05-《工程材料》第五章

1、主编：东南大学 戴枝荣 张远明 主讲：张 建学时：54 工 程 材 料（工程材料及机械制造基础）第五章 铁 碳 合 金第一节 铁碳合金的相结构与性能1.铁素体 铁素体：是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体。 符号：常用“F” (Ferrite)表示 晶格：体心立方晶格 溶碳能力：727最大，为0.0218%；室温为0.0008% 性能：强度、硬度低，塑性、韧性好2.奥氏体 奥氏体：是碳在 Fe中形成的间隙固溶体 符号：常用“A” (Austenite)表示 晶格：面心立方晶格 溶碳能力：1148最大，为2.11%；727为0.77% 性能：强度、硬度低，塑性、韧性好铁素体奥氏体3.渗碳体 渗碳体：

2、是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的 间隙化合物。 分子式：Fe3C 含碳量：6.69% 性能：强度、硬度极高，极脆4.珠光体 珠光体：铁素体与渗碳体的片层状机械混合物。 符号：P 性能：强度、硬度较高，有一定的塑性、韧性5.莱氏体 莱氏体：珠光体与渗碳体的片层状机械混合物。 符号：Ld 性能：强度、硬度极高，极脆6.固溶体 固溶体：是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体。珠光体莱氏体铁碳合金中的Fe3C第二节 铁碳合金相图一、相图分析1.特性点： A:纯铁熔点，1538 B:包晶反应时液态合金的浓度，1495，0.53%C C:共晶点，1148，4.30%C， D:渗碳体熔点（计算值），1227，

3、6.69%C E:碳在Fe中的最大溶解度点，1148，2.11%C G:Fe Fe 同素异构转变点，912 H:碳在Fe中的最大溶解度，1495，0.09%C J:包晶转变点1495，0.17%C N:FeFe同素异构转变点，1394 P:碳在Fe中的最大溶解度点，727，0.0218%C S:共析点，727，0.77%C Q:碳在Fe中的溶解度点,室温，0.0008%C2.特性线 ABCD 线：液相线 AHJECF：固相线 HJB 线：包晶转变线 ECF 线：共晶转变线 PSK 线：共析转变线。 ES 线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线 GS 线：析出铁素体的开始线，又称A3 线 G

4、P 线：铁素体析出的终了线 PQ 线：碳在铁素体中的溶解度曲线3.组织区域 已在相图上标出铁碳合金的匀晶转变：有三种情况。 含碳量0.53%：由液体直接析出固溶体； 含碳量0.53%4.3%：由液体直接析出A； 含碳量4.3%：由液体直接析出Fe3CI。铁碳合金的包晶转变图铁碳合金的包晶转变：在1495时，由含碳量为0.09% 的固溶体与含碳量为0.53%的 液体相互作用， 生成含碳量为 0.17% 的奥氏体的过程。成分低于H点：温度到达AB线，直接析出固溶体； 到达HJB线，全部转变成固溶体；成分在H与J之间：温度到达AB线，先析出0.09%C的 固溶体，液体的含碳量升高；温度 到达HJB线

5、，液体达0.53%C, 部分 固溶体与全部液体发生包晶转变成分J点：温度到达AB线，先析出0.09%C的固溶体, 液体的含碳量升高；温度到达HJB线，液体 达0.53%C,产生包晶转变；成分在J与B之间：温度到达AB线，先析出0.09%C的 固溶体，液体的含碳量升高；温度 到达HJB线，液体达0.53%C, 全部 固溶体与部分液体发生包晶转变铁碳合金的共析转变图铁碳合金的共析转变：含碳量为0.77%的A，在727时， 同时析出F、Fe3C，生成P的过程.成分低于P点：温度到达GS线，开始析出F；温度到达 GP线，A全部转变成F;成分在P与S之间：温度到达GS线，开始析出F，A的含 碳量升高；温

6、度到达PSK线，A的含 碳量达到0.77%，发生共析转变；成分在S点：温度降到S点，发生共析转变，即含碳量 为0.77%的A，在727时直接析出F、 Fe3C；成分在S与E之间：温度到达SE线，开始析出Fe3C,A的 含碳量降低；温度到达PSK线，A的 含碳量达到0.77%，发生共析转变铁碳合金的共晶转变图铁碳合金的共晶转变：含碳量为4.3%的液体，在1148时, 同时析出A、Fe3C，生成Ld的过程。成分在E与C之间：温度达到BC线，开始析出含碳量为 2.11%的A，液体含碳量升高；温度 达到ECF线，液体含碳量达4.3%， 发生共晶转变；成分在C点：温度达到C点，发生共晶转变，即含碳量 为

7、4.3%的液体，在1148时同时析出A、 Fe3C；成分在C与F之间：温度达到CD线，开始析出Fe3C ， 液体含碳量降低；温度达到ECF线, 液体含碳量达4.3%，发生共晶转变二、典型铁碳合金结晶过程(一)工业纯铁(0.0218%C)组织为铁素体。(二)钢（0.0218%2.11%C） 1.亚共析钢(0.77%C)组织为珠光体和二次渗 碳体(三)白口铸铁（2.116.69%） 1.亚共晶白口铁(4.3%C)组织为一次渗碳体和 莱氏体；1.含碳0.01%的工业纯铁的结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程: 匀晶转变：合金溶液在1-2 点温度区间按匀晶转变 结晶出固溶体。 同素异构转变：

8、固溶体冷却到3 点时发生固溶体 的同素异构转变，A，A不断在 固溶体的晶界上形核并长大，在 4点结束，全部呈单相A。 同素异构转变：冷却到5-6间又发生同素异构转变 AF，F同样在 A的晶界形核并长 大，6点以下全部是铁素体。 析出Fe3C：冷却到7点时，碳在F的溶解量达到饱 和, 将从F中析出三次渗碳体Fe3C。室温组织：F相组成物：F 、Fe3C2.含碳0.77%的共析钢结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程: 匀晶转变：在1-2点间合金按匀晶转变结晶出A， 在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。 共析转变：冷到3点时(727) ，在恒温下发生共 析转变，A0.77 F0.0218+

9、Fe3C，转变结 束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳 体称为共析渗碳体 析出Fe3C：温度继续下降时，珠光体中铁素体溶 碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化, 析出三次渗碳体Fe3C，它常与共析 渗碳体长在一起，彼此分不出，且数 量少，可忽略。室温组织：P，含P量100%。相组成物：F 、Fe3C3.含碳0.40%的亚共析钢结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程:匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出固溶体.包晶转变：到2点，含0.09%的C，液体含0.53%的C， 在恒温下发生包晶转变,0.09+L0.53A0.17。 有液相剩余。匀晶转变：在2-3点间液相继续转变为A0.53。所

10、有A的 成分均沿JE线变化冷到3点，合金全部由含 碳0.40%的奥氏体所组成。析出F：到4点时，开始析出F，4-5点A成分沿GS线变化, A含碳量升高，铁素体成分沿GP线变化。共析转变：到5点时，奥氏体的成分达到S点成分(含碳 0.77%)便发生共析转变析出Fe3C：温度下降，铁素体的溶碳量沿PQ线变化， 析出Fe3C，Fe3C量很少，可忽略。4.含碳1.2%的过共析钢结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程：匀晶转变：合金在1-2 点间按匀晶转变结晶出奥氏 体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体。析出Fe3C：到3点，开始从奥氏体析出二次渗碳体 Fe3C，Fe3C沿奥氏体的晶界析出，呈 网

11、状分布，3-4间Fe3C不断析出，奥氏 体成分沿ES 线变化。共析转变：当温度到达4点（727）时，其含碳量降 0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠 光体，此时先析出的Fe3C 保持不变，称 为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的 组织为先共析Fe3C和P，忽略Fe3C。室温组织：二次渗碳体和珠光体。相组成物： F、Fe3C5.含碳4.3%的共晶白口铁结晶过程分析：（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程：共晶转变：合金溶液冷却到1点(1148)时，在恒温 下发生共晶转变，L4.3A2.11 + Fe3C，全 部为莱氏体(Ld)，其中的奥氏体称为共 晶奥氏体，而渗碳体称为共晶渗碳体。析出Fe3C

12、：1-2间共晶奥氏体中析出Fe3C，依附在 共晶渗碳体上分辨不出，其含碳量降低.共析转变：到2点(727)时，共晶奥氏体的成分为S 点(0.77%C)，在恒温下发生共析转变，形 成珠光体；而共晶渗碳体不发生变化，忽 略2室温之间Fe3C的析出，其组织是低 温莱氏体,用(Ld)表示，与Ld形貌相似。室温组织：Ld相组成物： F、Fe3C6.含碳3.0%的亚共晶白口铁结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程：匀晶转变：1-2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，称为 初生奥氏体，其成分沿JE线变化，液相沿 BC线变化，其含碳量升高。共晶转变：到2点时，初生奥氏体成分为2.11%C，液 相成分为C点(4

13、.3%C)，此时在恒温下发生 共晶转变。析出Fe3C：在2-3点之间，初生奥氏体和共晶奥氏 体中不断析出Fe3C ，成分沿ES线变化, 其含碳量降低。共析转变：到3点时，所有奥氏体的成分为0.77%C， 发生共析转变，形成珠光体，共析转变时, 共晶渗碳体和二次渗碳体保持不变。室温组织： 珠光体、二次渗碳体和莱氏体（二次渗碳体依附在共晶渗碳体上很难分辨）7.含碳5.0%的过共晶白口铁结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图结晶过程：匀晶转变：1-2间结晶出一次渗碳体Fe3C，液相沿BC 线变化，其含碳量降低。共晶转变：到2点时，液相成分为4.3%C，此时在恒温 下发生共晶转变。析出Fe3C:在2-

14、3点之间，初生奥氏体和共晶奥氏体 中不断析出Fe3C ，成分沿ES线变化,其 含碳量降低。共析转变：当温度到达3点时，所有奥氏体的成分为 0.77%C，发生共析转变，形成珠光体， 共析转变时，共晶渗碳体和二次渗碳体保 持不变。室温组织：一次渗碳体和莱氏体(Fe3C+Ld)相组成物： F、Fe3C三、铁碳合金的成分与性能的关系(一)铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对量(二)含碳量对铁碳合金机械性能的影响第三节 碳 钢一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 常存的杂质元素:Si、Mn、S、P、O、N、H1.Mn：一般认为Mn在钢中是一种有益的元素。 Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使 铁素体

15、强化； 另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都 使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，成熔点为 1620，能减轻S的有害作用。 Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时， 它对钢的性能影响并不明显。来源：钢中的Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。含量：在碳钢中含锰量通常0.80%；在含锰合金钢中, 含锰量一般控制在1.0-1.2%范围内。2.Si：一般认为Si在钢中是一种有益的元素。 Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从 而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性 降低。 有一部分Si 则存在于硅酸盐夹杂中。 当Si 含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在 时，它对钢的性能影响并

16、不显著。来源：也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁含量：在碳钢中含Si量通常0.35%3.S：一般认为S在钢中是一种有害的元素。 硫不溶于铁，而生成FeS，FeS与Fe形成共晶体 （熔点为989），分布于奥氏体晶界。当钢材 在1000-1200压力加工时，共晶已经熔化, 并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现 象称为热脆。 在钢中增加含锰量，可消除S 的有害作用，Mn 能与S形成熔点为1620的MnS,而且MnS在高温 时具有塑性，这样避免了热脆现象。来源：生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的元素。含量：硫必须严格控制，普通钢含S量应0.055%， 优质钢含硫量应0.040%，高级优质钢含硫量 应0.

17、030%。 4.P： 一般认为P在钢中是一种有害的元素。 全部溶于铁素体，可使铁素体的强度、硬度有所提 高，但室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢 的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称 为“冷脆”。 磷的存在还会使钢的焊接性能变坏 在适当的情况下，S、P 也有一些有益的作用，对 S，当钢中含硫较高（0.080.3%）时，适当提高 钢中含锰量（0.6-1.55%），使硫与Mn结合成MnS， 切削时易于断屑，能改善钢的切削性能，故易切削 钢中含有较多的硫。 对于P，如与Cu 配合能增加钢的抗大气腐蚀能力， 改善钢材的切削加工性能。来源：生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的元素。5.N：氮能

18、溶于铁素体，在钢正火或淬火情况下形成 含氮量过饱和的固溶体。这种固溶体在591时 最大溶氮量为0.1%，随着温度降低，氮在铁中的溶 解度急剧下降，并以Fe4N 形式析出。因此含氮的 淬火钢易引起时效硬化，使强度、硬度升高，塑性、 韧性下降。这种时效硬化现象对锅炉钢板、化工容 器及深冲零件都是不利的，因为这样可造成局部地 区脆化，影响锅炉及化工容器的安全使用，所以从 时效的角度考虑N 是有害元素。 但是，如果钢中含有Al、V、Nb 等合金元素 时，能形成弥散度很高的AlN、VN、NbN 等特殊氮 化物，使铁素体强化并细化晶粒，此时钢的强度和 韧性都可显著提高。6.O：钢中氧全部以氧化物形式存在。

19、所以氧对钢性 能的危害主要表现为氧化物夹杂对钢性能的影响。 钢中含氧量增加，氧化物夹杂数量增加，使钢的塑 性、韧性降低，疲劳强度、耐蚀性和热加工性能变 坏。故应严格控制钢中氧含量。7.H：氢的原子半径很小，能以离子或原子形式溶入 液态或固态钢中，溶入固态钢中便形成间隙固溶体。 随着钢中含氢量的增加，钢的塑性、韧性急剧降 低，引起所谓氢脆。如果氢在钢中聚集成分子状态 析出，在局部区域形成很高的压力，造成钢材的内 部裂纹，在断口上呈现银灰色斑点，即白点。使钢 的断裂强度降低，因此氢是钢中的有害杂质。二、碳钢的分类按化学成分分 中碳钢 0.250.6%C高碳钢 0.6%C低碳钢 0.25%C低合金钢

20、 合金元素总量 5%中合金钢 合金元素总量 510%高合金钢 合金元素总量 10%碳素钢合金钢按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下： 钢 类碳 素 钢合 金 钢PSPS普通质量钢0.0450.0450.0450.045优质钢0.0350.0350.0350.035高级优质钢0.0300.0300.0250.025特级优质钢0.0250.0200.0250.015按金相组织分亚共析钢共 析 钢过共析钢 按退火组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢 按正火组织分电弧炉炼钢按用途分 工程用

21、钢 建筑、桥梁、船舶、车辆渗 碳 钢调 质 钢弹 簧 钢滚动轴承钢耐 磨 钢机器用钢结 构 钢刃具钢模具钢量具钢工 具 钢不锈钢耐热钢特殊性能钢三、碳钢的牌号和用途：(一)普通碳素结构钢 特性：主要保证机械性能，牌号体现机械性能。 编号：用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼 音，数字表示屈服点数值。 如：Q-275，表示屈服点为275MPa，若牌号后面 标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级 不同，即S、P 含量不同。A、B、C、D 质量 依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静 钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。 如：Q235-AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢， Q23

22、5-C 表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。用途：普通碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而 是在供应状态下直接使用。 Q195（A1）、Q215（A2）、Q235（A3）含碳量 低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接 钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造 普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、 轴套、销轴等等， Q255（A4）和Q275（A5）钢强度较高，塑性、 韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、条 钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简 单机械上的齿轮、轴节等。附表 碳素结构钢的牌号和化学成分（摘自GB/T700-1988） 牌号 等级化学成分w/% 脱氧方法CMnSiSP

23、不大于Q195 0.060.120.250.500.300.0500.045F,b,ZQ215A0.090.150.250.550.300.0500.045F,b,ZB0.045Q235A0.140.220.300.650.0350.0500.045F,b,ZB0.120.200.300.700.045C0.180.350.800.0400.040ZD0.170.035TZQ255A0.180.280.400.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q275 0.280.380.500.800.350.0500.045b、Z说明：1.Q235A，B级沸腾钢锰质 量分数上限为0.6

24、0%。 2.“F”沸腾钢，“b”半镇静钢 “Z”镇静钢，“TZ”特殊镇静 钢。 附表 碳素结构钢的机械性能（摘自GB/T700-1988） 牌号 等级拉伸试验冲击试验屈服点s /MPa抗拉强度b /MPa伸长率5 /% 温度/V型冲击功（纵向）/J钢材厚度（直径）/mm钢材厚度（直径）/mm161640406060100100150 150161640406060100100150150不小于不小于不小于Q195 (195)(185) 3153903332 Q215A215205195185175165335410313029282726 B2027Q235A 235 225 215 205

25、195 185 375460 26 25 24 23 22 21 B20 27C0D-20Q255A255245235225215205410510242322212019 B2027Q275 275265255245235225490610201918171615 GB70088GB70079Q195不分等级，化学成分和力学性能（抗拉强度、伸长率和冷弯）均须保证，但轧制薄板和盘条之类产品，力学性能的保证项目，根据产品特点和使用要求，可在有关标准中另行规定1号钢Q195的化学成分与本标准1号钢的乙类钢B1同，力学性能（抗拉强度，伸长率和冷弯）与甲类钢A1同（A1的冷弯试验是附加保证条件），1号

26、钢没有特类钢Q215 A级 B级（做常温冲击试验，V型缺口）A2C2Q235 A级（不做冲击试验） B级（做常温冲击试验，V型缺口） C级（作为重要焊接结构用） D级（作为重要焊接结构用）A3（附加保证常温冲击试验，U型缺口）C3（附加保证常温或20冲击试验，U型缺口）Q255 A级 B级（做常温冲击试验，V型缺口）A4C4（附加保证冲击试验，U型缺口）Q275不分等级，化学成分和力学性能均须保证C5附表 新旧GB700标准牌号对照(二)优质碳素结构钢： 特性：同时保证钢的化学成分和机械性能。 牌号：采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量 的万分之几。 如：45钢表示钢中含碳量为0.45%；

27、08钢表示钢中含碳量为0.08%。 若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，如 含0.45%C，Mn0.70-1.00%的钢即45Mn。用途：优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。一般都要 经过热处理以提高机械性能 08、08F、10、10F 钢，塑性、韧性好，具有优良 的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制 作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车 车身，拖拉机驾驶室等； 15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面 要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞 钢、样板等； 30、35、40、45、50钢经热处理(淬火+高温回火) 后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和 较高

28、的塑性、韧性，用于制作轴类零件； 55、60、65 钢热处理（淬火+高温回火）后具有高 的弹性极限，常用作弹簧。附表 优质碳素结构钢的化学成分（摘自GB/T699-1999）钢号 化学成分 w/% C Mn Si Cr 其它 08F 0.050.11 0.250.50 0.03 0.10 Ni不大于0.30 Cu不大于0.20 S不大于0.035 P不大于0.035 10 0.070.13 0.350.65 0.170.37 0.15 20 0.170.23 0.350.65 0.170.37 0.25 35 0.320.39 0.500.80 0.170.37 0.25 40 0.370.4

29、4 0.500.80 0.170.37 0.25 45 0.420.50 0.500.80 0.170.37 0.25 50 0.470.55 0.500.80 0.170.37 0.25 60 0.570.65 0.500.80 0.170.37 0.25 65 0.620.70 0.500.80 0.170.37 0.25 (三)碳素工具钢： 牌号：是用“碳”或“T”字后附数字表示。数字表示钢 中平均含碳量的千分之几。 如：T8、T10 分别表示钢中平均含碳量为0.80%和 1.0%的碳素工具钢。 若为高级优质碳素工具钢，则在钢号最后附 以“A”字。如T12A。 用途：碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具 有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的 量具、刃具、模具等。 T7、T7A、T8、T8A、T8MnA 用于制造要求较高 韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿 子、锤子等。 T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A 用于制造要 求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、 拉丝模、锯条 T12、T12A、T13、T13A 钢具有高硬度、高耐 磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如 量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。附表 碳素工具钢的化学成分（摘自GB/T1298-1986）钢组 钢号 化学成分 w/% C Mn Si S P 优质 T7 0.65