第五章铁碳合金

第五章铁碳合金铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。FeFe3CC%(at%)→铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.一、铁碳合金的组元和相碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。

都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉相⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F

或

表示。

⑵奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体二、铁碳合金相图的分析⒈特征点

⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

⒉特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD

⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄

J

ECF：共晶线LC⇄

E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体PSK：共析线

S

⇄FP+Fe3C共析转变的产物是

与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。⑶其它相线GS,GP—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3

线。ES—碳在

-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线

⒊相区⑴五个单相区：

L、、、、Fe3C

⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C三、典型合金的平衡结晶过程⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相

①亚共析钢(0.0218~0.77%C)

②共析钢(0.77%C)

③过共析钢(0.77~2.11%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(<0.0218%C)组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)②共晶白口铸铁(4.3%C)③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)㈠工业纯铁的结晶过程合金液体在1-2点间转变为，3-4点间→，5-6点间→。到7点，从中析出Fe3C。NSJBHL+++

工业纯铁的结晶过程随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ最大量为:

从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。

Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。㈡共析钢的结晶过程

合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：

S⇄P+Fe3C,

全部转变为珠光体。共析钢的结晶过程珠光体在光镜下呈指纹状.转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析

中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.珠光体Q室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？Q43219㈢亚共析钢的结晶过程0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点，

发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，

中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.+Fe3CⅢGSPABJH亚共析钢的结晶过程利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:

C%=P面积%×0.77%(忽略中含碳量，P面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：

组织组成物的相对重量为：

S’室温下相的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：S’亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织㈣过共析钢的结晶过程

合金在1~2点转变为

,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，

成分沿ES线变化到S点，余下的

转变为P。在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：含1.4%C钢的组织室温下两相的相对重量百分比：室温下两组织组成物的相对重量百分比：12345S’㈤共晶白口铁的结晶过程

合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶

与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.Fe3C共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:C点以下,

成分沿ES线变化，共晶

将析出Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ与共晶Fe3C

结合，不易分辨。1’2Fe3C温度降到2点,

成分达到0.77%,此时,相的相对重量:在2点,共晶

发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Le’表示.

2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。S共晶白口铁室温组织为Le’(P+Fe3C),它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：

㈥亚共晶白口铁的结晶过程合金在1~2点间析出

。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。2~3点间从中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶衬托出来。到3点，转变为P。亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。室温下组织组成物相对重量百分比为：ECFD1234N室温下相的相对重量百分比?㈦过共晶白口铁的结晶过程1~2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。DFK3Fe3C1242点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。

组织组成物与相组成物标注区别主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。

㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注+Fe3C+Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度㈨含碳量对铁碳合金组织和性能的影响⒈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：

钢铁素体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⒉含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le’,合金太脆.⒊含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢合适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:第六章介绍铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨

工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。

1、Mn:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：

①强化铁素体；②消除硫的有害作用。一、杂质元素对性能的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素。

①强化铁素体；②增加钢液流动性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(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.2、Si：0.5%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Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1600℃)。4、P：也是有害元素。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.钢中的MnS夹杂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二、钢的分类1、按化学成分分

中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢

钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、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：3、按用途分

工程用钢建筑、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挤压模具齿轮刀具三、钢的编号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.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