铁碳合金

机械工程材料第十八讲学时：48主讲教师：陈积伟第四章铁碳合金在自然界中铁的储藏量丰富又集中，并且易于开采和生产。铁碳合金是以铁为主，加入少量碳而形成的合金，具有多种相结构和组织，因而铁碳合金的性能变化范围很宽。再加上其价格较低，易于加工等优点，所以铁碳合金在现代工农业生产及人们的日常生活中得到了广泛的应用，学会分析和掌握铁碳合金是学习钢铁材料的基础。铁碳合金相图是研究平衡条件下铁碳合金的成分、温度和组成相之间的关系及其变化规律的图形。铁碳合金相图具有实用价值的只是铁与渗碳体组成的这一部分。本章以Fe-Fe3C相图为工具来研究铁碳合金，并学习有关碳钢的基本知识。第一节Fe-Fe3C相图一、Fe-Fe3C相图中的组元常压下，熔点1538℃，在相图中用A表示，固态下铁的同素异构转变式：（一）铁Lδ－Feγ－Feα－Fe1394℃912℃体心立方体心立方面心立方铁具有同素异构转变的特性是钢铁在热处理后获得多种多样结构、组织与性能的理论依据。液相1538℃机械性能b=180-230MN/m20.2=100-170MN/m2=30-50%=70-80%αk=1.5-2MJ/m2HB=50-80工业纯铁中常含有0.0218%的碳及其它杂质(二)渗碳体渗碳体：Fe3C是一种复杂结构的间隙化合物，含碳6.69%其硬度很高HB800塑性几乎为0。室温平衡状态下，铁碳合金中的碳多以渗碳体形式存在于组织中。渗碳体在高温下，长时间保温时将分解：Fe3C3Fe+C(石墨G)渗碳体的熔点难于精确测定，通常采用理论计算值1227℃，在相图中用D表示。二、Fe－Fe3C相图中的基本相碳在α－Fe中形成的间隙式固溶体。(用F或α表示)晶体结构：体心立方。最大溶碳量为0.0218%C，性能与纯铁相近。（一）铁素体奥氏体：碳在γ－Fe中形成的间隙式固溶体。(用A或γ表示)晶体结构：面心立方。最大溶碳量2.11%C。是一种在高温(727℃)存在的相，其强度硬度不高，塑性很好所以钢材热压力加工在奥氏体状态下进行。铁素体：相图中GPQG区为铁素体单相区。（二）奥氏体相图中EJNGSE为奥氏体单相区（三）高温铁素体高温铁素体：碳在δ－Fe中形成的间隙式固溶体。(用δ表示)晶体结构：体心立方。最大溶碳量为0.53%C相图中AHNA区为高温铁素体单相区。（四）渗碳体（Fe3C）渗碳体既是组元又是合金的组成相，相图中的DFKL可视为渗碳体的“单相区”，(用Cm表示)。（五）液相在液相线ABCD以上区域铁和碳所形成的均匀液体，(用L表示)。三、Fe－Fe3C相图分析（一）图中的点符号温度℃含碳量(%)※AHJB※E※CF※D※G※P※SKM※NOQ’Q153814951495149511481148114812279127277277277701394770400室温00.090.170.532.114.306.696.6900.02180.776.69000.50.00090.0008Q’(二)图中的线液相线：ABCD固相线：AHJECF三条水平线：包晶线LB+HAJ(HJB)共晶线LcAE+Fe3C(ECF)共析线AsFP+Fe3C(PSK)A1三条特性线：ES线－碳在A中的固溶线AcmPQ线－碳在F中的固溶线GS线－A开始析出F或F全部溶入A的转变线A3Q’机械工程材料第十九·讲学时：48主讲教师：陈积伟机械工程材料第十九讲学时：48主讲教师：陈积伟（三）图中的面——相区5个单相区：、A、F、L、Fe3C7个两相区：L++AL+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C四、典型合金的平衡结晶过程由铁碳相图，可按含碳量和组织不同分成三类亚共晶白口铁4.3%C白口铁=4.3%C过共晶白口铁4.3%C(1)工业纯铁（0.0218%C）(2)钢(0.0218-2.11%C)亚共析钢0.77%C共析钢0.77%C过共析钢0.77%C(3)白口铸铁（2.11-6.69%C)（一）共析钢的结晶过程12344321LLAAPPSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度AsP(FP+Fe3C)3‘温度C%时间L+Fe3C珠光体中的铁素体与渗碳体呈层片状，其相对量可用杠杆定律求出：69.669.60008.069.669.6%xxF%169.6008.069.60008.03FxxCFe式中X为含碳量，共析钢X=0.77%代入计算结果为：F≈88%Fe3C=1-F=12%故F呈宽片状，可视为珠光体的基体；共析渗碳体片呈薄片状分布于铁素体的基体中。PFFe3C相组成物：F、Fe3C组织组成物：P（F、Fe3C）(二)亚共析钢的结晶过程1234554321LLAAP+FPSKECFDANGQFeFe3CC%LAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C时间温度FAAsP(FP+Fe3C)4‘温度L+Fe3C随含碳量的增加亚共析钢组织中P的相对量增加，F的相对量减少。10钢（0.1%C)PFP45钢（0.45%C)FPF60钢（0.6%C)机械工程材料第二十·讲学时：48主讲教师：陈积伟根据杠杆定律可以计算室温下各种亚共析钢中相组成物及组织组成物的相对量。0218.077.077.0%xF%10218.077.00218.0%FxP组织组成物的计算：设亚共析钢的成分为Ch，将x=Ch代入下式：相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量。相组成物：F、Fe3C组织组成物：F、P（F、Fe3C）(三)过共析钢的结晶过程12345544’321LLAAAFe3CIIAsP(FP+Fe3C)P+Fe3CIIPSKECFDANGQFeFe3C温度C%LAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C时间温度L+Fe3CPFe3CII77.069.669.6%xP%177.069.677.0II3PxCFe根据杠杆定律可以计算室温下各种过共析钢中相组成物及组织组成物的相对量。相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量组织组成物的计算：相组成物：F、Fe3C组织组成物：P、Fe3CII(四)共晶白口铁的结晶过程123321LLALcLd(AE+Fe3C）)PSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度AsP(FP+Fe3C)温度1‘2‘AFe3CIIL’d(P+Fe3CII+Fe3C)C%时间L+Fe3CL’d相组成物：F、Fe3C组织组成物：L’d机械工程材料第二十一·讲学时：48主讲教师：陈积伟(五)亚共晶白口铁结晶过程14432LLALcLd(AE+Fe3C)PSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度AsP(FP+Fe3C)温度2‘3‘AFe3CIIP+Fe3CII+L’d(P+Fe3CII+Fe3C)C%123时间L+Fe3CL’dP+Fe3CII亚共晶白口铁室温下组织组成物的计算：%10011.23.411.2'xLLdd%10011.23.43.43xCFePEII%10011.23.43.477.069.611.269.6xAPS=1-L’d-P相组成物：F、Fe3C组织组成物：P、Fe3CII、L’d%10011.23.43.477.069.677.011.23xCFeII(六)过共晶白口铁结晶过程134432LLFe3CILcLd(AE+Fe3C)PSKECFDANGQFeFe3CLAL+AF+AFA+Fe3CF+Fe3C温度AsP(FP+Fe3C)温度2‘3‘AFe3CIIFe3CI+L’d(P+Fe3CII+Fe3C)C%21时间L+Fe3CFe3CIL’d相组成物：F、Fe3C组织组成物：L’d、Fe3CI我们已经学过五种渗碳体：Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、Fe3C共晶（莱氏体中的渗碳体）、Fe3C共析（珠光体中的渗碳体），它们本质并无区别（成分、结构及本身性质均相同，属于同一种相）只是由于来源和形态不同，属于不同的组织组成物。它们对铁碳合金的性能将具有不同的影响。第二节含碳量对铁碳合金平衡组织及性能的影响一、含碳量对组织的影响机械工程材料第二十一·讲学时：48主讲教师：陈积伟随C%增加,Fe3C%增加其分布形式也发生变化在P中共析Fe3C分布在F基体上；过共析钢中Fe3CII以网状分布在原奥氏体晶界上；在Ld’中共晶Fe3C作为基体。各种组织的定量关系也可采用作图法加以标定：二、含碳量对机械性能的影响F为基体（钢）Fe3C为强化相C%强度。含碳量大于0.9-1.0%后二次Fe3C以网状分布在晶界上，显著降低钢的强度和韧性。Fe3C作为基体（白口铁）显著降低塑性、韧性和强度，故白口铁又硬又脆极少直接使用。三、含碳量对工艺性能的影响(一)对切削加工性能的影响低碳钢F多易粘刀影响表面粗糙度高碳钢Fe3C含量多硬度高刀具易磨损，切削加工性不好。中碳钢F和Fe3C比例适当，硬度适中，切削加工性较好。(二)对可锻性的影响钢加热到高温获得单相奥氏体，可锻性较好，而白口铁以渗碳体为基体所以不可以锻造。(三)对铸造性的影响铸造性主要决定于液态金属的流动性，共晶成分可使合金在恒温下结晶，所以共晶合金铸造性能最好。第三节碳钢一、常存杂质元素的影响主要有四种：锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)（一）锰：是有益元素。脱氧剂。碳钢中含锰量通常0.8%。锰具有较强脱氧能力。能减轻硫的有害作用。溶于铁素体，固溶强化。增加珠光体使其变细提高强度。（二）硅：是有益元素。脱氧剂。碳钢中含硅量通常0.35%。其脱氧能力锰。能溶于铁素体，固溶强化。（三）硫：有害元素。产生热脆。含量必须严控。S与Fe化合成FeS与-Fe形成熔点为988℃的共晶体分布与奥氏体晶界上，热加工时造成晶界开裂，使钢变脆。（四）磷：有害元素。产生冷脆。含量必须严控。磷溶于铁素体虽然提高强度，但在室温下钢的塑性和韧性急剧下降，而使钢变脆。二、碳钢的分类、编号和用途（一）碳钢的分类1、按钢的含碳量分类：低碳钢≤0.25%C中碳钢0.3–0.55%C高碳钢≥0.60%C2、按钢的质量：普通碳素钢S%≤0.055%P%≤0.045%；优质碳素钢S和P均≤0.040；高级优质碳素钢S%≤0.030%P%≤0.035%3、按用途分类：碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件和机械零件（一般为低中碳钢）碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具、量具（一般为高碳钢）1、普通碳素结构钢（GB700-88）含碳量为0.06–0.38%。通常以热轧状态供应，一般不进行热处理主要用于建筑、桥梁、船舶、车辆等工程构件及普通机器零件。编号：代表屈服强度的字母（Q）、屈服点数值（MPa）、质量等级及脱氧方法。“Q”为汉语拼音屈服强度的首位字母；A、B、C、D为质量等级，并逐级升高；F为沸腾钢，b为半镇静钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇静钢。按规定Z与TZ予以省略。例：Q235--A·F,表示屈服点s≥235MPa的A级、沸腾钢。按屈服点数值（MPa）可分为5种牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。Q195、Q215：含碳量低，强度较低，塑性好。主要用于制造强度要求不高的普通铆钉、螺钉、螺母、垫圈等。（二）碳钢的编号和用途Q235：强度与塑性居中，主要用于桥梁建筑等钢结构。也制造强度要求一般的普通零件，如螺钉、螺母、螺栓、销轴、拉杆等。Q255、Q275：含碳量较高，强度较高，可用于制造强度要求高一些的普通零件，如农业机械零件中的转轴、挂钩、摇杆等。还常轧制成各种农业机械用的型钢和异型钢。2、优质碳素结构钢（GB699-88）这类钢同时保证化学成分和机械性能。S、P含量均≤0.040%。1）正常含锰量的优质碳素结构钢C%0.25%时Mn%=0.35-0.65%C%0.25%时Mn%=0.50-0.80%这类钢的牌号用两位数字表示，代表钢的平均含碳量，以0.01%含碳量为单位。例如：20钢表示平均含碳量为0