第四章 铁碳合金-孙学强主编.ppt

机械制造基础第四章,第四章铁碳合金,教学要求主要内容本章重点本章小结习题,机械制造基础第四章,教学要求,通过学习，学生应了解铁碳合金的基本相；熟记铁碳合金相图，包括相图中主要的点、线、区。了解典型铁碳合金的结晶过程，了解铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律，并具有基本的分析和应用能力。掌握碳钢的分类、牌号和应用。,机械制造基础第四章,主要内容,第一节铁碳合金的基本相第二节FeFe3C相图第三节碳素钢,机械制造基础第四章,本章重点,一、FeFe3C相图二、典型铁碳合金的结晶过程三、碳钢的分类、牌号与应用,机械制造基础第四章,第一节铁碳合金的基本相,铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金，是钢和铸铁的统称。,铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金属化合物两类。属于固溶体的基本相有铁素体和奥氏体，属于金属化合物的基本相有渗碳体。,一、铁素体(F)碳溶人-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用“F”表示。它保持-Fe的体心立方晶格。,铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮白色等轴多边形晶粒，如图4-1所示。,机械制造基础第四章,碳在-Fe中的溶解度很小，所以铁素体室温时的力学性能与工业纯铁接近，其强度和硬度较低，塑性、韧性良好。,二、奥氏体(A)碳溶入-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用“A”表示。它仍保持-Fe的面心立方晶格。,高温下，奥氏体的显微组织也为明亮的多边形晶粒，但晶界较平直，晶粒内常有孪晶出现，如图4-2所示。,机械制造基础第四章,奥氏体的存在温度在7271495范围内)，是铁碳合金一个重要的高温相。,奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒的大小有关。奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗力，易于承受压力加工，生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行压力加工。,三、渗碳体(Fe3C)铁与碳组成的金属化合物称为渗碳体，用“Fe3C”表示。,渗碳体的c=6.69，熔点为1227，它具有复杂的晶体结构。如图2-8所示。,机械制造基础第四章,渗碳体(Fe3C)的特性：,1、渗碳体硬而脆，硬度很高(约800HBW)塑性几乎为零，是铁碳合金的重要强化相；,2、渗碳体越细小，并均匀地分布在固溶体基体中，合金的力学性能越好；反之，越粗大或呈网状分布则脆性越大；,3、渗碳体在铁碳合金中的形态可呈片状、粒状、网状、板条状；,4、渗碳体不发生同素异晶转变，但有磁性转变，在230以下具有弱磁性，230以上失去磁性。,5、渗碳体属于一种亚稳定化合物。在一定条件下会全部或部分地分解为铁和石墨(称石墨化)，即：Fe3C3Fe+C(石墨)。,机械制造基础第四章,第二节FeFe3C相图,FeFe3C相图是表示在缓慢冷却(加热)条件下(即平衡状态)不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形，如图43所示。,FeFe3C相图清楚地反映了铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系，是研究钢和铸铁及其加工处理(铸、锻、焊、热处理等加工工艺)的重要理论基础。,机械制造基础第四章,图4-3相图中的符号是国际通用的，图中左上角部分由于实际应用较少，故可将相图简化为图4-4。,一、FeFe3C相图分析为了便于分析，可将图4-4分解成上下两部分来进行分析。如图4-5、图4-6所示。,机械制造基础第四章,（一）上半部分图形由液态变为固态的一次结晶（912以上）,A点纯铁的熔点；,D点渗碳体的熔点；,E点在1148时碳在-Fe中的最大溶解度，也是钢和铁的分界点，c2.11的铁碳合金属于钢，c2.11的铁碳合金属于生铁；,C点为共晶点。具有C点成分(c=4.3)的液态合金在恒温下(1148)将发生共晶转变，即从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体组成的机械混合物(共晶体)，称为莱氏体(Ld)。其反应式为：LCLd(AE+Fe3C),图中各线的分析：AC线和CD线液相线。c4.3的合金冷却到CD线温度时开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3C表示。,机械制造基础第四章,AECF线固相线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。,AE线是合金完成结晶，全部转变为奥氏体的温度线。,ECF线叫共晶线，是一条水平恒温线。液态合金冷却到共晶线温度(1148)时，将发生共晶转变而生成莱氏体(Ld)。c=2.116.69的铁碳合金结晶时均会发生共晶转变。,ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中的最大溶解度是E点(c=2.11)，随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体，用Fe3C表示。,机械制造基础第四章,（二）下半部分图形固态下相变,G点为-Fe与-Fe的同素异晶转变点，温度为912；,P点为在727时碳在-Fe中最大溶解度（wc=0.0218）;,S点为共析点。具有S点成分(wc=0.77)的奥氏体在恒温下（727）将发生共析转变，即奥氏体同时生成铁素体和渗碳体片层相间的机械混合物(共析体)，称为珠光体(P)。其反应式为：,ASFP+Fe3C珠光体的性能介于两组成相性能之间。一般为：b=750900MPa；=2025；Ak=3040Jcm2；硬度180280HBW。,机械制造基础第四章,图中各线分析：GS线是奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，称为A3线；,PSK线叫共析线，称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度(727)时，将发生共析转变生成珠光体(P)，c0.0218的铁碳合金均会发生共析转变；,PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。碳在铁素体中最大的溶解度是P点(c=0.0218)，随着温度的降低，溶解度将逐渐减少，室温时，铁素体中溶碳量几乎为零。从727冷却到室温的过程中，铁素体内多余的碳将以渗碳体的形式析出，称为三次渗碳体，用Fe3C表示。,机械制造基础第四章,FeFe3C相图中的主要特性点、线的含义小结：,根据上述分析的结果，可把FeFe3C相图中的主要特性点和特性线分别列表归纳小结，如教材中表41和表42所示。,(三)FeFe3C相图中铁碳合金的分类,根据相图中P点和E点，可将铁碳合金分为三大类：工业纯铁、碳钢和白口铸铁。,1、工业纯铁成分为P点左面(c0.0218)的铁碳合金，其室温组织为铁素体。,机械制造基础第四章,2、碳钢成分为P点与E点之间(wc=0.02182.11)的铁碳合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的奥氏体，因而可进行压力加工。根据相图中S点，碳钢又可分为以下三类：,(1)共析钢。成分为S点(wc=0.77)的合金，室温组织为珠光体。,(2)亚共析钢。成分为S点左面(wc=0.02180.77)的合金，室温组织为珠光体+铁素体。,(3)过共析钢。成分为S点右面(wc=0.772.11)的合金，室温组织为珠光体+二次渗碳体。,机械制造基础第四章,3、白口铁成分为E点右面(c=2.116.69)的铁碳合金，其特点是液态结晶时都发生共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温组织中性能硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力加工。根据相图上的C点，白口铸铁又可分为以下三类：,(1)共晶白口铸铁。成分为C点(c=4.3)的合金，室温组织为低温莱氏体。,(2)亚共晶白口铸铁。成分为C点左面(c=2.114.3)的合金，室温组织为低温莱氏体+珠光体+二次渗碳体。,(3)过共晶白口铸铁。成分为C点右面(c=4.36.69)的合金，室温组织为低温莱氏体+一次渗碳体。,机械制造基础第四章,二、典型铁碳合金的结晶过程分析钢的结晶过程分析：,(一)共析钢（合金）当合金温度在1点以上时，合金处于液态。当合金缓冷到液相线温度1点时，开始从液相中结晶出奥氏体，12点之间为液相不断结晶的过程，随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE变化；剩余液相不断减少，其成分沿液相线AC变化，到2点温度时结晶完毕，全部转变为与原合金成分相同的奥氏体。,机械制造基础第四章,23点之间奥氏体组织不变，当冷却到3点(S点)时，奥氏体发生共析转变，即A(F+Fe3C)，形成F与Fe3C层片相间的机械混合物，即珠光体。从3点继续冷却时将从铁素体中析出Fe3C，但量很少，对组织没有明显影响，可以忽略。,共析钢缓冷到室温的组织为珠光体。,机械制造基础第四章,(二)亚共析钢（合金）,亚共析钢在1点到3点温度间的结晶过程与共析钢相似。当合金冷却到3点温度时，开始从奥氏体中析出铁素体，称为先共析铁素体。随着温度下降，铁素体量不断增加，其成分沿GP线改变。由于铁素体的溶碳能力很弱，迫使碳向剩余的奥氏体内转移，使奥氏体的含碳量沿GS线不断增加。当冷却到与共析线PSK相交的4点温度(727)时，剩余奥氏体的成分正好为共析成分(c=0.77)，发生共析转变形成珠光体。继续冷却，将从铁素体中析出三次渗碳体(Fe3C)，可以忽略不计。,亚共析钢的室温组织为铁素体+珠光体。,机械制造基础第四章,所有亚共析钢的结晶过程都相似，它们在室温下的显微组织都是铁素体和珠光体。但随着碳含量的增加，组织中铁素体的数量减少，珠光体的数量增加，如图4-11所示。图中白亮部分为铁素体，黑色部分为珠光体，这是因为放大倍数较低，无法分辨层片，故成黑色。,机械制造基础第四章,(三)过共析钢（合金）,过共析钢在1点到3点温度间的结晶过程也与共析钢相似。当合金冷却到3点温度时，奥氏体中的溶碳量达到饱和而开始从奥氏体的晶界处析出Fe3C；,在3-4点之间，随着温度的下降Fe3C量不断增加，剩余奥氏体的成分沿ES线变化；,缓冷到4点（727）时，剩余奥氏体的成分正好为共析成分，因此就发生共析转变形成珠光体；4点以下至室温，合金组织基本不变。所以过共析钢的室温组织为珠光体+二次渗碳体，其中Fe3C沿珠光体晶界呈网状分布。如图4-13所示，图中白色网状部分为Fe3C。,机械制造基础第四章,过共析钢的结晶过程示意图如图4-12所示,所有过共析钢的结晶过程均相似，含碳量越多，其显微组织中的Fe3C也增多，珠光体量相对减少。如图4-13所示，图中白色网状部分为Fe3C。,机械制造基础第四章,(四)共晶白口铸铁（合金）,该合金在1点以上为液态，缓冷到1点(共晶点1148)时，液态合金发生共晶转变，即Lc(AE十Fe3C)形成莱氏体。,由共晶转变结晶出的奥氏体和渗碳体，分别称为共晶奥氏体和共晶渗碳体。随着温度的下降，从奥氏体中不断析出二次渗碳体。当温度降至2点(727)时，共晶奥氏体的成分达到共析成分(c=0.77)，发生共析转变形成珠光体。,机械制造基础第四章,因此，共晶白口铸铁的显微组织是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成的莱氏体组织，用符号Ld表示。,图4-15为共晶白口铸铁的显微组织。图中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体(其中二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起而难以分辨)。,机械制造基础第四章,(五)亚共晶白口铸铁(合金V),当合金冷却到与液相线相交的1点时，开始结晶出初生奥氏体。在12点之间，随着温度下降，奥氏断增多，液相逐渐减少。当冷却到与共晶线相交的2点(1148)时，奥氏体的成分为c=2.11，剩余液相成分正好是共晶成分(c=4.3)，此时，液态合金发生共晶转变形成莱氏体，共晶转变后合金的织为初生奥氏体+莱氏体。,机械制造基础第四章,在23点之间，随着温度的下降，奥氏体中不断析出Fe3C，奥氏体的碳含量沿着ES线不断减少。当缓冷到3点温度(727）时，奥氏体的成分均达到共析成分(c=0.77)，发生共析转变，形成珠光体。,从3点冷至室温，组织不再发生变化。因此，亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体，如图4-17所示。所有亚共晶白口铸铁的结晶过程和组织均相似，只是碳含量越高(越接近共晶成分)，室温组织中低温莱氏体量越多，珠光体量相对减少。,机械制造基础第四章,(六)过共晶白口铸铁（合金）,该合金冷却到与液相线相交的1点温度时，从合金中开始结晶出一次渗碳体(Fe3C)。在12点之间，随着温度下降，一次渗碳体量不断增多，剩余液相量不断减少。当冷却到与共晶线相交的2点温度(1148)时，剩余液相成分正好为共晶成分(c=4.3)而发生共晶转变，形成莱氏体。在23点之间冷却时，奥氏体中析出二次渗碳体，并在3点的温度(727)时，奥氏体发生共析转变而形成珠光体。,机械制造基础第四章,因此过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体+低温莱氏体，如图4-19所示。图中白色长条状的为一次渗碳体，基体为低温莱氏体。,所有过共晶白口铸铁的结晶过程和组织均相似。只是合金成分越接近共晶成分，室温组织中低温莱氏体量越多，一次渗碳体量越少。,机械制造基础第四章,三、铁碳合金的成分、组织与性能的关系,(一)含碳量与平衡组织间的关系随着碳含量的增加，铁碳合金的室温组织变化顺序为：,FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdLdLd+Fe3CI,当含碳量增高时，组织中不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。,渗碳体由层状分布在铁素体基体内(如珠光体)，进而变为呈网状分布在晶界上(如Fe3C)，最后形成莱氏体时，渗碳体已作为基体出现。因此，不同成分的铁碳合金具有不同的性能。,机械制造基础第四章,(二)含碳量与力学性能间的关系,钢中c09以后，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，同时又具有一定的塑性和韧性，钢中碳的质量分数一般都不超过1.31.4。,机械制造基础第四章,碳的质量分数大于2.11的白口铸铁，因组织中存在大量的渗碳体，既硬又脆，难以切削加工，故在工业中应用较少。,四、FeFe3C相图的应用,(一)作为选用钢铁材料的依据,1、各种型钢及桥梁、车辆、船舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接性能好的材料，故应选用碳含量较低的钢材；,2、机器零件需要强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料，应选用碳含量适中的钢；各类工具、刃具、量具、模具要求硬度高、耐磨性好的材料，则可选用碳含量较高的钢。,3、纯铁的强度低，不宜用作工程材料，常用的是它的合金。,机械制造基础第四章,4、白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、形状复杂的工件，如轧辊、球磨机的磨球、犁铧、拔丝模等。,(二)在铸造生产上的应用,根据FeFe3C相图的液相线，可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合金的熔化浇注温度(温度一般在液相线以上50100)。靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且结晶温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。因此生产上总是将铸铁的成分选在共晶成分附近。,(三)在锻压工艺方面的应用,根据FeFe3C相图可以选择钢材的锻造或热轧温度范围。通常锻、轧温度选在单相奥氏体区内，这是因为钢处于奥氏体状态时，强度较低，塑性较好，便于成形加工。,机械制造基础第四章,始锻(或始轧)温度控制在固相线以下100200范围内，温度不宜太高，以免钢材氧化严重；,终锻(或终轧)温度取决于钢材成分，一般亚共析钢控制在稍高于GS线，过共析钢控制在稍高于PSK线，温度不能太低，以免钢材塑性变差，导致产生裂纹。,(四)在热处理方面的应用,FcFe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。各种热处理工艺的加热温度都是依据FeFe3C相图选定的。,FeFe3C相图的局限性：,1、FeFe3C相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律；,2、通常使用的铁碳合金中，除含有Fe、C两种元素外，尚有其它多种杂质或合金元素，这些都会对FeFe3C相图产生影响，故应予以考虑。,机械制造基础第四章,第三节碳素钢,碳素钢(简称碳钢)是c2.11而且以碳为主要合金元素的铁碳合金。一、常存杂质元素对碳钢性能的影响,(一)锰的影响锰是炼钢时加入锰铁脱氧而残留在钢中的。锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性；锰还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。所以锰是一种有益元素。,(二)硅的影响硅的脱氧能力比锰强，在室温下硅能溶人铁素体，提高钢的强度和硬度。因此，硅也是有益元素。作为杂质存在时，其含量小于0.4，对钢的性能影响不大。,机械制造基础第四章,(三)硫的影响,硫在钢中与铁形成化合物FeS，FeS与铁则形成低熔点(985)的共晶体分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到11001200进行锻压加工时，晶界上的共晶体已熔化，造成钢材在锻压加工过程中开裂，这种现象称为“热脆”，因此，硫是有害元素。,硫的含量一般应严格控制在0.030.05以下。钢中加入锰，可以形成高熔点(1620)的MnS，MnS呈粒状分布在晶粒内，且在高温下有定塑性，从而避免热脆。,(四)磷的影响,磷可全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度增加，但塑性韧性显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部发生冷脆。因此，磷也是有害元素，其含量必须严格控制在0.0350.045以下。,机械制造基础第四章,二、碳钢的分类,(一)按钢中碳的质量分数分类,(1)低碳钢。c0.25。(2)中碳钢。0.25c0.60。(3)高碳钢。c0.6。,(二)按钢的冶金质量分类,根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为：(1)普通质量钢。s0.050，p0.045。(2)优质钢。s0.030，p0.035。(3)高级优质钢。s0.020，p0.030。(4)特级质量钢。s0.015，p0.025。,机械制造基础第四章,(三)按用途分类,(1)碳素结构钢。主要用于制造各种工程构件(桥梁、船舶、建筑构件等)和机器零件(齿轮、轴、螺钉、螺栓、连杆等)。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。(2)碳素工具钢。主要用于制造各种刃具、量具、模具等。这类钢一般属于高碳钢。,三、碳钢的牌号与应用,(一)碳素结构钢碳的质量分数一般在0.060.38范围内，钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。通常轧制成钢板或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、角钢、钢筋等)供应。,机械制造基础第四章,碳素结构钢的牌号表示方法是由屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。,例如：Q235一AF表示碳素结构钢中屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q195、Q215、Q235、Q225为低碳钢；Q275为中碳钢；Q235因碳的质量分数及力学性能居中，故最为常用。,中碳钢可通过热处理进一步提高强度、硬度。,(二)优质碳素结构钢,这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的机械零件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，如08、10、45等。数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。上述牌号分别表示其平均碳的质量分数为0.08、0.1、0.45。,机械制造基础第四章,优质碳素钢按含锰量不同，可分为两类：1、普通含锰量钢含锰量(Mn=0.250.8)；2、高含锰量钢含锰量(Mn=0.71.2)。,若是沸腾钢，则在牌号数字后面加“F”字，如15Mn、30Mn、45Mn、65Mn、08F、10F等。教材中的表4-4为常用优质碳素结构钢的牌号、主要成分、力学性能及用途。,(三)碳素工具钢,碳素工具钢因含碳量比较高(c=0.651.35)，硫、磷杂质含量较少，经淬火、低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具和模具。,机械制造基础第四章,碳素工具钢按质量可分为两类：1、优质碳素工具钢2、高级优质碳素工具钢,注意：为了不与优质碳素结构钢的牌号发生混淆，碳素工具钢的牌号由代号“T”(“碳”字汉语拼音首字母)后加数字组成。,数字表示钢中平均碳质量分数的千倍。如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8的优质碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母“A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2的高级优质碳素工具钢。,教材中表4-5为碳素工具钢的牌号、主要成分、性能及用途。,机械制造基础第四章,(四)铸造碳钢（铸钢）,机器中有许多形状复杂、力学性能要求高的机械零件常采用铸造碳钢制造。铸钢中碳的质量分数一般在0.150.6范围内。碳含量过高，则钢的塑性差，且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的最大缺点是熔化温度高、流动性差、收缩率大，而且在铸态时晶粒粗大。因此铸钢件均需进行热处理。,铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的首字母“ZG后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。例如ZG270500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。常用铸造碳钢的牌号、主要成分、力学性能及用途见教材中表4-6。,机械制造基础第四章,小结,具有工业应用价值的金属材料几乎都是合金。本章重点分析了铁碳合金相图，即FeFe3C相图。相图中的主要相变线有液相线ACD，固相线AECF，共晶线ECF，共析