第四章 铁碳合金

第四章铁碳合金教学要求:了解铁碳合金的基本相；熟记铁碳合金相图了解典型铁碳合金的结晶过程，了解铁碳合金的成分、组织和性能的变化规律，并具有基本的分析和应用能力掌握碳钢的分类、牌号和应用。第四章铁碳合金§4.1铁碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相图§4.3碳素钢本章小结习题第四章铁碳合金§4.1铁碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相图§4.3碳素钢本章小结习题§4.1铁碳合金的基本相液态下，铁与碳无限互溶；固态下，铁与碳形成间隙固溶体，碳含量大时可形成一系列化合物铁碳合金在固态下的基本相分为

铁素体固溶体

奥氏体金属化合物：Fe3C§4.1铁碳合金的基本相铁素体（F）－－C溶入α-Fe，体心立方晶格其力学性能与纯铁相似，塑性好而强度比较低伸长率δ=45%～50%。σb≈250MPa奥氏体（A）－－C溶入γ-Fe，面心立方晶格其存在温度区间为：727-1495，具有良好的塑性，易于压力加工伸长率δ=40%～50%。HBW=170~220§4.1铁碳合金的基本相渗碳体（Fe3C）－－C与Fe的金属化合物，晶格复杂熔点高，硬而脆，HBW≈800渗碳体在铁碳合金中的形态可呈片状、粒状、网状、板条状一定条件下分解

Fe3C→3Fe+C(石墨)第四章铁碳合金§4.1铁碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相图§4.3碳素钢本章小结习题§4.2Fe-Fe3C相图Fe—Fe3C相图是表示在缓慢冷却(加热)条件下(即平衡状态)不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形。Fe—Fe3C相图清楚地反映了铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系，是研究钢和铸铁及其加工处理(铸、锻、焊、热处理等加工工艺)的重要理论基础。§4.2Fe-Fe3C相图一、Fe—Fe3C相图分析（一）上半部分图形—由液态变为固态的一次结晶（912℃以上）A点——

纯铁的熔点D点——

渗碳体的熔点E点——

在1148℃时碳在γ-Fe中的最大溶解度，也是钢和铁的分界点C点——

为共晶点。具有C点成分(ωc=4.3％)的液态合金在恒温下(1148℃)将发生共晶转变，即从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体组成的机械混合物(共晶体)，称为莱氏体(Ld)。其反应式为：LCLd(AE+Fe3C)§4.2Fe-Fe3C相图一、Fe—Fe3C相图分析（一）上半部分图形—由液态变为固态的一次结晶（912℃以上）AC线和CD线——液相线。ωc<4.3％的液态合金冷却到AC线温度时开始结晶出奥氏体(A)ωc>4.3％的合金冷却到CD线温度时开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用Fe3CІ表示。AECF线——固相线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。AE线是合金完成结晶，全部转变为奥氏体的温度线。ECF线叫共晶线，是一条水平恒温线。液态合金冷却到共晶线温度(1148℃)时，将发生共晶转变而生成莱氏体

(Ld)。ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中的最大溶解度是E点(ωc=2.11％)，随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体，用Fe3CП表示。

§4.2Fe-Fe3C相图一、Fe—Fe3C相图分析（二）下半部分图形——固态下相变G点——为α-Fe与γ-Fe的同素异构转变点，温度为912℃；P点——为在727℃时碳在α-Fe中最大溶解度（wc=0.0218％）;S点——为共析点。具有S点成分(wc=0.77％)的奥氏体在恒温下（727℃）将发生共析转变，即奥氏体同时生成铁素体和渗碳体片层相间的机械混合物(共析体)，称为珠光体

(P)。其反应式为：AS

珠光体的性能介于两组成相性能之间。一般为：

σb=750～900MPa；

δ=20％～25％；硬度180～280HBW。FP+Fe3C§4.2Fe-Fe3C相图一、Fe—Fe3C相图分析（二）下半部分图形——固态下相变

GS线——是奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，称为A3

线PSK线——叫共析线，称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度(727℃)时，将发生共析转变生成珠光体

(P)，ωc>0.0218％的铁碳合金均会发生共析转变；PQ线——是碳在铁素体中的溶解度曲线碳在铁素体中最大的溶解度是P点(ωc=0.0218％)，随着温度的降低，溶解度将逐渐减少，室温时，铁素体中溶碳量几乎为零。从727℃冷却到室温的过程中，铁素体内多余的碳将以渗碳体的形式析出，称为三次渗碳体，用Fe3CШ表示。一、Fe—Fe3C相图分析§4.2Fe-Fe3C相图(三)Fe—Fe3C相图中铁碳合金的分类

根据相图中P点和E点，可将铁碳合金分为三大类：工业纯铁碳钢白口铸铁§4.2Fe-Fe3C相图工业纯铁共析钢碳钢过共析钢白口铸铁

亚共析钢铁碳合金共析钢工业纯铁碳钢亚共析钢过共析钢共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁§4.2Fe-Fe3C相图工业纯铁碳钢白口铸铁工业纯铁－－成分为P点左面(ωc<0.0218％)的铁碳合金其室温组织为铁素体。铁碳合金工业纯铁二、Fe—Fe3C合金结晶过程分析工业纯铁的结晶过程:

1-2点间L→3-4点间→A5-6点间A→7点，→Fe3C。NSJBHL+++

AAAAA相图冷却曲线工业纯铁共析钢碳钢

过共析钢白口铸铁

亚共析钢铁碳合金碳钢－－

成分为P点与E点之间(wc=0.0218％～2.11％)的铁碳合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的奥氏体，因而可进行压力加工。共析钢碳钢共析钢－－成分为S点(wc=0.77％)的合金室温组织为珠光体。珠光体共析钢的结晶过程

1-2点间:L→AS点：

A⇄F+Fe3C,为珠光体。AAAA工业纯铁共析钢碳钢

过共析钢白口铸铁

亚共析钢铁碳合金亚共析钢碳钢亚共析钢－－成分为S点左面(wc=0.0218％～0.77％)室温组织：珠光体+铁素体。含0.45%C钢的组织亚共析钢的结晶过程以0.45%C的钢为例4点:A→F4-5点:A成分沿GS线变到S点5点：A→P珠光体温度继续下降，F中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.

+Fe3CⅢGSPABJHAAAAAAAAF含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织在0.0218~0.77%C

范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。工业纯铁共析钢碳钢

过共析钢白口铸铁

亚共析钢铁碳合金过共析钢碳钢过共析钢－－成分为S点右面(wc=0.77％～2.11％)室温组织：珠光体+二次渗碳体（网状）。含1.4%C钢的组织

过共析钢的结晶过程1~2点:L→A

3点:A→,Fe3CⅡ3-4点：A成分沿ES线变化到S点4点：A→P。AAAAAAAF工业纯铁碳钢

白口铸铁铁碳合金共晶白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁白口铸铁共晶白口铸铁－－成分为C点(ωc=4.3％)的合金室温组织：低温莱氏体（蜂窝状）。Fe3C共晶白口铁的结晶过程C点：L→A与Fe3C—高温莱氏体(Ld)2点：Ld共晶A→P—高温莱氏体(Ld’)莱氏体呈蜂窝状.Fe3CA共晶白口铁的结晶过程AAP工业纯铁碳钢

白口铸铁铁碳合金亚晶白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁白口铸铁亚共晶白口铸铁－－成分为C点左面(ωc=2.11％～4.3％)室温组织：低温莱氏体+珠光体+二次渗碳体亚共晶白口铁的结晶过程1~2点间:L→

A。2点:L→Le。2~3点间:A→

Fe3CⅡ。3点:剩余A→

P。工业纯铁碳钢

白口铸铁铁碳合金过晶白口铸铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁白口铸铁过共晶白口铸铁－－成分为C点右面(ωc=4.3％～6.69％)室温组织：低温莱氏体+一次渗碳体（长条状）。过共晶白口铁的结晶过程1~2点:L→Fe3C—Fe3CⅠ，呈粗条片状。2点:L→Le。FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度典型铁碳合金结晶过程分析.wmv

三、铁碳合金的成分、组织与性能的关系§4.2Fe-Fe3C相图(一)含碳量与平衡组织间的关系钢铁素体F亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三、铁碳合金的成分、组织与性能的关系§4.2Fe-Fe3C相图(二)含碳量与力学性能间的关系塑性、韧性：随含碳量增加而下降硬度：随含碳量增加而上升强度：随含碳量增加而上升，在0.9%C达到最大，之后Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度随含碳量增加下降当C%＞2.11%，组织中有大量Fe3C，合金太脆.(三)

含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢好②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好⑤热处理性能铸造焊缝组织模锻车刨§4.2Fe-Fe3C相图四、Fe—Fe3C相图的应用(一)作为选用钢铁材料的依据1、各种型钢及桥梁、车辆、船舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接性能好的材料，故应选用碳含量较低的钢材；2、机器零件需要强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料，应选用碳含量适中的钢；各类工具、刃具、量具、模具要求硬度高、耐磨性好的材料，则可选用碳含量较高的钢3、纯铁的强度低，不宜用作工程材料，常用的是它的合金4、白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、形状复杂的工件，如轧辊、球磨机的磨球、犁铧、拔丝模等。

§4.2Fe-Fe3C相图四、Fe—Fe3C相图的应用(二)在铸造生产上的应用

根据Fe—Fe3C相图的液相线，可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合金的熔化浇注温度

(温度一般在液相线以上50～100℃)。

靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且结晶温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。因此生产上总是将铸铁的成分选在共晶成分附近。§4.2Fe-Fe3C相图四、Fe—Fe3C相图的应用(三)在锻压工艺方面的应用

根据Fe—Fe3C相图可以选择钢材的锻造或热轧温度范围。通常锻、轧温度选在单相奥氏体区内，这是因为钢处于奥氏体状态时，强度较低，塑性较好，便于成形加工。

始锻(或始轧)温度控制在固相线以下100～200℃范围内，温度不宜太高，以免钢材氧化严重；

终锻(或终轧)温度取决于钢材成分，一般亚共析钢控制在稍高于GS线，过共析钢控制在稍高于PSK线，温度不能太低，以免钢材塑性变差，导致产生裂纹。§4.2Fe-Fe3C相图四、Fe—Fe3C相图的应用(四)在热处理方面的应用Fc—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。各种热处理工艺的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图选定的。Fe—Fe3C相图的局限性：1、Fe—Fe3C相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律；2、通常使用的铁碳合金中，除含有Fe、C两种元素外，尚有其它多种杂质或合金元素，这些都会对Fe—Fe3C相图产生影响，故应予以考虑。第四章铁碳合金§4.1铁碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相图§4.3碳素钢本章小结习题§4.3碳素钢碳素钢(简称碳钢)是ωc<2.11％而且以碳为主要合金元素的铁碳合金。

一、常存杂质元素对碳钢性能的影响常见杂质：锰、硅、硫、磷等

(一)锰的影响0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：①强化铁素体；②脱氧；③消除硫的有害作用。§4.3碳素钢

一、常存杂质元素对碳钢性能的影响

(二)硅的影响

0.4%时为杂质，是有益元素。作用为：

①强化铁素体；②脱氧；③增加钢液流动性。

§4.3碳素钢(三)硫的影响常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶体(985℃)，热加工时(1150~1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.045%以下.硫是有害元素。钢中加入锰，可以形成高熔点(1620℃)的MnS，MnS呈粒状分布在晶粒内，且在高温下有一定塑性，从而避免热脆。

一、常存杂质元素对碳钢性能的影响含硫较多的钢中形成较多的MnS，在切削加工过程中MnS能起断屑作用，故

可改善钢的切削加工性能，这是S有利的一面。钢中的MnS夹杂§4.3碳素钢(四)磷的影响有害元素。能全部溶入铁素体中，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.

一、常存杂质元素对碳钢性能的影响比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中§4.3碳素钢二、碳钢的分类(一)按钢中碳的质量分数分类中碳钢

0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C碳素钢§4.3碳素钢二、碳钢的分类(二)按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢类碳素钢PS普通质量钢≤0.045≤0.050优质钢≤0.035≤0.030高级优质钢≤0.030≤0.020特级优质钢≤0.025≤0.015§4.3碳素钢二、碳钢的分类(三)按用途分类工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢§4.3碳素钢三、碳钢的牌号与应用我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.如：20Si2Mn、GCr15常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾（一）碳素结构钢Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如，碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板三、碳钢的牌号与应用§4.3碳素钢

Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号钢板（二）优质碳素结构钢两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如，45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。三、碳钢的牌号与应用§4.3碳素钢

牌号用两位数字表示。齿轮加工方钢*说明：①含Mn量为0.7~1.2%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②

对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。（三）碳素工具钢T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如，T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。三、碳钢的牌号与应用§4.3碳素钢

T+数字说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如，T8A。

丝锥锉刀（四）铸造碳钢ZG表示“铸钢”；两组数字分别表示σs、、σb.三、碳钢的牌号与应用§4.3碳素钢

ZG+数字-数字铸钢件2.5吨大齿轮铸件如，ZG230-450另一种表示方法，如，ZG25—其平均含碳量为万分之25(0.25%C)。第四章铁碳合金§4.1铁碳合金的基本相§4.2Fe-Fe3C相图§4.3碳素钢本章小结习题FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLe+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度本章小结一、铁碳合金相图二、钢的分类及牌号、应用碳素结构钢—如：Q235.有害杂质较多，保证力学性能而不保