第五章 鐵碳合金相圖及碳素鋼

1、第五章 鐵碳合金相圖及碳素鋼(P56)第一節(jié) 鐵碳合金中的相與基本組織 第二節(jié) 鐵碳合金相圖 第三節(jié) 碳素鋼 高山流水第一節(jié) 鐵碳合金中的相與基本組織一、Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變及晶體結(jié)構(gòu)（P56）w 同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變是指金屬在結(jié)晶成固態(tài)以后繼續(xù)冷卻的過程中晶格類型隨溫度下降而發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。Fe的冷卻曲線及相應的晶體結(jié)構(gòu)（P56）L-Fe -Fe -Fe -F相體心面心體心同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（重結(jié)晶）的特點（P56）1）在固態(tài)下進行；2）同素異構(gòu)體的晶核優(yōu)先在原來晶粒的晶 界處形成；3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有較大的過冷度；4）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變往往要產(chǎn)生

2、較大的內(nèi)應力 注意重結(jié)晶與再結(jié)晶的區(qū)別注意重結(jié)晶與再結(jié)晶的區(qū)別二、鐵碳合金中的相（相組成物）1、鐵素體（P57）鐵素體（F或） 碳原子固溶到-Fe中形成的間隙固溶體 室溫相常作基本相（基體相） 鐵素體強度、硬度不高、塑性、韌性很好F的金相組織示意圖二、鐵碳合金中的相（相組成物）2、奧氏體（P58）奧氏體（奧氏體（A A或或） 1）碳原子固溶到-Fe中形成的間隙固溶體； 2）高溫相，存在于727以上，一般不存在于室溫； 3）奧氏體強度不高，塑性很好。 二、鐵碳合金中的相（相組成物） 3、滲碳體（P58）滲碳體（Fe3C）w 鐵與碳形成的間隙化合物，含碳量6.69%；w 室溫相常作為鋼的第二彌散強

3、化相；w 滲碳體具有高硬度、高脆性、低強度和低塑性； 一次滲碳體Fe3CI：從液相直接結(jié)晶出來。 二次滲碳體Fe3CII：從A中析出。 三次滲碳體Fe3CIII：從F中析出。 二、鐵碳合金中的相（相組成物） 4、石墨（P58） 石墨（G）w Fe-C合金中游離存在的碳w 石墨的強度、塑性、硬度都很低 二、鐵碳合金中的相（相組成物） 4、液相（P58） 液相（L） 液態(tài)的鐵碳合金 鑄鐵澆注照片三、鐵碳合金中的基本組織（組織組成物）（P58）1、珠光體（P）共析轉(zhuǎn)變：恒溫下，一種固相同時析出兩種不同成分固相的機械混合物（共析體）。 A0.77 (F+Fe3C) P珠光體的力學性能介于F和Fe3C之

4、間，強度較高，硬度適中，有一定的塑性。 727P的金相顯微鏡組織三、鐵碳合金中的基本組織（組織組成物）（P58）2、高溫萊氏體（Ld） L4.3 (A+Fe3C) Ld 共晶轉(zhuǎn)變 高溫萊氏體是存在于727以上的一種基本組織，硬度很高，塑性很差。 1148三、鐵碳合金中的基本組織（組織組成物）（P58）3、低溫萊氏體（、低溫萊氏體（Ld） 在727以下高溫萊氏體中的奧氏體又發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成珠光體，這時的萊氏體就變成由P和Fe3C組成，成為低溫萊氏體。 低溫萊氏體是室溫下的一個基本組織 三、鐵碳合金中的基本組織（相組成和組織組成物總結(jié)）（P58） 相組成相組成: : L、A、F、 Fe3C、G； 組

5、織組成組織組成: : F、A、 Fe3CI 、 Fe3CII 、 Fe3CIII、 P、 Ld、 Ld第二節(jié) 鐵碳合金相圖（P59） 一、Fe-C相圖與Fe-Fe3C相圖 二、對Fe-Fe3C相圖的分析 三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程 四、含碳量對鐵碳合金組織與性能的影響 五、Fe-Fe3C相圖的應用 一、Fe-C相圖與（P59）簡化了的Fe-Fe3C相圖二、對Fe-Fe3C相圖的分析（一）相圖中的主要點（P59）點溫度碳量含 義A15380純鐵熔點B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時的液相成分C11484.3共晶點 LC - (AE+Fe3C) LdD12276.69Fe3C熔點E11482.11C在-

6、Fe中的最大溶解度F11486.69共晶Fe3C成分點G9120-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點H14950.09C在-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶成分點 LB+H - AJK7276.69共析Fe3C成分點N13940-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點P7270.0218C在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點 AS - (FP+Fe3C) PQ室溫0.0008 二、對Fe-Fe3C相圖的分析（二）相圖中的主要相變線（P59）主要線主要線溫溫 度（度（）含含 義義ABCD15381227液相線AHJECF15381148固相線HJB1495包晶轉(zhuǎn)變線ECF1148共晶線共晶線PSK727

7、共析線共析線 A1ES1148727C在在-Fe中的溶解度線中的溶解度線 AcmPQ727600C在在-Fe中的溶解度線中的溶解度線 GS912727A向F轉(zhuǎn)變的開始線 A3GP912727A向F轉(zhuǎn)變的終了線一、Fe-C相圖與Fe-Fe3C相圖（P59）二、對Fe-Fe3C相圖的分析（二）相圖中的相區(qū)（P61）相圖中的相區(qū)相圖中的相區(qū) 1）單相區(qū)）單相區(qū)5個：個：L、A、F、Fe3C2）雙相區(qū)）雙相區(qū)7個：個：+L、 +A、 A+L、 L+ Fe3C、 A+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C3）三相區(qū)）三相區(qū)3個：個：L+A、 L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C 包晶線包晶線 共晶線

8、共晶線 共析線共析線三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程 （一）Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的分類（P61）1、工業(yè)純鐵、工業(yè)純鐵 Wc0.02%2、碳素鋼碳素鋼 0.02% Wc2.11% 1）共析鋼）共析鋼 Wc=0.07% 2）亞共析鋼）亞共析鋼 0.02% Wc0.77% 3）過共析鋼過共析鋼 0.77% Wc2.11%3、白口鑄鐵白口鑄鐵 2.11% Wc 6.69% 1）共晶白口鑄鐵 Wc=4.3% 2）亞共晶白口鑄鐵 2.11% Wc4.3% 3）過共晶白口鑄鐵4.3% Wc 6.69% （二）典型合金的相變過程1、工業(yè)純鐵在平衡態(tài)下的結(jié)晶過程（P61）顯微組織照片 1點以上 L ； 34

9、點 +A； 67點 F； 12點 L+； 45點 A ； 7點以下 F+ Fe3CIII； 23點鐵素體相 ； 56點 A+F； 室溫下：相組成物相組成物F、Fe3C （二）典型合金的相變過程1、共析鋼在平衡態(tài)下的結(jié)晶過程（P62）1點以上 L； 12點 L+A； 23點 A；3點 共析轉(zhuǎn)變AS (FP+Fe3C) P（片層狀分布）共析鐵素體 共析滲碳體 珠光體團34點 F+ Fe3CIII+ Fe3C P室溫下：相組成物F、Fe3C； 組織組成物 P%5 .11069. 677. 03CFeQ%5 .88069. 677. 069. 6FQ727（二）典型合金的相變過程3、亞共析鋼在平衡態(tài)下

10、的結(jié)晶過程（P63）077. 077. 0cFWQ077. 00cPWQ 1點以上 L； 2點 包晶轉(zhuǎn)變0.09+ L0.53 A0.17 12點 L+； 5點 共析轉(zhuǎn)變A0.77 (FP+Fe3C) P 23點 A+L； 56點 F+ Fe3CIII +PF+P 34點 A； （Fe3CIII含量很少，可以忽略不計） 45點 A+F； 室溫下：相組成物F、Fe3C ；組織組成物F、P1495727（二）典型合金的相變過程含碳量的估算（P64）亞共析鋼顯微照片（二）典型合金的相變過程 4、過共析鋼的相變過程（P64） 1點以上 L； 4點 共析轉(zhuǎn)變A0.77 (FP+Fe3C) P 12點 L

11、+A； 45點 P+ Fe3CII 23點 A； 室溫下：相組成物F、Fe3C 34點 A+ Fe3CII 組織組成物P、Fe3CII 77. 069. 677. 03cCFeWQII77. 069. 669. 6cPWQ727顯微組織照片顯微組織照片（二）典型合金的相變過程5、共晶白口鑄鐵的相變過程（P65）1點以上： L； 1點 ： 共晶轉(zhuǎn)變L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ；12點： A+ Fe3CII + Fe3C Ld 二次滲碳體與共晶滲碳體 混成一體； 2點 ； 共析轉(zhuǎn)變A0.77 (FP+Fe3C) P； 23點： (P+ Fe3CII+ Fe3C) Ld； 室溫下：相組

12、成物室溫下：相組成物 F、Fe3C； 組織組成物組織組成物 Ld 滲碳體的基體上分布著樹枝狀的珠光體 顯微照片顯微照片1148727（二）典型合金的相變過程6、亞共晶白口鑄鐵的相變過程（P65）1點以上： L； 12點： L+A； 2點： 共晶轉(zhuǎn)變L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld23點： A+ Fe3CII + Ld；3點 ： 先共晶A共析轉(zhuǎn)變 A0.77 (FP+Fe3C) P Ld Ld34點 ： P+ Fe3CII + Ld ；室溫下：相組成物 F、Fe3C ； 組織組成物 ：P、Fe3CII 、Ld 顯微組織照片1148727（二）典型合金的相變過程6、過共晶白口鑄鐵的相變過程

13、（P66）1點以上： L； 12點： L+ Fe3CI ； （ 先共晶滲碳體，呈粗大條狀）2點： 共晶轉(zhuǎn)變L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ； 23點 ： Fe3CI + Ld；3點： Ld Ld、 Fe3CI； 34點： Fe3CI + Ld；室溫下：相組成物相組成物 F、Fe3C； 組織組成物組織組成物 Ld、Fe3CI 1148過共晶白口鐵顯微照片四、按組織組成物分區(qū)的四、按組織組成物分區(qū)的Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖相圖（P67）F+PPP+ Fe3CIIAA+ Fe3CIIF+AA+ Fe3CII+ LdA+ Fe3CII+ Ld Fe3CI + LdFe3CI +

14、LdLdLd五、含碳量對鐵碳合金組織與性能的影響（一）含碳量對鐵碳合金組織的影響 （P68）隨著含碳量增加時，滲碳體不僅數(shù)量增加，形態(tài)和分布也發(fā)生了很大變化。（滲碳體分布在P內(nèi)網(wǎng)狀分布在A晶界上形成萊氏體時，滲碳體則成了基體 。）（二）含碳量對鐵碳合金性能的影響 1、對熱變形加工性能的影響（P68）w WC2.11%時（純鐵與碳素鋼），高溫時可獲得單相A固溶體組織（塑性好），可進行熱變形加工熱變形加工。w WC2.11%時（白口鑄鐵），高低溫區(qū)都有脆硬的萊氏體，不能進行熱變形加工。 （二）含碳量對鐵碳合金性能的影響（二）含碳量對鐵碳合金性能的影響 2、對力學性能的影響、對力學性能的影響（P68

15、）（1）硬度硬度 WC增加，硬度增加；（2）強度強度 WC0.9%時，WC增加，強度降低；（3）塑性、韌性塑性、韌性 WC增加，塑性、韌性下降； 為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強度和塑性、韌性，碳素鋼的含碳量一般不超過1.4% 。（二）含碳量對鐵碳合金性能的影響 3、對物理化學性能的影響（P68）w WC增加，導熱性下降、抗電化學腐蝕性能下降、焊接工藝性下降、鑄造工藝性下降 六、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用1、在選材方面的應用（P69）根據(jù)零件的使用性能選擇鋼的成分（鋼號）根據(jù)零件的使用性能選擇鋼的成分（鋼號）: : 1）要求塑性、韌性好而強度不高的機件低碳鋼（WC0.25%）；（如冷沖壓

16、件） 2）要求強度、塑性、韌性等綜合性能好的機件中碳鋼（WC=0.3%0.55%）并進行適當?shù)臒崽幚?；（如機床主軸） 3）各種工具用鋼高碳鋼 。（如銼刀）六、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用2、在鑄造方面的應用（P69）1）確定合理的澆注溫度 鑄件的合理澆注溫度一般選在液相線以上50100 ；2）鑄鐵件的化學成分多選在共晶點附近，此成分的鐵碳合金結(jié)晶溫度區(qū)間較小，流動性好、分散縮孔小。 六、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用3、在鍛造方面的應用（P69）w 根據(jù)相圖選擇最佳壓力加工工藝溫度范圍壓力加工工藝溫度范圍。 鍛造和熱軋的開始溫度一般選在固相線以下200左右。 停止鍛軋溫度一般要控

17、制在800左右。六、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用4、在熱處理方面的應用（P70）w Fe-Fe3C相圖中的 A1、A3、Acm三條三條 相變線相變線是確定碳素 鋼熱處理工藝加熱 溫度的依據(jù)。 PSK： A1 GS： A3 ES： AcmA1Acm第三節(jié) 碳素鋼（P70）一、鋼中常存雜質(zhì)對鋼性能的影響 二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途 一、鋼中常存雜質(zhì)對鋼性能的影響1、Mn的影響（P70）w 鋼中常在雜質(zhì)有：Si、Mn、S、P和氧、氫、氮和氧、氫、氮等氣體。等氣體。w Mn是煉鋼時用錳鐵給鋼液脫氧后而殘余在鋼中的元素。w 錳有較強的脫氧能力，錳大部分溶于F，使鋼強化，錳對鋼有益。w 錳能

18、降低S對鋼的危害。w 一般碳素鋼中把錳控制在0.25%0.8%范圍內(nèi)。 一、鋼中常存雜質(zhì)對鋼性能的影響2、Si的影響（P70）w Si主要來自原料生鐵和硅鐵脫氧劑。w Si比錳脫氧能力強，硅溶于F，提高鋼的強度和硬度，但會使塑性和韌性降低。w 硅促進Fe3C分解成石墨，若鋼中出現(xiàn)石墨會使鋼的韌性嚴重下降，產(chǎn)生所謂的“黑脆黑脆”。w 硅在碳素鋼中一般控制在0.170.37%范圍內(nèi)一、鋼中常存雜質(zhì)對鋼性能的影響3、S的影響（P70）w S可使鋼的“熱脆熱脆”性增加。（S不溶于-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔點為1190，而FeS又能于Fe形成共晶體分布于晶界上，其熔點僅為985。）w S對

19、鋼的焊接性能也有不良影響，容易導致焊縫熱裂。所以，S在鋼中是有害雜質(zhì)，其含量一般要求不大于0.05%。但是，S能改善鋼材的切削性能。 一、鋼中常存雜質(zhì)對鋼性能的影響4、P的影響（P71）w P會引起鋼的“冷脆冷脆”。（P在鋼中全部溶于-Fe中，使鋼的強度和硬度增高，同時，塑性和韌性顯著降低。當鋼中含P量達0.3%時，鋼完全變脆，這種脆性現(xiàn)象在低溫時更為嚴重。）w P還降低鋼的焊接性能。所以，P在鋼中是有害雜質(zhì)，其含量一般要求不大于0.045%。但是，S能改善鋼材的切削性能和耐腐蝕性能。 一、鋼中常存雜質(zhì)對鋼性能的影響5、氣體的影響（P71）w 氧會降低鋼的力學性能，尤其是疲勞強度。對鋼無益，越

20、少越好。w N會以氮化物的形式析出，增加鋼的強度和硬度，但會降低鋼的塑性和韌性，使鋼變脆。w H會使鋼的脆性顯著增加，稱為“氫脆氫脆”。 H會使鋼中產(chǎn)生裂紋，稱為“白點白點”。 二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途（一）碳素鋼的分類（一）碳素鋼的分類 （P72）1、按鋼中含碳量分、按鋼中含碳量分（1）低碳鋼 WC0.25%（2）中碳鋼 0.25%0.6% 2、按鋼的質(zhì)量分按鋼的質(zhì)量分（1）普通鋼 WS0.05% WP0.045%（2）優(yōu)質(zhì)鋼 WS0.035% WP0.035%（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼 WS0.02% WP0.03% 二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途（一）碳素鋼的分類（一）碳素鋼的分類 （P72）3、按鋼的用途分（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 （2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（3）碳素工具鋼（4）一般工程用鑄造碳素鋼件（鑄鋼）二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途（一）碳素鋼的分類（一）碳素鋼的分類 （P72）4、按煉鋼時的脫氧程度分、按煉鋼時的脫氧程度分（1）沸騰鋼（F） 脫氧不徹底（2）鎮(zhèn)靜鋼（Z