第四章鐵碳合金Iron-carbonAlloy

建筑構(gòu)件鋼橋梁第四章鐵碳合金(Iron-carbonAlloy)齒輪1第四章鐵碳合金(Iron-carbonAlloy)本章重點(diǎn)：1、Fe-Fe3C相圖及典型鐵碳合金結(jié)晶規(guī)律2、用杠桿定律計(jì)算組織、相相對(duì)含量3、含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能關(guān)系教學(xué)目的：掌握Fe-Fe3C相圖及典型鐵碳合金結(jié)晶規(guī)律;掌握用杠桿定律計(jì)算組織、相相對(duì)含量的方法;掌握含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能關(guān)系熟悉碳鋼的表示方法;了解五大元素對(duì)碳鋼性能的影響。本章難點(diǎn):

用杠桿定律計(jì)算組織組成物和相的相對(duì)含量2簡(jiǎn)介鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵使用最廣泛的金屬材料。工業(yè)純鐵：wC≤0.0218%碳鋼：0.0218%<wC≤2.11%

鑄鐵：2.11%<wC≤6.69%

鐵碳合金的主要元素：鐵和碳鐵和碳之間的相互作用而形成的固溶體和化合物構(gòu)成了合金的基本組成相。3鐵與碳兩個(gè)元素可形成的化合物：Fe3C(wC=6.69%),Fe2C,FeC研究

Fe-Fe3C

為主鐵碳合金中的C有兩種存在形式：滲碳體Fe3C和石墨∴鐵碳相圖存在Fe-Fe3C和Fe–石墨兩種形式4第一節(jié)純鐵、鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)及其性能一、工業(yè)純鐵純鐵的成分及性能純鐵（工業(yè)純鐵）：含雜質(zhì)0.10%～0.20%性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPa

δ=30%～50%ψ=70%～80%

Ak=128～160JHBS=50～805固態(tài)鐵有三種同素異構(gòu)體純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同一種元素在固態(tài)下由于溫度變化而發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)的變化。δ-Feγ-Feα-Fe1394℃912℃體心立方面心立方體心立方6二、鐵碳合金中的基本相和組織1.鐵素體F(Ferrite)/α①鐵素體—C在

α

-Fe中形成的間隙固溶體，具有體心立方晶格，用符號(hào)F或α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%強(qiáng)度、硬度低，塑性好。鐵素體7③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%2.奧氏體

/A(Austenite)②奧氏體的溶碳能力較大—γ

-Fe晶格間隙與C半徑比較接近；①奧氏體—C在γ

-Fe中形成的間隙固溶體，具有面心立方結(jié)構(gòu)性能：

σb≈400MPaHBS=170～220δ=40%～50%

高塑性、無(wú)磁奧氏體83.滲碳體Cm(Cementite

Fe3C)①滲碳體—Fe與C形成的間隙化合物Fe3C,含碳量為

6.69%，有固定的化學(xué)成分。②滲碳體具有很高的硬度和耐磨性，塑性很差，延伸率為零，熔點(diǎn)1227℃是鐵碳合金的主要強(qiáng)化相③Fe3C的尺寸、形狀和分布對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能產(chǎn)生重大影響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),

該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。9滲碳體對(duì)合金性能的影響：（1）滲碳體的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韌性降低。（2）對(duì)強(qiáng)度的影響與滲碳體的形態(tài)和分布有關(guān)：

以層片狀或粒狀均勻分布在組織中，能提高合金的強(qiáng)度；

以連續(xù)網(wǎng)狀、粗大的片狀或作為基體出現(xiàn)時(shí)，急劇降低合金的強(qiáng)度、塑性韌性。鋼中的滲碳體104、兩相機(jī)械混合物珠光體P（Pearlite）強(qiáng)度、硬度及塑性適中。（F+Fe3C）機(jī)械混合物片狀P:F和Fe3C呈片狀相間分布粒狀P:Fe3C呈粒狀分布在F基體上含碳量為：0.77%珠光體11萊氏體萊氏體

（Ledeburite）orLd727℃以上：（A+Fe3C）機(jī)械混合物727℃下：（F+Fe3C）機(jī)械混合物性能：硬而脆奧氏體呈顆粒狀或塊狀分布在滲碳體的基體上含碳量為：4.3%12第二節(jié)鐵碳相圖分析一、相圖中點(diǎn)、線(xiàn)、區(qū)及其意義二、典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程三、組織組成物的計(jì)算四、含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能關(guān)系五、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用13一、相圖中點(diǎn)、線(xiàn)、區(qū)及其意義包晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變14點(diǎn)溫度℃wC(%)說(shuō)明A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶反應(yīng)時(shí)L的濃度C11484.3共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11C在γ-Fe中的極限溶解度F11486.69滲碳體G9120同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)⒈特征點(diǎn)鐵碳相圖中主要的點(diǎn)、線(xiàn)、區(qū)分析15點(diǎn)溫度℃wC(%)說(shuō)明H14950.09C在δ-Fe中的極限溶解度J14950.17包晶點(diǎn)K7276.69滲碳體N13940同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)P7270.0218C在α-Fe中的極限溶解度Q200.0008室溫C在α-Fe中的溶解度S7270.77共析點(diǎn)16以相組成物表示的Fe-Fe3C相圖

L

A

Fδ

L+δ

δ+AL+AL+Fe3C

A+Fe3C

F+Fe3C

F+A2.特征線(xiàn)固相線(xiàn)—ABCD—AHJECF液相線(xiàn)HJB：包晶線(xiàn)ECF：共晶線(xiàn)PSK:共析線(xiàn)三條水平線(xiàn)：17①在1493℃(HJB水平線(xiàn))發(fā)生包晶反應(yīng):

LB+δHAJ三個(gè)恒溫反應(yīng)：轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為：奧氏體此反應(yīng)僅可能在含碳量為0.17～0.53％的鐵碳合金中發(fā)生。18轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為：奧氏體與滲碳體的共晶混合物，稱(chēng)為萊氏體，用字母Ld表示；冷至室溫時(shí)成為低溫萊氏體，用L’d表示。此反應(yīng)發(fā)生于:2.11％<C%<6.69％的鐵碳合金范圍內(nèi)。

②在1148℃(ECF水平線(xiàn))發(fā)生共晶反應(yīng):

LcAE+Fe3C1148℃19轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為：鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱(chēng)為珠光體(P)。實(shí)際在工程上常用的鐵碳合金中均發(fā)生珠光體(共析體)轉(zhuǎn)變。

此反應(yīng)發(fā)生于所有含碳量超過(guò)0.0218％的鐵碳合金。PSK線(xiàn)又稱(chēng)為A1線(xiàn)。

③在727℃(PSK水平線(xiàn))發(fā)生共析反應(yīng):

AsFP+Fe3C727℃20以相組成物表示的Fe-Fe3C相圖

L

A

Fδ

L+δ

δ+A

L+

A

L+Fe3C

A+Fe3C

F+Fe3C

F+A2.特征線(xiàn)兩條固溶度線(xiàn)

①ES線(xiàn)—碳在奧氏體中的固溶線(xiàn)。

②PQ線(xiàn)—碳在鐵素體中的固溶線(xiàn)。21兩條固溶度線(xiàn)

①ES線(xiàn)—碳在奧氏體中的固溶線(xiàn)。

C〉0.77%的鐵碳合金自1148°C冷至727°C時(shí)，會(huì)從奧氏體中析出滲碳體，稱(chēng)為二次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CII。二次滲碳體通常沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分布。ES線(xiàn)又稱(chēng)為Acm線(xiàn)。22②PQ線(xiàn)—碳在鐵素體中的固溶線(xiàn)。

鐵碳合金自727°C向室溫冷卻的過(guò)程中，將從鐵素體中析出滲碳體，稱(chēng)為三次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CIII。

23以相組成物表示的Fe-Fe3C相圖

L

A

Fδ

L+δ

δ

+A

L+

A

L+Fe3C

A+Fe3C

F+Fe3C

F+A2.特征線(xiàn)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線(xiàn)

GS、GPHN、JN24GS、GP為：

F

?A

固溶體轉(zhuǎn)變線(xiàn)；是冷卻時(shí)鐵素體從奧氏體中析出開(kāi)始、加熱時(shí)鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變終了的溫度線(xiàn)。HN、JN為：δ?A固溶體轉(zhuǎn)變線(xiàn)；（4）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線(xiàn)

GS線(xiàn)又稱(chēng)為A3線(xiàn)25⑶三個(gè)三相區(qū)：HJB

(L++A)、ECF(L+A+Fe3C)、PSK(A+F+Fe3C)三條水平線(xiàn)

⒊相區(qū)⑴五個(gè)單相區(qū)(五個(gè)基本相)：L、δ、A、F、Fe3C

⑵七個(gè)兩相區(qū):

L+δ、L+A、L+Fe3C、δ

+A、A+Fe3C、A+F

、F+Fe3C26Fe-C合金分類(lèi)工業(yè)純鐵——C%≤0.0218%鋼（0.0218%＜C%≤2.11%）

亞共析鋼＜0.77%

共析鋼＝0.77%

過(guò)共析鋼＞0.77%白口鑄鐵

（2.11%＜C%＜6.69%）

亞共晶白口鐵＜4.3%共晶白口鐵＝4.3%過(guò)共晶白口鐵＞4.3%類(lèi)型亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼鋼號(hào)204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％0.200.450.600.801.001.20幾種常見(jiàn)碳鋼271324二、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析（一）

共析鋼的結(jié)晶過(guò)程①合金液體在1~2點(diǎn)間通過(guò)勻晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體②在2~3點(diǎn)之間，不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。281324③溫度降到3點(diǎn)(727)，奧氏體成分達(dá)到0.77，開(kāi)始發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：A0.77

→P（F0.0218+Fe3C）727由奧氏體相同時(shí)析出鐵素體和滲碳體。反應(yīng)結(jié)束后：奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。291324④繼續(xù)冷卻會(huì)從珠光體的鐵素體中析出少量的三次滲碳體，但是它們往往依附在共析滲碳體上，難于分辨。勻晶反應(yīng)+共析反應(yīng)共析鋼結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：30珠光體組織:是鐵素體與滲碳體片層相間的組織，呈指紋狀共析鋼的室溫組織1000×室溫下珠光體中兩相的相對(duì)重量百分比為：白色的基底為鐵素體，黑色的層片為滲碳體。

相圖4L3114265（二）亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程現(xiàn)以含0.45%C的鋼為例分析亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程332①該合金從液態(tài)緩慢冷卻到1點(diǎn)后，發(fā)生勻晶反應(yīng),開(kāi)始結(jié)晶出高溫鐵素體。②到達(dá)2點(diǎn)溫度時(shí)，勻晶反應(yīng)停止，開(kāi)始發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：L0.53+δ0.09

A0.17包晶轉(zhuǎn)變結(jié)束后，除了新形成的奧氏體外，液相還有剩余?！?3③溫度繼續(xù)下降，在2～3點(diǎn)之間，剩余的液相通過(guò)勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。④在3-4點(diǎn)之間，不發(fā)生組織變化。34⑤冷卻到4點(diǎn)，開(kāi)始沿奧氏體晶界析出鐵素體，并且隨溫度的降低，兩者成分不斷變化，鐵素體數(shù)量增多。發(fā)生：固溶體轉(zhuǎn)變反應(yīng)35⑥溫度降到5（727℃）點(diǎn)，奧氏體的成分沿GS線(xiàn)變化到S點(diǎn)，此時(shí)，奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變結(jié)束，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)：A0.77

→

P（F0.0218+Fe3C），轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。組織為：F+P36⑦溫度繼續(xù)下降，從鐵素體中析出三次滲碳體，但是由于其數(shù)量很少，因此可忽略不計(jì)。亞共析鋼平衡結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：勻晶反應(yīng)＋包晶反應(yīng)＋固溶體轉(zhuǎn)變反應(yīng)+共析反應(yīng)

亞共析鋼室溫下的組織為：F+P37室溫下相的相對(duì)重量百分比為：室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：S’兩個(gè)組織組成物的相對(duì)重量百分比為：含0.45%C亞共析鋼中兩相的相對(duì)重量百分比為:38a)wc=0.2%b)wc=0.4%c)wc=0.6%亞共析鋼的室溫組織200×

亞共析鋼室溫下的組織為：F+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。FP391234(三)過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程以wc為1.2%的合金為例，其結(jié)晶過(guò)程如下：5①合金液體在1～2點(diǎn)間發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。③在3～4點(diǎn)之間，兩相成分不斷變化，二次滲碳體量不斷增多。②冷卻到3點(diǎn)后，開(kāi)始沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，并在晶界上呈網(wǎng)狀分布。401234④溫度降到4點(diǎn)，二次滲碳體析出停止，奧氏體成分沿ES線(xiàn)變化到S點(diǎn)，剩余的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)：A0.77（F0.0218+Fe3C），轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。727組織為：P+Fe3CⅡ

41⑤繼續(xù)冷卻，二次滲碳體不再發(fā)生變化，珠光體的變化同共析鋼。過(guò)共析鋼的室溫組織為：珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體

勻晶反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)＋共析反應(yīng)過(guò)共析鋼平衡結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：42wc為1.2%的過(guò)共析鋼的室溫組織白色網(wǎng)狀的是二次滲碳體，黑色為珠光體431234室溫下，含1.2%C過(guò)共析鋼中二次滲碳體和珠光體兩個(gè)組織組成物的相對(duì)重量百分比為：過(guò)共析鋼中Fe3CⅡ的量隨含碳量增加而增加，當(dāng)含碳量達(dá)到2.11%時(shí)，F(xiàn)e3CⅡ量最大：4445（四）共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程共晶白口鑄鐵的含碳量為4.3%，其結(jié)晶過(guò)程如下：①該合金液態(tài)冷卻到1點(diǎn)即1148C時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)：L4.3→（A2.11+Fe3C），全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體（Ld）萊氏體是共晶奧氏體和共晶滲碳體的機(jī)械混合物，呈蜂窩狀。Fe—C圖46此時(shí)兩個(gè)相的相對(duì)重量百分比為：：，。Fe-C47②溫度繼續(xù)下降，共晶奧氏體成分沿ES線(xiàn)變化，同時(shí)析出二次滲碳體，由于二次滲碳體與共晶滲碳體結(jié)合在一起而不易分辨，因而萊氏體仍作為一個(gè)組織看待。48③溫度降到2（727℃點(diǎn)，奧氏體成分達(dá)到0.77%，并發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這種由珠光體與共晶滲碳體組成的組織稱(chēng)為低溫萊氏體，用符號(hào)L’d表示，此時(shí)，F(xiàn)e-C49④溫度繼續(xù)下降，萊氏體中珠光體的變化與共析鋼的相同，珠光體與滲碳體的相對(duì)重量不再發(fā)生變化。共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：共晶反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)＋共析反應(yīng)50共晶白口鑄鐵的室溫組織為:L’d（P+Fe3C）它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征.室溫下兩相的相對(duì)重量百分比為：基體:共晶滲碳體鐵素體F占少數(shù)。共晶白口鑄鐵的性能：硬而脆51黑色蜂窩狀為珠光體，白色基體為共晶滲碳體。52（五）亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程以含3.0%C的亞共晶白口鑄鐵為例進(jìn)行分析53（五）亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程以含3.0%C的亞共晶白口鑄鐵為例進(jìn)行分析勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)＋共析反應(yīng)P+Fe3CⅡ+L’d

亞共晶白口鑄鐵室溫組織為:亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：54珠光體二次滲碳體低溫萊氏體201055（五）亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程以含3.0%C的亞共晶白口鑄鐵為例進(jìn)行分析Wc=3.0%56Wc=3.0%①當(dāng)合金液體冷卻到1點(diǎn)溫度時(shí)，發(fā)生勻晶反應(yīng)，結(jié)晶出奧氏體，稱(chēng)為一次奧氏體或先共晶奧氏體。②在1～2點(diǎn)之間，奧氏體量不斷增多并呈樹(shù)枝狀長(zhǎng)大。57Wc=3.0%③冷卻到2點(diǎn)(1148℃)

以后，一次奧氏體不變化，剩余液相的成分沿BC線(xiàn)變化到C點(diǎn)，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。L4.3（A2.11+Fe3C），58Wc=3.0%④繼續(xù)降溫，將從一次奧氏體和共晶奧氏體中析出二次滲碳體。由于一次奧氏體粗大，沿其周邊析出的二次滲碳體被共晶奧氏體襯托出來(lái)。而共晶奧氏體析出二次滲碳體的過(guò)程，與共晶白口鑄鐵相同。59Wc=3.0%⑤溫度降到3點(diǎn)，奧氏體成分沿ES線(xiàn)變到S點(diǎn)，并發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)＋共析反應(yīng)P+Fe3CⅡ+L’d

亞共晶白口鑄鐵室溫組織為:亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：60Wc=3.0%室溫下，含3.0%C白口鑄鐵中三種組織組成物的相對(duì)重量百分比為：61珠光體二次滲碳體低溫萊氏體62（六）過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程63（六）過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程Fe3CⅠ+L’d過(guò)共晶白口鑄鐵結(jié)晶過(guò)程中的基本反應(yīng)為：勻晶反應(yīng)＋共晶反應(yīng)＋二次析出反應(yīng)＋共析反應(yīng)過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫組織為:64圖中粗大的白色條片為一次滲碳體，其余為低溫萊氏體6566亞共析鋼（C%為0.0218％～0.77％）組織及特征：P+F

隨含C量增加，P量逐漸增加，F(xiàn)量逐漸減少；形態(tài)從塊狀→斷續(xù)網(wǎng)狀。性能特點(diǎn)：塑性、韌性好。

15鋼FP45鋼FP65鋼FP67共析鋼（含碳量0.77%的鐵碳合金）共析鋼室溫組織組織：性能：P組織特征：PFe3C片狀分布于F基體上，呈貝殼狀良好的綜合力學(xué)性能（具有強(qiáng)度較高和一定的塑、韌性）68過(guò)共析鋼（含碳量0.77%～2.11％的鐵碳合金）T12鋼退火組織（4%硝酸酒精浸蝕）P+Fe3CⅡ硬度高，塑、韌性低Fe3CⅡ呈網(wǎng)狀分布于層片狀P周?chē)鶳Fe3CⅡ組織：組織特征：性能特點(diǎn)：69亞共晶白口鑄鐵（含碳量2.11%～4.3％）P+Fe3CⅡ+L'd（L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）硬而脆。L'dAFe3CⅡP組織：性能：70共晶白口鑄鐵（含碳量4.3％）共晶白口鑄鐵的室溫組織低溫萊氏體（L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）高溫萊氏體（Ld→

A+Fe3C）硬而脆L'd性能：高溫組織：室溫組織：71過(guò)共晶白口鑄鐵（含碳量4.3%～6.69％）過(guò)共晶白口鑄鐵室溫組織L'd+Fe3C?（L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）硬而脆。L'dFe3C?性能：組織：7215鋼45鋼65鋼T12

Wc↑，則Fe3C↑，且其形態(tài)由點(diǎn)狀→層片狀→網(wǎng)狀→基體→粗大板片狀，而F↓且其形態(tài)由大塊狀→斷續(xù)網(wǎng)狀→層片狀。73（七）組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注圖3-41以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相A74

運(yùn)用杠桿定律時(shí)要切實(shí)注意：(1)只適用于平衡狀態(tài)；(2)只適用于兩相區(qū)；(3)杠桿的總長(zhǎng)度為兩平衡相的成分點(diǎn)之間的距離，杠桿的支點(diǎn)一般為合金成分點(diǎn)，杠桿的位置由所處的溫度決定；(4)當(dāng)用杠桿定律計(jì)算組織組成物的相對(duì)重量時(shí)，必須依據(jù)該合金的平衡結(jié)晶過(guò)程分析，找出與組織組成物相對(duì)應(yīng)的兩相區(qū)，使組織組成物與相應(yīng)的相相對(duì)應(yīng)，才能進(jìn)而應(yīng)用杠桿定律來(lái)近似計(jì)算組織組成物的相對(duì)百分含量。75共晶(析）型反應(yīng)產(chǎn)物的組織特征在一定過(guò)冷度下，通過(guò)形核與長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行結(jié)晶；結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行；在結(jié)晶過(guò)程中反應(yīng)相、生成相的成分是恒定的；在三相水平線(xiàn)上不能應(yīng)用杠桿定律。共晶反應(yīng)(共析反應(yīng))得到的反應(yīng)產(chǎn)物:共晶體(共析體)組織組織特征是兩相相間交替排列，并呈層狀、點(diǎn)狀、球狀和螺旋狀等。結(jié)晶特點(diǎn)是76鐵碳合金中的基本組織77鐵碳合金中的滲碳體78鐵碳合金的分類(lèi)79三、含碳量與鐵碳合金機(jī)械性能的關(guān)系⒈含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：鋼鐵素體亞共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類(lèi)組織組成物相對(duì)量%相組成物相對(duì)量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體80⒉含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響碳對(duì)機(jī)械性能的影響取決于：鐵素體：強(qiáng)度、硬度低，塑性好滲碳體：硬而脆Fe3C的量則逐漸增多。組成相的硬度相的相對(duì)數(shù)量相的形狀組織組成物C%↑F的量逐漸變少↑↑81HB：C%↑

→

Fe3C%↑、F↓

σb：對(duì)組織形態(tài)敏感。當(dāng)C%<0.9%時(shí)：Fe3C以片狀或粒狀分布于F中，C%↑，F(xiàn)e3C%↑→

σb↑；當(dāng)C%>0.9%時(shí)：Fe3CII在晶界上析出并連成網(wǎng)，削弱了強(qiáng)度，破壞了合金的連續(xù)性，C%↑→

σb↓

→硬度直線(xiàn)上升82

當(dāng)C%>2.11%時(shí)：組織中出現(xiàn)以滲碳體為基體的萊氏體，合金太脆而使白口鑄鐵在工業(yè)上很少應(yīng)用。δ、ak：

C%↑→

Fe3C%↑、F

↓

→δ↓，ak↓工業(yè)用鋼材，為了保證足夠的強(qiáng)度和一定的塑性、韌性，其含碳量一般不超過(guò)1.3%-1.4%。Fe-C83圖3-41以組織組成物標(biāo)注的鐵碳合金相A84四、Fe—Fe3C相圖的應(yīng)用Fc—Fe3C相圖在生產(chǎn)中具有重要的實(shí)際意義，主要應(yīng)用在鋼鐵材料的選用和加工工藝的制訂兩個(gè)方面。（一）、在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用（二）、在鑄造工藝方面的應(yīng)用（三）、在鍛造工藝方面的應(yīng)用（四）、在熱處理方面的應(yīng)用85（一）在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用①建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性好、韌度高的材料，因此，選用C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的鋼材。②各種機(jī)械零件需要強(qiáng)度、韌度較高及塑性較好的材料，應(yīng)選用C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適中的中碳鋼。③各種工具要用強(qiáng)度高和耐磨性好的材料，則選用C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的鋼材。Fe—Fe3C相圖所表明的某些成分—組織—性能的規(guī)律，為鋼鐵材料的選用提供了根據(jù)。86④純鐵的強(qiáng)度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料，但由于其磁導(dǎo)率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如，做電磁鐵的鐵芯等。⑤白口鑄鐵硬度高、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，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如，拔絲模、冷軋輥、貨車(chē)輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。201087（二）、在鑄造工藝方面的應(yīng)用合金的鑄造性能主要表現(xiàn)在流動(dòng)性要好。影響流動(dòng)性的因素結(jié)晶溫度區(qū)間熔點(diǎn)可以根據(jù)Fe—Fe3C相圖選擇合金的澆注溫度和合金的成分

↓小流動(dòng)性好881.根據(jù)Fe—Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度澆注溫度一般在液相線(xiàn)以上50～100℃。Fe-C89從相圖上可看出,純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好,它們的凝固溫度區(qū)間最小,因而流動(dòng)性好,分散縮孔少,可以獲得致密的鑄件,所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)規(guī)定在0.15％～0.6％之間，因?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。越遠(yuǎn)離共晶成分，液、固相線(xiàn)的間距越大，凝固過(guò)程中越容易形成樹(shù)枝晶，阻礙后續(xù)液體充滿(mǎn)型腔，鑄造性能變差，容易形成分散縮孔和偏析。2根據(jù)鐵碳相圖可以?xún)?yōu)化合金成分Fe-C90（三）在鍛造工藝方面的應(yīng)用由于奧氏體塑性好，便于塑性變形，因此鋼材的鍛造常選擇在鐵碳相圖中奧氏體單相區(qū)中的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。始鍛、始軋溫度控制在固相線(xiàn)以下l00～200C范圍內(nèi)。溫度高時(shí)，鋼的變形抗力小，節(jié)約能源，設(shè)備要求的噸位低，但溫度不能過(guò)高，要防止鋼材嚴(yán)重?zé)龘p或發(fā)生晶界熔化(過(guò)燒)。Fe-C91亞共析鋼的熱加工終止溫度多控制在GS線(xiàn)以上一點(diǎn)，避免變形時(shí)出現(xiàn)大量鐵素體，形成帶狀組織而使韌度降低。過(guò)共析鋼的變形終止溫度應(yīng)控制在PSK線(xiàn)以上，以便把呈網(wǎng)狀析出的二次滲碳體打碎。終止溫度不能太高，否則再結(jié)晶后奧氏體晶粒粗大，使熱加工后的組織也粗大。Fe-C92（四）在熱處理方面的應(yīng)用Fe—Fe3C相圖對(duì)于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe—Fe3C相同確定的。93在運(yùn)用Fe-Fe3C相圖時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

①Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài),如含有其它元素,相圖將發(fā)生變化。

②Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài),若冷卻或加熱速度較快時(shí),其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來(lái)分析了。94第三節(jié)碳鋼一、鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)性能的影響鋼中的常存雜質(zhì)元素主要是指：

錳、硅、硫、磷及氮、氧、氫等元素。由原料、燃料及耐火材料帶入鋼中，或者是由大氣進(jìn)入鋼中，或者是脫氧時(shí)殘留于鋼中。它們的存在顯然會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生影響。95Mn與S的化學(xué)親合力高于S與Fe的，因而S易于與Mn化合形成MnS，MnS

熔點(diǎn)高（1620）并有一定的塑性，不會(huì)對(duì)鋼產(chǎn)生有害影響。作用為：

①對(duì)鋼起強(qiáng)化作用；②消除硫的有害作用。1、Mn:＜0.8%時(shí)為雜質(zhì),是有益元素。Mn溶于F形成置換固溶體使F的強(qiáng)度、硬度升高M(jìn)n溶于Fe3C形成合金滲碳體，其的強(qiáng)度、硬度升高96作用為：強(qiáng)化鐵素體；2、Si：0.5%時(shí)為雜質(zhì)，是有益元素。Si溶于F形成置換固溶體使F的強(qiáng)度、硬度升高97常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點(diǎn)共晶FeS(985℃)，熱加工時(shí)(1150~1200℃)，由于其熔化而導(dǎo)致開(kāi)裂，稱(chēng)熱脆性。鋼中的硫應(yīng)控制在0.045%以下。3、S：是有害元素。S—造成鋼的熱脆性98P能全部溶入鐵素體中，有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱(chēng)冷脆性。P一般控制在0.045%以下.4、P：也是有害元素P—造成鋼的冷脆性99（一）碳鋼的分類(lèi)2按質(zhì)量分優(yōu)質(zhì)碳鋼（Ws≤0.040%，Wp≤0.040%）普通碳鋼（Ws≤0.055%，Wp≤0.045%）高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼（Ws≤0.030%，Wp≤0.035%）3按用途分碳素工具鋼（主要用于刀具、量具、模具）碳素結(jié)構(gòu)鋼（主要用于工程構(gòu)件、機(jī)器零件）1按含碳量分低碳鋼（Wc≤0.25%）中碳鋼（Wc0.25~0.60%）高碳鋼（Wc≥0.60%）二、碳鋼的分類(lèi)、編號(hào)和用途100（二）碳鋼的編號(hào)及用途1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（a）甲類(lèi)鋼：按力學(xué)性能供應(yīng)表示方法：甲1（A1）、甲2（A2）……甲7（A7）強(qiáng)度（σs、σb）升高塑性（δ、ψ）下降注意：由于不保證化學(xué)成分，所以熱處理時(shí)不能依甲類(lèi)鋼來(lái)選材，應(yīng)依乙類(lèi)鋼選，才能根據(jù)相圖制定熱處理工藝。（一）、碳鋼的編號(hào)（舊牌號(hào)的編號(hào)：GB700-79）101（b）乙類(lèi)鋼：按化學(xué)成分供應(yīng)表示方法：乙1（B1）、乙2（B2）、…、乙7（B7）C%升高注意：可以熱處理，但屬于普碳鋼，性能改善不大。（c）特類(lèi)鋼：根據(jù)要求供貨，保證化學(xué)成分和力學(xué)性能。表示方法：C2、C3、C4、C5C%升高強(qiáng)度（σs、σb）升高注意：價(jià)格太高，一般不用，經(jīng)常選優(yōu)質(zhì)碳素鋼。102Q+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)符號(hào)：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。如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF、Q235BZ。新牌號(hào)的編號(hào)：GB700-88103GB/T700-1988標(biāo)準(zhǔn)

GB700-79標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和力學(xué)性能均須保證A類(lèi)鋼——保證力學(xué)性能，B類(lèi)鋼——保證化學(xué)成分，C類(lèi)鋼——保證化學(xué)成分及力學(xué)性能。Q195A1；B1Q215

A2；C2Q235

A3；C3Q255

A4；C4Q275C5碳素結(jié)構(gòu)鋼新、老標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)對(duì)照104普通碳素結(jié)構(gòu)鋼一般不進(jìn)行熱處理，在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。Q195、Q215和Q235（A1、A2、A3）：塑性好用途：

⑴軋制成鋼板、鋼筋、型材和焊接鋼管等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。⑵制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、地腳螺絲、軸套、鏈片、銷(xiāo)軸等Q255和Q275（A4、C5）：強(qiáng)度較高、塑性和韌性好用途：⑴軋制成鋼板、條鋼、型鋼等作結(jié)構(gòu)件以及制造連桿、鍵和銷(xiāo)等。105建筑構(gòu)件鋼橋梁106多邊型角鋼鋼筋、螺紋鋼螺釘、鉚釘1072優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（a）正常含錳量鋼：分為正常含錳量鋼和較高含錳量鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼含有害雜質(zhì)P、S的量及非