe具有良好的塑性，同時(shí)具有良好的導(dǎo)磁性能。當(dāng)溫度升到770(居里點(diǎn))稍上時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，仍是體心立方晶格，但鐵已失去了磁性，這種鐵稱之為-

3、Fe；由于-Fe-Fe時(shí)，晶格未發(fā)生變化，故鐵不屬于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,而稱為磁性轉(zhuǎn)變。當(dāng)溫度升高到912時(shí)，純鐵內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，由體心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?，稱之為-Fe，其晶格常數(shù)a=3.64，它存在于9121394之間。由于 -Fe和-Fe的晶體結(jié)構(gòu)不同，性能也不同。-Fe的塑性比-Fe還要好，-Fe無(wú)磁性；-Fe的溶碳能力也大。當(dāng)溫度繼續(xù)升到1394稍上時(shí)，鐵的晶格又由面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方，其晶格常數(shù)a=2.93，無(wú)磁性，它存在于13941538之間，這種鐵稱之為-Fe。當(dāng)溫度超過(guò)1538時(shí)，純鐵熔化成鐵水。由上可知，純鐵隨溫度的變化；發(fā)生了兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)

4、變也遵循結(jié)晶的一般規(guī)律，即在舊相的晶界上形核，然后逐漸長(zhǎng)大，直至轉(zhuǎn)變完成。圖4-1 純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化純鐵的機(jī)械性能與其組織中晶粒大小有密切關(guān)系，晶粒愈細(xì)，強(qiáng)度愈高。室溫下純鐵的機(jī)械性能大致為b=180230MNm2；0.2=100170MNm2；=3050%；=7080%；Ak=128160J；5080HBS。由此可知，純鐵的塑性較好，強(qiáng)度較低，具有鐵磁性，所以除在電機(jī)工業(yè)中利用作鐵芯材料外，在般的機(jī)器制造中很少應(yīng)用，常用的是鐵碳合金。工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的是鐵和碳所組成的合金，鐵碳合金中最基本的相有鐵素體、奧氏體和滲碳體。二、鐵素體 它是碳溶在-Fe中的一種間隙固溶體，用符號(hào)F表示

5、。由于Fe是體心立方晶格，原子間間隙較小，因而溶碳能力小，在室溫下僅溶碳0.0060.008%，在727時(shí)，溶碳量可達(dá)0.0218%。碳溶于-Fe時(shí)碳原子可能存在的位置如圖5-3所示。由于鐵素體的溶碳量小，它的組織和性能幾乎和純鐵的組織和性能相同。三、奧氏體 它是碳溶在-Fe中的一種間隙固溶體，用符號(hào)A表示。-Fe為面心立方晶格，它的原子間隙比-Fe稍大，因而其溶碳能力比-Fe也大，在727時(shí)，溶碳量為0.77%，到l148時(shí)可到最大溶碳量2.11%。碳溶于-Fe時(shí)，碳原子可能存在的位置是-Fe的間隙位置。在此需強(qiáng)調(diào)指出的是，并非在所有的間隙處都填滿碳原子，當(dāng)在晶格上某個(gè)間隙溶入碳原子后，則鄰

6、近若干個(gè)間隙就不可能再溶進(jìn)去碳了。奧氏體為無(wú)磁性，通常存在于高溫(727以上)，它塑性好，變形抗力小，易于鍛造成型。也是不規(guī)則的多邊形晶粒。四、滲碳體 即碳化三鐵Fe3C；它具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，如圖2-14所示，屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。滲碳體的含碳量為6.69%，沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，它的硬度很高，約為800HBW，塑性和沖擊韌性很差(0，ak0)，滲碳體硬而脆，強(qiáng)度很低，但耐磨性好。如果它以細(xì)小片狀或粒狀分布在軟的鐵素體基體上時(shí)，起彌散強(qiáng)化作用，對(duì)鋼的性能有很大影響。Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)定的化合物，在一定溫度下可分解為鐵和石墨，即：Fe3C3Fe+C(石墨)這是鑄鐵石墨化的依據(jù)。第二節(jié) 鐵碳合金

7、相圖鐵碳合金相圖是表示在極緩慢冷卻(或加熱)條件下，不同成分的鐵碳合金在不同的溫度下所具有的組織或狀態(tài)的一種圖形。從中可以了解到碳鋼和鑄鐵的成分(含碳量)、組織和性能之間的關(guān)系，它不僅是我們選擇材料和判定有關(guān)熱加工工藝的依據(jù)，而且是鋼和鑄鐵熱處理的理論基礎(chǔ)。當(dāng)碳含量超過(guò)溶解度以后，剩余的碳在鐵碳合金中可能有兩種存在方式：滲碳體Fe3C或石墨。因之鐵碳合金相圖也就分成兩個(gè)系列：Fe-Fe3C系列、Fe-石墨系。因?yàn)槭且粋€(gè)穩(wěn)定相，而Fe3C是一個(gè)介穩(wěn)定相，故Fe-Fe3C系相圖又叫做介穩(wěn)定系鐵碳相圖，而Fe-石墨系相圖叫做穩(wěn)定系鐵碳相圖。在通常情況下，鐵碳合金常按Fe-Fe3C系進(jìn)行轉(zhuǎn)變，當(dāng)碳

8、含量高于6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值。故在此我們只討論含碳量低于6.69%的鐵碳合金即介穩(wěn)定系Fe-Fe3C相圖。一、Fe-Fe3C相圖分析Fe-Fe3C相圖如圖4-2所示。圖4-2 Fe-Fe3C相圖我們先看一下相圖上橫坐標(biāo)的兩端，即含碳為0%和6.69%的情況。含碳量為0%時(shí)，即為純鐵。它在固態(tài)時(shí)具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從高溫到低溫分別存在-Fe、-Fe和-Fe，圖上的N點(diǎn)(1394)和G點(diǎn)(912)為純鐵的臨界點(diǎn)。N點(diǎn)和G點(diǎn)又經(jīng)常記為A4點(diǎn)和A3點(diǎn)。含碳量為6.69%時(shí)，鐵和碳形成滲碳體Fe3C，滲碳體沒(méi)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。含碳量在0%到6.69%之間時(shí)，由許多點(diǎn)、線將相圖分為不同的

9、區(qū)域。（一）恒溫轉(zhuǎn)變線Fe-Fe3C相圖初看起來(lái)似乎很復(fù)雜，但運(yùn)用我們前面所學(xué)的二元合金相圖知識(shí)來(lái)逐步進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)并非如此。就整個(gè)圖形來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e-Fe3C相圖可看成是-FeFe3C二元包晶相圖(左邊上部分)、-FeFe3C二元共晶相圖(右邊)和具有共析反應(yīng)的-FeFe3C二元合金相圖(左邊下部分)的復(fù)合。因此在相圖上有三條水平線(HJB、BCF、PSK相應(yīng)的發(fā)生三個(gè)恒溫反應(yīng)：1、在1495(HJB水平線)發(fā)生包晶反應(yīng)，HJB線叫包晶線，其反應(yīng)為L(zhǎng)B+H AJ包晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體。此反應(yīng)對(duì)于熱處理工藝關(guān)系不大，故無(wú)多大實(shí)用意義。包晶反應(yīng)只可能在含碳量為0.090.53%的鐵碳合金中發(fā)生

10、。2、在1148(ECF水平線)發(fā)生共晶反應(yīng)，故ECF線叫共晶線，其反應(yīng)為L(zhǎng)cAE+Fe3C，C點(diǎn)稱為共晶點(diǎn)，其含碳量為4.3%。共晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體和滲碳體的共晶混合物，稱為萊氏體(Ld)。此反應(yīng)可在含碳量為2.116.69%的鐵碳合金中發(fā)生。由此可知，ABCD為液相線，而AHJECF為固相線。3、在727(PSK水平線)發(fā)生共析反應(yīng)，其反應(yīng)為ASFD+Fe3C，S點(diǎn)稱為共析點(diǎn)，其含碳量為0.77%。共析反應(yīng)的結(jié)果形成了鐵素體和滲碳體的共析混合物，此共析混合物稱為珠光體(P)。共析反應(yīng)的溫度常用A1表示，所有含碳量超過(guò)0.0218%的鐵碳合金中，即實(shí)際在工程上常用的鐵碳合金中均能發(fā)生共

11、析轉(zhuǎn)變。（二）主要轉(zhuǎn)變線此外，在Fe-Fe3C相圖中還有三條主要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線：1、GS線表示不同含碳量的合金，由奧氏體中開(kāi)始析出鐵素體(冷卻時(shí)）或鐵素體全部溶入奧氏體(加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變線，常用A3表示，故GS線又稱A3線。2、ES線碳在奧氏體中的固溶線。常用Acm表示。由該線可看出，碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%，所處的溫度是1148。而在727時(shí)只能溶解0.77%的碳。凡含碳量大于0.77%的鐵碳合金自1148冷至727時(shí)。均會(huì)從奧氏體中析出滲碳體，常常呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，稱此滲碳體為二次滲碳體（Fe3C）以區(qū)別從液態(tài)金屬中直接結(jié)晶出的一次滲碳體(Fe3C)。3、PQ線碳在鐵素體中的固溶線。由

12、該線可看出，碳在鐵素體中的最大溶解度為0.0218%，所處的溫度為727。溫度降至600時(shí)，可溶解0.0057%的碳，而在室溫時(shí)，只可溶解0.0008%的碳，故一般鐵碳合金從727緩冷至室溫時(shí)，均可從鐵素體中析出滲碳體，稱此滲碳體為三次滲碳體Fc3C，只有在含碳量極低的碳鋼中才能看到三次滲碳體組織；含碳較高的鐵碳合金，析出的三次滲碳體都附著在先前產(chǎn)生的Fe3C相上，看不出單獨(dú)的組織。因Fe3C數(shù)量極少，故般在討論中經(jīng)常予以忽略。由此可知；一次、二次、三次滲碳體僅在于滲碳體來(lái)源和分布有所不同，沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，其含碳量，晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均相同。如果用“相”來(lái)描述Fe-Fe3C相圖的話，通過(guò)以上分析可知

13、，相圖中存在五個(gè)單相區(qū)(即基本相區(qū))；ABCD以上為液相區(qū)；AHNA包圍的為固溶體區(qū)；NJESGN包圍的為奧氏體(A)區(qū)；GPQG包圍的為鐵素體(F)區(qū)；DFKL、為Fe3C區(qū)。而相圖中其他任一區(qū)域的組成相皆為其相鄰兩個(gè)單相區(qū)的相的組合。如GSPG區(qū)域?yàn)镕+A；HJNH區(qū)域?yàn)?A等等。依次類推，在相圖中共有七個(gè)兩相區(qū)。（三）、鐵碳合金分類如果用“組織”來(lái)描述Fe-Fe3C相圖的話，鐵碳合金按其含碳量和組織的不同，分成下列三類：1、工業(yè)純鐵(<0.0218%C)；2、鋼(0.02182.11%C)；包括亞共析鋼(<0.77%C)、共析鋼(0.77%C)和過(guò)共析鋼(>0.77%C

14、)；3、白口鑄鐵(2.116.69%C)；包括亞共晶白口鑄鐵(<4.3%C)、共晶白口鑄鐵(4.3%C)和過(guò)共晶白口鑄鐵(>4.3%C)。下面通過(guò)六種典型的鐵碳合金來(lái)討論它的結(jié)晶過(guò)程及其組織。所選擇的各種合金的成分如圖4-3所示。圖4-3 典型的鐵碳合金在相圖上的位置二、典型合金的結(jié)晶過(guò)程及其組織我們通過(guò)研究六種典型合金結(jié)晶過(guò)程的組織變化來(lái)認(rèn)識(shí)Fe-Fe3C合金相圖的組織及其變化規(guī)律。（一）共析鋼(0.77%C)的結(jié)晶過(guò)程分析圖4-3中合金為共析鋼，合金在1點(diǎn)以上的溫度為液相(L)，冷卻至稍低于1點(diǎn)溫度開(kāi)始從L中結(jié)晶出奧氏體(A)；冷至2點(diǎn)溫度，L全部凝固為A。12點(diǎn)間為L(zhǎng)與A兩相

15、區(qū)。冷至3點(diǎn)溫度(727)時(shí)，A發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,即A0.77F0.0218+Fe3C。珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，用符號(hào)P表示。在金相顯微鏡下觀察，能清楚地看到珠光體是鐵素體和滲碳體呈片層相間的組織，即層片狀組織特征，如圖4-4所示。其中的滲碳體又稱共析滲碳體，可通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，得到另外一種珠光體組織形態(tài)，即球狀或粒狀珠光體。它是珠光體中滲碳體呈小球狀或顆粒狀分布在鐵素體基體上，如圖4-5所示。圖4-6是共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖。圖4-4 層狀珠光體組織 400× 圖4-5 粒狀珠光體組織 400×圖4-6 共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖珠光體中鐵素體和滲碳體的相對(duì)

16、量可用杠桿定律求出：（二）亞共析鋼(0.02180.77%C)的結(jié)晶過(guò)程分析含碳量在0.090.53%范圍內(nèi)的亞共析鋼，冷凝至1495時(shí)均發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體(A)；而0.53%C的亞共析鋼，結(jié)晶過(guò)程將不發(fā)生包晶反應(yīng)，而直接從L中結(jié)晶出A。合金的成分為0.53%C，圖4-7所示為其結(jié)晶過(guò)程示意圖。圖4-7 亞共析鋼結(jié)晶過(guò)程示意圖合金冷凝后得到A組織，冷卻至GS線(點(diǎn)3溫度)時(shí)，發(fā)生AF的轉(zhuǎn)變，稱為先共析鐵素體。繼續(xù)冷卻，A的含碳量沿GS線逐漸增加而趨近于S點(diǎn)，冷至727時(shí)，未轉(zhuǎn)變完的A的含碳量增至0.77%，在恒溫下發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w(P)，最終顯微組織為F+P。必須指出，所

17、有亞共析鋼的室溫組織都是F+P。它們間的主要差別，在于其中的F與P的相對(duì)量和F的分布情況不同。距S點(diǎn)愈近的亞共析鋼，其組織中含P量愈多而F量愈少。約在含0.4%C的亞共析鋼中，F(xiàn)與P的量各占一半 小于0.53%C的亞共析鋼組織，其中F呈塊狀分布，而大于0.53%C的亞共析鋼組織，其中F呈網(wǎng)狀分布于P的晶界處。圖4-8為0.20%C、0.40%C和0.60%C的亞共析鋼的室溫組織。圖4-8 含碳量0.4%亞共析鋼的顯微組織（200×）（三）過(guò)共析鋼(0.772.11%C)的結(jié)晶過(guò)程分析合金為過(guò)共析鋼，冷卻后得到A組織，冷至ES線(點(diǎn)3溫度時(shí))，A中的含碳量達(dá)到飽和，將沿A晶界開(kāi)始析出F

18、e3C,又稱為先共析滲碳體，隨著溫度降低，A的含碳量沿ES線逐漸減少，F(xiàn)e3C不斷沿A晶界析出。冷卻至727時(shí)，剩余的A的含碳量變至0.77%，在恒溫下發(fā)生共析反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)镻，室溫下的最終組織為P和呈網(wǎng)狀分布的Fe3C。圖4-9為過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖。圖4-10 所示為其顯微組織圖4-9 過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖圖4-10 含碳1.2%的過(guò)共析鋼顯微組織（400×）（四）共晶白口鑄鐵(4.3%C)的結(jié)晶過(guò)程分析合金為含碳量4.3%共晶鐵碳合金，冷至點(diǎn)1溫度(1148)時(shí)，在恒溫下發(fā)生共晶反應(yīng)形成萊氏體，即由液態(tài)合金中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體兩種晶體的混合物。通常用符號(hào)Ld表示，其

19、反應(yīng)是：L4.3Ld(A+Fe3C)當(dāng)溫度降至727時(shí)萊氏體中的奧氏體又轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w,故室溫下的萊氏體為珠光體和滲碳體的混合物組織，用L表示。萊氏體硬而脆(800 HBW)，但耐磨，它是白口鑄鐵的基本組織。鋼和鑄鐵都是由以上這些基本組織組成。由于它們的成分不同，組織特征不同，因而機(jī)械性能也不同。萊氏體中奧氏體一般呈樹(shù)枝狀分布在滲碳體的基體上。冷至點(diǎn)1溫度以下時(shí)，碳在A中的溶解度沿ES線不斷減少，因此Fe3C不斷沿奧氏體晶界析出；且依附在共晶滲碳體上而不好區(qū)分。冷至點(diǎn)2溫度（727）時(shí)，A的碳含量減為0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變?yōu)镻。最后得到的組織是樹(shù)枝狀的珠光體分布在共晶滲碳體的基體上，稱為低溫萊

20、氏體或變態(tài)萊氏體L(P+ Fe3C+Fe3C)。圖4-11所示為結(jié)晶過(guò)程示意圖。圖4-12所示是顯微組織。圖4-11 共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程示意圖圖4-12 共晶白口鑄鐵的室溫顯微組織(200×)（五）亞共晶白口鑄鐵(2.114.30%C)的結(jié)晶過(guò)程分析合金為亞共晶鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程。1點(diǎn)溫度以上為液相L，在l2點(diǎn)溫度之間由L中析出初生晶A，隨溫度下降，初生A量增多，且液相成分按BC線變化，A成分沿JE線變化，冷至2點(diǎn)溫度(1148)時(shí)，剩余液相的成分達(dá)到C點(diǎn)成分，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。在23點(diǎn)溫度之間，初生晶A與共晶A都析出Fe3C，隨著Fe3C的析出，A的含碳量沿ES

21、線變化。冷至3點(diǎn)溫度(727)時(shí)，所有A都發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而成為P。室溫下的最終組織為P+Fe3C+Ld(P+Fe3C+Fe3C)。圖4-13是合金的結(jié)晶過(guò)程示意圖。圖4-13 亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖圖4-14 含3.0%C亞共晶白口鑄鐵的室溫顯微組織(200×)圖4-14是其室溫下的顯微組織。圖中大塊黑色部分為由初生A轉(zhuǎn)變而來(lái)的P，基體為萊氏體，組織中所有的Fe3C都依附在共晶Fe3C上且連在起，難以分辨。（六）過(guò)共晶白口鑄鐵(4.306.69%C)的結(jié)晶過(guò)程分析合金為過(guò)共晶鐵-碳合金，其結(jié)晶過(guò)程和組織轉(zhuǎn)變與亞共晶鐵-碳合金類似，只是先共晶產(chǎn)物是滲碳體。這種從液相L中直接結(jié)晶出

22、的滲碳體稱為一次滲碳體Fe3C，在顯微鏡下呈白色條片狀。 室溫組織為Fe3C+Ld(P+Fe3C+Fe3C)，圖4-15是過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖。圖4-16是其室溫下的顯微組織。圖4-15 過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程示意圖圖4-16 含5.0%C的過(guò)共晶白口鑄鐵(室溫平衡狀態(tài))的顯微組織(200×)根據(jù)以上對(duì)各種鐵碳合金轉(zhuǎn)變過(guò)程的分析，可將Fe-Fe3C相圖中的各個(gè)區(qū)域按組織給予標(biāo)注，如圖4-2所示。三、含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能的關(guān)系由Fe-Fe3C相圖得知，不同成分的鐵碳合金在室溫下具有不同的組織，而不同的組織必然就有不同的性能。鐵碳合金的室溫平衡組織均由鐵素體和滲碳體兩相組

23、成，其中鐵素體是軟韌相，而滲碳體是硬脆相。它們的相對(duì)量、形態(tài)和分布等對(duì)合金的機(jī)械性能都有很大的影響；隨著合金中含碳量的增加，不僅組織中滲碳體相對(duì)量增加，而且滲碳體的形態(tài)和分布都有變化。在鐵碳合金中，一般認(rèn)為滲碳體是一個(gè)強(qiáng)化相，當(dāng)它與鐵素體構(gòu)成層片狀珠光體時(shí)，合金的硬度和強(qiáng)度得到提高，合金中的珠光體愈多，則其硬度和強(qiáng)度愈高；當(dāng)它明顯地以網(wǎng)狀分布在珠光體晶界上，尤其是作為基體或以條片狀分布在萊氏體基體上時(shí)，將使合金的塑性和韌性大大下降，以致合金強(qiáng)度也隨之降低，這是導(dǎo)致高碳鋼和白口鑄鐵高脆性的原因。含碳量對(duì)鋼的機(jī)械性能影響如圖4-17所示。在亞共析鋼中，隨含碳量增加，鐵素體逐漸減少，珠光體逐漸增多，

24、故強(qiáng)度、硬度升高，而塑性、韌性下降。當(dāng)碳含量達(dá)到0.77%時(shí)，全由珠光體組成，此時(shí)的性能就是珠光體本身的性能。在過(guò)共析鋼中，當(dāng)含碳量不超過(guò)1%時(shí)，由于Fe3C較少，在晶界上未能連成網(wǎng)狀，故鋼的硬度和強(qiáng)度還是增加的，而塑性、韌性卻繼續(xù)下降。當(dāng)含碳量大于1%時(shí)，由于Fe3C增多，在晶界上已結(jié)成網(wǎng)狀，導(dǎo)致強(qiáng)度降低但硬度仍不斷增加。工程上使用鐵碳合金為了保證具有一定的塑性、韌性和足夠的強(qiáng)度，含碳量一般不超過(guò)1.31.4%。圖4-17 含碳量對(duì)鋼機(jī)械性能的影響（退火狀態(tài)）四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。因?yàn)橄鄨D告訴了我們?cè)诰徛訜峄蚶鋮s條件下，不同成分鐵碳合金

25、的組織轉(zhuǎn)變情況，即知道了成分可查知其組織，再根據(jù)其組織又可大致判斷其性能，從而使我們根據(jù)不同的使用要求來(lái)合理的選用材料。除此之外，相圖還可作為判定鑄、鍛、熱處理等熱加工工藝的重要依據(jù)。（一）在鑄造工藝方面的應(yīng)用鑄造生產(chǎn)中，合理的確定澆注溫度對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。澆注溫度過(guò)高，會(huì)使液態(tài)金屬的吸氣量和總收縮量增大，易在鑄件中形成氣孔，縮孔等缺陷；澆注溫度過(guò)低，會(huì)使液態(tài)金屬流動(dòng)性變差，在澆注中容易產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷。根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以合理地確定澆注溫度一般定為液相線以上50100。根據(jù)合金的性能與相圖的關(guān)系可知，液相線和固相線之間距離愈大，其流動(dòng)性愈差，成分偏析愈大，分散縮孔也愈多

26、；反之，液相線和固相線之間距離愈小，其流動(dòng)性愈好，成分偏析愈小，分散縮孔也愈少。純鐵與共晶成分的合金其液相線和固相線距離最小(為零)，故其流動(dòng)性好，偏析小，分散縮孔少，形成的集中縮孔可移至冒口，從而得到致密的鑄件。因此在鑄造生產(chǎn)中接近于共晶成分的鑄鐵得到較廣泛的應(yīng)用。鑄鋼也是工程上常用的鑄造合金，含碳量般在0.150.60%之間。由Fe-Fe3C相圖可知；鑄鋼的鑄造性能不如鑄鐵。由于鑄鋼的熔化溫度高，澆注溫度也高，因此在鑄鋼件中常出現(xiàn)晶粒粗大的特有的魏氏組織。魏氏組織的特點(diǎn)是鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體內(nèi)，它的存在，使鋼材的塑性和韌性大大下降。另外，由于澆注溫度高，內(nèi)應(yīng)力也大，因此鑄鋼件

27、必須通過(guò)熱處理(正火或退火)后才能使用。鑄鋼件適合于制造一些形狀復(fù)雜，難以鍛造或切削加工，而又要求較高強(qiáng)度和塑性的零件。（二）在鍛造方面的應(yīng)用鑄鋼件存在不可避免的組織缺陷(縮孔、疏松；氣孔等)，零件直接用金屬切削加工制造存在金屬纖維被切斷，這些都導(dǎo)致機(jī)械性能不高，因此工程上一些重要的零件都要求用鍛件。鋼材鍛造時(shí)，需要把鋼加熱到一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，即確定鋼的始鍛溫度(開(kāi)始鍛造的溫度)和終鍛溫度(停止鍛造的溫度)。我們知道，奧氏體的塑性較好，隨溫度升高奧氏體的變形抗力也不斷減小，因此必須把鋼加熱到Fe-Fe3C相圖奧氏體單相區(qū)中的適當(dāng)?shù)臏囟确秶?。其選擇原則是始鍛溫度不得過(guò)高，過(guò)高會(huì)使金屬產(chǎn)生過(guò)燒

28、或熔化的現(xiàn)象。所謂過(guò)燒是指金屬加熱溫度過(guò)高，氧滲入金屬內(nèi)部，使晶界氧化，形成脆性晶界，鍛造時(shí)一打就破碎，造成鋼材報(bào)廢。碳素鋼的始鍛溫度通常定為固相線以下200左右，如圖4-18所示。而終鍛溫度不能過(guò)低廣過(guò)低會(huì)使金屬的塑性顯著降低，這樣鍛造時(shí)易形成鍛造裂紋。碳素鋼的終鍛溫度應(yīng)在GSE線附近，一般定為800左右，如圖4-18所示。圖4-18 Fe-Fe3C相圖與鑄鍛工藝的關(guān)系(三)在熱處理方面的應(yīng)用熱處理工藝更是離不開(kāi)Fe-Fe3C相圖，如退火、正火、淬火的加熱溫度都是根據(jù)Fe-Fe3C相圖來(lái)確定的，具體應(yīng)用將在下第六章中介紹。第三節(jié) 碳 鋼含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱之為碳鋼。由于它冶煉容易

29、，不消耗貴重的合金元素，價(jià)格低廉，性能可以滿足一般工程結(jié)構(gòu)、日常生活用品的要求，因此在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛應(yīng)用，。其產(chǎn)量占鋼材總產(chǎn)量的40%左右。為了便于生產(chǎn)、管理、使用和加工處理，必須簡(jiǎn)要地了解我國(guó)碳鋼的分類、編號(hào)和用途，以及一些常存雜質(zhì)對(duì)碳鋼性能的影響。一、碳鋼中常存雜質(zhì)元素的影響碳鋼中，除了鐵和碳外，還有Si、Mn、S、P 等元素，這些元素是冶金過(guò)程中由礦石帶入而無(wú)法去除的常存雜質(zhì)元素，它們對(duì)組織性能產(chǎn)生了一定的影響。（一）硅的影響硅在鋼中是一種有益的元素，能溶于鐵素體而使其強(qiáng)化，從而提高鋼的強(qiáng)度，硬度和彈性。通常由于含硅量不多(<0.4%)故對(duì)鋼的性能影響不大。在鎮(zhèn)靜鋼(用鋁、硅鐵

30、和錳鐵脫氧的鋼)中含硅量在0.100.40%；在沸騰鋼(只用錳鐵脫氧的鋼)中只含0.030.07%的硅。必須指出，作冷鍛和冷沖壓用的鋼材，由于硅對(duì)鐵素體的強(qiáng)化作用，而使模具磨損過(guò)快，甚至引起工件的開(kāi)裂。為此這些鋼常用含硅量低的沸騰鋼制造。（二）錳的影響錳在鋼中也是一種有益的元素，錳大部分溶于鐵素體而使其強(qiáng)化；一小部分溶于滲碳體中，形成合金滲碳體；錳還能增加珠光體的相對(duì)量并使它細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)度。通常由于含錳量不多(<0.8%)故對(duì)鋼的性能影響不大。錳還能與硫化合成MnS，以減輕硫的有害作用。（三）硫的影響硫在鋼中是一種有害雜質(zhì)，硫不溶于鐵，而以FeS形式存在。FeS與Fe形成共晶，或

31、單獨(dú)存在，分布于奧氏體晶界上，當(dāng)鋼材在8001200進(jìn)行鍛壓時(shí)，由于FeS-Fe共晶體熔點(diǎn)低（只有985）、此時(shí)已經(jīng)熔化，而使晶粒脫開(kāi)，故鋼材變得很脆，這種在高溫下的脆性現(xiàn)象稱為熱脆或熱脆性。為了克服硫的這種有害影響，必須嚴(yán)格控制含硫量，如普通鋼含硫量應(yīng)小于0.055%；優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)小于0.040%；高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)小于0.030%，除此之外，還必須向鋼中加入一定數(shù)量的錳。由于加入錳后，形成熔點(diǎn)為1620的硫化錳(MnS)，抑制了低熔點(diǎn)共晶的形成，而MnS在高溫下又有塑性，因此可避免產(chǎn)生熱脆性。（四）磷的影響磷在鋼中也是一種有害雜質(zhì)。如它全部熔于鐵素體中可使其強(qiáng)化，從而提高鋼的強(qiáng)度、硬度，

32、但卻使室溫下鋼的塑性、韌性急劇下降，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆或冷脆性。另外磷在鋼中的偏析傾向也很嚴(yán)重，即使鋼的平均含磷量不是很高，但在磷的聚集區(qū)域卻可能達(dá)到嚴(yán)重的脆化程度。因此磷在鋼中也必須嚴(yán)格限制，在普通鋼中磷含量應(yīng)小于0.045%；優(yōu)質(zhì)鋼中磷含量應(yīng)小于0.040%；高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼中磷含量應(yīng)小于0.035%。但在個(gè)別情況下，磷在鋼中有時(shí)呈現(xiàn)有利的影響。如含有一定量的磷，可提高低碳鋼在切削加工時(shí)的表面光潔度；當(dāng)磷與銅共存時(shí)，可提高鋼的抗腐蝕性。二、碳鋼的分類、編號(hào)和用途（一）碳鋼的分類碳鋼的分類方法很多，這里主要介紹三種，即按鋼的含碳量、質(zhì)量和用途來(lái)分。分別敘述如下：1.按鋼的含碳量分類 根據(jù)鋼

33、的含碳量，可分為：(1)低碳鋼含碳量0.25%；(2)中碳鋼含碳量在0.250.6%之間(3)高碳鋼含碳量0.60%。2、按鋼的質(zhì)量分類 根據(jù)碳鋼質(zhì)量的高低，即主要根據(jù)鋼中所含有害雜質(zhì)S、P的多少，通常分為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼三類。(1)普通碳素鋼：鋼中S、P含量分別0.055%和0.045%。(2)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：鋼中S、P含量均應(yīng)0.040%。(3)高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：鋼中S，P雜質(zhì)最少，即S，P含量分別0.030%和0.035%。3、按用途分類：可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼兩大類。(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造各種工程構(gòu)件(如橋梁、船舶、車輛、建筑用鋼)和零件(如齒輪、軸、曲軸

34、、連桿等)。這類鋼般屬于低中碳鋼。(2)碳素工具鋼：主要用于制造各種刀具、量具和模具。這類鋼含碳量較高，一般屬于高碳鋼。（二）碳鋼的編號(hào)和用途鋼的種類很多。為了便于生產(chǎn)、管理和使用，必須對(duì)各種鋼材進(jìn)行統(tǒng)一的編號(hào)。我國(guó)的碳鋼編號(hào)見(jiàn)表4-1。表4-1 碳鋼的編號(hào)方法1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，約占鋼總產(chǎn)量的70%左右，其碳含量較低(碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%0.38%)，對(duì)性能要求及硫、磷和其它殘余元素含量的限制較寬。大多用作工程結(jié)構(gòu)鋼，一般是熱軋成鋼板或各種型材(如圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等)供應(yīng)；少部分也用于要求不高的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該類鋼通常在供應(yīng)狀態(tài)下使用，必要時(shí)根據(jù)需要可進(jìn)行鍛造、焊

35、接成形和熱處理調(diào)整性能。表4-2列出了這類鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途。表4-2普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼比較，其含S、P較少(0.04%)，且同時(shí)保證鋼的化學(xué)成分和機(jī)械性能，因而質(zhì)量較好，強(qiáng)度和塑性也較好，所以常用來(lái)制作重要的零件。根據(jù)化學(xué)成分不同，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼又分為普通含錳量鋼和較高含錳量鋼兩組。(1)正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：，所謂正常含錳量，對(duì)含碳量小于0.25%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含錳在0.350.65%之間；而對(duì)含碳量大于0.25%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含錳在0.500.80%之間。(2)較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)

36、鋼：所謂較高含錳量，對(duì)于含碳量為0.150.60%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，含錳量在0.71.0%之間；而對(duì)含碳量大于0.60%的碳素結(jié)構(gòu)鋼，含錳量在0.91.2%之間。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表4-3所示表4-3 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途鋼號(hào)力學(xué)性能（不小于）應(yīng)用舉例s/MPab/MPa5 (%)（%）Ak/J08F0810F1015F1520251751951852052052252452752953253153353553754104503533333l292725236060555555555550 71低碳鋼強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性高，冷塑性加工性和

37、焊接性優(yōu)良，切削加工性欠佳，熱處理強(qiáng)化效果不夠顯著。其中碳含量較低的鋼如08(F)、10(F)常軋制成薄鋼板，廣泛用于深沖壓和深拉延制品；碳含量較高的鋼(1525)可用作滲碳鋼，用于制造表硬心韌的中、小尺寸的耐磨零件 30 35 40 45 50 55295 315 335 355 375 380490 530 570 600 630 6452l20191614135045454040356355473931中碳鋼的綜合力學(xué)性能較好，熱塑性加工性和切削加工性較佳，冷變形能力和焊接性中等。多在調(diào)質(zhì)或正火狀態(tài)下使用，還可用于表面淬火處理以提高零件的疲勞性能和表面耐磨性。其中45鋼應(yīng)用最廣泛60657075808540041042088093098067569571510801080113012109766353030303030高碳鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和良好的彈性，切削加工性中等，焊接性能不佳，淬火