工程材料第五章铁碳合金

1、第五章第五章 铁碳合金铁碳合金(相图及碳素钢相图及碳素钢)第一节第一节 铁碳合金的相结构与性能铁碳合金的相结构与性能铁是具有同素异构性的金属铁是具有同素异构性的金属-F体（液体（L）-Fe-Fe时间时间1538以上为液体，以上为液体，L1538-1394 具有体心立方晶格，具有体心立方晶格，-Fe1394-912 具有面心立方晶格具有面心立方晶格, -Fe912 以下具有体心立方晶格，以下具有体心立方晶格， -Fe同素异晶转变：同素异晶转变：晶格类型随温度改变而改变的现象。晶格类型随温度改变而改变的现象。重结晶：重结晶：固态下晶格类型的转变，亦存在生核和长大的过程。固

2、态下晶格类型的转变，亦存在生核和长大的过程。纯铁的力学性能：纯铁的力学性能：b=250MPa =50% 80HB ，软而韧。软而韧。1 液相液相 （L）：）：2 铁素体（铁素体（F）：）：3 奥氏体（奥氏体（A）：）：4 渗碳体（渗碳体（Fe3C）:高温下，碳均匀地溶解在铁水中，用高温下，碳均匀地溶解在铁水中，用L表示。表示。碳溶于碳溶于-Fe所形成的间隙固溶体，其结构为体心所形成的间隙固溶体，其结构为体心立方晶格。在立方晶格。在727有最大的溶解度有最大的溶解度0.0218%，室，室温下的溶解度仅为温下的溶解度仅为0.0008%，是一种，是一种软而韧软而韧的相。的相。碳溶于碳溶于-Fe所形成

3、的间隙固溶体，结构为面心立方晶所形成的间隙固溶体，结构为面心立方晶格。在格。在1148时有最大的溶解度时有最大的溶解度2.11%，在，在727时时其溶碳量下降到其溶碳量下降到0.77%。也是一种。也是一种软而韧软而韧的相。的相。铁和碳的一种较稳定的化合物，铁和碳的一种较稳定的化合物，WWC C=6.69% =6.69% 渗碳体具有较复杂的晶渗碳体具有较复杂的晶格格在一定的条件下，它可以分解：在一定的条件下，它可以分解：FeFe3 3C-F+GC-F+G（石墨）。（石墨）。渗碳体的力学性能：渗碳体的力学性能：=0% 800HB=0% 800HB是一种是一种硬而脆硬而脆的相。的相。5 固溶体固溶体

4、（）：碳溶于碳溶于-Fe所形成的间隙固溶体所形成的间隙固溶体 存在于很小的高温区间存在于很小的高温区间1 珠光体（珠光体（P）：）： Wc = 4.3 %由由F与与Fe3C相间排列而形成的机械混合物，相间排列而形成的机械混合物，b b=800MPa =20 =800MPa =20 25% 180HB 25% 180HB，综合力学性能好综合力学性能好。高温下是高温下是A与与Fe3C组成的机械混合物，组成的机械混合物， 727727以下则是由以下则是由P P与与Fe3C组成的机械混合五物物组成的机械混合五物物性能硬而脆，性能硬而脆，700HB =0%700HB =0%。铁碳合金中的机械混合物铁碳合

5、金中的机械混合物：2 莱氏体（莱氏体（Ld）：）： Wc = 4.3 %机械混合物：两个或两个以上相混合而成，有确定成分和形机械混合物：两个或两个以上相混合而成，有确定成分和形 成温度，有明显形态。成温度，有明显形态。显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形态、分布。显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形态、分布。分析显微组织时要注意区别相组成物和组织组成物。分析显微组织时要注意区别相组成物和组织组成物。相组成物：构成显微组织的基本相，它有确定的成分和结构，相组成物：构成显微组织的基本相，它有确定的成分和结构， 但没有形态的概念。例但没有形态的概念。例 Fe3C组织组成物：指在相变过程中

6、形成的、有清晰的轮廓、在显微组织组成物：指在相变过程中形成的、有清晰的轮廓、在显微 镜下能清楚区别开来的组成部分。例镜下能清楚区别开来的组成部分。例 P、Fe3C 标注相图中的相区，可以按相组成物标注，也可以按组织标注相图中的相区，可以按相组成物标注，也可以按组织 组成物标注。组成物标注。 按组织组成物标注相区，相图上表明的组织与显微镜下观察按组织组成物标注相区，相图上表明的组织与显微镜下观察到的显微组织能互相对应，便于了解任一成分的合金在任一温到的显微组织能互相对应，便于了解任一成分的合金在任一温度下的组织状态及温度变化时组织的变化规律。度下的组织状态及温度变化时组织的变化规律。第二节第二节

7、 铁碳合金相图铁碳合金相图一一 相图分析相图分析铁碳合金分类：铁碳合金分类： 工业纯铁：工业纯铁：WWC0.0218% 碳素钢：碳素钢：0.02%WWC 2.11% 白口铁：白口铁：WWC2.11% 特性线、点的含义特性线、点的含义ABCD线线：液相线液相线L4.3 A+Fe3C 1148共晶反应：共晶反应：ECF线线：共晶转变线：共晶转变线C点点 ：共晶点：共晶点AHJECF线线：固相线：固相线共晶体共晶体 Ld共晶铁：共晶铁：4.3%亚共晶铁：亚共晶铁：2.11%4.3%过共晶铁：过共晶铁：4.3%6.69%ES线线：碳在碳在A体中的溶解度曲线体中的溶解度曲线GS线线：共析反应：共析反应：

8、S共析点：共析点：PSK线线：共析转变线，：共析转变线， 所在温度所在温度727A Fe3CA F727A0.77 F+Fe3C 铁素体的开始析出线铁素体的开始析出线共析体共析体 PHJB线线：包晶转变线：包晶转变线PQ线线：碳在铁素体中的溶解度曲线。：碳在铁素体中的溶解度曲线。特性点特性点 表表 5 - 1LB +H AJ1495简化的铁碳合金相图简化的铁碳合金相图二二 典型合金的结晶过程典型合金的结晶过程铁碳合金分类：铁碳合金分类： 工业纯铁：工业纯铁：WWC0.0218% 碳素钢：碳素钢：0.02%WWC 2.11% 白口铁：白口铁： 2.11% WWC6.69%亚共析钢：亚共析钢：0.

9、0218%0.77%共析钢：共析钢：0,77%过共析钢：过共析钢：0.77%2.11%亚共晶白口铁：亚共晶白口铁：2.11%4.3%共晶白口铁：共晶白口铁：4.3%过晶白口铁：过晶白口铁：4.3%6.69%（一）共析钢的结晶过程分析（一）共析钢的结晶过程分析pPF（二）亚共析钢的结晶过程分析（二）亚共析钢的结晶过程分析计算计算C = 0.4%亚共析钢室温组织中亚共析钢室温组织中P和和F的相对重量：的相对重量：P = 0.4 / 0.77100% 52%F = 48%亚共析钢常温下组织是亚共析钢常温下组织是 P+F 的。的。碳碳PF 强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性塑性、韧性P+Fe3C（二）过

10、共析钢的结晶过程分析（二）过共析钢的结晶过程分析过共析钢的常温组织是过共析钢的常温组织是 P+Fe3C。 碳碳 Fe3C P 硬度硬度 塑性、韧性塑性、韧性 ，b 含碳量为含碳量为1%的过共析钢中的过共析钢中Fe3C和和P相对重量为：相对重量为：Fe3C =（10.77）/（6.690.77）100% 3.9%P = 1 3.9% 96.1%过共析钢中二次过共析钢中二次Fe3C最多可达多少？最多可达多少？Fe3C=（2.110.77）/（6.690.77）100% 22.6%LdLd（四）共晶（四）共晶 白口铸铁结晶过程分析白口铸铁结晶过程分析A+Fe3C+LdLdP+Fe3C+（五）亚共晶（

11、五）亚共晶 白口铸铁结晶过程分析白口铸铁结晶过程分析Ld+Fe3CLd+Fe3C（六）过共晶（六）过共晶 白口铸铁结晶过程分析白口铸铁结晶过程分析二二 典型合金的结晶过程典型合金的结晶过程铁碳合金分类：铁碳合金分类： 工业纯铁：工业纯铁：WWC0.0218% 碳素钢：碳素钢：0.02%WWC 2.11% 白口铁：白口铁： 2.11% WWC6.69%亚共析钢：亚共析钢：0.0218%0.77%共析钢：共析钢：0,77%过共析钢：过共析钢：0.77%2.11%亚共晶白口铁：亚共晶白口铁：2.11%4.3%共晶白口铁：共晶白口铁：4.3%过晶白口铁：过晶白口铁：4.3%6.69%（一）（一）共析钢

12、（共析钢（wwc= 0.77%）123温度温度 结晶情况结晶情况 组织组织Tt1 没有结晶没有结晶 L体体T= t1 开始结晶开始结晶 L+At1t2 继续结晶继续结晶 L AT=t2 结晶结束结晶结束 A体体t2t3 组织不变组织不变 A体体727T=t3 A0.77 F+Fe3C P体体T t3 组织基本不变组织基本不变 P体体常温下组织全部是常温下组织全部是P体的钢叫共析钢。体的钢叫共析钢。共析钢的共析钢的WWC=0.77%（二）（二） 亚共析钢（亚共析钢（wwc=0.45%钢）钢）123温度温度 结晶情况结晶情况 组织组织Tt1 没有结晶没有结晶 L体体T= t1 开始结晶开始结晶 L

13、+At1t2 继续结晶继续结晶 L AT=t2 结晶结束结晶结束 A体体t2t3 组织不变组织不变 A体体727T=t4 A0.77 P P+FT t4 组织基本不变组织基本不变 P+F4T=t3 A F A+F开始析出开始析出t3t4 A F A F 继续析出继续析出亚共析钢常温下组织是亚共析钢常温下组织是 P+F 的。的。P+F碳碳PF 强度、硬度强度、硬度塑性、韧性塑性、韧性（三）（三）过共析钢（过共析钢（WWc0.77%）1234P+F过共析钢的常温组织是过共析钢的常温组织是 P+Fe3C。温度温度 结晶情况结晶情况 组织组织Tt1 没有结晶没有结晶 L体体T= t1 开始结晶开始结晶

14、 L+At1t2 继续结晶继续结晶 L AT=t2 结晶结束结晶结束 A体体t2t3 组织不变组织不变 A体体727T=t4 A0.77 P P+Fe3C T t4 组织基本不变组织基本不变 P+Fe3CT=t3 A Fe3C A+Fe3C开始析出开始析出t3t4 A F e3C A F e3C 继续析出继续析出P+Fe3C 碳碳 Fe3C P 硬度硬度 塑性、韧性塑性、韧性 L+Fe3C1148 727 （四）共晶（四）共晶 白口铸铁结晶过程分析白口铸铁结晶过程分析Ld1148 共晶转变共晶转变 Ld（A2.11% Fe3C）T 从从A中析出中析出 Fe3C727 A0.77% P Ld （

15、P Fe3C）室温：室温： Ld LdL+Fe3CLd1148 727 Ld（五）亚共晶（五）亚共晶 白口铸铁结晶过程分析白口铸铁结晶过程分析A+Fe3C+LdLdP+Fe3C+液相线液相线 1148： LA ； T1148： A2.11% L4.3% L4.3% Ld T 从从 A 析出析出 Fe3C1148 727 ：AFe3CLdLd Ld P Fe3C LdT727 A0.77% P（六）（六） 过白口铸铁过白口铸铁（W W c2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）的分类和组织的分类和组织液相线液相线 1148： L Fe3CT1148： L4.3% L4.3% LdT727 Ld Ld

16、室温组织：室温组织： Ld Fe3C1148 727 ：Fe3C LdL+Fe3CLdA+Fe3C+LdLdP+Fe3C+LdLd+Fe3CLd+Fe3C1148 727 三三 铁碳合金相图的两种形式铁碳合金相图的两种形式1 组织组成物填充相图各区组织组成物填充相图各区Ld（AFe3C）P（F+Fe3C）Ld （P Fe3C）L+Fe3CLdA+Fe3C+LdLdP+Fe3C+LdLd+Fe3CLd+Fe3C组织组成物有清晰的轮廓。按组织组成物标注相区，相图上的组织与显组织组成物有清晰的轮廓。按组织组成物标注相区，相图上的组织与显微镜下观察到的显微组织能互相对应，便于了解任一成分的合金在任一微

17、镜下观察到的显微组织能互相对应，便于了解任一成分的合金在任一温度下的组织状态及温度变化时组织的变化规律。温度下的组织状态及温度变化时组织的变化规律。2 相组成物填充相图各区相组成物填充相图各区（一）（一） 钢和白口铁中各相相对重量可以利用杠杆定律计算钢和白口铁中各相相对重量可以利用杠杆定律计算共析钢中共析钢中F和和Fe3C的相对重量：的相对重量：F =（6.690.77）/6.69100% 88%Fe3C = 1 88% 12%杠杆定律可以推广，用于计算各基本组织的相对重量杠杆定律可以推广，用于计算各基本组织的相对重量含碳量为含碳量为1%的过共析钢中的过共析钢中Fe3C和和P相对重量为：相对重

18、量为：Fe3C =（10.77）/（6.690.77）100% 3.9%P = 1 3.9% 96.1%四四 铁碳合金的成分与性能的关系铁碳合金的成分与性能的关系成分成分、组织组织 性能性能过共析钢中二次过共析钢中二次Fe3C最多可达多少？最多可达多少？Fe3C=（2.110.77）/（6.690.77）100% 22.6%组织组成物相对量（组织组成物相对量（%）相组成物相对量（相组成物相对量（%）（二二） 铁碳合金的相组成物和组织组成物的相对量铁碳合金的相组成物和组织组成物的相对量22.6%2、铸造方面：、铸造方面：确定合适的浇注温度确定合适的浇注温度（液相线以上（液相线以上50100），估

19、算铸造性能。估算铸造性能。3、锻造方面：确定始锻温度和终锻温度。、锻造方面：确定始锻温度和终锻温度。4、焊接方面：估计焊后组织。、焊接方面：估计焊后组织。 5、钢的热处理。、钢的热处理。C HB ak 亚共析钢中：亚共析钢中：C b过共析钢中过共析钢中: C b （三）含碳量对力学性能的影响（三）含碳量对力学性能的影响确定材料的含碳量与力学性能之间的关系确定材料的含碳量与力学性能之间的关系 正确选择材料。正确选择材料。（四）铁碳合金相图在生产中的应用（四）铁碳合金相图在生产中的应用第三节第三节 碳素钢碳素钢W W c2.11%的铁碳合金，并含有的铁碳合金，并含有Si、Mn、S、P等杂质元素。等

20、杂质元素。一一 常存元素对钢性能的影响常存元素对钢性能的影响1 碳（碳（C）：）：C HB ak亚共析钢中：亚共析钢中：C b过共析钢中过共析钢中: C b2 锰（锰（Mn）:消除硫对钢的有害作用。消除硫对钢的有害作用。溶于溶于F体体Fe3C ，提高钢的强度和硬度；，提高钢的强度和硬度；锰在碳钢的含量为锰在碳钢的含量为0.250.80%。3 硅（硅（Si）：）：能溶于铁素体，提高其强度；硅在碳钢的含量为能溶于铁素体，提高其强度；硅在碳钢的含量为0.40%。4 硫（硫（S）：）：在钢中与在钢中与Fe化合形成化合形成FeS,而而FeS与与Fe形成低熔点共晶形成低熔点共晶体，导致钢的热脆性。钢中的含

21、硫量小于体，导致钢的热脆性。钢中的含硫量小于0.05%。5 磷（磷（P）：）：P能固溶于能固溶于F体，使钢的强度、硬度提高，但钢的塑性和韧性体，使钢的强度、硬度提高，但钢的塑性和韧性大大下降，导致钢的冷脆性。其含量控制在大大下降，导致钢的冷脆性。其含量控制在0.045%以下。以下。HBSbA k W W c0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4二二 碳素钢的分类碳素钢的分类（一）按钢的含碳量分类（一）按钢的含碳量分类（二）按钢的质量分类（二）按钢的质量分类（三）按钢的用途分类（三）按钢的用途分类W W c0.25%0.25% W W c0.60%W W c0.60%低碳钢：

22、低碳钢：中碳钢：中碳钢：高碳钢高碳钢：普通钢：普通钢：优质钢：优质钢：高级优质钢：高级优质钢：碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢wws s0.055%0.055% wwP P 0.045%0.045%wws s0.04%0.04% wwP P 0.04%0.04%wws s0.03%0.03% wwP P 0.035%0.035%：低、中碳钢低、中碳钢：高碳钢高碳钢三三 碳钢的编号和用途碳钢的编号和用途 碳素钢碳素钢碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢优质碳素工具钢：优质碳素工具钢：高级优质工具钢：高级优质工具钢：Q195 Q215 Q235 Q255 Q

23、27515 20 2545； 35A表示表示高级高级优质碳优质碳素结构钢，素结构钢， wc=0.35%T7 T8 T9 T13T7A T8AT13A 碳素结构钢以屈服强度命名，牌号表示方法碳素结构钢以屈服强度命名，牌号表示方法 ：Q s min质量等级质量等级脱氧程度符号脱氧程度符号例：例：Q235AF：钢的钢的s235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢 （一）碳素结构钢（一）碳素结构钢工程用钢，在热轧工程用钢，在热轧、正火状态使用正火状态使用，一般不需要热一般不需要热处理，供应时保证力学性能处理，供应时保证力学性能。应用：应用：P58Q195、Q215A、Q215B： 塑性较好，有一定强度。通常轧

24、制成薄板、塑性较好，有一定强度。通常轧制成薄板、 钢筋、钢管、型钢等，或制造铆钉、螺钉、钢筋、钢管、型钢等，或制造铆钉、螺钉、 轴套、销、拉杆、冲压件等。轴套、销、拉杆、冲压件等。Q235A、Q235B、Q235C、Q235D： 强度较高，制造转轴、心轴、拉杆、吊钩等。强度较高，制造转轴、心轴、拉杆、吊钩等。 Q255A、Q255B、Q275： 强度较高。制造轧辊、主轴、摩擦离合器、强度较高。制造轧辊、主轴、摩擦离合器、 刹车钢带等。刹车钢带等。（二）优质碳素结构钢：（二）优质碳素结构钢： 牌号表示方法牌号表示方法 ：二位数字：二位数字：钢中碳含量的万分之几，例：钢中碳含量的万分之几，例45钢，钢，wc=0.45% 二位数字后加二位数字后加 “A” 表示表示高级高级优质碳素结构钢优质碳素结构钢，例例35A钢