1、第四章 鐵碳合金 本章是本課程的重點章 本章目的： 1 介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相； 2 分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過程和其成分組織性能間關(guān)系；說明鐵碳相圖的基本應(yīng)用； 3 介紹各種碳鋼的牌號及應(yīng)用。本章重點：（1）重要概念：鐵素體 奧氏體 珠光體 萊氏體 共晶滲碳體 共析滲碳體 二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要線意義；鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分組織性能之間的關(guān)系 1 鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金應(yīng)用最廣泛的合金 一 鐵碳合金中的基本

2、相和基本組織 (一) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與性能 1 純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變A4A3A2(770)居里點(順磁性與鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度)具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一2 純鐵的顯微組織 單相的Fe3 純鐵(工業(yè)純鐵)的性能 強(qiáng)度低(b=180230MPa); 硬度低(50HBS80HBS)、軟; 塑性好(:3050； :70 80 ) 鐵磁性4 應(yīng)用： 儀器儀表用軟磁鐵芯（二） 鐵碳合金中的基本相和基本組織 1 基本組元： Fe、C 2 基本相： （1）鐵素體(或 F ) ：

3、定義: C在體心立方Fe中的間隙固溶體 但C在Fe中的溶解度極小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能: 強(qiáng)硬度低(50HBS80HBS)， 塑韌性好(:70 80 ; Ak=160J ) 與工業(yè)純鐵同良好塑韌性鋼中基體相（2）奧氏體(或 A ) 定義：C在面心立方Fe中的間隙固溶體 溶碳量較大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能: 強(qiáng)硬度較低； 塑性較好, 變形抗力較低, 易于鍛壓成形; 順磁性。 熱加工(塑性變形) 相 合金化后成為室溫基體相(無磁性)；（3）滲碳體(Fe3C) Fe與C形成的金屬化合物，含6.69%C， 復(fù)雜正交晶系。 性能

4、強(qiáng)度低：b= 30MPa; 硬度高：800HB 無塑性：=0; =0; Ak=0 弱的鐵磁性(0.9%后，強(qiáng)度反而下降；原因： 與構(gòu)成相或組織的性能有關(guān)。 鐵素體相: 軟韌相， 滲碳體相：硬脆相； 珠光體組織的性能介與兩者之間: 強(qiáng)韌 F P Fe3Cb(MN/m2) 230 750 30 (%) 50 20 0 a k (J/cm2) 160 30 0 HB 80 200 800 硬度： 非組織敏感性能 主要取決于相構(gòu)成，包括組成相的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。 相構(gòu)成： FFe3C 隨碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F減少，故合金硬度線性增大，從80HBS(10

5、0%F)增大到800HBW(100%Fe3C) 亞共析鋼硬度與相構(gòu)成或碳含量關(guān)系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %強(qiáng)度： 對組織形態(tài)很敏感。故不僅與相構(gòu)成有關(guān)，更主要的與組成相的形態(tài)、分布即組織構(gòu)成有極大關(guān)系。亞共析鋼： F先+P構(gòu)成，均為韌性組織，強(qiáng)度與硬度一致。隨碳含量增加，鋼中強(qiáng)韌的P組織數(shù)量增加，而強(qiáng)硬度很低的F先不斷下降，故合金強(qiáng)度隨硬度增大而增大；b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40過共析鋼： Fe3C先+P，為韌性組織脆性組織 與脆性組織(Fe3C先)的形態(tài)直接相關(guān)： C0.9%1.0%后，隨C而陡降。出現(xiàn)

6、網(wǎng)狀Fe3CFe3C為沿晶粒狀塑韌性： Fe3C極脆相，無塑、韌性；合金塑性變形完全由 F 提供，隨C%增高， F不斷減少，故塑韌性不斷下降。思考題： 試從化學(xué)成分、相構(gòu)成、組織構(gòu)成等方面對工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機(jī)械性能進(jìn)行分析、比較、解釋。 (三) 對工藝性能的影響 1 切削加工性能 材料的硬度太軟,容易粘刀,切削熱大,影響表面粗糙度; 材料的硬度太硬,刀具磨損嚴(yán)重。 鋼的硬度為HB170250時，切削加工性能較好。 2 可鍛性：低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨含碳量增加，可鍛性變差。3 鑄造性： 共晶成分的鑄鐵流動性好，縮孔集中，偏析小，鑄造性好； 液相線和固相線距離越大，流動性差，分散縮孔多

7、，偏析大，鑄造性越差。所以，鋼的鑄造性差。一 雜質(zhì)元素對鋼性能的影響 少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、氮等元素，它們會影響到鋼的質(zhì)量和性能。（一）錳的影響 脫氧劑。 有益元素，碳鋼中不超過0.8%， （1）固溶強(qiáng)化； （2）形成MnS，消除硫的有害影響。2 碳鋼 （二）硅的影響 脫氧劑，有益元素，碳鋼中含量不超過0.5%， 固溶強(qiáng)化。（三）硫的影響 有害元素，礦石和燃料帶入。 以FeS夾雜物形式存在晶界上 “熱脆”， 原因：形成Fe+FeS共晶，熔點為989，低于熱加工的加熱溫度1150，而導(dǎo)致熱加工時開裂。 若鋼中含氧量高時，還會形成熔點更低（940）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害

8、更大。 防止熱脆： （1）降硫： 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求： S0.040%0.050%（2）改變硫的存在方式： 加入適當(dāng)?shù)腗n，Mn與S的化學(xué)親和力大于Fe，優(yōu)先形成MnS，MnS的熔點1600，高于熱加工溫度，可避免熱脆的發(fā)生。（四）磷的影響 有害雜質(zhì)元素， 礦石和生鐵等煉鋼原料帶入。 磷在鋼中固溶強(qiáng)化作用很強(qiáng)，但同時劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，稱為“冷脆”。韌性降低體現(xiàn)在兩方面： (1) 沖擊功Ak；(2) 韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk韌性區(qū)脆性區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度（五）氮、氫、氧等微量氣體的影響 1、氮 煉鋼時氮通過爐氣進(jìn)入鋼中。鋼件快速冷卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。

9、在隨后放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼的韌性。 稱為藍(lán)脆(因300上下應(yīng)變時最易產(chǎn)生) 藍(lán)脆是造成船舶、橋梁災(zāi)難性事故的原因之一。 消除方法：加Al形成AlN2、氫 高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫度下降，氫在鋼中的溶解度急劇降低，但氫來不及逸出表面，過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處偏聚，并逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋，這種氫使鋼變脆的現(xiàn)象稱為氫脆嚴(yán)重的缺陷。消除方法： 鍛后緩冷。尤大型鍛件。鋼材橫斷面低倍形貌：又稱 “發(fā)裂”鋼材縱斷面低倍形貌：也稱“白點”3、氧： 氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，對鋼的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等影響很大。有害元

10、素的利用： S、P在易切鋼中的應(yīng)用 P在炮彈鋼中的應(yīng)用。二 碳鋼分類、編號及用途 1 分類 按化學(xué)成分： 低、中、高碳鋼：0.25%；0.6% 用 途：結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼 質(zhì)量：優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)、普通；( S、P) 2 鋼編號 反映：成分、用途 （1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 （0.06%0.4%）力性要求 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275； Q235-AF 與舊標(biāo)準(zhǔn)的對比： Q235A3 -構(gòu)件用鋼 (2) 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(0.06%0.70%) 反應(yīng)成分 08F、10、20 : 塑韌性、焊接性好冷沖、焊接、滲碳件調(diào)質(zhì)后綜合機(jī)性好調(diào)質(zhì)件強(qiáng)度高、彈性極限高彈性元件 25、30、35、40、45

11、 : 50、60、65 : (3) 碳素工具鋼（0.65%1.35%） T7、T8： 一定韌性 沖頭、錘子、鑿子T9、T10：硬度高、韌性適中； 鉆頭、手鋸條、刨刀 T12(A)、T13： 硬度高、韌性低 銼、刮刀、量具習(xí)題與思考題1 何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、變態(tài)萊氏體？分別寫出它們的符號和性能特點。2 一堆鋼材由于混雜，不知道化學(xué)成分，現(xiàn)抽出一根進(jìn)行金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其中珠光體的面積大約占40，由于珠光體與鐵素體的比容相近，可用顯微組織中珠光體與鐵素體的面積百分?jǐn)?shù)替代二者的重量百分?jǐn)?shù)，試估算該鋼材的含碳量。 3 已知珠光體的HBS180，20，鐵素體的HBS80，50，試計算含碳量為0.45的碳鋼的硬度和伸長率。(提示：合金的性能值大約是它的各組織組成物的性能值與它的各組織組成物在合金中的含量的乘積和，或稱為加權(quán)平均值)。4 何謂共析轉(zhuǎn)變和共晶轉(zhuǎn)變？寫出它們的反應(yīng)式5 指出下列名詞的主要區(qū)別：一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共析滲碳體。6 Si、Mn、S、P對碳鋼性能有何主要影響？碳鋼分類及編號方法。7 默寫畫出簡化的鐵碳相圖： 寫出主要點（P、Q、S、E、C）、線(PK、EF、 PQ、ES)的意義； 標(biāo)出亞共析鋼、共析鋼、