第4章_铁碳合金

1、 碳钢碳钢和和铸铁铸铁都是铁碳合金，是目前最主要应用的金属材料。都是铁碳合金，是目前最主要应用的金属材料。 铁碳相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳相图，对铁碳相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定以及产品的质量分于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定以及产品的质量分析等都有十分重要的意义。析等都有十分重要的意义。 铁与碳可以形成铁与碳可以形成FeFe3 3CC，FeFe2 2CC，FeCFeC等多种稳定化合物，因此，等多种稳定化合物，因此，铁碳相图可以分成四个独立的区域。铁碳相图可以分成四个独立的区域。 含碳量大于含碳量

2、大于6.696.69的铁碳合金在工业上没有应用价值，所以在的铁碳合金在工业上没有应用价值，所以在研究铁碳合金时，仅研究研究铁碳合金时，仅研究Fe-FeFe-Fe3 3CC部分。部分。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体渗碳体（FeFe3 3CC）和）和石墨石墨。在通常情况下，碳以渗碳体形式存在，即铁碳合金按在通常情况下，碳以渗碳体形式存在，即铁碳合金按Fe-FeFe-Fe3 3CC系系转变。转变。 4.1 4.1 铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相1、纯铁、纯铁 铁在铁在15381538结晶为结晶为bccbcc的的 - Fe - Fe；当温度继续冷却到；当温度继续

3、冷却到13941394时，时，Fe Fe 转变为转变为 fcc fcc 的的 - Fe - Fe；冷却到；冷却到912912时，时，fcc fcc 的的 - Fe- Fe又转变为又转变为bcc bcc 的的 - Fe - Fe；912912以下，铁的结构不再发生变化。以下，铁的结构不再发生变化。 通常，把通常，把 - Fe - Fe - Fe - Fe 的转变称为的转变称为A A4 4转变，转变的平衡临转变，转变的平衡临界点称为界点称为A A4 4点。把点。把 - Fe - Fe- Fe - Fe 的转变称为的转变称为A A3 3转变，转变的平衡转变，转变的平衡临界点称为临界点称为A A3 3

4、点。点。 固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程，固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程，为与液态结晶相区别，将此过程称为为与液态结晶相区别，将此过程称为重结晶重结晶。铁的多性型转变是钢的合。铁的多性型转变是钢的合金化和热处理的基础。金化和热处理的基础。 - Fe - Fe在在770770还将发生磁性转变，由高温的顺磁性还将发生磁性转变，由高温的顺磁性转变为低温的铁磁性状态。常称为转变为低温的铁磁性状态。常称为A A2 2转变，此温度称为转变，此温度称为居里点。磁性转变时晶格类型不变，故磁性转变不属于居里点。磁性转变时晶格类型不变，故磁性转变不属于相变。相变

5、。 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，bccbcc晶格，常用晶格，常用 或或F F表示。表示。 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中的八面体间隙，最大固溶度在中的八面体间隙，最大固溶度在727727为为0.0218%0.0218%或或0.101%at0.101%at；室温的溶解度一般低于；室温的溶解度一般低于0.001%0.001%。 碳在碳在bccbcc晶格晶格-Fe-Fe中的间隙固溶体叫中的间隙固溶体叫 铁素体，又称铁素体，又称高温铁素体高温铁素体，常用或常用或 表示。表示。 铁素体在铁素体在14951495时的最大溶碳量为时的最大溶碳量为0.09%0.09%。 fccfcc晶

6、格比晶格比bccbcc晶格具有较大的致密度，为什么晶格具有较大的致密度，为什么A A比比F F具有较大的具有较大的溶碳能力呢？溶碳能力呢？ 晶体结构的间隙尺寸有关：晶体结构的间隙尺寸有关：-Fe-Fe的的a=0.3656nm (950) a=0.3656nm (950) ，八面体间隙半径为八面体间隙半径为0.0535nm0.0535nm，和碳原子，和碳原子0.077nm0.077nm较接近，所以碳较接近，所以碳在在A A中的溶解度较大。中的溶解度较大。 -Fe-Fe的的a=0.2866nm(20) a=0.2866nm(20) ，碳原子通常溶于八面体间隙中，碳原子通常溶于八面体间隙中，而其间隙

7、半径只有而其间隙半径只有0.0186nm0.0186nm，远小于碳的原子半径，所以碳在铁，远小于碳的原子半径，所以碳在铁素体中的溶解度很小。素体中的溶解度很小。 碳溶于碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为中的间隙固溶体，为fcc晶格，用晶格，用或或A表示。奥氏体表示。奥氏体的最大溶碳量在的最大溶碳量在1148，为，为2.11%。2 2、铁素体、铁素体 3、奥氏体、奥氏体 4 4、渗碳体、渗碳体(Fe3C) 渗碳体具有很高的硬度，约渗碳体具有很高的硬度，约800HB800HB，但塑性很差，延伸率接近，但塑性很差，延伸率接近于零。根据理论计算，渗碳体的熔于零。根据理论计算，渗碳体的熔点为点为122712

8、27。230230以上铁磁性消以上铁磁性消失，此温度为滲碳体的磁性转变温失，此温度为滲碳体的磁性转变温度，称为度，称为A A0 0转变。转变。 铁与碳形成的间隙化合物，具有正交结构，可用符号铁与碳形成的间隙化合物，具有正交结构，可用符号CCmm表示。渗碳表示。渗碳体属于正交晶系，体属于正交晶系，a=0.4515nma=0.4515nm，b=0.5077nmb=0.5077nm，c=0.6726nmc=0.6726nm，其中，其中含有含有1212个铁原子和个铁原子和4 4个碳原子。渗碳体的碳含量为个碳原子。渗碳体的碳含量为6.69%6.69%或或25%at25%at。 渗碳体是一个亚稳相，如在高

9、温长时间加热，就要分解为铁渗碳体是一个亚稳相，如在高温长时间加热，就要分解为铁( (实际上是以铁为基的固溶体实际上是以铁为基的固溶体) )和石墨。在钢中，当碳从铁基固溶和石墨。在钢中，当碳从铁基固溶体（奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而不是体（奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而不是石墨。是由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石墨时石墨。是由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石墨时所需的扩散距离短得多。所需的扩散距离短得多。 渗碳体一旦形成，在较低温度下，它的分解速率是很慢的，渗碳体一旦形成，在较低温度下，它的分解速率是很慢的，因此，在大多数情况下，我们只

10、考虑铁碳亚稳定系相图，即因此，在大多数情况下，我们只考虑铁碳亚稳定系相图，即Fe-Fe-FeFe3 3CC相图。但应注意，渗碳体分解的快慢与钢中是否含有其它元相图。但应注意，渗碳体分解的快慢与钢中是否含有其它元素有密切的关系。素有密切的关系。4.2 Fe-Fe4.2 Fe-Fe3 3C C相图分析相图分析0 00.530.534.304.306.696.692.112.110 00.090.090.170.176.696.690 00 00.02180.02180.770.770.00570.0057A AB BCCD DE EGGH HJ JK KMMN NP PS SQQ153815381

11、4951495114811481227122711481148 912 9121495149514951495 727 727 770 77013941394 727 727 727 727 600 600符号符号 温度温度 碳量碳量1 1、 相图中的点、线、区相图中的点、线、区FeFeFeFe3 3CCSQPNKJHGFEDCBA+ + FeFe3 3C C+L+L+ + L+ L+ L LL+ L+ FeFe3 3C C+ + FeFe3 3C CC%温度温度一、一、Fe-Fe3C相图分析相图分析2 2、 包晶转变（水平线包晶转变（水平线HJBHJB） 在在14951495的恒温下，成分为

12、的恒温下，成分为0.53%C0.53%C的液相和成分为的液相和成分为0.09%C0.09%C的的 相相发生发生包晶反应包晶反应，形成成分为，形成成分为0.17%C0.17%C的的 相，其反应式为：相，其反应式为：JCHBL1495 包晶反应时，包晶反应时， 相沿相沿 相与液相的界面生核，并向相与液相的界面生核，并向 相和液相两个相和液相两个方向长大。包晶反应终了时，方向长大。包晶反应终了时， 相与液相同时耗尽，变为单相相与液相同时耗尽，变为单相 。 0.090.17%0.090.17%之间的合金，由于之间的合金，由于 相的量较相的量较多多，包晶反应结束后，包晶反应结束后，液相耗尽，液相耗尽，

13、相有剩余相有剩余。 相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成而变成 相相。 0.170.53%0.170.53%之间的合金，由于之间的合金，由于反应前反应前 相较相较少少，液相较多，所以反，液相较多，所以反应后，应后，L L相有剩余相有剩余，L L相在随后冷却相在随后冷却过程中结晶成过程中结晶成 相。相。 0.09%0.09%的合金，按匀晶转变为的合金，按匀晶转变为 相之后，继续冷却时发生固溶体的同相之后，继续冷却时发生固溶体的同素异晶转变为单相素异晶转变为单相 。 含碳量在含碳量在0.532.11%0.532.11%之间的合金，之间的合金，按匀晶转变

14、凝固后，组织也是单相按匀晶转变凝固后，组织也是单相 。 3 3、 共晶转变（水平线共晶转变（水平线ECFECF） 共晶转变是在共晶转变是在11481148的恒温下，由的恒温下，由4.3%C4.3%C的液相转变为的液相转变为2.11%C2.11%C的的 和和CCmm组成的混合物。组成的混合物。其反应式为：其反应式为：FECFeLCC31148 共晶转变形成的共晶转变形成的 和和CCmm的混合物，称为的混合物，称为莱氏体莱氏体，以符号，以符号L Ld d表示。表示。 莱氏体中，莱氏体中，CCmm是连是连续分布的相，续分布的相， 相呈颗粒相呈颗粒状分布在渗碳体基体上。状分布在渗碳体基体上。 由于渗碳

15、体很脆，由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差所以莱氏体是塑性很差的组织。的组织。4 4、 共析转变（水平线共析转变（水平线PSKPSK） 共析转变是在共析转变是在727727的恒温下，由的恒温下，由0.77%C0.77%C的的 相转变为相转变为0.0218%C0.0218%C的的 和和6.696.69CC的渗碳体组成的混合物。的渗碳体组成的混合物。其反应式为：其反应式为：KPCSCFe3727 共析转变的产物称为共析转变的产物称为珠光体珠光体，用符号，用符号P P表示。共析转变的水平线表示。共析转变的水平线PSKPSK，称为共析线，称为共析线或共析温度，常用或共析温度，常用A A1 1表示。表

16、示。 经共析转变形成的珠光体是层片状的，经共析转变形成的珠光体是层片状的，其中渗碳体和铁素体含量的比值为其中渗碳体和铁素体含量的比值为wwFe3CFe3C/w/wF F1/81/8。如果忽略铁素体和渗碳体比。如果忽略铁素体和渗碳体比容上的微小差别，则铁素体的体积是渗碳体容上的微小差别，则铁素体的体积是渗碳体的的8 8倍。倍。%7 .88%1000218. 069. 677. 069. 6PKSKWP %3 .11%10077. 069. 60218. 077. 0PKPSWCFe3 5 5、 三条重要的特性曲线三条重要的特性曲线 GSGS线，又称为线，又称为A A3 3线。线。冷却过程中，由冷

17、却过程中，由A A析出析出 F F 的开始线。的开始线。在加热过程中，在加热过程中，F F 溶入溶入A A的终了线。的终了线。 GSGS线由线由GG点演变而来，随含碳量的增加，点演变而来，随含碳量的增加， 使使A A向向 F F 的同素异晶转变温度逐渐降低。的同素异晶转变温度逐渐降低。 ESES线，也叫线，也叫A ACmCm线。线。 碳在碳在A A中的溶解度曲线，当温度低于此曲中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，就要从线时，就要从A A中析出次生渗碳体，常称为二中析出次生渗碳体，常称为二次渗碳体，因此该曲线又是二次渗碳体的开始次渗碳体，因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线。析出线。 PQPQ线

18、，碳在线，碳在F F中的中的溶解度曲线溶解度曲线。 F F 的最大溶碳量于的最大溶碳量于727727时达到最大值时达到最大值0.0218%C0.0218%C。随温度。随温度，F F 中的溶碳量逐渐中的溶碳量逐渐，在，在300300以下，溶碳量以下，溶碳量0.001%C0.001%C。当。当 F F从从727727冷却下来时，要从冷却下来时，要从 F F 中析出渗碳体，称为中析出渗碳体，称为三次渗碳体三次渗碳体。二、铁碳合金的平衡结晶过程及组织二、铁碳合金的平衡结晶过程及组织 铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程，目

19、的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。过程，目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。 根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型： 通常按有无通常按有无共晶转变共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量量2.11%2.11%的为的为碳钢碳钢，含碳量，含碳量2.11%2.11%的为的为铸铁铸铁。含碳量。含碳量0.0218%0.0218%的的为为工业纯铁工业纯铁。按。按Fe-FeFe-Fe3 3CC系结晶的铸铁，系结晶的铸铁，碳以碳以FeFe3 3CC的形式存在，断口的形式存在，断口呈白

20、亮色，称为呈白亮色，称为白口白口铸铁。铸铁。 工工 业业 纯纯 铁：铁： 0.0218%C0.0218%C； 共共 析析 钢：钢： 0.77 %C0.77 %C； 亚亚 共共 析析 钢：钢： 0.02180.77 %C0.02180.77 %C； 过过 共共 析析 钢：钢： 0.772.11 %C0.772.11 %C； 共共 晶晶 白白 口口 铁：铁： 4.30 %C4.30 %C； 亚共晶白口铁：亚共晶白口铁： 2.114.30 %C2.114.30 %C； 过共晶白口铁：过共晶白口铁： 4.306.69 %C4.306.69 %C。K1. 1. 工业纯铁的平衡结晶过程及组织工业纯铁的平衡

21、结晶过程及组织L 匀晶转变匀晶转变 LL固溶体固溶体同素异晶转变同素异晶转变， 晶核晶核常优先在常优先在相界相界上形成并长大上形成并长大形成单相形成单相单相单相 降温降温 时无变化时无变化冷至冷至5 5点，同素点，同素异晶转变异晶转变， 也是在也是在 晶界优晶界优先形核后长大。先形核后长大。形成单相形成单相冷至冷至7 7点，碳在点，碳在F F中中的溶解度达到饱和，的溶解度达到饱和，渗碳体将从渗碳体将从F F中析中析出，在缓慢的冷却出，在缓慢的冷却条件下，渗碳体常条件下，渗碳体常沿沿F F晶界呈片状析晶界呈片状析出。出。 FeFe3 3CC工业纯铁工业纯铁工业纯铁的室温工业纯铁的室温组织组织组成

22、物为：铁素体加三次滲碳体（组成物为：铁素体加三次滲碳体（F+FeF+Fe3 3CC） 相相组成物为：组成物为： + Fe + Fe3 3CC 室温时，三次滲碳体的最大析出量是含碳室温时，三次滲碳体的最大析出量是含碳0.0218的铁碳合金，的铁碳合金，其含量可用杠杆定律求出：其含量可用杠杆定律求出：%33. 0%100W69. 60218. 0CFe3 Fe3C的量极少，若忽略三次的量极少，若忽略三次滲碳体，则工业纯铁的室温组织全滲碳体，则工业纯铁的室温组织全为铁素体。为铁素体。K 1 1点以上合点以上合 金为液相金为液相按匀晶转变按匀晶转变成奥氏体成奥氏体不发生变化不发生变化727727恒温恒

23、温69. 630.021877. 0CFe 转变产物转变产物 P P（共析滲（共析滲碳体碳体+ + ），随后），随后 FeFe3 3CC，与共析滲碳体连在，与共析滲碳体连在一起，且数量少，显微镜下一起，且数量少，显微镜下难以分辨，对组织和性能影难以分辨，对组织和性能影响不大。响不大。2. 2. 共析钢（共析钢（0.77%C0.77%C）共析钢室温共析钢室温组织组织组成物为：全部珠光体组成物为：全部珠光体 相相组成物为：组成物为： + Fe3C相相组成物的相对含量为：组成物的相对含量为：%9 .88%1000218. 069. 677. 069. 6%100PKSKW %1 .11%100021

24、8. 069. 60218. 00.77%100PKPSWCFe3 共析钢的室温金相组织 K匀晶转变匀晶转变 L3. 3. 亚共析钢（亚共析钢（0.40%C0.40%C）14951495液相剩余液相剩余 LB+HJ 剩余液相剩余液相 LL温度降至温度降至3 3点，点，得单相得单相 。降。降温时不变化。温时不变化。单相单相冷却冷却时析出时析出 727727 S SP P+Fe+Fe3 3CC 形成形成P P 先共析先共析F F和和P P中的中的F F都将都将析出三次渗析出三次渗碳体，但其碳体，但其数量很少，数量很少，可忽略不计。可忽略不计。 亚共析钢的室温金相组织 通常把共析转变前从通常把共析转

25、变前从A A中析出的中析出的F F，称先共析，称先共析F F。 亚共析钢亚共析钢室温室温组织组织组成物组成物为：先共析铁素体和珠光体为：先共析铁素体和珠光体 5 .49%1000.02180.770.400.77w F相相组成物为：组成物为： + Fe3C%5 .505 .491wP 94.3%1000.02186.690.406.69w 7 . 5%3 .941wCFe3 近似估计含碳量：近似估计含碳量：WWCCPP0.80.8接近接近P点点 离异共析离异共析 游离滲碳体游离滲碳体K4. 4. 过共析钢（过共析钢（1.2%C1.2%C） S SP P+Fe+Fe3 3CC 形成形成P P 7

26、27727Fe3CP P与与ES相遇相遇Fe3CFe3C匀晶转变匀晶转变 LL单相单相 降温降温 时无变化时无变化继续冷却时，继续冷却时，P中的中的 F会会析出三次渗析出三次渗碳体，因析碳体，因析出量较少可出量较少可忽略不计。忽略不计。 过共析钢室温金相组织 过共析钢室温过共析钢室温组织组织组成物为：珠光体和二次渗碳体组成物为：珠光体和二次渗碳体 在过共析钢中，二次渗碳体的数在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中含碳量增加而增加。当含碳量随钢中含碳量增加而增加。当含碳量达到量达到2.11%时，二次渗碳体的数量时，二次渗碳体的数量达到最大值，其含量可用杠杆定律求达到最大值，其含量可用杠杆定律求出出

27、%3 .23%10076. 069. 676. 014. 23CFeW%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 CFeW%7%10077. 069. 677. 02 . 13 CFeW%93%10077. 069. 62 . 169. 6 PW相相组成物为：组成物为： + Fe3C.382%1000.02186.69.216.69w 7 .17%1000218. 069. 60218. 02 . 1wCFe3 工业纯铁工业纯铁亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢K液相液相5. 5. 共晶白口铁（共晶白口铁（4.30%C4.30%C） 11481148L LCCE

28、E+Fe+Fe3 3CCF F L Ld d FeFe3 3CC依附在共晶渗依附在共晶渗碳体难以分辨碳体难以分辨 727727+Fe+Fe3 3CCL Ld d 室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体）室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体） 。室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组成物发生了改变。但组成物发生了改变。 共晶白口铁共晶白口铁共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：%2 .52%10011. 269. 630. 469. 6 W%8

29、 .47%10011. 269. 611. 230. 4CFe3 W室温相组成物为：室温相组成物为： + Fe3C8 .35%1000.02186.69.346.69w 2 .64%1000218. 069. 60218. 03 . 4wCFe3 K6. 6. 亚共晶白口铁（亚共晶白口铁（3.0%C3.0%C）匀晶转变匀晶转变 LL 11481148L LCCE E+Fe+Fe3 3CCF F FeFe3 3CC 先共晶先共晶 共晶共晶 727727+Fe+Fe3 3CC亚共晶白口铁亚共晶白口铁 黑色树枝状的是由先共晶黑色树枝状的是由先共晶奥氏体转变成的奥氏体转变成的P，周围白色部，周围白色部

30、分是由先共晶奥氏体中析出的分是由先共晶奥氏体中析出的二次渗碳体，其余部分为低温二次渗碳体，其余部分为低温莱氏体。莱氏体。 亚共晶白口铁室温亚共晶白口铁室温组织组织为：为：P+Fe3C+Ld 4 .59%1002.114.303.04.30w 6 .40%1002.114.302.113.0wdL %4 .13%4 .590.776.690.772.11wCFe3 WWP P59.459.413.4% = 46%13.4% = 46%室温室温相相组成物为：组成物为： + Fe3C%3 .55%1000218. 069. 60 . 369. 6 W%7 .44%1000218. 069. 6021

31、8. 00 . 33 CFeW7. 7. 过共晶白口铁（过共晶白口铁（5.0%C5.0%C）KLFeLFe3 3CC FeFe3 3C C 11481148L LCCE E+Fe+Fe3 3CCF F Fe3C 2 2 2 2点以下点以下共晶共晶FeFe3 3CC 727727+Fe+Fe3 3CCFe3C过共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁室温过共晶白口铁室温组织组织为：为：Fe3C+Ld 室温室温相相组成物为：组成物为： + Fe3C%3 .25%1000218. 069. 60 . 569. 6 W%7 .74%1000218. 069. 60218. 00 . 53 CFeW3 .29

32、%1003 . 46.693 . 45.0wdL %7 .70%100.346.690 . 56.69wCFe3 过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁共晶白口铁共晶白口铁SQPNJHGECBAL+L+ + L+ L+ LL+ L+ FeFe3 3C CC%温度温度A+FFAA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CKDF三、三、 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响A+ Fe3CP+ Fe3C1. 1. 对平衡组织的影响对平衡组织的影响相组成：相组成： + F

33、e + Fe3 3C C 。随碳含量增加，。随碳含量增加， ， FeFe3 3CC 随碳含量增加，铁碳合金组织变化为：随碳含量增加，铁碳合金组织变化为：F (F+FeF (F+Fe3 3CC ) F+P P P+Fe) F+P P P+Fe3 3CC P+Fe P+Fe3 3CC+L+Ld d L Ld d L Ld d+Fe+Fe3 3CCI I FeFe3 3CC0 0100100C%00.772.114.30.0218FPLdFe3CFe3C100C%6.69成分变化成分变化 不同性质结晶过程不同性质结晶过程 相发生变化相发生变化 组织变化组织变化同一种相，生成条件不同，形态可有很大变化

34、。同一种相，生成条件不同，形态可有很大变化。铁素体：铁素体： 一般为块状。一般为块状。 +Fe+Fe3 3C C 与与CCmm相互制约，呈交替层片状。相互制约，呈交替层片状。滲碳体：生成条件不同，形态变化较复杂，铁碳合金的组织变化主滲碳体：生成条件不同，形态变化较复杂，铁碳合金的组织变化主 要由它引起。要由它引起。 LFeLFe3 3CC 一次滲碳体，呈规则长条状。一次滲碳体，呈规则长条状。 FeFe3 3CC 二次滲碳体，呈二次滲碳体，呈网状分布于奥氏体晶界。网状分布于奥氏体晶界。 FeFe3 3CC 三次滲碳体，三次滲碳体，沿晶界呈小片状分布。沿晶界呈小片状分布。 L+FeL+Fe3 3C

35、 C 共晶滲碳体，共晶滲碳体，为连续的基体，较粗大，有时呈鱼为连续的基体，较粗大，有时呈鱼骨状。骨状。2 . 2 . 对力学性能的影响对力学性能的影响铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相。 珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分散地分布在珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分散地分布在铁素体的基体上，起了强化作用。因此珠光体有较高的强度和硬度，铁素体的基体上，起了强化作用。因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体内的层片越细，则强度越高。但塑性较差。珠光体内的层片越细，则强度越高。当组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体时，塑性降低到零。当组织中出现

36、以渗碳体为基体的莱氏体时，塑性降低到零。 渗碳体的硬度很高，但是极脆，不能使合金的塑性提高，合金的渗碳体的硬度很高，但是极脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性变形主要由铁素体来提供。塑性变形主要由铁素体来提供。 在亚共析钢中，随着含碳量在亚共析钢中，随着含碳量，珠光体逐渐，珠光体逐渐，强度、硬度，强度、硬度，而塑性、韧性而塑性、韧性。 含碳量达到含碳量达到0.77%0.77%时，其性能就是珠光体的性能。时，其性能就是珠光体的性能。 在过共析钢中，含碳量接近在过共析钢中，含碳量接近1.0%1.0%是其强度达到最大值，含碳量继是其强度达到最大值，含碳量继续续，强度，强度。这是由于脆性的二次渗碳体在

37、晶界形成连续的网络，。这是由于脆性的二次渗碳体在晶界形成连续的网络，使钢的脆性大大增加。使钢的脆性大大增加。 硬度对组织或组成相的形态不太敏感，它的大小主要取决于组成相硬度对组织或组成相的形态不太敏感，它的大小主要取决于组成相的数量和硬度。的数量和硬度。 随着含碳量的随着含碳量的、高硬度的渗碳体、高硬度的渗碳体、低硬度的铁素体、低硬度的铁素体，铁碳合金，铁碳合金的硬度呈直线的硬度呈直线。 冲击韧性对组织十分敏感。冲击韧性对组织十分敏感。 含碳量增加时，脆性的渗含碳量增加时，脆性的渗碳体增多，韧性降低。碳体增多，韧性降低。 当出现网状的二次渗碳体当出现网状的二次渗碳体时，韧性急剧下降。时，韧性急

38、剧下降。 总起来看，韧性比塑性下总起来看，韧性比塑性下降的趋势要大。降的趋势要大。四、铁碳相图的应用四、铁碳相图的应用 1、选用材料、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。来选择不同含碳量的材料。2、判断切削加性能、判断切削加性能： 低碳钢低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，

39、中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。易于加工。3、制定热加工工艺：、制定热加工工艺： 在在铸造铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸的铸铁铸造性最好；在造性最好；在锻造锻造工艺方面，可以选择钢材的工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：、应用于热处理生产： 由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确组织的变化，可以进行热处理。并且可以

40、正确选择加热温度。选择加热温度。4.3 4.3 碳碳 素素 钢钢 碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11%并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。一、存杂质元素对钢性能的影响一、存杂质元素对钢性能的影响1锰的影响锰的影响 锰来自于生铁和脱氧剂，在钢中是一种有益的元素，其含量一般在锰来自于生铁和脱氧剂，在钢中是一种有益的元素，其含量一般在0.8%以下。以下。锰能溶入铁素体中形成固溶体，产生固溶强化，提高钢的强

41、度和硬度；少部分的锰锰能溶入铁素体中形成固溶体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度；少部分的锰则溶于则溶于Fe3C，形成合金渗碳体；锰能增加组织中珠光体的相对量，并使其变细；锰，形成合金渗碳体；锰能增加组织中珠光体的相对量，并使其变细；锰还能与硫形成还能与硫形成MnS，以减轻硫的有害作用。，以减轻硫的有害作用。2硅的影响硅的影响 硅也是来自于生铁和脱氧剂，在钢中也是一种有益的元素，其含量一般在硅也是来自于生铁和脱氧剂，在钢中也是一种有益的元素，其含量一般在0.4%以下。硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使以下。硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使钢的强度、硬度

42、提高，但使塑性和韧性降低。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影塑性和韧性降低。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响亦不显著。响亦不显著。3硫的影响硫的影响 硫是由生铁和燃料带入的杂质元素，在钢中是一种有害的元素。硫在钢中不溶硫是由生铁和燃料带入的杂质元素，在钢中是一种有害的元素。硫在钢中不溶于铁，而与铁化合形成化合物于铁，而与铁化合形成化合物FeS，FeS与与Fe能形成低熔点共晶体，熔点仅能形成低熔点共晶体，熔点仅985，且分布在奥氏体的晶界上。当钢材在且分布在奥氏体的晶界上。当钢材在10001200进行压力加工时，共晶体已经熔进行压力加工时，共晶体已

43、经熔化，并使晶粒脱开，钢材变脆，这种现象称为热脆性，为此，钢中硫的含量必须严化，并使晶粒脱开，钢材变脆，这种现象称为热脆性，为此，钢中硫的含量必须严格控制。在钢中增加锰含量，使之与硫形成格控制。在钢中增加锰含量，使之与硫形成MnS(熔点熔点1620)，可消除硫的有害作，可消除硫的有害作用，避免热脆现象。用，避免热脆现象。 4磷的影响磷的影响 磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素。磷在钢中能全部溶入铁素体，使钢的强磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素。磷在钢中能全部溶入铁素体，使钢的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，使钢变脆。这种情况度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧

44、降低，使钢变脆。这种情况在低温时更为严重，因此称为冷脆性。所以，钢中的磷含量也应严格控制。在低温时更为严重，因此称为冷脆性。所以，钢中的磷含量也应严格控制。总之，钢中锰、硅是有益的元素，允许一定的含量，而硫、磷是有害的元素，应严总之，钢中锰、硅是有益的元素，允许一定的含量，而硫、磷是有害的元素，应严格控制其含量。但是，在易切钢中适当提高硫、磷的含量，使切屑易断，可改善切格控制其含量。但是，在易切钢中适当提高硫、磷的含量，使切屑易断，可改善切削加工性能。削加工性能。 碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11%并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳

45、合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。 1、碳钢的分类、碳钢的分类 （1）根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢、）根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢、 中碳钢和高碳钢三类。中碳钢和高碳钢三类。 低碳钢：碳的质量分数低碳钢：碳的质量分数小于或等于小于或等于0.25%； 中碳钢：碳的质量分数为中碳钢：碳的质量分数为0.250.60%； 高碳钢：碳的质量分数高碳钢：碳的质量分数大于大于0.60%。 （2）根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分为三类：）根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分

46、数的多少可分为三类： 普通质量钢；普通质量钢； 优质钢；优质钢； 高级优质钢。高级优质钢。 （3）根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢三类。）根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢三类。 碳素结构钢：主要用于制造工程结构和各种机械零件。碳素结构钢：主要用于制造工程结构和各种机械零件。 碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具和量具。碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具和量具。 碳素铸钢：主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法成形的铸钢件。碳素铸钢：主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法成形的铸钢件。 2、碳钢的牌号、性能及用途、碳钢的牌号、性能及用途 （1

47、）碳素结构钢：碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、）碳素结构钢：碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用A、B、C、D表示。表示。“F”表示沸腾钢；表示沸腾钢；“b”表示半镇静钢；表示半镇静钢；“Z”表示镇静钢；表示镇静钢；“TZ”表示特殊镇静钢，在钢号中表示特殊镇静钢，在钢号中“Z”和和“TZ”符号可省略。符号可省略。 例如：例如：Q235-AF，牌号中，牌号中“Q”代表屈服点代表屈服点“屈屈”字的汉语拼音首位字母，字的汉

48、语拼音首位字母，“235”表示屈服点表示屈服点S235MPa，“A”表示质量等级为表示质量等级为A级，级，“F”表示沸腾钢表示沸腾钢(冶炼冶炼时脱氧不完全时脱氧不完全)。 常用钢及应用：常用钢及应用：Q195、Q215、Q235属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑工程结构，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不大的零件，在机械制造中用作受力不大的零件， 如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不太重要的轴、拉杆等，其中以如螺钉、螺帽、垫圈、地脚

49、螺钉、法兰以及不太重要的轴、拉杆等，其中以Q235应用最广。应用最广。 Q235C、Q235D质量好，用作重要的焊接结构件。质量好，用作重要的焊接结构件。 Q255、Q275强度较高，可用作受力较大的机械零件。强度较高，可用作受力较大的机械零件。 碳素结构钢一般不进行热处理，以供应状态直接使用。但也可根据需要进行热碳素结构钢一般不进行热处理，以供应状态直接使用。但也可根据需要进行热加工和热处理。加工和热处理。 （2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢： 其牌号用两位数字表示，表示钢中平均碳的质量分数的万倍数。例如其牌号用两位数字表示，表示钢中平均碳的质量分数的万倍数。例如45钢，表钢，表示钢中平

50、均碳的质量分数为示钢中平均碳的质量分数为0.45%。若钢中锰的含量较高，则在两位数字后面加锰。若钢中锰的含量较高，则在两位数字后面加锰元素的符号元素的符号“Mn”。 例如例如65Mn钢，表示钢中平均碳的质量分数为钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.65%，含锰量较高，含锰量较高(为为0.91.2%)。若为沸腾钢，在两位数字后面加符号若为沸腾钢，在两位数字后面加符号“F”，例如，例如08F钢。钢。 08F钢：是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性很好。一般由钢厂轧钢：是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性很好。一般由钢厂轧成薄钢板或钢带供应。主要用于制造冷冲压件，成薄钢板或钢带供应。主要用于制造冷冲压件， 如外壳、容器、罩子等。如外壳、容器、罩子等。 1025钢：属低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，并具有良好的冷冲压钢：属低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，并具有良好的冷冲压性能和焊接性能。常用于制造冷冲压件和焊接构件，以及受力不大、韧性要求高的性能和焊接性能。常用于制造冷冲压件和焊接构件，以及受力不大、韧性要求高的机械零件，机械零件， 如螺栓、螺钉、螺母、轴套、法兰盘、焊接容器等。还可用作尺寸不大，形如螺栓、螺钉、螺母、轴套、法兰盘、焊接容器等。还可用作尺寸不大，