1、第五章 鐵碳合金,第一節(jié) 鐵碳合金基本組元、組織及 其性能 第二節(jié) 鐵碳相圖分析 第三節(jié) 碳鋼及合金鋼概述,1,第一節(jié) 鐵碳合金基本組元、組織及其性能,一、鐵碳合金基本組元 二、鐵碳相圖分析（認(rèn)識相圖結(jié)構(gòu)，點線區(qū)， 三種反應(yīng)） 三、基本組織及其性能（組織名稱、特點、 性能）,2,鋼鐵是鐵基合金（黑色金屬）的總稱。鐵和碳 是鋼鐵材料兩個最基本的組元。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0218%Wc2.11%稱為鋼，2.11%Wc 6.69%稱 為鐵或鑄鐵。不特意加入合金元素的鋼稱為碳素鋼 （簡稱碳鋼），而特意加入一種或數(shù)種一定量合金 元素的鋼稱為合金鋼。,鋼鐵材料是目前乃至今后很長一段時間內(nèi)人類社會 中最為重要的

2、金屬材料。為了熟悉并合理利用鋼鐵 材料，應(yīng)了解鐵與碳的相互作用，認(rèn)識鐵碳合金的 本質(zhì)及其成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。,3,所研究的Fe-Fe3C相圖的位置, Fe 鐵是過渡族元素， 熔點為1538，密度是 7.87g/cm3。, Fe3C 是一種具有復(fù)雜 結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常 稱滲碳體。含碳量6.69%， 硬度很高，強(qiáng)度低，塑性 韌性很差。理論熔化溫度 1227。是介穩(wěn)定化合物， 條件適當(dāng)時，會分解成單 質(zhì)狀態(tài)的石墨C 。,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過 6.69%的鐵碳合金 脆性很大，沒有使 用價值,所以有使用 意義并被深入研究 的只有Fe-Fe3C這一 部分。,一、鐵碳合金基本組元,4,固態(tài)鐵隨溫度

3、的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格 的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。該特性是鋼鐵材料通過 熱處理獲得多種組織結(jié)構(gòu)與性能的理論依據(jù)。,固態(tài)鐵的特性同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,5,二、鐵碳相圖分析（相圖結(jié)構(gòu)，點線區(qū)，三種反應(yīng)）,1、鐵碳相圖中主要的點、線、區(qū) 分析,(1) 點 (見P69),(2) 線 液相線 固相線 三條水平線 三條特征線,(3) 區(qū) 4個單相區(qū) 1條垂直線 7個雙相區(qū),L,L + ,L+ , + Fe3C, + Fe3C, + ,6,鐵碳合金中的相,液相L 鐵與碳的液溶體。 相 是碳在Fe中的間隙固溶 體，呈體心立方晶格，在1394以上 存在，1495時溶碳量為0.09%。 相 是碳在Fe中的間隙

4、固溶 體，呈體心立方晶格。其中碳的固溶 度室溫時約為0.0008%，600時為 0.0057%，在727時為0.0218%。其性 能特點是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好 相 是碳在Fe中的間隙固溶 體，呈面心立方晶格。其中碳的固溶 度在1148時為2.11%。其性能特點是 強(qiáng)度較低，硬度不高，易于塑性變形 Fe3C相 是一個金屬化合物（又稱 滲碳體），根據(jù)其生成條件不同有條 狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對鐵 碳合金的力學(xué)性能有很大影響。,+L,+Fe3C,+Fe3C,L,7,2、鐵碳相圖中三種基本轉(zhuǎn)變,8,鐵碳相圖中三種基本的轉(zhuǎn)變,在1495 發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變,J,在727發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,在1148發(fā)生共晶

5、轉(zhuǎn)變,9,共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的固相同時轉(zhuǎn)變 成兩種成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。 共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的液相同時轉(zhuǎn)變 成兩種成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。,共析轉(zhuǎn)變： +,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共析組織,共晶轉(zhuǎn)變：L +,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共晶組織,注意：共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別,10,三、基本組織及其性能（組織名稱、特點、性能）,相：面心立方，C處在八面體間隙位置，用符號表示。 組織：稱為奧氏體，用符號A表示。,含碳量：02.11% 溫度范圍：727 1495 ,力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低； 塑性好。,鋼材加熱到奧氏體區(qū)后進(jìn)行鍛造和軋制。,奧氏體不銹鋼（188型不銹鋼）,1

6、、奧氏體（A） C溶于-Fe形成的固溶體,11,相：體心立方，C處在八面體間隙位置，用符號表示。 組織：稱為鐵素體，用符號F表示。,含碳量：00.0218%(727 ) 00.0008%(室溫) 溫度范圍：912,力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低；塑性好。,工業(yè)純鐵0.02%C， 冷軋?zhí)岣邚?qiáng)度，得到冷軋板。,2、鐵素體（F）C溶于-Fe形成的固溶體,12,相：+ Fe3C兩種相組成 組織：珠光體，用符號P表示,含碳量：0.77% (稱為共析鋼) 溫度范圍：727,力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度較高； 塑性較好。 鋼絲繩,3、珠光體（P）和Fe3C形成的機(jī)械混合物,13,共析鋼室溫組織珠光體（P）,14,相：+ F

7、e3C兩種相。 組織：萊氏體或室溫萊氏體，用符號Ld表示。,含碳量：4.3%(稱共晶白口鑄鐵) 溫度范圍：727,Ld,Ld,室溫組織: Ld(P + Fe3C +Fe3C）,4、萊氏體（Ld）P和Fe3C形成的機(jī)械混合物,15,Ld (P+Fe3C)+Fe3C,共晶白口鑄鐵的室溫組織,16,5、滲碳體,17,第二節(jié) 鐵碳相圖分析,一、典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織 二、杠桿定律的應(yīng)用 三、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系 四、鐵碳相圖的應(yīng)用,18,1、共析鋼,L,+Fe3C,室溫組織:P 室溫相：+Fe3C,L,一、典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織,19,2、亞共析鋼

8、,+Fe3C,L,L,L,室溫組織:P+F 室溫相：+Fe3C,20,3、過共析鋼,L,L, Fe3C,+Fe3C,室溫組織:P+Fe3C 室溫相：+Fe3C,21,4、共晶白口鐵,L,+Fe3C,L+Fe3C, Fe3C,室溫組織:Ld 即 P+Fe3C+Fe3C 室溫相：+Fe3C,22,5、亞共晶白口鐵,L,L,L+Fe3C, Fe3C,+Fe3C,室溫組織:Ld+P+Fe3C 即(P+Fe3C+Fe3C)+P+Fe3C 室溫相：+Fe3C,23,6、過共晶白口鐵,L, Fe3C,L+Fe3C,+Fe3C,室溫組織:Ld+Fe3C 即(P+Fe3C+Fe3C)+Fe3C 室溫相：+Fe3

9、C,24,L+ A,L,P+Fe3C+Ld, + A,L+ Fe3C,A,F, + L,F+A,F+Fe3C,A+Fe3C,Fe3C+Ld,A+Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,P+Fe3C,F+P,Fe3C,25,二、杠桿定律的應(yīng)用,例：共析鋼珠光體組織中F和Fe3C的相對量。,Fe3C,F,P,0.0008,6.69,0.77,F%=（6.69-0.77）/（6.69-0.0008） Fe3C%=1-F%,26,1、工業(yè)純鐵 （C%0.0218 ）,組織：F或F+ Fe3C ，F(xiàn)e3C 通常沿晶界析出。,工業(yè)純鐵室溫組織,性能：b 、HBS 、Ak,三、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、力學(xué)性能之

10、間的關(guān)系,27,2、碳鋼,C%為0.02182.11，碳鋼根據(jù)碳含量又可分為 三類：亞共析鋼0.02180.77；共析鋼0.77； 過共析鋼0.772.11。,亞共析鋼,過共析鋼,28,亞共析鋼 （C%為0.02180.77）,組織特征：P+F 隨含C量增加， P量逐漸增加， F量逐 漸減少；形態(tài)從塊狀斷續(xù)網(wǎng)狀。 性能特點：塑性、韌性好。,15鋼,45鋼,65鋼,29,鋼中含碳量%Vp0.77%VF0.0008%,在顯微分析中常以P與F的面積數(shù)量比來 估計亞共析鋼的含碳量。,即：C50P0.8C0.40 此鋼含碳量約為0.40，即40鋼。,磨制好的金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織發(fā)現(xiàn)： 組織中含

11、有50P和50F，,例如，一種未知鋼號的碳鋼(退火態(tài))，利用 金相法估算此鋼的碳含量。,30,共析鋼（含碳量0.77%的鐵碳合金）,共析鋼室溫組織,組織：P,性能：良好的綜合力學(xué)性能（具有強(qiáng)度較高和一定的塑、韌性）,組織特征：Fe3C片狀分布于F基體上，呈貝殼狀,31,過共析鋼（含碳量0.77%2.11的鐵碳合金）,T12鋼退火組織 （4%硝酸酒精浸蝕）,組織：P+ Fe3C,性能特點：硬度高，塑、韌性低,組織特征：Fe3C呈網(wǎng)狀分布于層片狀P周圍,32,3、白口鑄鐵,碳含量為2.116.69，白口鑄鐵(簡稱白口 鐵)又可分為三類：亞共晶白口鐵C%為2.11 4.3，共晶白口鐵C%為4.3，過

12、共晶白口鐵 C%為4.36.69。,過共晶白口鐵,亞共晶白口鐵,33,亞共晶白口鑄鐵 （含碳量2.11%4.3）,組織：P+ Fe3C +Ld （Ld P+Fe3C +Fe3C ）,性能：硬而脆。,34,共晶白口鑄鐵（含碳量4.3）,共晶白口鑄鐵的室溫組織,室溫組織：低溫萊氏體（Ld P+Fe3C +Fe3C ） 高溫組織：高溫萊氏體（Ld A+Fe3C ）,性能：硬而脆,35,過共晶白口鑄鐵（含碳量4.3%6.69）,過共晶白口鑄鐵室溫組織,組織：Ld+ Fe3C （LdP+Fe3C+Fe3C）,性能：硬而脆。,36,15鋼,45鋼,65鋼,T12,Wc，則Fe3C，且其形態(tài)由點狀層片狀網(wǎng)狀

13、 基體 粗大板片狀，而 F且其形態(tài)由大塊 狀斷續(xù)網(wǎng)狀層片狀。,37,由圖可知： Wc1.0%時：隨鋼中Wc，則 其HB、b，、Ak；,為保證工業(yè)用鋼應(yīng)具有 足夠的b 和一定的 、Ak ， 故其碳含量一般都不超過 Wc1.3% 1.4%。,含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系（P79）,因鋼中出現(xiàn)Fe3C網(wǎng)而導(dǎo)致鋼的b ，但HB ,當(dāng) Wc1.0%時：b而HB。 為什么？,38,1.硬度 主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨碳含量的增加，合金的硬度呈直線關(guān)系增大。,2.強(qiáng)度 對組織形態(tài)很敏感。隨碳含量的增加，亞共析鋼中 P 增多而 F 減少。P的強(qiáng)度比較高，所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而

14、增大。到約wc=0.9時，F(xiàn)e3C沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低。,3.隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減少，合金的塑性、韌性連續(xù)下降。,39,對于應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)材料亞共析鋼，合金的硬度、 強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算：,或硬度80F%+800Fe3C% (HB),強(qiáng)度230F%+770P% (MPa),延伸率()50F%+20P% (%),工業(yè)上廣泛使用的鋼含碳量1.31.4。,硬度80F%+180P% (HB),40,四、鐵碳相圖的應(yīng)用,1、在鑄造上的應(yīng)用 2、在鍛造上的應(yīng)用 3、在熱處理上的應(yīng)用,41,第三節(jié) 碳鋼及合金鋼概述,一、鋼中常存在的雜質(zhì)元素及其影響 二、鋼的分類、編號及應(yīng)用

15、,42,一、鋼中常存在的雜質(zhì)元素及其影響,1、Mn 脫氧；減輕S的影響；固溶強(qiáng)化。,2、Si 固溶強(qiáng)化,3、S 熱脆,4、P 冷脆,43,（一）鋼的分類,按質(zhì)量分,優(yōu)質(zhì)碳鋼（Ws 0.040%，Wp 0.040%）,普通碳鋼（Ws 0.055%，Wp 0.045%）,高優(yōu)碳鋼（Ws 0.030%，Wp 0.035%）,按用途分,工具鋼（主要用于刀具、量具、模具）,結(jié)構(gòu)鋼（主要用于工程構(gòu)件、機(jī)器零件）,按含碳量分,低碳鋼（Wc 0.25%）,中碳鋼（Wc 0.25 0.60%）,高碳鋼（Wc 0.60%）,二、鋼的分類、編號及應(yīng)用,44,（二）鋼的編號,(1)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,（a） 甲類鋼：按力

16、學(xué)性能供應(yīng),表示方法： 甲1（A1）、甲2（A2）甲7（A7）,注意：由于不保證化學(xué)成分，所以熱處理時不能 依甲類鋼來選材，應(yīng)依乙類鋼選，才能根據(jù)相圖 制定熱處理工藝。,1、碳鋼的編號,45,（b） 乙類鋼：按化學(xué)成分供應(yīng),表示方法： 乙1（B1）、乙2（B2）、乙7（B7）,注意：可以熱處理，但屬于普碳鋼，性能改善不大。,（c） 特類鋼：根據(jù)要求供貨，保證化學(xué)成分和 力學(xué)性能。,表示方法： C2、C3、C4、C5,注意：價格太高，一般不用，經(jīng)常選優(yōu)質(zhì)碳素鋼。,46,Q 235 A F,新編號,質(zhì)量等級：A級、B級、C級、D級,F沸騰鋼、Z鎮(zhèn)靜鋼、b半鎮(zhèn)靜鋼,47,用途：鋼板、鋼筋、型鋼等，作

17、橋梁、建筑等構(gòu)件。,熱處理：熱軋空冷 組織：SF,48,多邊型角鋼,鋼筋、螺紋鋼,螺釘、鉚釘,49,（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,（a）普通錳含量鋼： 碳含量用兩位數(shù)字表示，以0.01為單位，如 45鋼，含C量為 45 / 10000 = 0.45 % 。,（b）較高錳含量鋼： 碳含量用兩位數(shù)字表示，以0.01%為單位，后面 加漢字“錳”或化學(xué)符號“Mn”，如45錳或45Mn鋼。,分為普通錳含量鋼和較高錳含量鋼。,50,較重要的零件，如齒輪、軸、連桿、彈簧等。,熱處理：滲碳、淬火、回火等。,40Mn鋼,鋼牌號：,40鋼,51,汽車曲軸,彈簧,齒輪,52,（3）碳素工具鋼,牌號 : “碳”或T碳含量（千

18、分之幾表示)+ 符號,用途：,制造各種刃具、模具、量具。 例如沖頭、鑿子、鉆頭、銼刀、量規(guī)等。,T10A鋼,53,螺 紋 量 規(guī),銼刀,鉆頭,54,2、合金鋼的編號,（1）合金結(jié)構(gòu)鋼,原則：字母 數(shù)字化學(xué)元素符號數(shù)字符號（A）,例 1 ：12 Cr Ni 3 A12鉻鎳3高級優(yōu)質(zhì)鋼,55,例 ：G Cr 15滾鉻15鋼,例 2：Y 40 Mn易切削40錳鋼,特例： GCr鋼中Cr后的數(shù)字表示的是千倍,另外， 還有GCr9 、GCr6、GCr15SiMn等,56,（2） 合金工具鋼,原則： 鋼中平均含碳量Wc 1.0%時不標(biāo)， Wc 1% 時以千分之幾表示。 合金元素含量為百分之幾。,例1： 9

19、 Si Cr9硅鉻（低合金工具）鋼,57,特例：高速鋼平均碳含量 1% 也不標(biāo)。,另外， 還有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等,58,（3） 特殊性能合金鋼,原則：鋼中平均含碳量 Wc 以千分之幾表示。 合金元素平均含量WMe以百分幾表示。,例1： 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼,例2： 3Cr18 Ni25 Si2耐熱不起皮鋼,59,（三）合金元素在鋼中的作用,1、合金元素的分類,a）強(qiáng)碳化物形成元素,與碳親和力較強(qiáng)的合金元素。如Cr、W、Mo、 V、Nb、Ti等。,在鋼中存在形式： 含量較低時一般傾向于置換Fe3C內(nèi)的Fe原子而形成 合金滲碳體（Fe，Cr）3C、（Fe，W）3C

20、等。而含 量較高時，除形成滲碳體型碳化物外，還可形成穩(wěn) 定性更高的合金碳化物（Cr7C3、Fe4W2C等）和穩(wěn) 定性特高的特殊碳化物（WC、VC等）。,60,b）弱碳化物形成元素,是指與碳親和力較弱的合金元素。如Mn。,在鋼中存在形式： 少量溶于滲碳體（Fe3C）內(nèi)，形成合金滲碳體 （Fe，Mn）3C，大部分溶于鐵素體（F）內(nèi)， 形成合金鐵素體。,c）非碳化物形成元素,與碳親和力很弱,不和碳形成碳化物的 合金元素。如Ni、Si、Al、Co、Cu、B等。,在鋼中存在形式： 基本都溶于鐵素體（F）內(nèi)，形成合金鐵素體。,61,2、合金元素的作用,固溶強(qiáng)化,除鉛外，大多數(shù)合金元素（Me）都能溶于F 形

21、 成合金F。由于Me與Fe的晶格類型和原子半徑的差 異而引起F的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，即使 F 的 HB 、 b 。 Me與Fe的晶格類型和原子半徑的差 異愈大，該Me對F的強(qiáng)化效果也愈大。而F 的 、 、Ak 與溶入F中的Me種類及數(shù)量有關(guān)。,62,合金元素對鐵素體硬 度的影響（退火態(tài)）,合金元素對鐵素體沖擊韌性的影響,63,第二相強(qiáng)化,某些Me加入鋼中，增強(qiáng)Fe與C的親和力，形成穩(wěn)定 性較高的合金滲碳體（Fe,Cr）3C等。隨Me及C的加 入量增多，能形成穩(wěn)定性更高的合金碳化物Cr7C3、 Cr23C6等及穩(wěn)定性特高的合金碳化物（WC、VC、 TiC等），其熔點、硬度高，難溶于A、難聚集

22、長大， 這些碳化物（第二相）呈細(xì)小顆粒狀、彌散分布在鋼 的基體上，將使鋼的HB 、b，耐磨性增加，但、 、Ak。,加入Me,合金滲碳體、合金碳化物,細(xì)小顆粒狀、彌散分布在鋼的基體上,強(qiáng)化,64,高速鋼W18Cr4V淬火+回火組織,65,細(xì)晶強(qiáng)化,大部分Me元素都抑制鋼在加熱時的A晶粒長大， 細(xì)化晶粒。尤其是強(qiáng)碳化物形成元素Mo、W、V、 Ti等與C形成高熔點、高硬度的合金碳化物（K）， 并呈細(xì)小、顆粒狀的質(zhì)點彌散分布在鋼中，這些K 對A的晶界起到釘扎作用，強(qiáng)烈阻礙A晶粒長大，故 合金鋼在淬火加熱時易獲得細(xì)小的A晶粒未溶的K 質(zhì)點，淬火后可獲得在硬度高、強(qiáng)韌性好的細(xì)小馬 氏體的基體上彌散分布著K

23、質(zhì)點的組織。從而使合 金鋼具有高的硬度、高的強(qiáng)韌性、高的耐磨性。,Me,K,釘扎晶界,阻礙A晶粒長大,66,高速鋼W18Cr4V的淬火組織,67,提高鋼的淬透性,除Co外，所有Me當(dāng)他們?nèi)苋階中后，均提高 鋼的淬透性。因此，在獲得同樣淬硬層深度的情 況下，可用冷卻能力較低的淬火介質(zhì)，以減少工 件的淬火變形和開裂；在淬火條件相同的條件下， 合金鋼可獲得較深的淬硬層，從而使大截面的工 件獲得均一的組織，高的力學(xué)性能。,淬透性：鋼在淬火時獲得淬硬層（淬透層） 深度的能力。,68,提高鋼的回火穩(wěn)定性,Me能使淬火鋼在回火過程中的M分解和A的 轉(zhuǎn)變速度減慢，提高了F再結(jié)晶溫度，使碳化物不 易聚集長大而保

24、持較大的彌散度。因此，提高了 鋼對回火軟化的抗力，即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。,當(dāng)鋼中含有較多的強(qiáng)碳化物形成元素（如W、 Mo、V等）時，淬火后的A十分穩(wěn)定，加熱至500 600 仍不分解，爾后在回火冷卻過程中部分轉(zhuǎn)變 成M，反而使鋼的硬度上升；此外，在此溫度下回 火鋼中將沉淀析出這些元素的特殊碳化物并呈彌散 分布，致使回火后鋼的硬度不但不降反而再增加 “二次硬化”。,69,高速鋼W18Cr4V 1280 淬火+560 三次回火組織,70,抑制第二類回火脆性,回火脆性：淬火鋼在250 350與550650 兩個溫度范圍內(nèi)回火時使鋼的韌性顯著降低的現(xiàn) 象。前者稱為第一類回火脆性（不可逆），后者 稱為第二類回火脆性（可逆）。,第二類回火脆性主要出現(xiàn)在Cr、Mn、Ni、 Si等的合金結(jié)構(gòu)鋼中。產(chǎn)生回火脆性的原因是 回火慢冷時Cr、Mn等Me以及鋼中的雜質(zhì)元素 P、Sb、Sn等向原A晶界偏聚有關(guān)。,71,1.某Fe-C合金在平衡冷卻條件下，在800開始發(fā)生AF轉(zhuǎn)變，727發(fā)生AP轉(zhuǎn)變，可以知道（ ）。 （a）該合金的含碳量 （b）該合金屬于過共析合金 （c）該合金含碳量