第四章 FeC合金及其應(yīng)用

將焊錫、錫和鉛放置在鐵片上，加熱鐵片的中心部分，觀察，比較合金和組成它的純金屬錫、鉛的熔化溫度。錫鉛合金錫鉛共晶焊料簡介1.鐵碳合金基本相和組織2.鐵碳合金相圖分析3.鐵碳合金成分、組織與性能的關(guān)系第三節(jié)鐵碳合金相圖第三節(jié)鐵碳合金相圖鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).1.鐵碳合金基本相和組織1.純鐵鐵具有典型的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變TmFe=1538℃二、相一、

組元：Fe、Fe3Cδ-Fe

γ-Fe

α-Fe1394℃912℃體心立方面心立方體心立方

強(qiáng)度、硬度低，塑性好。2.鐵素體F(Ferrite)

鐵素體—C在

-Fe中形成的間隙固溶體，具有體心立方晶格，用符號(hào)

F表示

鐵素體的溶碳能力差

—由于體心立方晶格的間隙遠(yuǎn)小于碳的原子半徑；最大溶碳量：727℃，wC=0.0218%最小溶碳量：室溫，wC=0.0008%鐵素體鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體

硬度、強(qiáng)度較低；塑性較高最大溶碳量：1148℃，wC=2.11%最小溶碳量：727℃，wC=0.77%3.奧氏體/A(Austenite)

奧氏體的溶碳能力較大

—-Fe晶格間隙與C半徑比較接近；

奧氏體—C在-Fe中形成的間隙固溶體，具有面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體:組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體4.滲碳體(Cementite)，F(xiàn)e3C或Cm表示Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨)。Fe與C形成的間隙化合物Fe3C含碳量為6.69%

。熔點(diǎn)為1227℃鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體珠光體:（Pearite），P表示（F+Fe3C）機(jī)械混合物。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為Wc=0.77%。顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的組織。片狀珠光體顯微組織

球狀珠光體顯微組織顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的組織。萊氏體（Ledeburite）高溫萊氏體Ld：A+Fe3C

1148℃~727℃低溫萊氏體Ld’：P+Fe3C727℃以下萊氏體顯微組織二、基本組織

鐵素體（Ferrite)奧氏體（Austenite）滲碳體（Cementite）orFe3C珠光體（Pearlite）高溫萊氏體（Ledeburite）orLd（A+Fe3C）機(jī)械混合物，727℃以上低溫萊氏體用Le’orLd’表示

（P+Fe3C）機(jī)械混合物，727℃下二、鐵碳合金相圖的分析考試重點(diǎn)！A+Fe3CF+Fe3C鐵碳合金相圖單相區(qū)兩相區(qū)三相區(qū)相區(qū)相組成相區(qū)相組成相區(qū)相組成ACD線以上AESGGPQGDFK液相(L)奧氏體(A)相區(qū)鐵素體(F)相區(qū)滲碳體(FeC3)相區(qū)ACECDFGSPSEFKPSK線以下L+AL+Fe3CA+FA+Fe3CF+Fe3CECFPSKL+A+Fe3CA+F+Fe3CA+Fe3CF+Fe3C1.相區(qū)二、鐵碳合金相圖的分析2.特征點(diǎn)點(diǎn)溫度C/%點(diǎn)的意義A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)，L=A+Fe3CD12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在A的最大溶解度F11486.69共晶滲碳體的成分點(diǎn)G9120純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)S7270.77共析點(diǎn)A=F+Fe3CP7270.0218碳在鐵素體中最大溶解度A+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CF+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CC——共晶點(diǎn)，1148℃，wC=４.3%

Lc→（A+Fe3C）LdS——共析點(diǎn)，727℃，wC=0.77%

As→（F+Fe3C）PE——A體中最大溶C量，wC=2.11%

也是鋼、鐵的分界點(diǎn)G——Fe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的溫度，912℃α-Feγ-Fe工程材料1.主要特性點(diǎn)A+Fe3CF+Fe3C3.特征線⑴液相線固相線⑵兩條水平線：ECF：共晶線LC?AE+Fe3C萊氏體,PSK：共析線AS?FP+Fe3C

珠光體PLd⑶其它相線GS—A

?

鐵素體

固溶體轉(zhuǎn)變線。ES—碳在A中的固溶線。PQ—碳在鐵素體中的固溶線。A+Fe3CF+Fe3CECF——共晶線，1148℃，PSK——共析線，727℃，A1，As→PGS——冷卻時(shí)，由奧氏體析出鐵素體的開始線；加熱時(shí)，鐵素體溶入奧氏體的終止線。A3ES——是碳在奧氏體中的溶解度曲線。Acm1.主要特性線萊氏體，Ld工程材料Fe-C合金分類：

工業(yè)純鐵——C%≤0.0218%，組織為單相鐵素體鋼——0.0218%＜C%≤2.11% 亞共析鋼＜0.77%

共析鋼＝0.77%

過共析鋼＞0.77%白口鑄鐵——2.11%＜C%＜6.69%，

鑄造性能好,硬而脆 亞共晶白口鐵＜4.3%共晶白口鐵＝4.3%過共晶白口鐵＞4.3%三、典型合金的平衡結(jié)晶過程亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵(1)工業(yè)純鐵(C%≤0.0218%)結(jié)晶過程室溫組織

F

+

Fe3CⅢ(微量)

500×Fe3CⅢ工業(yè)純鐵的應(yīng)用由于含碳量較低。鐵礦石用碳還原，生鐵熔化將雜質(zhì)氧化很軟的金屬，有銀白色金屬光澤。硬度低。應(yīng)用有限。春秋戰(zhàn)國老箭頭干將莫邪工業(yè)純鐵的應(yīng)用鋼的相圖及其應(yīng)用

亞共析鋼的結(jié)晶過程以0.4%C的鋼為例FＰ亞共析鋼的組織金相圖亞共析鋼室溫下的組織顆粒狀的為F+層片狀的P。在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織室溫組織:

F+P，500×各相的相對(duì)量：Fe3C%≈0.4

/6.69=6%

F%≈1–6%=94%各組織組成物的相對(duì)量：P%=(0.4–0.0218)

/(0.77–0.0218

)

≈51%

F%≈1–51%=49%0.4%0.77%0.0218%6.69%亞共析鋼的成分計(jì)算亞共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼共析鋼的結(jié)晶過程

0.77%C鋼共析鋼金相組織圖P：片狀的F+片狀的FeC3的機(jī)械混合物727℃下P中兩相相對(duì)含量室溫下P中兩相相對(duì)含量共析鋼的成分計(jì)算0.0218%6.69%0.77%共析鋼的結(jié)晶過程過共析鋼㈣過共析鋼的結(jié)晶過程以1.2%C鋼為例Fe3CＰ珠光體和二次網(wǎng)狀滲碳體過共析鋼的組織金相圖室溫組織:

P

+

Fe3CII

400×各相的相對(duì)量：Fe3C%≈1.2

/6.69=18%

F%≈1–18%=82%各組織組成物的相對(duì)量：Fe3CII%=(1.2–0.77)

/(6.69–0.77

)

≈7%

P%≈1–

7%=93%過共析鋼的成分計(jì)算1.2%0.77%6.69%過共析鋼的結(jié)晶過程亞共析鋼與過共析鋼組織比較鋼中碳鋼低合金鋼高碳鋼低碳鋼碳素鋼合金鋼中合金鋼高合金鋼C＜0.25%C=0.25%～0.60％C＞0.60％合金總含量＜5%5%～10％＞10％鋼的選擇及應(yīng)用一、在鋼鐵選材方面的應(yīng)用機(jī)械構(gòu)件需用塑性、韌性好的材料，選用碳含量低的鋼材。普通碳素鋼1、普通碳素鋼Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)Q表示“屈服強(qiáng)度”；屈服強(qiáng)度值單位是MPa；質(zhì)量等級(jí)為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號(hào):沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。常用的鋼牌號(hào)為：Q235AF、Q255。3、用途：Q235用于制造受力不大的機(jī)械零件及橋梁建設(shè)金屬結(jié)構(gòu)件Q255用于中等壓力的零件。一、在鋼鐵選材方面的應(yīng)用機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性和韌性都較好地材料，選用碳含量適中的中碳鋼。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

性能：可焊性、塑性好使用狀態(tài)下組織：F+P

45鋼、20Mn、65Mn

凸輪、齒輪、連桿、彈簧常以熱軋板、帶、棒及型鋼使用，用量約占鋼材總量的70%。用于建筑結(jié)構(gòu)，適合焊接、鉚接、栓接等。熱軋鋼板螺紋鋼黃河小浪底樞紐工程一、在鋼鐵選材方面的應(yīng)用刀具、模具、量具要用硬度和耐磨性好的材料，選用碳含量高的高碳鋼。碳素工具鋼T+數(shù)字如T8—其平均含碳量為千分之八(0.8%C)。高碳(0.65~1.35%C)，耐磨性高，韌性低。常用：T7、T8、T10、T12銼刀碳素工具鋼3、用途由于碳工鋼淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7~T9：制造承受沖擊的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。木工鑿手錘木工鉆T10~T11：制造低速切削工具，如鉆頭、絲錐、車刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如銼刀、鋸條等。絲錐銼刀手鋸條鉆頭鑄鐵相圖及其應(yīng)用Fe-C合金分類：白口鑄鐵——2.11%＜C%＜6.69%，

鑄造性能好,硬而脆 亞共晶白口鐵＜4.3%共晶白口鐵＝4.3%過共晶白口鐵＞4.3%三、典型合金的平衡結(jié)晶過程一

、亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程PFe3CⅡLd’亞共晶白口鐵組織金相圖亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程共晶白口鐵的結(jié)晶過程共晶白口鐵組織金相圖共晶白口鐵室溫組織為Ld’(P+Fe3C)。共晶白口鐵的結(jié)晶過程過共晶白口鐵的結(jié)晶過程FK312Fe3CⅠFe3C+Fe3CⅡP過共晶白口鐵組織金相圖,其室溫組織為Fe3CⅠ+Ld’

鑄鐵的應(yīng)用何為鑄鐵？鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，如貨車輪、球磨機(jī)的磨球等。內(nèi)燃機(jī)汽缸鑄鐵曲軸碳的存在形式碳化物狀態(tài)

游離狀態(tài)—石墨（G）Fe3C→3Fe+C（石墨）鑄鐵中石墨形態(tài)石墨呈片狀石墨呈團(tuán)絮狀石墨呈球狀石墨呈蠕蟲狀石墨的存在賦予鑄鐵許多鋼所不及的優(yōu)良性能，如鑄造性能、減振性和減摩性。石墨存在對(duì)鑄鐵的力學(xué)性能影響？？

元素對(duì)石墨化影響

C是形成石墨的基礎(chǔ)，增大鑄鐵中C的濃度，有利于形成石墨

Si是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素，Si含量越高，石墨化進(jìn)行得越充分

S是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，S還會(huì)降低鑄鐵的力學(xué)性能和流動(dòng)性。因此，鑄鐵中含S越少越好

Mn本身阻止石墨化，但Mn與S化合形成MnS，減弱了S對(duì)石墨化的不利影響，故鑄鐵中允許有適量的Mn。影響石墨化的因素鑄鐵分類種類碳存在形式斷口顏色性能應(yīng)用白口鑄鐵Fe3C銀白色硬而脆很少用于制造零件麻口鑄鐵Fe3C和G黑白相間的麻點(diǎn)硬而脆很少應(yīng)用灰口鑄鐵G暗灰色較好的力學(xué)性能廣泛應(yīng)用3、鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例

灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值。HT100F+PHT150PHT200

可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀FKTH(KTB)(KTZ)+兩組數(shù)字黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào)；第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法（續(xù)）鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字

QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字RuT260F+PRuT300PRuT420一、灰鑄鐵灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上?；诣T鐵齒輪箱（一）灰鑄鐵石墨片的三維形貌常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理(孕育鑄鐵)，以細(xì)化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。孕育處理前孕育處理后3、用途制造承受壓力和震動(dòng)的零件,如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)重型機(jī)床床身(HT-250)變速箱體可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。性能：強(qiáng)度為碳鋼４0~７0%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實(shí)不可鍛（二）可鍛鑄鐵3、用途用于制造形狀復(fù)雜且強(qiáng)度韌性要求高的薄壁小型件，如汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等。可鍛鑄鐵管件石墨呈球形的灰口鑄鐵。由液態(tài)鐵水經(jīng)石墨化得到.1、組織：基體（F、F+P、P）+球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。硅鐵硅鈣稀土鎂為使石墨細(xì)小均勻，在球化處理同時(shí)還進(jìn)行孕育處理。