第二章 Fe-C合金

1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金主讲：宋义全主讲：宋义全材料与冶金学院材料与冶金学院 碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。碳钢和铸铁都是在铁中加入一定比例金属材料。碳钢和铸铁都是在铁中加入一定比例的碳，所以，碳和铁是钢铁材料中最基本的组元。的碳，所以，碳和铁是钢铁材料中最基本的组元。为了更好的掌握钢铁材料，我们先从铁入手，之为了更好的掌握钢铁材料，我们先从铁入手，之后，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金后，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质，并了解它的成分、组织结构与性能之间的本质，并了解它的成分、组织结构与性能之间的关系。的关系。

2、u纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变金属的多晶型性（同素异构现象）多晶型性转变（同素异构转变）纯铁的同素异构转变-Fe -Fe -Feu纯铁的成分及性能纯铁的成分及性能纯铁（工业纯铁）：含杂质0.10%0.20%性能：b=180230MPa 0.2=100170MPa =30%50% =70%80% Ak=128160J HBS=5080纯铁及其同位素转变纯铁及其同位素转变1394 912 u 铁素体（铁素体（F或或）定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体 晶格结构：bcc 最大溶解度：0.02%（727） 性能： 强度b=180230MPa 屈服强度0.2=100170MPa 硬度HBS=

3、5080延伸率=30%50% 截面收缩率=70%80% 冲击功 ak=160200J/cm 2u -铁素体铁素体：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体，最大溶解度：0.09%，1495 铁碳合金的相和组织组成u奥氏体（奥氏体（A或或）定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织） 晶格结构：fcc 最大溶解度：2.11%（1148） 性能： b400MPa HBS=170220 =40%50% 高塑性、无磁 铁碳合金的相和组织组成u 渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：b30MPa HBS=800 0 0 硬而脆（耐磨性好） Fe

4、3C 3Fe+C（石墨） 合金渗碳体： （Fe、Me）3CFe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）u 石墨碳石墨碳晶格结构：简单六方性能: 加工性能 机械性能铁碳合金的相和组织组成高温u 珠光体（珠光体（P）定义：F与 Fe3C 所形成的整合组织 （平均含碳量：0.77%）性能：b750MPa HBS=180 20%25% ak=3040J/cm 2 铁碳合金的相和组织组成u 莱氏体（莱氏体（Ld、 或或 Le 、 ）定义：A与 Fe3C 所形成的整合组织（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆铁碳合金的相和组织组成u Fe-FeFe-Fe3 3C C亚稳平衡相图亚稳平衡相图相区相区重要线重要线A

5、BCDAHJECFHJBECFPSK（A1）GS（A3）ES（Acm）PQ铁碳合金相图分析41 铁碳合金相图分析L+AFAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3C+L+ALAB 0.53C4.3DE 2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.691148 727 1394 WC(%)T()N重要点重要点N N、G G 同素异构转变点H H、E E、P P、Q Q 最大溶解度点J J、C C、S S 包晶、共晶、共析点A A、D D Fe、Fe3C 熔点包晶反应包晶反应共晶反应共晶反应共析反应共析反应17. 0149509. 053. 01495ALALJHB 即

6、CFeALCFeALEC311. 211483 . 431148 即LdLdCFeFACFeFAPS30218. 072777. 03727 即PPL+AFAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3C+L+ALAB 0.53C4.3DE 2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.691148 727 1394 WC(%)T()Nu 铁碳合金分类铁碳合金分类u 铁碳合金的结晶过程分析铁碳合金的结晶过程分析共析钢共析钢 wc =0.77% =0.77%铁碳合金相图分析室温平衡组织室温平衡组织:100% P（F和和Fe3C）组成相的质量分数为：组成相的质量分数为：L+A

7、FAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3C+L+ALAB 0.53C4.3DE 2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.691148 727 1394 WC(%)T()N亚共析钢亚共析钢0.0218% 0.0218% wc 0.77% 0.77%铁碳合金相图分析0.20%C0.20%C0.40%C0.40%C组成相的质量分数为：组成相的质量分数为：室温平衡组织室温平衡组织:F+P:F+P，其相对量为：，其相对量为：含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P

8、。在在0.02180.77%C 范围内珠光体范围内珠光体的量随含碳量增加而增加的量随含碳量增加而增加。过共析钢过共析钢0.077% 0.077% wc 2.11% 2.11%硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀室温平衡组织室温平衡组织:P+ Fe:P+ Fe3 3C C ，其相对量为：，其相对量为：工业纯铁工业纯铁 wc 0.02% 0.02%铁碳合金相图分析室温平衡组织室温平衡组织:F+ Fe3C 共晶白口铁共晶白口铁 wc=4.3%=4.3%合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶莱氏体是共晶 与与共晶共晶Fe3C的整合组织的整合组织, 呈

9、蜂窝状呈蜂窝状.铁碳合金相图分析lC点以下点以下, 成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结结合，不易分辨。合，不易分辨。%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， 室温平衡组织室温平衡组织:100%:100%l共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:温度降到温度降到2点点, 成分达到成分达到0.77%, 此时此时, 相的相对重量相的相对重量: %.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， l在在2点点, 共晶共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由

10、发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与与 Fe3C组成的共组成的共晶体称晶体称低温莱氏体低温莱氏体, 用用Le表示表示. l2 点以下，共晶体中点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。的变化同共析钢。共晶白口铁室温组织为共晶白口铁室温组织为Le (P+ Fe3C), 它保留了它保留了共晶转变产物的形态特征共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百室温下两相的相对重量百分比为：分比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ 亚共晶白口铁亚共晶白口铁2.11% 2.11% wc 4.3% 4.3%铁碳合金相图分析l合金在合金

11、在12点间析出点间析出 。到到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点点,并转变为并转变为Le。23点点间从间从 中析出中析出Fe3C，一次一次 的的Fe3C被共晶被共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点， 转转变为变为P。亚共晶白口铁室温组织为亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Ld。过共晶白口铁过共晶白口铁4.3% 4.3% wc 6.69% 6.69%12点间点间从液相中析出从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体这种渗碳体称称一次渗碳体一次渗碳体，用用 Fe3C表示表示，呈粗条片状。，呈粗条片状。到到2点，余下的液相成分变到点，余下的液相成分变到C点并转变为点并转变为Le。铁碳合金相图分析2点

12、以下点以下, Fe3C成分重量不再发生变化成分重量不再发生变化, Le变化同共晶合金变化同共晶合金,其其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。 l组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物与组织组成物与相组成物标注相组成物标注区别主要在区别主要在 + Fe3C和和 +Fe3C两个相区两个相区. + Fe3C相区中相区中有有四个组织组成四个组织组成物区，物区， +Fe3C相区中相区中有七个有七个组织组成物区组织组成物区。 + Fe3C + Fe3C FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+

13、 Fe3CA+ Fe3C+LdLdLe+ Fe3CLe+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度钢钢铁素体铁素体 亚亚共析钢共析钢过共析钢过共析钢亚亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体4-2含碳量对铁碳合金组织和性

14、能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 铁碳合金相图分析 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界为晶界连续网状，强度下降连续网状，强度下降, 但但硬度仍上升。硬度仍上升。l2.11%C，组织中有

15、以组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合金太脆合金太脆. 含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 切削性能切削性能: : 中碳钢合适中碳钢合适 可锻性能可锻性能: : 低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能: : 低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能: : 共晶合金好共晶合金好 热处理性能热处理性能: : 第六章介绍第六章介绍铸铸造造焊缝组织焊缝组织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨4-3 碳钢碳钢1、钢中常存杂质对碳钢性能的影响：、钢中常存杂质对碳钢性能的影响： 钢中常存杂质有钢中常存杂质有Mn、Si、S、P等；等；1.1Mn和和Si的影响：的影响：Mn和和Si

16、是炼钢中必须加入的脱氧剂；是炼钢中必须加入的脱氧剂；用于除去溶于钢液中的氧，将用于除去溶于钢液中的氧，将FeO还原为还原为Fe，形成，形成MnO和和SiO2；Mn可以用于除可以用于除S，与钢液中的，与钢液中的S结合为结合为MnS，减轻，减轻S的危害；的危害；在碳钢中在碳钢中Mn的含量通常小于的含量通常小于0.8%，Mn大部分溶于大部分溶于F中，形成置中，形成置换固溶体，强化换固溶体，强化F，一部分则溶于，一部分则溶于Fe3C中，形成（中，形成（Fe,Mn)3C；同；同时，时，Mn还能增加还能增加P的相对含量。这些都使钢的强度增加；的相对含量。这些都使钢的强度增加；Si也溶于也溶于F之中，起强化

17、作用，但含量较高时，会使塑韧性下降之中，起强化作用，但含量较高时，会使塑韧性下降，所以含量一般为小于，所以含量一般为小于0.5%。1.2 S的影响：的影响：S是有害杂质，是炼钢时由矿石、燃料带到钢中的，它的是有害杂质，是炼钢时由矿石、燃料带到钢中的，它的最大危害是在热加工时开裂，即产生最大危害是在热加工时开裂，即产生热脆热脆。钢中加入钢中加入Mn可以一定程度上减少热脆的发生。可以一定程度上减少热脆的发生。所以，为避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制：所以，为避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制： 普通碳钢：含硫量普通碳钢：含硫量0.055% 优质碳钢：含硫量优质碳钢：含硫量 0.040% 高级优质

18、碳钢：含硫量高级优质碳钢：含硫量 0.030%1.3 P的影响：的影响：P也是有害杂质，也是有害杂质，P可以完全溶入可以完全溶入F中，使中，使F的强度的强度、硬度提高，但却剧烈的降低钢的塑韧性，从而时钢变脆，这、硬度提高，但却剧烈的降低钢的塑韧性，从而时钢变脆，这种现象叫做种现象叫做冷脆冷脆。所以，为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格控制：所以，为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格控制： 普通碳钢：含硫量普通碳钢：含硫量0.045% 优质碳钢：含硫量优质碳钢：含硫量 0.040% 高级优质碳钢：含硫量高级优质碳钢：含硫量 0.035%2、碳钢的分类和编号：、碳钢的分类和编号：2.1分类：分类：按含碳量

19、分：按含碳量分：按钢的质量分：按钢的质量分： 碳素结构钢碳素结构钢: 工程结构件（钢板、钢筋、型钢桥梁、船舶、建筑） 普通机械零件（少）一般为低碳和中碳钢按用途分：按用途分： 碳素工具钢；碳素工具钢；刃具钢、模具钢、量具钢,一般为高碳钢低碳钢：低碳钢：0.250.25；中碳钢：中碳钢：0.300.300.550.55；高碳钢：高碳钢：0.600.60普通碳素钢：普通碳素钢：0.0550.055、 0.0450.045；优质碳素钢：优质碳素钢：0.0400.040、 0.0400.040；高级优质钢：高级优质钢：0.0300.030、 0.0350.035；2.2、编号与用途：、编号与用途：2.

20、2.1普通碳素结构钢：普通碳素结构钢： 含炭量含炭量0.06%0.38%，热轧钢板、钢管、型钢、棒钢、盘圆等，一，热轧钢板、钢管、型钢、棒钢、盘圆等，一般不再热处理，而直接在供应状态使用，主要用于建筑、桥梁、船舶、般不再热处理，而直接在供应状态使用，主要用于建筑、桥梁、船舶、车辆车辆使用状态：使用状态：热轧空冷热轧空冷 SFQ+最低屈服强度值最低屈服强度值+质量等级符号质量等级符号+脱氧方法符号脱氧方法符号Q表示表示“屈服强度屈服强度”；屈服强度值单位是；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为质量等级符号为A、B、C、D、E。由。由A到到E，其，其P、S含量依次下降，质含量依次下降，质量提高。

21、量提高。脱氧方法符号脱氧方法符号: 沸腾钢沸腾钢F；镇静钢；镇静钢Z；半镇静钢；半镇静钢b；特殊镇静钢；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。GB7001988；如表；如表42所示，表所示，表43为普通碳素结构钢的力学性能。为普通碳素结构钢的力学性能。 碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)牌号等级化学成分脱氧方法w(C)%w( Mn)%w( Si)%w(S )%w( P)%不大于Q1950.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A / B0.09-0.150.25-0.550.300.0

22、50 / 0.0450.045F,b,Z Q235 A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC0.180.35-0.800.300.0400.040ZD0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A / B0.18-0.280.40-0.700.300.050 / 0.0450.045ZQ2750.28-0.380.50-0.800.350.0500.045ZQ195、Q215碳含量低、强度较低，但塑性高、焊接性能及碳含量低、强度较低，但塑性高、焊接性能及可冲压

23、性良好，主要用于制造强度要求不高的普通铆钉、可冲压性良好，主要用于制造强度要求不高的普通铆钉、螺钉、螺母、垫圈等螺钉、螺母、垫圈等Q235强度塑性居中，主要用于桥梁、建筑等钢结构。强度塑性居中，主要用于桥梁、建筑等钢结构。Q255、Q275碳含量较高，强度也高，制造强度要求高的碳含量较高，强度也高，制造强度要求高的普通零件。农业机械零件中的转轴、挂钩、摇杆普通零件。农业机械零件中的转轴、挂钩、摇杆2.2优质碳素结构钢：优质碳素结构钢：使用状态：使用状态：使用前一般都要经过热处理（渗碳、淬火、回火等使用前一般都要经过热处理（渗碳、淬火、回火等)按锰含量分类按锰含量分类:普通锰含量：锰含量（质量分

24、数）普通锰含量：锰含量（质量分数）Wc0.25, WMn0.50%-0.80%。命名命名:牌号用两位数字表示牌号用两位数字表示这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。例如：例如：45钢：钢：较高锰含量：锰含量（质量分数）较高锰含量：锰含量（质量分数） Wc0.6%,WMn0.90%-.1.20%。含含Mn量为量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如，如40Mn。 既保证力学性能又保证化学成分，采用既保证力学性能又保证化学成分，采用GB699-88，如表，如表44所所示；表示；表45为优质碳素结构钢的力学性能。为优质碳

25、素结构钢的力学性能。0825钢属于低碳钢，其强度低。塑性好，冲压、焊钢属于低碳钢，其强度低。塑性好，冲压、焊接性好，常用于冲压件、焊接件、渗碳件接性好，常用于冲压件、焊接件、渗碳件.3550属于中碳钢属于中碳钢,强度高强度高,塑性、韧性较好塑性、韧性较好,尤其调质处尤其调质处理后具有优良的综合力学性能，齿轮、连杆轴类，表理后具有优良的综合力学性能，齿轮、连杆轴类，表面淬火面淬火6070高碳钢，强度、硬度高，经热处理后有较高的高碳钢，强度、硬度高，经热处理后有较高的弹性和一定的韧性用于制造、弹簧圈、弹簧、垫圈、弹性和一定的韧性用于制造、弹簧圈、弹簧、垫圈、钢丝绳等。、钢丝绳等。 2.3碳素工具钢

26、：碳素工具钢：特点：含碳量为特点：含碳量为0.651.35%，具有较高的表面硬度和较好的耐磨，具有较高的表面硬度和较好的耐磨性。性。 用于制作刃具、模具和量具的碳素钢用于制作刃具、模具和量具的碳素钢 T + 数字数字T表示表示“碳素工具钢碳素工具钢” ；数字表示平均含碳量的千分之几数字表示平均含碳量的千分之几.如如T8其平均含碳量为千分之八其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加加“A”，如，如T8A。 采用采用GB1298-86；如表；如表46所示。所示。牌号牌号主要特性主要特性应用

27、举例应用举例T7T7A属于亚共析成分的钢。其强度随含碳量的增加而增加，有较好的强度和塑性配合，但切削能力较差 用于制造要求有较大塑性和一定硬度但切削能力要求不太高的工具。：如凿子、冲子、小尺寸风动工具，木工用的锯、凿、锻模、压模、钳工工具、锤、铆钉冲模、大锤、车床顶尖、铁皮剪、钻头等T8T8A属于共析成分的钢。淬火易过热，变形也大，强度塑性较低，不宜做受大冲击的工具。但经热处理后有较高的硬度及耐磨性用于制造工作时不易变热的工具。如加工木材用的铣刀、埋头钻、斧、凿、简单的模子冲头及手用锯、圆锯片、滚子、铅锡合金压铸板和型芯、钳工装配的工具、压缩空气工具等T8MnT8MnA性能近似T8、T8A，但

28、有较高的淬透性，能获得较深的淬硬层。可做截面较大的工具除能用于制造T8、T8A所能制造的工具外，还能制造横纹锉刀、手锯条、采煤及修石凿子等工具T9T9A性能近似T8、T8A用于制造有韧性又有硬度的工具，如冲模冲头、木工工具等。T9还可做农机切割零件，如刀片等T10T10A属于过共析钢，在700800加热时仍能保持细晶粒，不致过热。淬火后钢中有未溶的过剩碳化物，增加钢的耐磨性。适于制造工作时不变热的工具制造手工锯、机用细木锯、麻花钻、拉丝细膜、小型冲模、丝锥、车刨刀、扩孔刀具、螺丝扳牙、铣刀、钻极硬岩石用钻头、螺纹刀、钻紧密岩石用刀具、刻锉刀用的凿子等T11T11A除具有T10、T10A的特点外，还具有较好的综合力学性能，如硬度、耐磨性及韧性等。对晶粒长大及形成碳化物网的敏感性较小制造工作时不易变热的工具。如丝锥、锉刀、刮刀、尺寸不大和截面无急