铁碳合金相图(1)

1、整理课件整理课件1 1铁碳合金相图整理课件整理课件2 2主要内容 铁碳合金的相结构 铁碳合金相图 碳钢与铸铁 铁碳合金相图的应用及其局限整理课件整理课件3 3第一节 铁碳合金的相结构 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe，随后随着温度的降低发生同素异构转变，得到面心立方晶格的-Fe，再冷却生成体心立方晶格的-Fe。 碳溶入-Fe和-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。 碳原子溶入-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在1394以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的

2、基本相。 铁碳合金相图的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。整理课件整理课件4 4ANG纯铁的冷却曲线Fe-Fe3C相图（局部）整理课件整理课件5 5一、铁素体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方晶格的-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.0218%，而在室温时固溶度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下： 抗拉强度 b 180-280Mpa屈服强度 S 100-170Mpa断后伸长率A11.3 30%-50%冲击韧性K 160-200 J/cm2布氏硬度HB

3、 50-80HBS由此可见，铁素体有优良的塑由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素在铁碳合金中是软韧相。铁素体是体是912912以下的平衡相，也以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用称做常温相，在铁碳相图中用符号符号F F或或表示。表示。整理课件整理课件6 6二、奥氏体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方晶格的-Fe的晶格间隙半径为0.052nm，比-Fe的间隙稍大，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727时是0.77%(共析点)。 奥

4、氏体是727以上的平衡相，也称高温相。在高温下，奥氏体具有极好的塑性，所以在此相区具有良好的热轧、锻造等热加工工艺性能。在铁碳合金相图中，奥氏体通常用符号A或表示。整理课件整理课件7 7三、渗碳体 渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙化合物，属于复杂八面体结构，含碳量6.69%。 渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几乎是零。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能影响很大。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。 在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：Fe3C 3Fe+

5、C（石墨）整理课件整理课件8 8一、相图图形介绍 在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性大，没有使用价值。因此只研究含碳量小于6.69%的这一部分，通常称为铁碳合金相图，也称Fe-Fe3C相图，如图2-1所示。 在FeFe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是在1400以上发生反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。FeFe3C相图可简化为图2-2形式。第二节 铁 碳 合 金 相 图整理课件整理课件9 9L+Fe3C图图2-1Fe-F

6、e3C 相图相图图图2-2 简化的简化的Fe-Fe3C相图相图整理课件整理课件1010 L4.3 A2.11 + Fe3C恒温1148恒温727 相图的右上部为共晶相图。相图的右上部为共晶相图。在在1148时，含碳量时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：的合金发生共晶反应： A0.77 F0.0218 + Fe3C以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号P表示。表示。以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶

7、体组织，称为莱氏体，以符号Ld表示。表示。 相图的左下部为共析相图。相图的左下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在的奥氏体在727时发生共析反应：时发生共析反应：整理课件整理课件1111二、相图中点、线和相区的意义珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数

8、据如下：布氏硬度 HB 180-280HB断后延伸率 A11.3 20%25%冲击韧性 a K 3040J/cm抗拉强度 b 750-900Mpa 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。特性点温度（）含碳量（）特性点含义 A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120-Fe -Fe的同素异构转变点S7270.77共析点由此可见，珠光体由此可见，珠光体力学性能介力学性能介于铁素体与渗碳体之间，具于铁素体与渗碳体之间，具有有较好的塑性和韧性，强度较高，较好的塑性

9、和韧性，强度较高，硬度适中。正火后便可得到珠硬度适中。正火后便可得到珠光体组织。光体组织。整理课件整理课件1212铁碳合金相图中各主要线的意义：AECF为固相线。为固相线。若温度低于若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。线时，铁碳合金凝固为固体。ECF为共晶线。为共晶线。若含碳量在若含碳量在ECF线的范围（线的范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在）内，铁碳合金在1148时时即发生共晶反应，形成莱氏体。即发生共晶反应，形成莱氏体。ES为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称Acm。从该线可以看出，在从该线可以看出，在1148时碳在奥氏时碳在奥氏体中的最大溶解度为体

10、中的最大溶解度为2.11%，在，在727时，溶解度为时，溶解度为0.77%，随着温度降低，碳在奥，随着温度降低，碳在奥氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（为二次渗碳体（Fe3C）。从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体（）。从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3C），），从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3C）。）。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简

11、称A3线。线。GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。PSK为共析线，简称为共析线，简称A1线。线。若含碳量在若含碳量在PSK线的范围（线的范围（0.0218%6.69%）内，奥氏体）内，奥氏体在在727时必然发生共析反应，形成珠光体。时必然发生共析反应，形成珠光体。整理课件整理课件1313PQ为碳在铁素体中溶解度曲线。从该线可以看出，在727时碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，在600时溶碳量约为0.0057，在室温仅能溶解碳0.008%，可忽略不计。故一般铁碳合金凡是从727缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为

12、三次渗碳体（Fe3C）。 因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。对于一次，二次，三次因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。对于一次，二次，三次渗碳体，仅在其来源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。渗碳体，仅在其来源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。 简化的铁碳合金相图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即简化的铁碳合金相图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即 L，A，F及及Fe3C；渗碳体是铁碳相图的基本组成相，它的成分是固定不变的，因此在相图上；渗碳体是铁碳相图的基本组成相，它的成分是

13、固定不变的，因此在相图上它的相区仅是一条竖直线。它的相区仅是一条竖直线。相图中有五个双相区，即相图中有五个双相区，即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F、A+FeA+Fe3 3C C、F+FeF+Fe3 3C C。相图中的两条水平线相图中的两条水平线是三相平衡线，线上有三个点，分别与各个单相区以点相连接，当发生三相平衡反是三相平衡线，线上有三个点，分别与各个单相区以点相连接，当发生三相平衡反应时，三个平衡相的成分即这三个点的成分，说明了在相变过程中相变温度和各组应时，三个平衡相的成分即这三个点的成分，说明了在相变过程中相变温度和各组成相的相对含量是固定的。成相的相对含量是固

14、定的。 从相图可以看出，含碳量大于从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe3C相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。整理课件整理课件1414三、典型合金结晶过程及室温组织工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁，碳钢和铸铁三大类，它们的区别在于含碳量的不同。含碳量小于0.0218%的，称为工业纯铁；含碳量大于0.0218%而小于2.11%

15、 ，称为碳铁；含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的，称为铸铁。在分析铁碳合金的平衡组织时，在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，亚共析钢，过共析钢；将亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金铁共六种典型合金，如图，如图2-3所示。所示。整理课件整理课件1515（一）共析钢上图中合金称为共析钢，其含碳量为0.77%。当温度在1点以上时，合金为液相；温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体；温度降至12点之间时，从液相中不断析出奥氏体。它的特点

16、是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC线变化，奥氏体的成分沿AE线变化。当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度降至23点之间时，合金为单相奥氏体。温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C，两相所组成的共析组织即珠光体P。整理课件整理课件1616珠光体是在727恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含碳量从0.0218%降至几乎为零，碳则以微量的三次渗碳体的形式析出来。恒温727LL+A P图2-5 共析钢的珠光体组织 500 x共析钢的结晶过程如图共析钢的结晶过程如

17、图2-4所示。珠光体的显微组织如图所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁所示，铁素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：共析钢的结晶过程用反应式表示为：整理课件整理课件1717（二）亚共析钢含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢。以图2-3中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如图2-6所示。合金从液相冷却到1-2点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；温度继续降至2-3点之间时，完全转变为单相奥氏体；当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；

18、温度降至3-4点时，根据杠杆定律可以计算出结晶出的先共析铁素体含量为4S/（PS），剩下的奥氏体相的量为 P4/（PS）。温度降至4点时剩下的奥氏体成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为先共析铁素体（图27中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织（图27中黑色部分）。温度继续降至室温时，显微组织基本不变（析出的三次渗碳体可忽略不计）即为铁素体加珠光体（F+P）。整理课件整理课件1818 Wc=0.20% Wc=0.40%图27 亚共析钢的室温组织 200 x整理课件整理课件1919铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区的

19、PS线上计算出。合金中，珠光体组织含量为：QP=P4/PS100%先共析铁素体含量为：QF=1QP 或 QF=4SPS100%随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当含碳量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚共析钢中铁素体与渗碳体的含量，称作相的相对含量：QF（总）=（6.69）/（6.690.0218）100%QFe3C = 1 QF（总）其中其中 Q QF F（总）（总）为先共析铁素体与共析铁素体

20、之和。式中为先共析铁素体与共析铁素体之和。式中 亚共析钢的含碳量。亚共析钢的含碳量。亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L L+A A FA F+P整理课件整理课件2020含碳量在 0.77% 2.11% 的碳钢, 称为过共析钢。以图2-3中合金为例，过共析钢的结晶过程如图2-8所示。合金从液相冷却至1-2点以后，结晶出奥氏体；温度继续降至2-3之间时，全部转变为奥氏体；温度降至3点时，碳在奥氏体中溶解度达到饱和。温度降低至3-4时，开始析出Fe3C，即为二次渗碳体Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界析出。室温下过共析钢的显微组织如图2-9所示，图中白色的沿

21、着晶界分布的组织即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。温度降至4点（727）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在AFe3C两相区SK线上计算出来。（三）过共析钢整理课件整理课件2121 含碳量1.2%的过共析钢的显微组织 200 x 含碳量1.4%的过共析钢的显微组织 200 x图2-9整理课件整理课件2222 式中 过共析钢的含碳量剩余的奥氏体量为1QFe3CII，其成分已沿着ES线变化至S点，已具备珠光体转变的条件，在共析点727时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体组织的相对量即为剩余奥氏体的量：Q P1QFe3CII 或 Q P利用杠杆定律可以在 F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体

22、相的相对量：QF = Q P （6.690.77）/（6.690.0218）QFe3C = 1 QF%10077. 0-69. 677. 0-%100SKS4%10077.0-69.6-69.6 Q Fe3CII =L L + A A Fe3CII A Fe3CII + P 恒温727 这样计算出的这样计算出的QFe3C为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶 过程可用反应式表示为：过程可用反应式表示为：整理课件整理课件2323（四）共晶白口铁图23中合金称为共晶白口铁，含碳量为4.3，其结晶过程如图210所示。自液相冷却至1点，即降至共晶温度1

23、148时，发生共晶反应，从液相中同时析出含碳量为2.11的奥氏体和含碳量为6.69的渗碳体的共晶体组织，这种机械混合物组织称为莱氏体用符号Ld表示。莱氏体组织为球状或短杆状的奥氏体均匀分布在渗碳体基体上。温度从1点继续下降时，共晶体中奥氏体的碳溶解度下降，不断析出二次渗碳体。温度降至727时，奥氏体中的含碳量已降至0.77，此时，奥氏体具备了共析转变的条件，转变为二次渗碳体以及珠光体组织。这样，共晶白口铸铁中的莱氏体组织形态不变，只是其中球状和短杆状的奥氏体转变成了二次渗碳体和珠光体，而且二次渗碳体又与一次渗碳体融为一体，不大容易分辨。这种由一次渗碳体、二次渗碳铁和珠光体组成的组织称为低温莱氏

24、体，用Ld表示，其显微组织如图211所示。共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为：L AFe3CI （AFe3CII）Fe3CI 恒温1148Ld 恒温727PFe3CIIFe3CI整理课件整理课件2424整理课件整理课件2525（五）亚共晶白口铁含碳量高于2.11%，低于4.3%的合金称为亚共晶白口铁。以图2-3合金5为例，亚共晶白口铁的结晶过程如图2-12所示。在共晶反应之前，即12之间，从液相中已先结晶出一部分初生奥氏体A，其形态如树枝状（图212）。冷却到2点时，剩下液相的温度和成分已具备共晶反应的条件，遂转化为莱氏体Ld 。A与Ld的相对量可利用杠杆定律从L+A相区EC线上计算出。初生

25、A+Ld的组织形态冷却至室温时变化不大，只是温度在1148以下时，初生奥氏体中都要析出Fe3CII；冷却至727时（即3点时），又具备了共析反应的条件，转变为珠光体。室温的显微组织为二次渗碳体、珠光体及低温莱氏体，如图213所示。合金的结晶过程可用反应式表式为： LAL ALd ALdFe3CII 恒温727恒温1148PLd Fe3CII整理课件整理课件2626图2-13 亚共晶白口铁的室温组织 200 x图中黑色树枝状组织为珠光体，其余为共晶组织整理课件整理课件2727（六）过共晶白口铁 含碳量为4.3%6.69%的铁碳合金，称为过共晶白口铁。以图 23中合金为例，过共晶白口铁的结晶过程如

26、图2-14所示。 从1点开始自液相中结晶出呈板条状的一次渗碳体Fe3CI，剩下的液相在2点1148转变为莱氏体Ld。所生成的Fe3CI +Ld的组织冷却至室温时形态变化不大。过共晶白口铁室温时的显微组织为板条状的一次渗碳体及低温莱氏体，如图215所示。 L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI恒温727恒温1148整理课件整理课件2828整理课件整理课件2929第三节 碳钢与铸铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，它的力学性能与铁素体基本相同，有良好的塑性和韧性，较低的强度与硬度。在亚共析钢中，室温组织为铁素体+珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光体+渗碳体。含碳量的变化，室

27、温组织即变化，随之碳钢性能不同。含碳量对碳钢组织的影响见图3-1。含碳量对力学性能的影响见图3-2，从图中可以看出，当含碳量增加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11%而大于而大于0.0218%且不含有特意加入的合金元素的且不含有特意加入的合金元素的钢称为碳钢。钢称为碳钢。目前使用的金属材料中，碳钢占有重要地位，工程中使用的目前使用的金属材料中，碳钢占有重要地位，工程中使用的碳钢均含有锰、硅、硫、磷等元素。碳钢均含有锰、硅、硫、磷等元素。一 碳钢碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统称五大元素。炼钢时要对上碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统

28、称五大元素。炼钢时要对上述元素含量进行分析和控制。它们的含量对碳钢的性能有较大的影响。述元素含量进行分析和控制。它们的含量对碳钢的性能有较大的影响。（一）钢中常存元素对碳钢性能的影响（1 1）碳的影响）碳的影响整理课件整理课件3030图3-1 含碳量对碳钢组织的影响图3-2 含碳量对碳钢力学性能的影响含碳量的增加，碳钢中的渗碳体也在不断的增加。但是，当含碳量超过0.9%后，由于游离状态的二次渗碳体沿晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加，反而使碳钢强度逐渐下降。工程上已很少使用含碳量大于1.4%的碳钢。整理课件整理课件3131（2）锰的影响锰

29、的影响 锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的。一般碳钢的含锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的。一般碳钢的含锰量为锰量为0.25%-0.8%。钢中的锰一部分形成。钢中的锰一部分形成MnS和和MnO的夹杂物，其余的夹杂物，其余的锰溶入铁素体和渗碳体中。锰溶入铁素体中起到固溶强化的作用，从的锰溶入铁素体和渗碳体中。锰溶入铁素体中起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度。而提高钢的强度。锰是有益元素锰是有益元素。（3）硅的影响硅的影响 硅与锰相似，具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体中可提高硅与锰相似，具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体中可提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显，但含量大于钢的强度，且塑性、

30、韧性降低不明显，但含量大于0.8%时，钢的塑性、时，钢的塑性、韧性显著下降。一般控制钢中硅含量在韧性显著下降。一般控制钢中硅含量在0.5%以下。以下。（4 4）硫的影响）硫的影响 硫是炼钢过程中难以除尽的杂质元素。易以硫是炼钢过程中难以除尽的杂质元素。易以FeSFeS的形式与的形式与FeFe形成低熔点的共晶体并附在晶界上，这种共晶体熔点为形成低熔点的共晶体并附在晶界上，这种共晶体熔点为958958，使得在，使得在1100110012001200时热轧、热锻的钢材易产生热裂纹并报废，称为时热轧、热锻的钢材易产生热裂纹并报废，称为热脆性热脆性。在钢中的含量应控制在在钢中的含量应控制在0.04%0.

31、04%以下。但硫以下。但硫可以改善钢的被切削性能，所可以改善钢的被切削性能，所用在易切削钢中硫是作为有益元素加入的。用在易切削钢中硫是作为有益元素加入的。（5 5）磷的影响）磷的影响 磷来源于炼钢原料，为杂质元素。它可以溶入铁素体中而磷来源于炼钢原料，为杂质元素。它可以溶入铁素体中而提提高钢的高钢的冷脆性冷脆性并并使钢的塑韧性明显降低。在钢中的含量不得超过使钢的塑韧性明显降低。在钢中的含量不得超过0.04%0.04%。整理课件整理课件3232除了上述常存的元素外，还有氢、氧、氮等残存与钢中，这些气体易形成除了上述常存的元素外，还有氢、氧、氮等残存与钢中，这些气体易形成白点、气孔和非金属夹杂物。

32、特别是氧化物夹杂白点、气孔和非金属夹杂物。特别是氧化物夹杂SiO2、MnO等。这些缺陷等。这些缺陷的存在，均降低钢材质量。的存在，均降低钢材质量。（二）常见合金元素对钢性能的影响在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加合适的合金元素以改善材料的性能。合适的合金元素以改善材料的性能。（1）由碳钢制成的零件尺寸不宜太大。否则，因淬透性不够而不能满足工件对强度、硬度与塑韧性良好配合的要求。加入合金元素可提高淬透性。（2）用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金可满足。（3）

33、碳钢不能满足特殊性能的要求，如耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等，只有特种的合金钢才能具有这些性能。整理课件整理课件3333Cr 提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加钢的耐磨性，含量超过提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加钢的耐磨性，含量超过12时，钢具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性，是不锈钢及耐热钢的主要合金时，钢具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性，是不锈钢及耐热钢的主要合金元素。铬在调质合金钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有元素。铬在调质合金钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能；在渗碳钢中可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表较好的综合力

34、学性能；在渗碳钢中可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。面的耐磨性。 Mo 提高钢的淬透性，在调质钢中，钼能使较大截面的零件淬深、淬透，提提高钢的淬透性，在调质钢中，钼能使较大截面的零件淬深、淬透，提高钢的回火稳定性，从而更有效地降低残余应力，提高塑性。在渗碳钢中，高钢的回火稳定性，从而更有效地降低残余应力，提高塑性。在渗碳钢中，钼能在表面渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层钼能在表面渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中残余奥氏体，相对地增加了表层的耐磨性。中残余奥氏体，相对地增加了表层的耐磨性。 Mn 锰是良好的脱氧剂和脱硫剂锰是良好的脱氧

35、剂和脱硫剂。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。氏体的硬度和强度。可以使可以使钢的调质组织均匀、细化，可以避免渗碳层中碳钢的调质组织均匀、细化，可以避免渗碳层中碳化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向。化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向。整理课件整理课件3434二 铸铁铸铁是含碳量在2.116.69的铁碳合金。碳以渗碳体形式存在的铸铁，断口呈银白色，称为白口铸铁。碳以全部或大部分片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，称为灰口铸铁。（一）概述铁碳相图中，渗碳体铁碳相图中，渗碳体Fe3C作为一个组元是较稳定的相。但在铁

36、碳合金中，它作为一个组元是较稳定的相。但在铁碳合金中，它仍是个亚稳相，石墨才是稳定的相。仍是个亚稳相，石墨才是稳定的相。在工业上应用的铸铁中，碳一般都是以在工业上应用的铸铁中，碳一般都是以石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。（1）优良的铸造性能优良的铸造性能 浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小。浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小。（2）优良的减震性优良的减震性 由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能。因此由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能。因此铸铁具有优良的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。铸铁具有优良

37、的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。（3）良好的切削加工性能良好的切削加工性能 由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，所以铸铁有很好的切削加工性能。所以铸铁有很好的切削加工性能。 铸铁的强度、塑性、韧性都很差，属于脆性材料。这是铸铁的根本缺点。铸铁的强度、塑性、韧性都很差，属于脆性材料。这是铸铁的根本缺点。它的导热它的导热性差焊接性差，因此铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。性差焊接性差，因此铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。整理课件整理课件3535影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。碳和硅是促进石墨化的主要元素

38、，碳和硅的含量越高，铸铁的石墨化越充分；其次是冷却速度，铸铁件的冷却速度快时，易生成Fe3C而白口化。冷却速度慢时，铸铁件易于石墨化。铸铁中析出石墨后，若石墨化进行得彻底，将得到铁素体基体及石墨的组织；若石墨化不完全，则得到铁素体及珠光体基体和石墨的组织或珠光体和石墨的组织。铸铁的组织是在钢的基体上分布着大小和形状不同的石墨。由于石墨形态不同，铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。（二）铸铁的石墨化整理课件整理课件3636（三）铸铁分类球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，其综合性能接近于钢。微观组织如图3-3所示。球墨铸铁的牌号用符号

39、QT及数字表示，QT表示球墨铸铁，数字表示球墨铸铁的抗拉强度和延伸率的最低值。例如，QT600-02表示b 600MPa，A2。可锻铸铁是白口铸铁在高温下长时间保温获得的，所以生产周期长，成本可锻铸铁是白口铸铁在高温下长时间保温获得的，所以生产周期长，成本高。现已逐渐被球墨铸铁取代。高。现已逐渐被球墨铸铁取代。灰口铸铁是目前使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的灰口铸铁是目前使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的80%。整理课件整理课件3737由于球墨铸铁中石墨多为球状，大大减少了铸铁由于球墨铸铁中石墨多为球状，大大减少了铸铁的应力集中，具有优良的力学性能，而且工艺简的应力集中，具有优良的力学性能，而且工艺简

40、单，成本低，所以广泛应用于制造各种机械零件，单，成本低，所以广泛应用于制造各种机械零件，如发动机曲轴、连杆、轴瓦、齿轮、汽轮机汽缸如发动机曲轴、连杆、轴瓦、齿轮、汽轮机汽缸等。等。图图3-3 球墨铸铁正火后球墨铸铁正火后组织组织 400 x球墨铸铁正火后组织说明：基体为珠光球墨铸铁正火后组织说明：基体为珠光体加断续状铁素体，石墨为黑色球状。体加断续状铁素体，石墨为黑色球状。整理课件整理课件3838第四节 铁碳合金相图的应用及其局限一一 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用（一）选材方面的应用（一）选材方面的应用对于需要具有良好的塑性、韧性的材料如厂房结构、冷却塔，则可选用铁对于需要具有良好的塑

41、性、韧性的材料如厂房结构、冷却塔，则可选用铁素体组织多的低碳钢（素体组织多的低碳钢（C C =0.1%-0.25%=0.1%-0.25%）；）；对于要求综合机械性能较高的材料即强硬度、塑韧性都较好如轴、齿轮，则对于要求综合机械性能较高的材料即强硬度、塑韧性都较好如轴、齿轮，则可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢（可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢（C C=0.25%-0.65%=0.25%-0.65%）；）；对于需要硬度高、耐磨性好的材料时如工具、轴承，则可选含碳量更高的其对于需要硬度高、耐磨性好的材料时如工具、轴承，则可选含碳量更高的其组织是珠光体加渗碳体的高碳钢（组织是珠光体加渗碳体的高碳钢

42、（C C=0.8%-1.4%=0.8%-1.4%）。）。铁碳合金相图很好地反映了材料成分与组织之间的关系，铁碳合金相图在铁碳合金相图很好地反映了材料成分与组织之间的关系，铁碳合金相图在选择材料、金属加工、热处理以及选配合金钢、合金铸铁等方面有着重要选择材料、金属加工、热处理以及选配合金钢、合金铸铁等方面有着重要作用。如图作用。如图4-1所示。所示。 整理课件整理课件3939（二）锻造方面的应用（二）锻造方面的应用 钢处于奥氏体状态时强度低，塑性好，因此热锻、热轧选在单相奥氏体钢处于奥氏体状态时强度低，塑性好，因此热锻、热轧选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下区内进行。一般

43、始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内。范围内。温度高时，钢的变形抗力小，但温度不能过高，以防钢材过热、过烧。温度高时，钢的变形抗力小，但温度不能过高，以防钢材过热、过烧。终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在析钢热加工终止温度多控制在GS线以上，避免变形时出现大量铁素体，线以上，避免变形时出现大量铁素体，而使强度降低。我公司始锻温度为而使强度降低。我公司始锻温度为11001200，终锻温度为，终锻温度为9001000。（三）热处理方面的应用（三）热处理方面的应用 铁碳相图

44、对于制定热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退铁碳相图对于制定热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据铁碳相图确定的。钢的热处理种类分火、正火、淬火的加热温度都是依据铁碳相图确定的。钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类。常用整体热处理工艺有正火，退火、为整体热处理和表面热处理两大类。常用整体热处理工艺有正火，退火、淬火和回火，俗称淬火和回火，俗称“四把火四把火”。表面热处理分为表面淬火与化学热处理两。表面热处理分为表面淬火与化学热处理两类。类。整理课件整理课件4040正火正火正火是将钢件加热到临界温度以上正火是将钢件加热到临界温度以上

45、30-50，保温适当时间后，在静止的，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，常用作预先热处理。正火后的组钢的性能，获得接近平衡状态的组织，常用作预先热处理。正火后的组织可通过铁碳平衡相图反应出来，如图织可通过铁碳平衡相图反应出来，如图4-2所示。所示。退火退火将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜的速度冷却将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜的速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。退火的（通常是缓慢冷

46、却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。退火的目的如下：目的如下： （1）降低硬度，改善切削加工性；）降低硬度，改善切削加工性； （2）消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；）消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； （3）细化晶粒，调整组织，）细化晶粒，调整组织，提高工件的综合机械性能。提高工件的综合机械性能。整理课件整理课件4141淬火淬火淬火是将钢加热到临界温度淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之完全或部分奥氏体化，然后以大于临界冷一温度，保温一段时间，使之完全或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到却速度的冷速快冷到Ms点以下进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工点以下进行马