铁碳合金

第五章铁碳合金第一节铁碳合金基本组元、组织及其性能第二节铁碳相图分析第三节碳钢及合金钢概述第一节铁碳合金基本组元、组织及其性能一、铁碳合金基本组元二、铁碳相图分析（认识相图结构，点线区，三种反应）三、基本组织及其性能（组织名称、特点、性能）钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称。铁和碳是钢铁材料两个最基本的组元。碳的质量分数0.0218%Wc2.11%称为钢，2.11%Wc6.69%称为铁或铸铁。不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢。钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会中最为重要的金属材料。为了熟悉并合理利用钢铁材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的本质及其成分、组织结构与性能之间的关系。Fe2CFeCFe3C6.69%C所研究的Fe-Fe3C相图的位置FeCC%T⑴Fe铁是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是7.87g/cm3。⑵Fe3C是一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称渗碳体。含碳量6.69%，硬度很高，强度低，塑性韧性很差。理论熔化温度1227℃。是介稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的石墨C。碳质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大，没有使用价值,所以有使用意义并被深入研究的只有Fe-Fe3C这一部分。一、铁碳合金基本组元固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccfccbcc固态铁的特性——同素异构转变二、铁碳相图分析（相图结构，点线区，三种反应）以相组成物表示的Fe-Fe3C相图1、铁碳相图中主要的点、线、区分析(1)点(见P69)(2)线液相线固相线三条水平线三条特征线(3)区4个单相区1条垂直线7个双相区LL++L+L+Fe3C+Fe3C+Fe3C+Wc（%）Feδ铁碳合金中的相⑴液相L铁与碳的液溶体。⑵δ相是碳在δ—Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394℃以上存在，1495℃时溶碳量为0.09%。⑶α相是碳在α—Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。其中碳的固溶度室温时约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时为0.0218%。其性能特点是强度低、硬度低、塑性好⑷γ相是碳在γ—Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148℃时为2.11%。其性能特点是强度较低，硬度不高，易于塑性变形⑸Fe3C相是一个金属化合物（又称渗碳体），根据其生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。γαγ+Lδ+Lδ+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3Cα+γFe3C6.69L包晶转变匀晶转变共晶转变共析转变2、铁碳相图中三种基本转变铁碳相图中三种基本的转变FeFe3CGNA在1495℃发生包晶转变γJ在727℃发生共析转变SKP727℃LBJH1495℃ECF1148℃D1227℃1495℃LB+H在1148℃发生共晶转变1148℃LCγE+Fe3C727℃γSP+Fe3C共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。γβα共析转变：γ→α+β转变产物：共析组织Lβα共晶转变：L→α+β转变产物：共晶组织注意：共析转变与共晶转变的区别三、基本组织及其性能（组织名称、特点、性能）相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号γ表示。组织：称为奥氏体，用符号A表示。含碳量：0~2.11%温度范围：727℃~1495℃力学性能：强度、硬度低；塑性好。钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制。奥氏体不锈钢（18－8型不锈钢）PGQSECJNBDFK2.11727℃1495℃1、奥氏体（A）——C溶于-Fe形成的固溶体相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。组织：称为铁素体，用符号F表示。含碳量：0~0.0218%(727℃)0~0.0008%(室温)温度范围：912℃力学性能：强度、硬度低；塑性好。工业纯铁——0.02%C，冷轧提高强度，得到冷轧板。PGQSECJNBDFK912℃0.02180.00082、铁素体（F）——C溶于-Fe形成的固溶体相：+Fe3C两种相组成组织：珠光体，用符号P表示含碳量：0.77%(称为共析钢)温度范围：727℃力学性能：强度、硬度较高；塑性较好。钢丝绳SP（P+Fe3C）727℃⇌0.77GPQSECJNBDFK+Fe3C3、珠光体（P）——和Fe3C形成的机械混合物共析钢室温组织珠光体（P）P相：+Fe3C两种相。组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号L’d表示。含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁)温度范围：727℃LCLd（E+Fe3C）1148℃⇌LdGPQSECJNBDFK+Fe3C1148℃727℃4.3L’d室温组织:L’d(P+Fe3CⅡ+Fe3C）s+Fe3CⅡ727℃+tP727℃-t4、莱氏体（L’d）—P和Fe3C形成的机械混合物L'd[(P+Fe3CⅡ)+Fe3C]共晶白口铸铁的室温组织LFe3CⅠLFe3CⅡFe3CⅢFe3C共析片状Fe3C共晶基体5、渗碳体第二节铁碳相图分析一、典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织二、杠杆定律的应用三、铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能之间的关系四、铁碳相图的应用1、共析钢L→γγ→α+Fe3C室温组织:P室温相：α+Fe3CLγ一、典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织2、亚共析钢γ→α+Fe3CLL→δL→γγγ→α室温组织:P+F室温相：α+Fe3C3、过共析钢LL→γγ→Fe3CⅡγ→α+Fe3C室温组织:P+Fe3CⅡ室温相：α+Fe3Cγ4、共晶白口铁Lγ→α+Fe3CL→γ+Fe3Cγ→Fe3CⅡ室温组织:L'd即P+Fe3CⅡ+Fe3C室温相：α+Fe3C5、亚共晶白口铁LL→γL→γ+Fe3Cγ→Fe3CⅡγ→α+Fe3C室温组织:L'd+P+Fe3CⅡ即(P+Fe3CⅡ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ室温相：α+Fe3C6、过共晶白口铁Lγ→Fe3CⅠL→γ+Fe3Cγ→α+Fe3C室温组织:L'd+Fe3CⅠ即(P+Fe3CⅡ+Fe3C)+Fe3CⅠ室温相：α+Fe3CL+ALP+Fe3CⅡ+L'd+AL+Fe3CⅠAF+LF+AF+Fe3CⅢA+Fe3CⅡFe3CⅠ+LdA+Fe3CⅡ+LdFe3CⅠ+L'dP+Fe3CⅡF+PFe3C二、杠杆定律的应用例：共析钢珠光体组织中F和Fe3C的相对量。Fe3CFP0.00086.690.77F%=（6.69-0.77）/（6.69-0.0008）Fe3C%=1-F%F晶界1、工业纯铁（C%＜0.0218％）组织：F或F+Fe3CⅢ，Fe3CⅢ通常沿晶界析出。工业纯铁室温组织性能：σb、HBS↓δ、Ak↑三、铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能之间的关系2、碳钢C%为0.0218％～2.11％，碳钢根据碳含量又可分为三类：亚共析钢0.0218％～0.77％；共析钢0.77％；过共析钢0.77％～2.11％。亚共析钢过共析钢工业纯铁共析钢亚共析钢（C%为0.0218％～0.77％）组织特征：P+F随含C量增加，P量逐渐增加，F量逐渐减少；形态从块状→断续网状。性能特点：塑性、韧性好。15钢FP45钢FP65钢FP钢中含碳量%＝Vp×0.77%＋VF×0.0008%在显微分析中常以P与F的面积数量比来估计亚共析钢的含碳量。即：C％＝50％P×0.8％C＝0.40％此钢含碳量约为0.40％，即40钢。磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：组织中含有50％P和50％F，例如，一种未知钢号的碳钢(退火态)，利用金相法估算此钢的碳含量。可忽略共析钢（含碳量0.77%的铁碳合金）共析钢室温组织组织：P性能：良好的综合力学性能（具有强度较高和一定的塑、韧性）P组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈贝壳状过共析钢（含碳量0.77%～2.11％的铁碳合金）T12钢退火组织（4%硝酸酒精浸蚀）组织：P+Fe3CⅡ性能特点：硬度高，塑、韧性低组织特征：Fe3CⅡ呈网状分布于层片状P周围PFe3CⅡ3、白口铸铁碳含量为2.11％～6.69％，白口铸铁(简称白口铁)又可分为三类：亚共晶白口铁C%为2.11％～4.3％，共晶白口铁C%为4.3％，过共晶白口铁C%为4.3％～6.69％。过共晶白口铁亚共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铸铁（含碳量2.11%～4.3％）组织：P+Fe3CⅡ+L'd（L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）性能：硬而脆。L'dAFe3CⅡP共晶白口铸铁（含碳量4.3％）共晶白口铸铁的室温组织室温组织：低温莱氏体（L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）高温组织：高温莱氏体（Ld→A+Fe3C）性能：硬而脆L'd过共晶白口铸铁（含碳量4.3%～6.69％）过共晶白口铸铁室温组织组织：L'd+Fe3CІ（L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）性能：硬而脆。L'dFe3CІ15钢45钢65钢T12Wc↑，则Fe3C↑，且其形态由点状→层片状→网状→基体→粗大板片状，而F↓且其形态由大块状→断续网状→层片状。由图可知：Wc≤1.0%时：随钢中Wc↑，则其HB、σb↑，δ、ΨAk↓；为保证工业用钢应具有足够的σb和一定的δ、Ak，故其碳含量一般都不超过Wc1.3%~1.4%。HBAkδΨσb1.0含碳量与力学性能的关系（P79）因钢中出现Fe3CⅡ网而导致钢的σb↓，但HB↑当Wc1.0%时：σb↓而HB↑。为什么？1.硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。2.强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc=0.9％时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。3.随碳含量的增大，F量不断减少，合金的塑性、韧性连续下降。对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：或硬度≈80×F%+800×Fe3C%(HB)强度≈230×F%+770×P%(MPa)延伸率(δ)≈50×F%+20×P%(%)工业上广泛使用的钢含碳量≤1.3％～1.4％。硬度≈80×F%+180×P%(HB)四、铁碳相图的应用1、在铸造上的应用2、在锻造上的应用3、在热处理上的应用第三节碳钢及合金钢概述一、钢中常存在的杂质元素及其影响二、钢的分类、编号及应用一、钢中常存在的杂质元素及其影响1、Mn脱氧；减轻S的影响；固溶强化。2、Si固溶强化3、S热脆4、P冷脆（一）钢的分类按质量分优质碳钢（Ws≤0.040%，Wp≤0.040%）普通碳钢（Ws≤0.055%，Wp≤0.045%）高优碳钢（Ws≤0.030%，Wp≤0.035%）按用途分工具钢（主要用于刀具、量具、模具）结构钢（主要用于工程构件、机器零件）按含碳量分低碳钢（Wc≤0.25%）中碳钢（Wc0.25~0.60%）高碳钢（Wc≥0.60%）二、钢的分类、编号及应用（二）钢的编号(1)普通碳素结构钢（a）甲类钢：按力学性能供应表示方法：甲1（A1）、甲2（A2）……甲7（A7）强度（s、b）升高塑性（、）下降注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图制定热处理工艺。1、碳钢的编号（b）乙类钢：按化学成分供应表示方法：乙1（B1）、乙2（B2）、…、乙7（B7）C%升高注意：可以热处理，但属于普碳钢，性能改善不大。（c）特类钢：根据要求供货，保证化学成分和力学性能。表示方法：C2、C3、C4、C5C%升高强度（s、b）升高注意：价格太高，一般不用，经常选优质碳素钢。沸腾钢质量等级、（A级）235为屈服强度（MPa）钢的屈服点Q2