第5章鐵碳合金相圖和碳鋼教材

第五章鐵碳合金相圖和碳鋼§1純鐵、鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)及其性能§2典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程

§3碳鋼

§1純鐵、鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)及其性能

一.純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變二.Fe–C二元相圖三.Fe-Fe3C合金的相結(jié)構(gòu)及其性能一.純鐵的的同素異晶轉(zhuǎn)變1394°C912°C體心立方面心立方體心立方δ-Feγ-Feα-Fe純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe二.Fe-C相圖Fe3CFe2CFeC溫度FeC(6.69%C)三、Fe-Fe3C合金的相結(jié)構(gòu)與性能

(一)組元

*鐵(ferrite)

*

滲碳體

(Cementite)(二)基本組織1.鐵素體(F)

碳溶于α–Fe中的間隙固溶體。

2.奧氏體(A)碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體。奧氏體組織金相圖3.

滲碳體(Fe3C)

鐵與碳形成的金屬化合物。

滲碳體組織金相圖4.珠光體

(P)鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。5.萊氏體(Ld)奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。第二節(jié)Fe-Fe3C相圖分析一.Fe-Fe3C相圖的建立共晶反應(yīng)相圖共析反應(yīng)相圖

Fe-Fe3C

相圖FeT°Fe3CFe-Fe3C相圖

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3CⅡ+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3CⅡ+Fe3C)二.Fe-Fe3C相圖的分析五個(gè)重要的成份點(diǎn):P、S、E、C、K。四條重要的線:ECF、ES(Acm)、GS(A3)、FSK(A1)。兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變:共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。二個(gè)重要溫度:1148℃、727℃。1.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB

+

H

AJ1495℃3.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC

(

AE

+Fe3C)Ld1148℃三.典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程分析工業(yè)純鐵(ingotiron)共析鋼(eutectoidsteel)亞共析鋼(hypoeutectoidsteel)過(guò)共析鋼(hypereutectoidsteel)共晶白口鐵(eutectoidwhiteiron)亞共晶白口鐵(hypoeutectoidwhiteiron)過(guò)共晶白口鐵(hypereutectoidwhiteiron)1.工業(yè)純鐵(Wc<0.0218%)2.共析鋼

(Wc=0.77%)共析鋼組織金相圖3.亞共析鋼(Wc=0.45%)

亞共析鋼組織金相圖4.過(guò)共析鋼(Wc=1.2%)過(guò)共析鋼組織金相圖5.共晶白口鐵(Wc=4.3%)

共晶白口鐵組織金相圖6.亞共晶白口鐵(Wc=3.0%)亞共晶白口鐵組織金相圖7.過(guò)共晶白口鐵(Wc=5.0%)

過(guò)共晶白口鐵組織金相圖

組織組成物:F;Fe3CF;P0.77-0.45F=100%=43%0.77-0.020.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02相組成物:

6.69-0.45F

=

100%=94%6.69-0.02P=1–WF=57%Fe3C

=1-WF=6%0.020.450.776.69

第三節(jié)鐵碳相圖的應(yīng)用

一、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織、性能的影響

1.碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響含碳量對(duì)平衡組織的影響

鐵碳合金隨含碳量增高，其組織發(fā)生如下變化：F+→F+P→P→P+→P++Ld’→Ld’→Ld’+

（沿F晶界分布的基片）→共析滲碳體（分布在鐵素體內(nèi)的片層狀）→（沿A晶界呈網(wǎng)狀分布）→共晶滲碳體（為萊氏體的基體）→（分布在萊氏體上的粗大片狀）。

二.碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響三.鐵碳相圖的應(yīng)用對(duì)選材方面的應(yīng)用。對(duì)鍛造性能的應(yīng)用。對(duì)鑄造性能的應(yīng)用。對(duì)熱處理方面的應(yīng)用。1．為選材提供成分依據(jù)若零件要求塑性，韌性好，如建筑結(jié)構(gòu)和容器等，應(yīng)選用低碳鋼（0.10~0.25%C）；若零件要求強(qiáng)度、塑性、韌性都較好，如軸等，應(yīng)選用中碳鋼（0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，應(yīng)選用高碳鋼（0.6~1.3%C）。白口鐵具有很高的硬度和脆性，應(yīng)用很少，但因其具有很高的抗磨損能力，可應(yīng)用于少數(shù)需要耐磨而不受沖擊的零件，如：拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等。2.制定熱加工工藝方面的應(yīng)用2.為制定熱加工工藝提供依據(jù)對(duì)鑄造：確定鑄造溫度；根據(jù)相圖上液相線和固相線間距離估計(jì)鑄造性能的好壞.對(duì)于鍛造：確定鍛造溫度。對(duì)焊接：根據(jù)相圖來(lái)分析碳鋼焊縫組織，并用適當(dāng)熱處理方法來(lái)減輕或消除組織不均勻性。對(duì)熱處理：相圖更為重要，這在下面一章中詳細(xì)介紹。第四節(jié)碳鋼一、常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響二、碳鋼的分類三、碳鋼的牌號(hào)、主要性能及用途一、鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼的性能的影響

1．Mn

—脫氧、去硫,提高鋼的強(qiáng)度和硬度。2．Si—有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,能脫氧。3．S—能引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂(熱裂

)。4．P—有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,低溫韌性差(冷脆

)。

一、鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼的性能的影響6、N：鋼中過(guò)飽和N在常溫放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生時(shí)效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時(shí)效傾向。

7、O：鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源。8、H：原子態(tài)的過(guò)飽和氫時(shí)將降低韌性,引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為色，稱白點(diǎn)或發(fā)裂。9、非金屬雜夾物鋼中白點(diǎn)二、碳鋼的分類1、按含碳量分類低碳鋼（C≤0.25%）；中碳鋼（C≤0.25~0.60%）；高碳鋼（C≤0.60%）。2、按質(zhì)量分類普通碳素鋼（P≤0.045%，S≤0.050%）優(yōu)質(zhì)碳素鋼（P、S均≤0.035%）高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼

（P≤0.035%，S≤0.030%）3、按用途分類

碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素工具鋼

4、按冶煉方法及設(shè)備分類5、按冶煉燒注時(shí)脫氧劉與脫氧程度分類轉(zhuǎn)爐煉鋼平爐煉鋼電弧爐煉鋼4、按冶煉方法及設(shè)備分類

2）沸騰鋼(boilingsteel)

在澆注前（冶煉后期）將鋼液用少量錳鐵進(jìn)行輕度脫氧,Wo=0.03%～0.07%,注入錠模后發(fā)生碳—氧反應(yīng)，析出大量的CO氣體，引起鋼液沸騰，故稱為沸騰鋼。成分偏析較嚴(yán)重、組織不致密。機(jī)械性能不均勻,沖擊韌性差,常用于要求不高的零件。

5、按冶煉燒注時(shí)脫氧劉與脫氧程度分類

1）鎮(zhèn)靜鋼

(killedsteel)

鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵和鋁進(jìn)行了充分脫氧,Wo=0.01%左右,注入模子后，鋼液不發(fā)生碳—氧反應(yīng)而處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)，故稱鎮(zhèn)靜鋼。

成分較均勻、組織較致密。主要用于機(jī)械性能要求較高的零件。3）半鎮(zhèn)靜鋼(balancedsteel)半鎮(zhèn)靜鋼是脫氧過(guò)程介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼,是用錳鐵和硅鐵進(jìn)行脫氧。其質(zhì)量也介于二者之間,可代替部分鎮(zhèn)靜鋼,一般不適于做重要零件。4）鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用各有優(yōu)缺點(diǎn)：①沸騰鋼成本低，成材率高；②沸騰鋼表面質(zhì)量好，沖壓性能好，焊接性能好；③鎮(zhèn)靜鋼的鋼材質(zhì)量好。機(jī)械性能好。因此，凡要求沖壓性能好，含碳量較低的普通結(jié)構(gòu)件都選用沸騰鋼，如建筑用鋼、汽車外殼用深沖鋼板等。凡是重要的結(jié)構(gòu)件如鍋爐、化工容器用鋼和機(jī)械上需經(jīng)熱處理的受力零件用鋼都選用鎮(zhèn)靜鋼。

三、碳鋼牌號(hào)和用途

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素鑄鋼碳素工具鋼1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和用途

Q+數(shù)字表示牌號(hào),Q235表示屈服點(diǎn)是235MPa,Q235-A·F,表示屈服點(diǎn)為235的A級(jí)沸騰鋼。制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)，也可制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等等

2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和用途

兩位數(shù)字表示鋼材中的平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)的數(shù)字,20鋼表示平均含碳量為0.20%,15Mn：表示鋼材中的含錳量比較高。08、08F、10、10F鋼，塑性、韌性好，具有優(yōu)良的冷成型性能和焊接性能，常冷軋成薄板，用于制作儀表外殼、汽車和拖拉機(jī)上的冷沖壓件，如汽車車身，拖拉機(jī)駕駛室等；15、20、25鋼用于制作尺寸較小、負(fù)荷較輕、表面要求耐磨、心部強(qiáng)度要求不高的滲碳零件，如活塞鋼、樣板等；30、35、40、45、50鋼經(jīng)熱處理（淬火+高溫回火）后具有良好的綜合機(jī)械性能，即具有較高的強(qiáng)度和較高的塑性、韌性，用于制作軸類零件；55、60、65鋼熱處理（淬火+高溫回火）后具有高的彈性極限，常用作彈簧。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)和用途08F

塑性好，冷沖壓件10，20

冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。35，45，40，50

齒輪、軸類60，65

彈簧3、碳素鑄鋼

ＺＧ２００－４００鑄鋼，屈服點(diǎn)σs＞２００ＭＰа，抗拉強(qiáng)度σb＞４００ＭＰа