金属学与热处理课件06铁碳合金

铁碳合金

本章目的：

1介绍铁碳相图的基本组元和基本相；

2分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分－组织－性能间关系；说明铁碳相图的基本应用；

3介绍各种碳钢的牌号及应用。机械知网本章重点：（1）重要概念：铁素体奥氏体珠光体莱氏体共晶渗碳体共析渗碳体二次渗碳体（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征（4）掌握铁碳合金的成分—组织－性能之间的关系机械知网

§1铁碳合金与铁碳相图铁碳合金——应用最广泛的合金一铁碳合金中的基本相和基本组织

(一)纯铁的晶体结构与性能

1纯铁冷却中晶体结构的变化：

1538℃1394℃912℃

L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

bccfccbcc——纯铁在冷却中经历两次同素异构转变机械知网A4A3A2(770℃)居里点(顺磁性与铁磁性转变温度)——具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一机械知网2纯铁的显微组织单相的α－Fe3纯铁(工业纯铁)的性能

强度低(σb=180～230MPa);

硬度低(50HBS~80HBS)、软;

塑性好(δ:30％～50％；

ψ:70％～80％)

铁磁性4应用：仪器仪表用软磁铁芯机械知网（二）铁碳合金中的基本相和基本组织

1

基本组元：Fe、C

2基本相：

（1）铁素体(α或F)：

定义:C在体心立方α－Fe中的间隙固溶体但C在α－Fe中的溶解度极小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)

性能:强硬度低(50HBS~80HBS)，塑韧性好(ψ:70％～80％;

Ak=160J)——与工业纯铁同良好塑韧性→钢中基体相机械知网（2）奥氏体(γ或A)

定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体溶碳量较大：

0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)

性能:强硬度较低；

塑性较好,变形抗力较低,易于锻压成形;

顺磁性。

——热加工(塑性变形)相

——合金化后成为室温基体相(无磁性)；机械知网（3）渗碳体(Fe3C)Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C，复杂正交晶系。性能

强度低：σb=30MPa;

硬度高：800HB

无塑性：δ=0;ψ=0;

Ak=0

弱的铁磁性(<230℃)——硬、脆→钢中强化相机械知网3组织

Fe-C合金成分范围宽，相构成只三个，但性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或单相或混合相存在→不同组织（1）铁素体(F)

（2）奥氏体(A)

（3）渗碳体(Fe3C)

（4）珠光体(P)：F＋Fe3C；共析反应产物

（5）莱氏体(Ld)：A＋Fe3C；共晶反应产物

（6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe3C单相组织两相组织机械知网二、Fe―Fe3C相图分析实际组元：

Fe-Fe3C机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.530.171538℃912℃H机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008包晶线HJBLB+δHγJ共析线PSKγSαP+Fe3C共晶线ECFLCγE+Fe3C机械知网ES:γ相的溶解度曲线PQ:α相的溶解度曲线GS:先共析α相析出线LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008机械知网J点―包晶点

1495℃0.17%CC点―共晶点

1148℃4.3%CS点―共析点

727℃0.77%LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008E点―γ的最大溶碳量2.11%CP点―α的最大溶碳量0.0218%C机械知网三铁碳合金的平衡结晶过程及组织

1铁碳合金分类LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工业纯铁钢铸铁按照铁碳相图，根据碳含量不同分为三大类：机械知网根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型：（1）工业纯铁Wc＜0.0218％（2）共析钢Wc=0.77％（3）亚共析钢Wc=0.0218％～0.77％（4）过共析钢Wc=0.77％～2.11％（5）共晶白口铁Wc=4.3％（6）亚共晶白口铁Wc=2.11％～4.3％（7）过共晶白口铁Wc=4.30％～6.69％机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工业纯铁共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁亚共析钢机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008合金①WC=0.01%的工业纯铁δ常温下的组织构成：

F+Fe3CⅢ机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ合金②：共析钢727℃时发生共析转变：

γS(αP＋Fe3C)=P常温下的组织构成：

P机械知网不同放大倍数下P的显微组织

机械知网计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.008WF=SK/PK=[(6.69－0.77)/(6.69－0.0218)]×100%=88.7%WFe3C=1－88.7%=11.3%机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ亚共析钢(0.4%C)常温下的组织构成：

F先共析＋PL→δL＋δ→γγ→αγ→α＋Fe3C机械知网先共析FP机械知网0.02186.690.77727℃F+Fe3C相区0.4计算WC=0.4%钢中的组织组成物WF先=[(0.77－0.40)/(0.77－0.0218)]×100%=49.5%WP=1－49.5%=50.5%

——先共析F和P的含量？机械知网0.02186.690.77727℃F+Fe3C相区0.4计算相组成物WF=[(6.69－0.40)/(6.69－0.0218)]×100%=94.3%WFe3C=1－94.3%=5.7%

——铁素体和Fe3C的含量？机械知网过共析钢(1.0%C)L→γγγ1.0→γ0.77+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ相构成：F+Fe3C

组织构成：Fe3CⅡ+P机械知网Fe3CⅡP机械知网1148727合金⑤共晶白口铁1148℃发生共晶转变

LCγE+Fe3C萊氏体——Ld室温组织：变态萊氏体—Ld′(P+Fe3C＋Fe3CⅡ)机械知网机械知网K

合金⑥亚共晶白口铁组织构成：

P+Ld′2.114.30.7711487276.69机械知网2.114.30.7711487276.69

合金⑦过共晶白口铁组织构成：

Fe3CⅠ+Ld′机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeTJA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃α+Fe3C

0.4%Cα先共析+α共析+Fe3C共析P先共析FP

铁碳相图不足：机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeTJA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃Fe3C+α

1%Cα共析Fe3C共析PFe3CⅡFe3CⅡP机械知网P＋Fe3CⅡ＋Ld′FF＋Fe3CⅢF先+PPP+Fe3CⅡLd′＋Fe3CⅠLd′组织构成图机械知网LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工业纯铁共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁亚共析钢解释工业纯铁、钢、白口铸铁组织上的主要差别机械知网四含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响（一）对相构成及平衡组织的影响铁碳合金成分范围与室温平衡组织：机械知网1对相构成的影响机械知网2对组织构成的影响机械知网(二)对机械性能的影响机械知网对性能影响的原因分析1碳含量碳钢机械性能的影响及分析总体：

随碳含量增加，碳素钢的硬度线性提高而塑韧性下降；强度先随硬度的提高而提高，但大约当C%>0.9%后，强度反而下降；机械知网原因：与构成相或组织的性能有关。铁素体相:软韧相，渗碳体相：硬脆相；珠光体组织的性能介与两者之间:强韧

FPFe3Cσb(MN/m2)

23075030δ(%)50200

ak(J/cm2)160300HB80200800

机械知网硬度：

——非组织敏感性能

主要取决于相构成，包括组成相的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。相构成：F＋Fe3C

随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C)机械知网

亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系：HB≈80×w(F)%+800×w(Fe3C)%机械知网强度：

对组织形态很敏感。故不仅与相构成有关，更主要的与组成相的形态、分布即组织构成有极大关系。亚共析钢：

F先+P构成，均为韧性组织，强度与硬度一致。随碳含量增加，钢中强韧的P组织数量增加，而强硬度很低的F先不断下降，故合金强度随硬度增大而增大；机械知网σb＝(0.3~0.4)HBHRC＜40σb＝8.61×103/(100-HRC) HRC＞40过共析钢：

Fe3C先+P，为韧性组织＋脆性组织

——σ与脆性组织(Fe3C先)的形态直接相关：

C％<0.9%~1.0%时，σ随C％↑而变化的趋势与亚共析钢类似；

C％>0.9%~1.0%后，σ随C％↑而陡降。机械知网出现网状Fe3CⅡFe3CⅡ为沿晶粒状机械知网塑韧性：

Fe3C极脆相，无塑、韧性；合金塑性变形完全由F提供，随C%增高，F不断减少，故塑韧性不断下降。机械知网思考题：试从化学成分、相构成、组织构成等方面对工业纯铁、钢、白口铸铁的机械性能进行分析、比较、解释。机械知网

(三)对工艺性能的影响

1切削加工性能材料的硬度太软,容易粘刀,切削热大,影响表面粗糙度;材料的硬度太硬,刀具磨损严重。钢的硬度为HB170～250时，切削加工性能较好。

2可锻性：低碳钢塑性好，可锻性好。随含碳量增加，可锻性变差。机械知网3铸造性：共晶成分的铸铁流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性好；

液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。机械知网机械知网一杂质元素对钢性能的影响少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。（一）锰的影响脱氧剂。有益元素，碳钢中不超过0.8%，（1）固溶强化；（2）形成MnS，消除硫的有害影响。§2碳钢机械知网（二）硅的影响脱氧剂，有益元素，碳钢中含量不超过0.5%，固溶强化。机械知网（三）硫的影响有害元素，矿石和燃料带入。以FeS夹杂物形式存在晶界上→

“热脆”，

原因：形成Fe+FeS共晶，熔点为989℃，低于热加工的加热温度1150℃，而导致热加工时开裂。若钢中含氧量高时，还会形成熔点更低（940℃）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。机械知网

防止热脆：

（1）降硫：普通碳素结构钢要求：

S≤0.040%~0.050%（2）改变硫的存在方式：

加入适当的Mn，Mn与S的化学亲和力大于Fe，优先形成MnS，MnS的熔点1600℃，高于热加工温度，可避免热脆的发生。机械知网机械知网（四）磷的影响

——有害杂质元素，

——矿石和生铁等炼钢原料带入。

磷在钢中固溶强化作用很强，但同时剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧脆转变温度升高，称为“冷脆”。机械知网韧性降低体现在两方面：

(1)冲击功Ak↓；(2)韧脆转变温度Tk↑韧性区脆性区韧脆转变温度机械知网机械知网（五）氮、氢、氧等微量气体的影响

1、氮炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。

——称为蓝脆(因300℃上下应变时最易产生)

——蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。消除方法：加Al形成AlN机械知网2、氢高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，氢在钢中的溶解度急剧降低，但氢来不及逸出表面，过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚，并逐渐形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹，这种氢使钢变脆的现象称为氢脆——严重的缺陷。消除方法：锻后缓冷。尤大型锻件。机械知网钢材横断面低倍形貌：又称“发裂”钢材纵断面低倍形貌：也称“白点”机械知网3、氧：氧化物夹杂物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。有害元素的利用：

S、P在易切钢中的应用

P在炮弹钢中的应用。机械知网二碳钢分类、编号及用途1分类按化学成分：低、中、高碳钢：0.25%；0.6%

用途：结构钢工具钢质量：优质、高级优质、普通；(S、P)

机械知网2钢编号

反映：成分、用途（1）普通碳素结构钢（0.06%~0.4%）——力性要求

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275；

Q235-A·F

与旧标准的对比：Q235≈A3-----构件用钢机械知网(2)优质碳素结构钢(0.06%~0.70%)

——反应成分

08F、10