工程材料第四章

第四章铁碳合金碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。碳钢和铸铁都是在铁中加入一定比例的碳，所以，碳和铁是钢铁材料中最基本的组元。为了更好的掌握钢铁材料，我们先从铁入手，之后，研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质，并了解它的成分、组织结构与性能之间的关系。纯铁的同素异构转变金属的多晶型性（同素异构现象）多晶型性转变（同素异构转变）纯铁的同素异构转变δ-Feγ-Feα-Fe纯铁的成分及性能纯铁（工业纯铁）：含杂质0.10%～0.20%性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaδ=30%～50%ψ=70%～80%Ak=128～160JHBS=50～80纯铁及其同位素转变纯铁及其同位素转变1394℃912℃077091213941538时间/min温度/℃有磁性的α-Fe体心立方无磁性的α-Fe体心立方γ-Fe面心立方δ-Fe体心立方液态铁素体（F或α）定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：bcc最大溶解度：0.02%（727℃）性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaHBS=50～80δ=30%～50%ψ=70%～80%ak=160～200J/cm2δ-铁素体：碳溶于δ-Fe中所形成的间隙固溶体，最大溶解度：0.09%（1495℃）铁碳合金的相和组织组成奥氏体（A或γ）定义：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：fcc最大溶解度：2.11%（1148℃）性能：σb≈400MPaHBS=170～220δ=40%～50%高塑性、无磁铁碳合金的相和组织组成渗碳体（Fe3C）定义：Fe与C所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：σb≈30MPaHBS=800δ≈0ψ≈0硬而脆（耐磨性好）Fe3C3Fe+C（石墨）合金渗碳体：（Fe、Me）3CFe3（C、N）或Fe3（C、B）石墨碳晶格结构：简单六方性能:加工性能机械性能铁碳合金的相和组织组成高温珠光体（P）定义：F与Fe3C所形成的整合组织（平均含碳量：0.77%）性能：σb≈750MPaHBS=180δ≈20%～25%ak=30～40J/cm2铁碳合金的相和组织组成莱氏体（Ld、或Le、）定义：A与Fe3C所形成的整合组织（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆铁碳合金的相和组织组成Fe-Fe3C亚稳平衡相图相区重要线①ABCD②AHJECF③CD④HJB⑤ECF⑥PSK（A1）⑦GS（A3）⑧ES（Acm）⑨PQ铁碳合金相图分析§4—1铁碳合金相图分析δL+AFAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3Cδ+Lδ+ALAB0.53C4.3DE2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.691148℃727℃1394℃WC(%)T(℃)N重要点①N、G——同素异构转变点②H、E、P、Q——最大溶解度点③J、C、S——包晶、共晶、共析点④A、D——Fe、Fe3C熔点包晶反应共晶反应共析反应17.0149509.053.01495ALAL℃J℃HB　即　　CFeALCFeAL℃E℃C311.211483.431148　即　LdLdCFeFACFeFA℃P℃S30218.072777.03727　即　PPδL+AFAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3Cδ+Lδ+ALAB0.53C4.3DE2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.691148℃727℃1394℃WC(%)T(℃)N铁碳合金分类铁碳合金的结晶过程分析共析钢[wc=0.77%]GQPSAAHBJNL13213421以上1~22~33~3'3'~4LLAAPAFFFe3C时间温度3'Fe3CP｝｝L+Awc=0.77%4铁碳合金相图分析室温平衡组织:100%P（F和Fe3C）组成相的质量分数为：δL+AFAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3Cδ+Lδ+ALAB0.53C4.3DE2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.691148℃727℃1394℃WC(%)T(℃)N亚共析钢[0.0218%wc0.77%]GQF+APSAAHL+δBJNL1354261F354261~22'~33~44~55'~6LLδδLAAAAFAF时间温度wc=0.45%2'5'L+A1以上2~2'5~5'LPP铁碳合金相图分析0.20%C0.40%C组成相的质量分数为：室温平衡组织:F+P，其相对量为：含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织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。过共析钢[0.077%wc2.11%]GQPSAAHBJNL13213521以上1~22~33~44~4'LLAAPA时间温度4'Fe3CⅡPL+Awc=1.2%4544'~5AFe3CⅡFe3CⅡA+Fe3CⅡ硝酸酒精侵蚀苦味酸侵蚀室温平衡组织:P+Fe3CⅡ，其相对量为：工业纯铁[wc0.02%]δ+AF+Fe3CⅢGQF+APFSAAHL+δBδJNL173548261735482611~22~33~44~55~66~77~8LLδδδAAAFFFFe3CⅢ时间温度wc=0.01%铁碳合金相图分析室温平衡组织:F+Fe3CⅢ共晶白口铁[wc=4.3%]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的整合组织,呈蜂窝状.LFe3CAAFe3C+Fe3CⅡP1'22'｝L'dLd｝温度时间BLL+AEC11'AS212'2Fe3C+Fe3CⅡwc=4.3%Ld｝铁碳合金相图分析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。%.Q%.%....QCFe847252100112696346963，室温平衡组织:100%共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:温度降到2点,成分达到0.77%,此时,相的相对重量:%.Q%.%....QCFe659440100770696346963，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。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：%3.64%7.35%100%7.35%1000008.069.63.469.63CFeQQ亚共晶白口铁[2.11%wc4.3%]L'dLd温度时间BLL+AEC12'AS213'3342LFe3CAAFe3C+P2'33'~4｝｝Fe3C+Fe3CⅡ1~2LAAFe3CⅡAFe3CⅡPFe3CⅡJwc=2.5%4Ld｝铁碳合金相图分析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。亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。过共晶白口铁[4.3%wc6.69%]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。时间L'd温度BLL+AEC12'AS213'3342LFe3CⅠAFe3C+Fe3CⅡ2'33'~4｝Ld｝Fe3C+Fe3CⅡ1~2LAFe3CⅠPJL+Fe3CⅠFe3CFe3CⅠLd｝Fe3CⅠwc=5.0%铁碳合金相图分析2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’。组织组成物在铁碳合金相图上的标注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。+Fe3C+Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度钢铁素体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4-2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：铁碳合金相图分析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4-3碳钢1、钢中常存杂质对碳钢性能的影响：钢中常存杂质有Mn、Si、S、P等；1.1Mn和Si的影响：Mn和Si是炼钢中必须加入的脱氧剂；用于除去溶于钢液中的氧，将FeO还原为Fe，形成MnO和SiO2；Mn可以用于除S，与钢液中的S结合为MnS，减轻S的危害；在碳钢中Mn的含量通常小于0.8%，Mn大部分溶于F中，形成置换固溶体，强化F，一部分则溶于Fe3C中，形成（Fe,Mn)3C；同时，Mn还能增加P的相对含量。这些都使钢的强度增加；Si也溶于F之中，起强化作用，但含量较高时，会使塑韧性下降，所以含量一般为小于0.5%。1.2S的影响：S是有害杂质，是炼钢时由矿石、燃料带到钢中的，它的最大危害是在热加工时开裂，即产生热脆。钢中加入Mn可以一定程度上减少热脆的发生。所以，为避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制：普通碳钢：含硫量≤0.055%优质碳钢：含硫量≤0.040%高级优质碳钢：含硫量≤0.030%1.3P的影响：P也是有害杂质，P可以完全溶入F中，使F的强度、硬度提高，但却剧烈的降低钢的塑韧性，从而时钢变脆，这种现象叫做冷脆。所以，为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格控制：普通碳钢：含硫量≤0.045%优质碳钢：含硫量≤0.040%高级优质碳钢：含硫量≤0.035%2、碳钢的分类和编号：2.1分类：按含碳量分：按钢的质量分：碳素结构钢:工程结构件（钢板、钢筋、型钢桥梁、船舶、建筑）普通机械零件（少）一般为低碳和中碳钢按用途分：碳素工具钢；刃具钢、模具钢、量具钢,一般为高碳钢低碳钢：≤0.25％Ｃ；中碳钢：0.30～0.55％Ｃ；高碳钢：≥0.60％Ｃ普通碳素钢：Ｓ≤0.055％、Ｐ≤0.045％；优质碳素钢：Ｓ≤0.040％、Ｐ≤0.040％；高级优质钢：Ｓ≤0.030％、Ｐ≤0.035％；2.2、编号与用途：2.2.1普通碳素结构钢：含炭量0.06%~0.38%，热轧钢板、钢管、型钢、棒钢、盘圆等，一般不再热处理，而直接在供应状态使用，主要用于建筑、桥梁、船舶、车辆使用状态：热轧空冷S＋FQ+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。GB700－1988；如表4－2所示，表4－3