工程材料铁碳合金

1、第第 五五 章章 铁铁 碳碳 合合 金金 概概 述述一、一、Fe-CFe-C合金在国民经济建设中的地位和作用合金在国民经济建设中的地位和作用二、我国钢铁生产过程和概况二、我国钢铁生产过程和概况1、炼铁2、炼钢3、我国钢铁发展简史高炉炼铁生铁炼钢电炉平炉转炉轧成型材锻机加工成零件重熔铸铁 铸铁件三、研究三、研究Fe-CFe-C合金的基本思路和主要工具合金的基本思路和主要工具工艺成分组织性能应用2、主要工具 Fe-C相图相图 3、重点内容 Fe-C相图、钢的相和组织组成、性能相图、钢的相和组织组成、性能1、研究思路第一节第一节 铁碳（铁碳（Fe-CFe-C）合金相图）合金相图 碳在铁碳合金中有三种

2、存在形式： 间隙固溶体间隙固溶体 、化合物化合物、游离态石墨游离态石墨 。【Fe - C相图介绍】：Fe - C相图分析：. Fe - C 形成的化合物；Fe3C、Fe2C、FeC. Fe - C相图是具有多种化合物的相图 .Fe-C相图由多个二元相图构成 4. Fe - Fe3C相图是我们研究的重点一、一、FeFeFeFe3 3C C相图相图二、二、 Fe- FeFe- Fe3 3C C相图组元的性能与相的类型相图组元的性能与相的类型、 纯铁 Fe 同素异构转变:3、渗碳体( Fe3C 、 Cm)-Fe bcc-Fe fcc-Fe bcc13949122、单相固溶体 高温铁素体（相） 奥氏体

3、（相、A） 铁素体（相、F）bccbccfcc 1、边垂线（对应Fe 和Fe3C ） 2、单相区 ： 、Fe3C3、双相区 ： （L、 ） 、 L、 LFe3C 、Fe3C、Fe3C 4、三相区：S点、C点 5、重要的线GSE线、PSK线和ECF线 6、重要的点C点、E点和S点 、Fe3C三、三、FeFeFeFe3 3C C相图分析相图分析四、四、FeFeC C合金室温下基本相和组织、性能合金室温下基本相和组织、性能 1、相和组织、相和组织成分晶格性能特点Fbcc塑性好，强度低Afcc塑性好，强度低Cm6.69%硬脆，强度低P0.77%组织强度高，较高的塑、韧性2、性能对比：、性能对比： b

4、PF、ACm HB CmPF、A Ak、 A、FPCm第二节第二节 典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程一、铁碳合金的一般分类一、铁碳合金的一般分类 1、工业纯铁 (0.0218% C ) 组织为 F 体。亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口共晶白口过共晶白口重点重点3、白口铸铁(2.11%C6.69%) 2、钢 (0.02182.11% C )C: 0.02180.77C: 0.77C: 0.772.11二、典型成分合金的结晶过程及室温组织二、典型成分合金的结晶过程及室温组织 （一）（一）工业纯铁( 0.0218%C )工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图室温下相组成：F+Fe3

5、C 组织组成：F+Fe3C（二）共析钢（二）共析钢(C=0.77%)(C=0.77%)【P体】是由 F 体和Cm体两相组成的片状交替机械混合物。转变特点：转变特点：匀晶转变共析转变匀晶转变共析转变室温组织：珠光体室温组织：珠光体 ( P )共析钢金相共析钢金相组织组织图图（三）亚共析钢（三）亚共析钢(0.0218%C0.77%)(0.0218%C0.77%) （以含0.4%C的铁碳合金为例） 转变特点： 匀晶固溶共析 室温组织：（FP） 或（P） 相组成物：（Fe3C） 组织组成物（先析P） 相、组织计算：亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图（四）过共析钢（四）过共析钢(0.77%C 2.11

6、%)(0.77%C 2.11%) （以含1.2%C的铁碳合金为例） 转变特点：匀晶固溶共析 相组成物：（F + Fe3C） 组织组成物（Fe3CII + P） 相、组织组成物相对重量： Fe3CII(%) = (1.2-0.77)/(6.69-0.77) 100% P(%) =1- Fe3CII(%) 过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图小结: 钢的组织特征(a) 铁素体(F+Fe3C) 500(c) 珠光体(P)500(b) 铁素体+珠光体(P+F)500d) 珠光体+二次渗碳体(P+Fe3C)5000.01%C0.45%C0.77%C1.2%C （五）共晶白口铸铁（五）共晶白口铸铁（C%=

7、4.3%C%=4.3%） 转变特点： 共晶+固溶+共析 转变过程：如图5-13示 室温组织： Le = （P+ Fe3C ） 注意：Le的组成相还是（F+Fe3C）共晶白口铁组织金相图（六）亚共晶白口铸铁（略）（六）亚共晶白口铸铁（略）（七）过共晶白口铸铁（略）（七）过共晶白口铸铁（略） 总结总结: Fe-C合金的相组成和组织组成合金的相组成和组织组成三、成分（三、成分（C%C%）与相、）与相、组织、性能（退火碳组织、性能（退火碳钢）关系钢）关系1.1.成分（成分（C%C%）与相、组织）与相、组织2.成分与性能成分与性能1) HB：取决于组成相或组织组成物的硬度和相对量. 通常C Cm HB

8、C 0.9%以后C 0.9% 时.3) Ak: C Cm F ak 4) 亚共析钢性能估算2)b四、相图应用四、相图应用 1、合理选材的依据； 2、确定铸造温度的依据； 3、确定锻、轧温度的依据； 4、确定热处理温度的依据。五、五、Fe-C相图的局限性相图的局限性1、Fe-Fe3C相图反映了平衡相，而不是组织；2、Fe-Fe3C相图是二元合金平衡状态图；3、Fe-Fe3C相图平衡条件下的状态图；第三节第三节 碳碳 钢钢成分特点:(Fe、C)+杂质元素(Si、Mn、S、P、O、N等)一、杂质元素对钢性能影响一、杂质元素对钢性能影响 钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元

9、素。 1 1、Mn Mn ：含量为0.250.8, 是有益元素有益元素。作用为：1) 强化铁素体； 2) 脱氧、脱硫降低钢的脆性： 消除硫的有害作用, FeS+Mn=(MnS)+Fe 脱氧, FeO+Mn=(MnO)+Fe 1）强化铁素体； 2）脱氧，Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe 3）增加钢液流动性。 3 3、S S：一般是有害元素。：一般是有害元素。2、Si： 0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：时为杂质，是有益元素。作用为： 合金晶界的低熔点硫化物共晶合金晶界的低熔点硫化物共晶常以FeS形式存在。FeS分布在在晶界上形成低熔点共晶,引起钢的热脆性.一般钢中的硫应控制在0.04

10、5%以下。有易作用: 易切削钢中含有较高的硫.Fe+FeS985L Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔点高(1600)。 4 4、P P：一般是有害元素。：一般是有害元素。 溶入铁素体，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。 P一般控制在0.045%以下.有易作用: 1)提高在大气中的耐腐蚀性能; 2)炮弹用钢加磷,提高杀伤力.钢中的钢中的MnS夹杂夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中年冬发生断裂坠入河中 5 5、气体元素、气体元素 N N：室温下N在铁素体中溶解度很

11、低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。 加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。 O O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。钢中钢中TiN夹杂夹杂钢中氧化物夹杂钢中氧化物夹杂 H H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆氢脆。 当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点白点或发裂发裂。二、碳钢分类二、碳钢分类 1、按碳含量分：低碳钢C0.25%中碳钢0.25C0.6% 2、按冶金质量分： (按S、P含量分)普通碳素钢优质碳素钢高级优

12、质碳素钢(A)3、按用途分：碳素结构钢工程结构和机器零件碳素工具钢用于制造各种工具 4、按冶炼方法分：平炉钢转炉钢S0.055%, P0.045%S0.040%, P0.040%S0.030%, P0.035% 镇静钢与沸腾钢 镇静钢是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不发生碳氧反应而处于镇静状态。 沸腾钢是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模后发生碳氧反应，析出大量的CO气体，引起钢液沸腾。四、碳钢的牌号（一）普通碳素结构钢 1、老牌号 甲类钢：A1 A7 乙类钢：B1 B7 特类钢：C2 C5 2、新牌号例：Q 235 A F屈屈服强度脱氧方

13、式质量等级表表3-2 3-2 碳素结构钢的机械性能碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)(GB/T700-1988)牌牌号号等等级级拉拉 伸伸 试试 验验冲击试验冲击试验屈服点屈服点 s ，MPa抗拉抗拉强度强度 b b / /MPa伸长率伸长率 s , , %温度温度V V型冲型冲击功击功( (纵向纵向) )J钢材厚度钢材厚度( (直径直径) )，mm钢材厚度钢材厚度( (直径直径),), mm164060100150150164060100150150不小于不小于不小于不小于不小于不小于Q195195315-39033Q215A/B215195175165335-41031292

14、726/20/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221/200/-20/27Q255A/B255235215205410-51024222019/20/27Q275275255235225490-61020181615用途用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。 多边型角钢多边型角钢螺钉、铆钉螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁 （二）优质碳素结构钢 保证成分和性能 以万分之一碳量万分之一碳量为单位的数字表示牌号 表示平均含碳量为0.4的如如40Mn表示 较高含Mn （0.71.7）的40钢（三）高级

15、优质碳素结构钢如如40A表示高级优质如如40S0.040%, P0.040%S0.030%, P0.035%表表5-4 5-4 优质碳素钢的化学成分和性能优质碳素钢的化学成分和性能钢号钢号化学成分，化学成分，% s ，MPaCMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

16、0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035175205245315335355375400420用途用途较重要的零件，如汽车外壳、齿轮、轴、连杆、弹簧等。较重要的零件，如汽车外壳、齿轮、轴、连杆、弹簧等。 汽车曲轴汽车曲轴1025钢：钢：3555钢：钢：6070钢：钢：（四）碳素工具钢（以T+T+以含碳量的千

17、分之一以含碳量的千分之一为单位的数字表示牌号） 如T8T13、T8A钢号钢号C, %Mn, %Si, %S, %P, %退火后退火后HBS, 水冷淬火水冷淬火温度，温度，T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.350.400.400.40-0.600.400.40-0.600.400.400.400.350.350.350.350.35 0.35 0.350.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-78