第四章 铁碳合金

1、第四章 铁碳合金 生铁的冶炼生铁的冶炼 4. 1 铁碳合金的基本相和组织 1）组 元 工业纯铁的力学性能 特点是强度、硬度低， 塑性、韧性好。主要 用于软磁。 磁性转变 (居里点) A. 纯 铁 1394 游离的碳有石墨和金刚石两种晶体结 构，在铁碳合金中的游离态是石墨。 石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同 一晶面上碳原子以共价键结合，间距 0.142nm结合力较强，两层晶面的间 距为0.34nm，结合力弱。 石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大快而层 的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。 石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、 硬度、塑性和韧性

2、都极低。 B. 碳 石墨烯石墨烯 石墨烯（石墨烯（GrapheneGraphene）是一种由碳原子以）是一种由碳原子以sp2sp2杂杂 化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只 有一个碳原子厚度的二维材料。有一个碳原子厚度的二维材料。 石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常 牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的 速度比已知导体都快。速度比已知导体都快。 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独 稳定存在，直至稳定存在，直至2004

3、2004年，英国曼彻斯特大学物年，英国曼彻斯特大学物 理学家安德烈理学家安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，诺沃肖洛夫， 成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证 实它可以单独存在，两人也因实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯在二维石墨烯 材料的开创性实验材料的开创性实验”为由，共同获得为由，共同获得20102010年诺年诺 贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。 2）铁碳合金中的基本相 B. 相 C在-Fe中的间隙固溶体， fcc结构。称奥氏体组织， 记为 A(Austenite)。最大溶 碳量为2.11wt% (1148oC) C. 相 C在-F

4、e中的间隙固溶体，bcc结构。相出现的温度较高，也称高温铁素体。 最大溶碳量为0.09wt% (1495oC) A. 相 C在-Fe中的间隙固溶体， bcc结构。铁素体组织，记 为 F (Ferrite)。 最大溶碳量 为0.0218 wt% (727oC) E. 石墨 铁碳合金中存在的游离碳为石墨，组织记G (Graphite)。 F: 液相 铁碳合金高温下呈液相，相图中标记 L(Liquid)。 D. Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，碳的 重量百分比为6.69%，晶体结构 是复杂正交晶系，由Fe3C相构成 的组织称为渗碳体，依然记为 Fe3C，也有写为Cm (Cementite)。 3

5、）铁碳合金中的基本组织 B. 莱氏体 碳的含量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148时，由液态中 同时结晶出的奥氏体和渗碳体的机械混合物，组织记Ld (Ledeburite)。 在727以下，由珠光体和渗碳体组成的机械混 合物，称为变态莱氏体，组织记Ld。 A. 珠光体 由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，组织记P (Pearlite)。 其中碳的含量为0.77%，是一个双相组织，性能介于铁素体和 珠光体之间，即具有一定的强度 、塑性和硬度。 4. 2 铁碳合金相图 1) 相图分析 点：14个。 线：三条等温转变线； 液相线、固相线 其余线：GS, GP, PQ, ES 区：5个单相区 7个两相

6、区 3个三相区 2）相图中各点的参数及含义 3）相图中相区 五个单相区：液相区 L 高温固溶体 奥氏体 (A) 铁素体 (F) 渗碳体 Fe3C 七个双相区： L L L Fe3C Fe3C Fe3C 三个三相区：HJB线 L ECK线 L Fe3C PSK线 Fe3C 4）铁碳合金三相平衡转变 产物共晶组织称为莱氏体 记为Ld (Ledeburite) 产物为两相层片交替分布的共析体 组织称为珠光体，记为P (Pearlite) a. HJB线包晶反应 b. ECK线 共晶反应 c. PSK线 共析反应 产物为奥氏体组织，记为 g或 A （Austenite） 4.3 铁碳合金平衡冷却分析

7、根据组织特征，铁碳合金按含碳量分为： 工业纯铁 (C 0.02 wt.%) 钢 (C 2.11wt.%) 亚共析钢 ( C 2.11 wt.%） 亚共晶 ( 2.114.3 wt% ) 共 晶 ( 4.3 wt% ) 过共晶 ( 4.3 6.69 wt% ) 1）工业纯铁 ( C 0.0218 wt.% ) 含碳量大于Q点（0.0008%）时，理论上将从-Fe中 析出的Fe3C称为三次渗碳体。室温下三次渗碳体含量最 大的是wc = 0.0218 wt%的铁碳合金，其百分含量为: w (Fe3CIII) = 0.0218/6.69100% 0.33% 但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。

8、 通常组织为单一铁素体。 1）工业纯铁 ( C 0.0218 wt.% ) 2) 共析钢（C = 0.77 wt.%） 相转变过程：L L + ( + Fe3C)P 组织转变过程 L L+A P 共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布， 组织为单一的珠光体。黑色为渗碳体，白色为铁素体。 650 3250 共析钢显微组织共析钢显微组织 2) 共析钢（C = 0.77 wt.%） 3）亚共析钢（0.02180.77 wt.% C） 成分为0.45%C的亚共 析合金的冷却过程： L L + (1495 oC) L P (727 oC) Fe3CIII 室温平衡组织： + P + Fe3CII

9、I 亚共析钢显微组织亚共析钢显微组织 3）亚共析钢（0.02180.77 wt.% C） 4）过共析钢 ( 0.77 2.11 wt.%） 组织转变：L LA A AFe3CII PFe3CII 脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工 程中使用并不希望出现这种组织。 4）过共析钢 ( 0.77 2.11 wt.%） 过共析钢显微组织过共析钢显微组织 5) 共晶白口铁（4.3 wt.% C） 组织转变 L Ld (Fe3C) Ld（P+Fe3C） 相变过程 L Fe3C I （莱氏体Ld） P (a+Fe3CII) Ld (P+Fe3CI) （低温莱氏体） 5) 共晶白口铸铁（4

10、.3 wt.% C） 共晶白口铸铁显微组织共晶白口铸铁显微组织 6) 亚共晶白口铁 (2.11 4.3 wt.% C ) 组织转变 L LA ALd AFe3CIILd PFe3CIILd 亚共晶白口铸铁显微组织亚共晶白口铸铁显微组织 6) 亚共晶白口铁 (2.11 4.3 wt.% C ) 7）过共晶白口铁 (4.36.69 wt.%) 组织转变 L L+Fe3CI Fe3CI+Ld Fe3CI+Ld Fe3C的形式：一次渗碳体Fe3CI 二次渗碳体Fe3CII 三次渗碳体Fe3CIII Fe3CI 过共晶白口铸铁显微组织过共晶白口铸铁显微组织 7）过共晶白口铁 (4.36.69 wt.%)

11、 4.4 碳对铁碳合金的影响 1）碳对室温平衡组织的影响 P+Fe3CIII 1）碳对室温平衡组织的影响 2）含碳量对力学性能的影响 3）含碳量对热加工性能的影响 4.5 碳 钢 1) 碳钢中的主要杂质元素 除Fe、C外，因冶金等因素碳钢中必然存在一些无法去除 的杂质元素，它们对性能有一定影响。一般指： Si、Mn 冶金时自然存在对性能无不利影响而保留 S、P 冶金时难以彻底清除而存在于钢中，大致含量： Si0.250.30% Mn0.250.50% S0.05% P=0.045 2）常见杂质元素对性能的影响 磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性 和韧性，特别是低温下会使性能恶

12、化冷脆性。 硫：S在钢中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988，在此温度 以上工作和锻造时因晶界熔化而开裂热脆。适量 的S可改善钢的切削性能。 硅：Si溶入铁素体，可提高强度和硬度。 锰：Mn与S、C的结合力比Fe强，可生成MnS，塑性和熔点比 FeS高，消除S的不利影响，但MnS会降低疲劳强度和断裂 韧性，所以依然要控制含锰量。 Si、Mn含量以自然出现为原则，人为专门加入组成合金钢。 3）钢锭的宏观组织及其缺陷 l 镇静钢：浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，氧的质 量分数不超过0.01%，钢液中不析出一氧化碳，成分均匀， 组织比较致密。 l 沸腾钢：脱氧不完全的钢；仅用少量Al进行轻度脱氧

13、，相 当数量的氧留在钢中，浇注时钢中氧与碳发生反应，析出 大量一氧化碳气体，引起钢的沸腾。凝固后，未排除的气 体在钢中形成气泡，补偿了凝固收缩，头部没有集中缩孔， 轧制时切头率低，成材率高。 根据钢中含氧量和凝固时放出一氧化碳的程度，可 将钢锭分为： a. 镇静钢锭中的组织缺陷 缩 孔：凝固后体积收缩留下的空腔。可让其集中在冒 口切去。 疏 松：微小分散的收缩孔，枝晶间或晶粒间凝固的 封闭而得不到液体补充而留下的缺陷。轧制可 减小或消除其部分不利影响。 气 孔：凝固中未排出气体形成的缺陷。 夹 杂：与基体成分和组织都不相同的杂质。外来夹杂 物有浇铸中冲入的耐火材料、破碎铸模物等。 成分偏析：成

14、分不均匀叫做偏析。有宏观偏析和微观偏析 l 坚壳带：急冷等轴细晶层。 l 蜂窝气泡带：分布在柱状晶带内的长形气泡所构成。 l 中心坚固带：浇注完毕，钢锭头部封顶，碳氧反应受 拟制，气泡停止生成，这时形成没有气泡的由柱状晶 粒组成的中心坚固带。 l 二次气泡带：结晶过程中晶粒收缩在柱状晶之间形成 小空隙，促使碳氧反应在此处重又发生，但生成气泡 不能排除，呈圆形留在锭中，形成二次气泡带。 l 锭心带：由粗大等轴晶组成。 b. 沸腾钢锭中的宏观组织 4）碳钢的分类 按含碳量分：低碳钢 WC 0.25 中碳钢 0.25 0.6 按质量用途分： 普碳钢 普通碳素结构钢 碳结钢 优质碳素结构钢 碳工钢 碳

15、素工具钢 按质量分：普通碳素钢 WP 0.045 WS 0.055 优质碳素钢 WP 0.040 WS 0.040 高级优质碳素钢WP 0.035 WS 0.030 冶炼方法：沸腾钢半镇定钢 镇定钢 特殊镇静钢 5）普通碳素结构钢 早期牌号：A1、A2、A3、A7，数字越大，强度越高， 相应塑性就低一些。 近期推荐：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，Q的含义为 “屈”，数字为钢的屈服强度 MPa。 特 点：检查标准为仅检查材料的力学性能，不考察其成 分，大多为轧制的型材(钢板、圆、扁、管、 角)。钢厂出厂状态为热轧制后在空气中自然 冷却(正火)。性能标准参阅GB70088 用

16、途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大 量用于一般简单结构零件。 6）优质碳素结构钢 牌号：08、08F、10、15、20、45、50、65数字为钢中C的 含量(万分之几)基本范围，0.05一档。对其中含S、P较低的 优质钢后加字母 A，如45A。 特点：出厂检验要求保证化学成分为主，力学性能为辅助检验项 目。钢厂出厂时保证碳的含量，为达到相应的力学性能指 标，其它元素各厂有少量的差异。性能标准参阅GB69988 用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件，一般都要热处理以 提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈 高，塑性相应会降低。而以45钢附近的韧性较好。 此外，铸钢的成分参照标准GB11352-89，牌号ZGxxxxxx，性 能一般比相应钢标准略低，用于形状复杂性能要求较高或大型难锻 造而又要求较高的强度和塑性，并承担冲击载荷的零件。 7