金屬材料及熱處理 課件 項(xiàng)目四 鐵碳合金相圖

項(xiàng)目四鐵碳合金相圖與非合金鋼認(rèn)知任務(wù)一認(rèn)識(shí)鐵碳合金相圖與非合金鋼任務(wù)二認(rèn)識(shí)鐵碳合金相圖任務(wù)三認(rèn)識(shí)典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及室溫組織任務(wù)四認(rèn)識(shí)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系任務(wù)五認(rèn)識(shí)鐵碳合金相圖的應(yīng)用及其局限性任務(wù)六認(rèn)識(shí)非合金鋼（碳鋼）一

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵屬于過(guò)渡族元素，熔點(diǎn)為1538℃，密度為7.87g/cm3。固態(tài)鐵具有同素異構(gòu)性，即在不同溫度范圍具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。

任務(wù)一認(rèn)識(shí)鐵碳合金相圖與非合金鋼二

鐵碳合金的基本組織

1.鐵素體碳溶于α-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)“F”或“α”表示。在α-Fe體心立方晶格中，最大間隙半徑只有0.031nm，比碳原子半徑0.077nm小得多，因而溶碳能力較低。在727℃時(shí)溶碳量為0.0218％，室溫時(shí)幾乎為零。鐵素體具有較好的塑性和韌性，而強(qiáng)度和硬度很低。

2.奧氏體碳溶于γ-Fe

中形成的間隙固溶體，用符號(hào)“A”或“γ”表示。在γ-Fe面心立方晶格中，間隙半徑為0.053nm，略小于碳原子半徑，所以溶碳能力較α-Fe大。在1148℃時(shí)溶碳量為2.11％，在727℃時(shí)為0.77％。奧氏體也是一個(gè)強(qiáng)度、硬度較低而塑性、韌性較高的相。

3.滲碳體滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，其晶胞內(nèi)鐵與碳原子數(shù)比為3：1，通常用分子式Fe3C表示。滲碳體的含碳量為wC=6.69％，熔點(diǎn)為1227℃。滲碳體的硬度很高，但強(qiáng)度較低，塑性和韌性幾乎為零，是一個(gè)硬而脆的組織。

4.珠光體珠光體是鐵素體和滲碳體組成的混合物，用符號(hào)“P”表示。珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間，綜合力學(xué)性能較好。5.萊氏體萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3％的合金。當(dāng)合金冷卻到1148℃時(shí)，從液相中同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的復(fù)合組織，稱(chēng)為萊氏體，又稱(chēng)高溫萊氏體，用符號(hào)“Ld”表示。室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱(chēng)為低溫萊氏體，用符號(hào)“L‘d”

表示。萊氏體的性能與滲碳體類(lèi)似，也是既硬又脆的組織。任務(wù)二認(rèn)識(shí)鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是指在平衡條件下，即在極其緩慢的加熱（或冷卻）條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同的溫度下所處狀態(tài)的一種圖形，簡(jiǎn)稱(chēng)鐵碳相圖。

一簡(jiǎn)化后的鐵碳合金相圖二、鐵碳合金相圖中特性點(diǎn)的意義

特性點(diǎn)

溫度／℃

wC／％

含義

A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.30共晶點(diǎn)，

LC

?

AE+Fe3CD12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶滲碳體成分點(diǎn)G9120同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69共析滲碳體成分點(diǎn)P7270.218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)，AS

?FP+Fe3CQ600(室溫)0.0057(0.0008)600℃(室溫)時(shí)碳在α-Fe中的溶解度三、鐵碳合金相圖中特性線的意義1.共晶轉(zhuǎn)變線ECF線為共晶轉(zhuǎn)變線，C點(diǎn)為共晶點(diǎn)。LC

?

AE+Fe3C在鐵碳合金相圖中，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC＞2.11％的液態(tài)合金，冷卻到ECF線時(shí)都將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。2.共析轉(zhuǎn)變線PSK線為共析轉(zhuǎn)變線，又稱(chēng)A1線，S點(diǎn)為共析點(diǎn)。AS

?

FP+Fe3C碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC＞0.0218％的合金，冷卻到PSK線時(shí)都將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成由鐵素體和滲碳體組成的共析組織，稱(chēng)為珠光體（P）。3.其他主要特性線ACD線液相線。AECF線固相線。GS線又稱(chēng)A3線，是α?γ固容體轉(zhuǎn)變線。ES線又稱(chēng)Acm線，是碳在奧氏體中的溶解度曲線。PQ線碳在鐵素體中的溶解度曲線。一

鐵碳合金的分類(lèi)1.工業(yè)純鐵

wC≤0.0218％。2.鋼

0.0218％＜wC≤2.11％。（1）亞共析鋼0.0218％＜wC≤0.77％；（2）共析鋼wC=0.77％；（3）過(guò)共析鋼0.77％＜wC≤2.11％。

任務(wù)三認(rèn)識(shí)典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程及室溫組織3.白口鑄鐵

2.11％＜wC＜6.69％。（1）亞共晶白口鑄鐵2.11％＜wC≤4.3％；（2）共晶白口鑄鐵wC=4.3％；（3）過(guò)共晶白口鑄鐵4.3％＜wC≤6.69％。二

典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程

1.共析鋼合金Ⅰ為共析鋼，wC=0.77％。共析鋼在室溫下的平衡組織為珠光體，用符號(hào)P表示。2.亞共析鋼合金Ⅱ?yàn)閬喒参鲣摚瑆C=0.45％。亞共析鋼在室溫下的平衡組織由先共析鐵素體和珠光體組成。3.過(guò)共析鋼合金Ⅲ為過(guò)共析鋼，wC=1.2％。過(guò)共析鋼在室溫下的平衡組織由珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體組成。4.共晶白口鑄鐵合金Ⅳ為共晶白口鑄鐵，wC=4.3％。共晶白口鑄鐵在室溫下的平衡組織為由滲碳體和珠光體組成的低溫萊氏體，用符號(hào)L'd表示。5.亞共晶白口鑄鐵合金Ⅴ為亞共晶白口鑄鐵，wC=3.0％。亞共晶白口鑄鐵在室溫下的平衡組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體。6.過(guò)共晶白口鑄鐵合金Ⅵ為過(guò)共晶白口鑄鐵，wC=5.0％。過(guò)共晶白口鑄鐵在室溫下的平衡組織為一次滲碳體和低溫萊氏體。任務(wù)四認(rèn)識(shí)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鐵碳合金組織及性能的關(guān)系一

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平衡組織間的影響

隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金在室溫下可以形成不同的組織：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L‘d→L’d→L‘d+Fe3CⅠ由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和形成條件不同，鐵素體和滲碳體的組織形態(tài)和分布都會(huì)產(chǎn)生很大的變化。二

碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與力學(xué)性能的影響隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金的硬度直線上升，而塑性和韌性不斷下降。當(dāng)wC<0.9％時(shí)，碳鋼的強(qiáng)度隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而不斷提高；在wC=0.9％時(shí)，強(qiáng)度出現(xiàn)峰值；而當(dāng)wC>0.9％時(shí)，碳鋼的強(qiáng)度反而開(kāi)始下降。任務(wù)五認(rèn)識(shí)鐵碳合金相圖的應(yīng)用及其局限性一、在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用需要塑性好、韌性高的材料時(shí)，一般選用wC<0.25％的低碳鋼；要求材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等性能都較好時(shí)，應(yīng)選用wC=0.3％～0.55％的中碳鋼；若需要硬度高、耐磨性好的材料，如各種工具用鋼，應(yīng)選用wC>0.55％的高碳鋼；對(duì)于一些形狀復(fù)雜、不受沖擊、同時(shí)又需要較高的耐磨性的零件，則可選用白口鑄鐵鑄造而成。二、在熱加工工藝制訂方面的應(yīng)用1.在鑄造方面的應(yīng)用根據(jù)鐵碳合金的成分確定合適的澆注溫度。2.在鍛造方面的應(yīng)用選擇的合適的鍛造或軋制工藝溫度范圍。3.在熱處理方面的應(yīng)用制定各種熱處理工藝的加熱溫度。鐵碳合金相圖僅反映了在極其緩慢的加熱和冷卻條件下，鐵碳合金平衡組織的狀態(tài)。而實(shí)際生產(chǎn)中的加熱和冷卻速度均較快，合金中除了碳以外，還會(huì)有多種合金元素、雜質(zhì)元素，因此，不能完全依據(jù)鐵碳合金相圖來(lái)分析解決生產(chǎn)中的所有問(wèn)題。

三、鐵碳合金相圖應(yīng)用的局限性任務(wù)六認(rèn)識(shí)非合金鋼（碳鋼）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11％的鐵碳合金稱(chēng)為碳鋼（非合金鋼）。一、雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響碳鋼中除鐵和碳兩個(gè)主要元素外，一般還含有錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等元素以及非金屬夾雜物。這些元素往往是從礦石和冶煉過(guò)程中進(jìn)入鋼中的，一般統(tǒng)稱(chēng)為常存雜質(zhì)元素。1.錳（Mn）碳鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wMn=0.25％～0.80％。錳可以強(qiáng)化鐵素體，增加珠光體相對(duì)量，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。一般認(rèn)為錳在鋼中是一種有益的元素。2.硅（Si）硅在鎮(zhèn)靜鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wSi=0.10％～0.40％；沸騰鋼中wSi=0.03％～0.07％。硅可以強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度、硬度和彈性。硅在鋼中也是一種有益的元素。

3.硫（S）硫在鐵素體中的溶解度極小，在鋼中主要以FeS的形式存在。FeS可以和鐵形成低熔點(diǎn)（985℃）的共晶體，并且主要分布在奧氏體晶界上。熱脆：當(dāng)鋼加熱到1100～1200℃進(jìn)行鍛造或軋制時(shí)，由于晶界上的低熔點(diǎn)共晶體熔化，使鋼極易沿晶界開(kāi)裂。硫是在鋼中是一種有害的雜質(zhì)元素，必須嚴(yán)格控制。煉鋼時(shí)加入錳鐵，使錳與硫化合成高熔點(diǎn)（1620℃）的MnS，可避免了熱脆現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4.磷（P）磷可溶于鐵素體中，使鐵素體得到強(qiáng)化，提高了鋼的強(qiáng)度和硬度。冷脆：磷可使鋼的塑性和韌性顯著降低，特別是在低溫下使鋼變脆。磷是在鋼中也是一種有害的雜質(zhì)元素，也要嚴(yán)格控制。

5.非金屬夾雜物是在煉鋼過(guò)程中，少量爐渣、耐火材料及冶煉中反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入鋼液形成的，主要有氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物等。會(huì)降低鋼的力學(xué)性能，形成纖維組織與帶狀組織。6.氣體在冶煉過(guò)程中，鋼液中會(huì)吸收一些氮、氧、氫等氣體，對(duì)鋼的質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。氫脆：氫會(huì)嚴(yán)重影響鋼的力學(xué)性能，使鋼易于脆斷。二、碳鋼的分類(lèi)按化學(xué)成分分類(lèi)：非合金鋼、低合金鋼、合金鋼。按主要質(zhì)量等級(jí)分類(lèi)：非合金鋼又可分為普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼、特殊質(zhì)量非合金鋼三類(lèi)。1.按冶煉澆注時(shí)的脫氧程度分類(lèi)（1）沸騰鋼（2）鎮(zhèn)靜鋼（3）半鎮(zhèn)靜鋼2.按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分類(lèi)根據(jù)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可以分為：（1）低碳鋼

wC＜0.25％；（2）中碳鋼

0.25％≤wC≤0.60％；（3）高碳鋼wC＞0.60％。3.按鋼質(zhì)量分類(lèi)根據(jù)鋼中所含有害雜質(zhì)S、P的含量，可以分為：（1）普通碳素鋼

wS≤0.050％、wP≤0.045％；（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼

wS≤0.040％、

wP≤0.040％；（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼

wS≤0.03％、wP≤0.035％。4.按鋼的用途分（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件和工程構(gòu)件，一般屬于低碳鋼和中碳鋼。（2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具等，一般屬于高碳鋼。三、碳鋼的牌號(hào)、性能與用途1.碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四個(gè)部分順序組成。例如：Q235―A·F“Q”

表示鋼材屈服點(diǎn)，“235”表示屈服點(diǎn)數(shù)值，“A”表示質(zhì)量等級(jí)，“F”表示沸騰鋼。力學(xué)性能可以滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)器零件的要求，應(yīng)用很廣。這類(lèi)鋼一般在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用，不需要進(jìn)行熱處理。2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)是用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)分?jǐn)?shù)。例如：45鋼，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45％。按含錳量的不同，可分為普通含錳量（w

Mn=0.35％～0.8％）和較高含錳量（w

Mn=0.70％～1.20％）兩組。含錳量較高的一組，應(yīng)在牌號(hào)數(shù)字后附加“Mn”，如15Mn、70Mn等。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的硫、磷含量較低（wS≤0.035％，wP≤0.035％），非金屬夾雜物含量較少，組織均勻，表面質(zhì)量較好，塑性、韌性都較高，出廠時(shí)既保證化學(xué)成分，又保證力學(xué)性能。主要用于制造較重要的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件。一般都要經(jīng)過(guò)熱處理以達(dá)到要求的力學(xué)性能指標(biāo)。3.碳素工具鋼牌號(hào)是在漢字“碳”或其漢語(yǔ)拼音首位字母“T”的后面加數(shù)字表示，數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)。若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在牌號(hào)后加字母“A”或漢字“高”。例如：T8表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8％的碳素工具鋼，T12A表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2％的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

碳素工具鋼化學(xué)成分的特點(diǎn)是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高（wC=0.65％～