工程材料 第四章 铁碳合金

1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金 第一节第一节 纯铁、铁碳合金的组织结构及其性能纯铁、铁碳合金的组织结构及其性能 同素异构转变同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格金属在固态下随温度的改变，由一种晶格 转变为另一种晶格的现象。转变为另一种晶格的现象。 同素异晶体同素异晶体以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。 Fe Fe Fe （体心立方）（体心立方）（面心立方）（面心立方）（体心立方）（体心立方） C1394 C912 相图分析：重要的点和线相图分析：重要的点和线 重要的点重要的点J、C、S 第二节第二节 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 一、钢

2、和白口铸铁结晶过程分析及组成物计算一、钢和白口铸铁结晶过程分析及组成物计算 室温室温 A A A A A+Fe3C+Ld P P+Fe3C+Ld L+Fe3C J点为包晶点点为包晶点 ， 反应式：反应式： J C HB AL 1495 C点为共晶点点为共晶点 ，反应式：反应式： S点为共析点点为共析点 ，反应式：反应式： 共析渗碳体）(CFeFA P C S3 727 共晶渗碳体）(CFeAL E C C3 1148 重要的线：重要的线： ABCD液相线；液相线； AHJECF固相线；固相线； 水平线水平线HJB包晶线；水平线包晶线；水平线ECF共晶线；共晶线； 水平线水平线PSK 共析反应线

3、（共析反应线（A1 线）；线）； A3线线 Acm线线 1、共析钢：相组成物为：铁素体（、共析钢：相组成物为：铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C） 相图分析：相图分析： 相对重量为：相对重量为： % . . 88100 696 770696 F Q %12881 3 CFe Q 2、亚共析钢：、亚共析钢： （0.0218% C 0.77%） 组织组成物为：珠光体（组织组成物为：珠光体（P） 相组成物为：铁素体（相组成物为：铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C） （含碳量为（含碳量为C=0.4%）它们的相对重量为：）它们的相对重量为： % . . 94100 696 40696 F

4、 Q %6941 3 CFe Q 组织组成物为：组织组成物为： F和和P 它们的相对重量为：它们的相对重量为： %49511 F Q % . . 51100 020770 02040 P Q 相组成物为：铁素体（相组成物为：铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C） （C=1.2%）它们的相对重量为： 它们的相对重量为： % . . 82100 696 21696 F Q 组织组成物为：组织组成物为： Fe3C和和P 它们的相对重量为：它们的相对重量为： %18821 3 CFe Q % . . 7100 770696 77021 3 CFe Q %9371 P Q 组织组成物为：组织组成物

5、为： 33d LPFe CFe C 相组成物为：相组成物为： 铁素体（铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C） 相组成物为：相组成物为： 铁素体（铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C） 组织组成物为：组织组成物为：P、 和和 CFe3 d L 相组成物为：相组成物为： 铁素体（铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C） 组织组成物为：组织组成物为： 和和 CFe3 d L 注意：注意：工业纯铁的室温平衡组织为工业纯铁的室温平衡组织为F，由于其强度低、硬，由于其强度低、硬 度低，不宜作结构材料。度低，不宜作结构材料。 三、三、FeFe3C相图的应用相图的应用 （1）在钢铁材料选用方面

6、的应用）在钢铁材料选用方面的应用 1、建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料、建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料碳质碳质 量分数较低的钢材量分数较低的钢材 2、各种机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料、各种机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料 碳质量分数适中的中碳的钢材碳质量分数适中的中碳的钢材 3、各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料、各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料碳质量分数碳质量分数 高的钢材高的钢材 4、纯铁的强度低，不宜用作结构材料，但由于其导磁率、纯铁的强度低，不宜用作结构材料，但由于其导磁率 高，可作软磁材料使用高，可作软磁材料使用电磁铁的铁芯电磁铁的铁芯. 5、

7、白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻、白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻 造，但其耐磨性好、铸造性能优良，适用于作要求耐磨、造，但其耐磨性好、铸造性能优良，适用于作要求耐磨、 不受冲击、形状复杂的铸件不受冲击、形状复杂的铸件拔丝模、冷轧辊、货车轮、拔丝模、冷轧辊、货车轮、 犁铧、球磨机的磨球等。犁铧、球磨机的磨球等。 （2）在铸造工艺方面的应用）在铸造工艺方面的应用 根据相图可以确定：根据相图可以确定： 1、合金的浇注温度一般在液相线以上、合金的浇注温度一般在液相线以上 2、纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好、纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好 （3）在热处理工艺方面的应用）

8、在热处理工艺方面的应用 一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据 相图确定的。相图确定的。 在运用此相图时应注意以下两点：在运用此相图时应注意以下两点： （1）此相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含）此相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含 其它元素，相图将发生变化。其它元素，相图将发生变化。 （2）此相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，）此相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态， 若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用 相图来分析了。相图来分析了。 第三节第三节 碳

9、钢碳钢 一、钢中常存杂质元素的影响一、钢中常存杂质元素的影响 （1）锰的影响）锰的影响 在钢中它是一种有益元素，在碳钢中含锰量通常在钢中它是一种有益元素，在碳钢中含锰量通常 0.80%；在含锰合金钢中，含锰量控制在；在含锰合金钢中，含锰量控制在1.01.2%范围。范围。 作用：作用：1、大部分锰溶于、大部分锰溶于F中，形成置换固溶体，并使中，形成置换固溶体，并使F强强 化；化； 2、一部分则溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，提高钢的、一部分则溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，提高钢的 强度；强度； 3、锰能增加珠光体相对量，并使珠光体变细，提高钢的、锰能增加珠光体相对量，并使珠光体变细，提高钢的 强度

10、；强度； 4、锰与硫化合成、锰与硫化合成MnS，能减轻硫的有害作用。，能减轻硫的有害作用。 （2）硅的影响）硅的影响 在钢中它是一种有益元素，在碳钢中含硅量通常在钢中它是一种有益元素，在碳钢中含硅量通常 0.35%；它能溶于；它能溶于F中，使中，使F强化，从而使钢的强度、硬强化，从而使钢的强度、硬 度、弹性提高，而塑性、韧性降低。度、弹性提高，而塑性、韧性降低。 （3）硫的影响）硫的影响 硫在钢中是有害杂质，它不溶于铁，而以硫在钢中是有害杂质，它不溶于铁，而以FeS形式存在形式存在， 会使钢产生热脆性。会使钢产生热脆性。 （4）磷的影响）磷的影响 磷在钢中是有害杂质，它磷在钢中是有害杂质，它

11、全部溶于铁素体中，虽可使全部溶于铁素体中，虽可使 铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、 韧性急剧降低，并使钢产生冷脆性。韧性急剧降低，并使钢产生冷脆性。 （一）碳钢的分类（一）碳钢的分类 1、按钢的含碳量分类、按钢的含碳量分类 低碳钢低碳钢% 高碳钢高碳钢0.60% 中碳钢中碳钢0.300.55% 2、按钢的质量分类、按钢的质量分类 普通碳素钢普通碳素钢S、P分别分别 0.55%和和0.45% 高级优质碳素钢高级优质碳素钢S、P含量分别含量分别 0.030%和和0.035% 优质碳素钢优质碳素钢S、P含量均应含量均应 0.040%

12、 3、按用途分类、按用途分类 （1）碳素结构钢）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件（桥梁、主要用于制造各种工程构件（桥梁、 船舶、建筑等）和机器零件（齿轮、轴、螺钉、螺船舶、建筑等）和机器零件（齿轮、轴、螺钉、螺 母、曲轴、连杆等），这类钢一般属于低碳和中碳母、曲轴、连杆等），这类钢一般属于低碳和中碳 钢。钢。 （2）碳素工具钢）碳素工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。主要用于制造各种刀具、量具、模具。 这类钢一般属于高碳钢这类钢一般属于高碳钢(含碳量在0.65%1.35%之间). 4.按冶炼时脱氧程度不同分类 沸腾钢不脱氧气的钢 镇静钢为完全脱氧钢 半镇静钢为半脱氧钢 （二）碳钢的编号和

13、用途（二）碳钢的编号和用途 （1）甲类钢）甲类钢按保证机械性能供应按保证机械性能供应 其钢号以其钢号以“甲甲”或或“A”字加上阿拉伯数字表示，共有字加上阿拉伯数字表示，共有7 级即级即A1、A2、A3 A7（或甲（或甲1、甲、甲2、甲、甲3、甲甲7），数），数 字愈大的甲类钢，其屈服强度和抗拉强度愈大，但延伸率字愈大的甲类钢，其屈服强度和抗拉强度愈大，但延伸率 却小。却小。 甲类钢的使用范围：甲类钢的使用范围： A1、A2、A3钢塑性较高，有一定强度，通常轧制成薄板、钢塑性较高，有一定强度，通常轧制成薄板、 钢筋、焊接钢管等钢筋、焊接钢管等 用于桥用于桥 梁、建筑等钢结构，也用于制梁、建筑等钢

14、结构，也用于制 造普通的铆钉、螺钉、地脚螺丝、轴套、联片、销轴等。造普通的铆钉、螺钉、地脚螺丝、轴套、联片、销轴等。 A4、A5钢强度较高，用于制造轧制成钢结构用的各种型钢强度较高，用于制造轧制成钢结构用的各种型 条钢和钢板，以及农业机械用型钢和异型钢。条钢和钢板，以及农业机械用型钢和异型钢。 A6、A7钢的强度更高，可用于制造工具轧辊和农业机械钢的强度更高，可用于制造工具轧辊和农业机械 零件，如割草机和拔麻机的轴等。零件，如割草机和拔麻机的轴等。 1、普通碳素结构钢、普通碳素结构钢 由于甲类钢只保证机械性能而不保证化学成分，因而由于甲类钢只保证机械性能而不保证化学成分，因而 热处理有困难。一

15、般情况，都不经热处理而在供应状态下热处理有困难。一般情况，都不经热处理而在供应状态下 直接使用。直接使用。 （2）已类钢）已类钢按保证化学成分供应按保证化学成分供应 其钢号以其钢号以“已已”或或“B”字加上阿拉伯数字表示，共有字加上阿拉伯数字表示，共有7 级即级即B1、B2、B3 、 B7（或已（或已1、已、已2、已、已3、 已已7），）， 数字愈大的已类钢，其含碳量愈高。数字愈大的已类钢，其含碳量愈高。 已类钢的用途与相同序号的甲类刚相同，由于它的化已类钢的用途与相同序号的甲类刚相同，由于它的化 学成分是已知的，因此它可以通过适当的热处理提高其性学成分是已知的，因此它可以通过适当的热处理提高

16、其性 能。能。 （3）特类钢）特类钢根据用户提出要求供应的，其钢号以根据用户提出要求供应的，其钢号以“C” 字加上阿拉伯序数表示。它即保字加上阿拉伯序数表示。它即保 证化学成分又保证机械证化学成分又保证机械 性能。但实际上很少见到这类钢。性能。但实际上很少见到这类钢。 关于普碳钢的编号，关于普碳钢的编号， 例如：例如： A3表示甲类平炉表示甲类平炉3号普通碳素结构钢。号普通碳素结构钢。 CY3表示特类氧气转炉表示特类氧气转炉3号普通碳素结构钢。号普通碳素结构钢。 BJ2表示已类碱性转炉表示已类碱性转炉2号普通碳素结构钢。号普通碳素结构钢。 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢同时保证钢的化学成分

17、和机械性能同时保证钢的化学成分和机械性能 这类钢含这类钢含S、P量较少（量较少（ 0.04%），纯洁度、均匀性），纯洁度、均匀性 及表面质量都比较好。因此这类钢的塑性和韧性都比好及表面质量都比较好。因此这类钢的塑性和韧性都比好。 根据化学成分不同，优质碳素结构钢又分为普通含锰量根据化学成分不同，优质碳素结构钢又分为普通含锰量 钢和较高含锰量钢两类。钢和较高含锰量钢两类。 优质碳素结构钢的表示方法：优质碳素结构钢的表示方法： （1）正常含锰量的优质碳素结构钢：对于）正常含锰量的优质碳素结构钢：对于C 0.25%的的 碳素结构钢，为含锰碳素结构钢，为含锰0.350.65%；而对于；而对于C0.25

18、%的碳的碳 素结构钢，为含锰素结构钢，为含锰0.500.80%。 这类钢的平均含碳量用两位数字来表示，以这类钢的平均含碳量用两位数字来表示，以0.01%为单位。为单位。 例如：钢号例如：钢号45，表示含碳量为，表示含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。的优质碳素结构钢。 （2）较高含锰量的优质碳素结构钢）较高含锰量的优质碳素结构钢 ：对于：对于0.150.60%的的 碳素结构钢，为含锰碳素结构钢，为含锰0.70 1.0%；而含碳量；而含碳量0.60%的碳素的碳素 结构钢，为含锰结构钢，为含锰0.91.2%。 表示方法：表示方法：在表示含碳量的两为数字后面附以汉字在表示含碳量的两为数字后面附以汉字

19、“锰锰” 或化学符号或化学符号“Mn”。 例如：钢号例如：钢号20Mn表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.20%，含锰量为，含锰量为 0.71.0%的优质碳素结构钢。的优质碳素结构钢。 优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。 优质碳素结构钢的化学成分和机械性能见表优质碳素结构钢的化学成分和机械性能见表4-7。 3、碳素工具钢、碳素工具钢 它的编号原则是在它的编号原则是在“碳碳”或或“T”字的后面附以数字来表字的后面附以数字来表 示，数字表示钢中的平均含碳量，以示，数字表示钢中的平均含碳量，以0.10%为单位。为单位。 三、碳素结构钢 普通碳素结构钢 优质碳素结

20、构钢 其他专用碳素结构钢 Q235-AF 60Mn 易切削结构钢 锅炉用钢 普通碳素结构钢的牌号由钢的屈服强度“屈”Q，屈服强 度 ，质量等级（A、B、C、D）和脱氧方法（F沸 腾钢、Z镇静钢、b半镇静钢） s 例：Q235-B b表示 235MPa，质量等级B级，半镇静 钢脱氧程度的普通碳素结构钢。 () s 作业作业： 1、对某退火碳素钢进行显微分析，其室温下组织组成物、对某退火碳素钢进行显微分析，其室温下组织组成物 为珠光体和二次渗碳体（网），其中珠光体约占为珠光体和二次渗碳体（网），其中珠光体约占93%， 问此碳钢的含碳量大约是多少？相当于什么钢号？问此碳钢的含碳量大约是多少？相当于什么钢号？ 2、某工厂仓库积压了许多碳钢（退火态），由于管理、某工厂仓库积压了许多碳钢（退火态），由于管理 不当，不知道是什么钢号，现对其进行金相检验，观察不当，不知道是什么钢号，现对其进行