1、第四章第四章 鐵碳合金鐵碳合金 本章是本課程的重點章本章是本課程的重點章 本章目的：本章目的： 1 介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相； 2 分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過程和其成分組織性碳合金的結(jié)晶過程和其成分組織性能間關(guān)系；說明鐵碳相圖的基本應(yīng)用；能間關(guān)系；說明鐵碳相圖的基本應(yīng)用； 3 介紹各種碳鋼的牌號及應(yīng)用。介紹各種碳鋼的牌號及應(yīng)用。本章重點：本章重點：（1）重要概念：鐵素體）重要概念：鐵素體 奧氏體奧氏體 珠光體珠光體 萊氏體萊氏體 共晶滲碳體共晶滲碳體 共析滲碳體共析滲碳體 二次滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵

2、碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要線意義；鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；要線意義；鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析，室溫平衡組）典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征特征（4）掌握鐵碳合金的成分）掌握鐵碳合金的成分組織性能之間的關(guān)組織性能之間的關(guān)系系 1 鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金鐵碳合金應(yīng)用最廣泛的合金應(yīng)用最廣泛的合金 一一 鐵碳合金中的基本相和基本組織鐵碳合金中的基本相和基本組織 (一一) 純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與性能純鐵的

3、晶體結(jié)構(gòu)與性能 1 純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化：純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變A4A3A2(770)居里點居里點(順磁性與順磁性與鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度)具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一理的前提與原因之一2 純鐵的顯微組織純鐵的顯微組織 單相的單相的Fe3 純鐵純鐵(工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵)的性能的性能 強度低強度低(b=180230MPa); 硬度低硬度低(50HBS80HBS)、軟、軟; 塑性好塑性好(:3050

4、； :70 80 ) 鐵磁性鐵磁性4 應(yīng)用：應(yīng)用： 儀器儀表用軟磁鐵芯儀器儀表用軟磁鐵芯（二）（二） 鐵碳合金中的基本相和基本組織鐵碳合金中的基本相和基本組織 1 基本組元基本組元： Fe、C 2 基本相基本相： （1）鐵素體）鐵素體(或或 F ) ： 定義定義: C在體心立方在體心立方Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 但但C在在Fe中的溶解度極小中的溶解度極小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能性能: 強硬度低強硬度低(50HBS80HBS)， 塑韌性好塑韌性好(:70 80 ; Ak=160J ) 與工業(yè)純鐵同與工業(yè)純鐵同良好塑韌性良好塑韌性鋼鋼中基體相中基體相（

5、2）奧氏體）奧氏體(或或 A ) 定義定義：C在面心立方在面心立方Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 溶碳量較大：溶碳量較大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能性能: 強硬度較低強硬度較低； 塑性較好塑性較好, 變形抗力較低變形抗力較低, 易于鍛壓成形易于鍛壓成形; 順磁性順磁性。 熱加工熱加工(塑性變形塑性變形) 相相 合金化后成為室溫基體相合金化后成為室溫基體相(無磁性無磁性)；（3）滲碳體）滲碳體(Fe3C) Fe與與C形成的金屬化合物，含形成的金屬化合物，含6.69%C， 復(fù)雜正交晶系。復(fù)雜正交晶系。 性能性能 強度低：強度低：b= 30MPa; 硬度高硬度高：80

6、0HB 無塑性：無塑性：=0; =0; Ak=0 弱的鐵磁性弱的鐵磁性(0.9%后后，強度反而強度反而下降下降；原因：原因： 與構(gòu)成相或組織的性能有關(guān)。與構(gòu)成相或組織的性能有關(guān)。 鐵素體相鐵素體相: 軟韌軟韌相，相， 滲碳體相：滲碳體相：硬脆硬脆相；相； 珠光體組織的性能介與兩者之間珠光體組織的性能介與兩者之間: 強韌強韌 F P Fe3Cb(MN/m2) 230 750 30 (%) 50 20 0 a k (J/cm2) 160 30 0 HB 80 200 800 硬度：硬度： 非組織敏感性能非組織敏感性能 主要取決于相構(gòu)成主要取決于相構(gòu)成，包括組成相的硬度和，包括組成相的硬度和相對數(shù)量

7、，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。 相構(gòu)成：相構(gòu)成： FFe3C 隨碳含量增加，高硬度的隨碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低增多而低硬度的硬度的F減少，故合金硬度線性增大，從減少，故合金硬度線性增大，從80HBS(100%F)增大到增大到800HBW(100%Fe3C) 亞共析鋼硬度與相構(gòu)成或碳含量關(guān)系：亞共析鋼硬度與相構(gòu)成或碳含量關(guān)系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %強度：強度： 對組織形態(tài)很敏感對組織形態(tài)很敏感。故不僅與相構(gòu)成有。故不僅與相構(gòu)成有關(guān)，更主要的與組成相的形態(tài)、分布即組織關(guān)，更主要的與組成相的形態(tài)、分布即組織構(gòu)成有極大

8、關(guān)系。構(gòu)成有極大關(guān)系。亞共析鋼亞共析鋼： F先先+P構(gòu)成，均為韌性組織，構(gòu)成，均為韌性組織，強度與硬度強度與硬度一致一致。隨碳含量增加，鋼中強韌的。隨碳含量增加，鋼中強韌的P組織數(shù)量組織數(shù)量增加，而強硬度很低的增加，而強硬度很低的F先先不斷下降，不斷下降，故合金故合金強度隨硬度增大而增大強度隨硬度增大而增大；b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40過共析鋼過共析鋼： Fe3C先先+P，為韌性組織脆性組織，為韌性組織脆性組織 與脆性組織與脆性組織(Fe3C先先)的形態(tài)直接相關(guān)：的形態(tài)直接相關(guān)： C0.9%1.0%后，后，隨隨C而陡降。而陡降。出現(xiàn)

9、網(wǎng)狀出現(xiàn)網(wǎng)狀Fe3CFe3C為沿晶粒狀為沿晶粒狀塑韌性：塑韌性： Fe3C極脆相，無塑、韌性；合金塑性變極脆相，無塑、韌性；合金塑性變形完全由形完全由 F 提供，隨提供，隨C%增高，增高， F不斷減少，不斷減少，故塑韌性不斷下降。故塑韌性不斷下降。思考題思考題： 試從化學(xué)成分、相構(gòu)成、組織構(gòu)成等方試從化學(xué)成分、相構(gòu)成、組織構(gòu)成等方面對工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機械性能進面對工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機械性能進行分析、比較、解釋。行分析、比較、解釋。 (三三) 對工藝性能的影響對工藝性能的影響 1 切削加工性能切削加工性能 材料的硬度太軟材料的硬度太軟,容易粘刀容易粘刀,切削熱切削熱大大,影響表面粗

10、糙度影響表面粗糙度; 材料的硬度太硬材料的硬度太硬,刀具磨損嚴(yán)重。刀具磨損嚴(yán)重。 鋼的硬度為鋼的硬度為HB170250時，切時，切削加工性能較好。削加工性能較好。 2 可鍛性：低碳鋼塑性好，可鍛性可鍛性：低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨含碳量增加，可鍛性變差。好。隨含碳量增加，可鍛性變差。3 鑄造性：鑄造性： 共晶成分的鑄鐵共晶成分的鑄鐵流動性好，縮孔流動性好，縮孔集中，偏析小，集中，偏析小，鑄造性好鑄造性好； 液相線和固相線距離越大，流動液相線和固相線距離越大，流動性差，分散縮孔多，偏析大，鑄造性性差，分散縮孔多，偏析大，鑄造性越差。所以，鋼的鑄造性差。越差。所以，鋼的鑄造性差。一一 雜質(zhì)元素對鋼

11、性能的影響雜質(zhì)元素對鋼性能的影響 少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、氮等元素，它們會影響到鋼的質(zhì)量和性能。氮等元素，它們會影響到鋼的質(zhì)量和性能。（一）錳的影響（一）錳的影響 脫氧劑。脫氧劑。 有益有益元元素，碳鋼中不超過素，碳鋼中不超過0.8%， （1）固溶強化；）固溶強化； （2）形成）形成MnS，消除硫的有害影響。，消除硫的有害影響。2 碳鋼碳鋼 （二）硅的影響（二）硅的影響 脫氧劑，脫氧劑，有益有益元素元素，碳鋼中含量不超過，碳鋼中含量不超過0.5%， 固溶強化。固溶強化。（三）硫的影響（三）硫的影響 有害元素，礦石和燃料帶入。有害元素，礦石和燃料帶

12、入。 以以FeS夾雜物形式存在晶界上夾雜物形式存在晶界上 “熱脆熱脆”， 原因：形成原因：形成Fe+FeS共晶共晶，熔點為，熔點為989，低于熱加工的加熱溫度低于熱加工的加熱溫度1150，而導(dǎo)致熱加，而導(dǎo)致熱加工時開裂。工時開裂。 若若鋼中鋼中含氧量高時含氧量高時，還會形成熔點更低，還會形成熔點更低（940）的）的Fe+FeO+FeS三相共晶三相共晶，危害，危害更大。更大。 防止熱脆防止熱脆： （1）降硫：）降硫： 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求： S0.040%0.050%（2）改變硫的存在方式：）改變硫的存在方式： 加入加入適當(dāng)?shù)倪m當(dāng)?shù)腗n，Mn與與S的化學(xué)親和力大的化學(xué)親和力大于

13、于Fe，優(yōu)先，優(yōu)先形成形成MnS，MnS的熔點的熔點1600，高于熱加工溫度，可避免熱高于熱加工溫度，可避免熱脆的發(fā)生。脆的發(fā)生。（四）磷的影響（四）磷的影響 有害雜質(zhì)元素，有害雜質(zhì)元素， 礦石和生鐵等煉鋼原料帶入。礦石和生鐵等煉鋼原料帶入。 磷在鋼中固溶強化作用很強，但同時劇磷在鋼中固溶強化作用很強，但同時劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高，稱脆轉(zhuǎn)變溫度升高，稱為為“冷脆冷脆”。韌性降低體現(xiàn)在兩方面：韌性降低體現(xiàn)在兩方面： (1) 沖擊功沖擊功Ak；(2) 韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk韌性區(qū)韌性區(qū)脆性區(qū)脆性區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度（

14、五）氮、氫、氧等微量氣體的影響（五）氮、氫、氧等微量氣體的影響 1、氮氮 煉鋼時氮通過爐氣進入鋼中。鋼件快速冷煉鋼時氮通過爐氣進入鋼中。鋼件快速冷卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。在隨后放置中逐漸以在隨后放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼形式析出，降低鋼的韌性。的韌性。 稱為稱為藍脆藍脆(因因300上下應(yīng)變時最易產(chǎn)生上下應(yīng)變時最易產(chǎn)生) 藍脆是造成船舶、橋梁災(zāi)難性事故的原藍脆是造成船舶、橋梁災(zāi)難性事故的原因之一。因之一。 消除方法：加消除方法：加Al形成形成AlN2、氫氫 高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫度下降，高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫度下降，氫

15、在鋼中的溶解度急劇降低，但氫來不及逸氫在鋼中的溶解度急劇降低，但氫來不及逸出表面，出表面，過飽和氫過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處逐漸在晶界等缺陷處偏聚偏聚，并逐漸并逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內(nèi)應(yīng)力，形成氫氣，體積膨脹引起大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋導(dǎo)致微裂紋，這種氫使鋼變脆的現(xiàn)象稱為，這種氫使鋼變脆的現(xiàn)象稱為氫氫脆脆嚴(yán)重的缺陷。嚴(yán)重的缺陷。消除方法：消除方法： 鍛后緩冷。尤大型鍛件。鍛后緩冷。尤大型鍛件。鋼材橫斷面低倍形貌：鋼材橫斷面低倍形貌：又稱又稱 “發(fā)裂發(fā)裂”鋼材縱斷面低倍形貌：鋼材縱斷面低倍形貌：也稱也稱“白點白點”3、氧：、氧： 氧化物夾雜物，如氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2

16、、MnO、CaO、MgO等，對鋼的塑性、韌性、等，對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等影響很大。疲勞強度等影響很大。有害元素的利用：有害元素的利用： S、P在易切鋼中的應(yīng)用在易切鋼中的應(yīng)用 P在炮彈鋼中的應(yīng)用。在炮彈鋼中的應(yīng)用。二二 碳鋼分類、編號及用途碳鋼分類、編號及用途 1 分類分類 按化學(xué)成分：按化學(xué)成分： 低、中、高碳鋼：低、中、高碳鋼：0.25%；0.6% 用用 途：結(jié)構(gòu)鋼途：結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼工具鋼 質(zhì)量：優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)、普通；質(zhì)量：優(yōu)質(zhì)、高級優(yōu)質(zhì)、普通；( S、P) 2 鋼編號鋼編號 反映：成分、用途反映：成分、用途 （1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 （0.06%0.4%）力性要求力性要

17、求 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275； Q235-AF 與舊標(biāo)準(zhǔn)的對比：與舊標(biāo)準(zhǔn)的對比： Q235A3 -構(gòu)件用鋼構(gòu)件用鋼 (2) 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(0.06%0.70%) 反應(yīng)成分反應(yīng)成分 08F、10、20 : 塑韌性、焊接性好塑韌性、焊接性好冷沖、焊接、滲碳件冷沖、焊接、滲碳件調(diào)質(zhì)后綜合機性好調(diào)質(zhì)后綜合機性好調(diào)質(zhì)件調(diào)質(zhì)件強度高、彈性極限高強度高、彈性極限高彈性元件彈性元件 25、30、35、40、45 : 50、60、65 : (3) 碳素工具鋼（碳素工具鋼（0.65%1.35%） T7、T8： 一定韌性一定韌性 沖頭、錘子、鑿子沖頭、錘子、鑿子T9、T10：

18、硬度高、韌性適中；：硬度高、韌性適中； 鉆頭、手鋸條、刨刀鉆頭、手鋸條、刨刀 T12(A)、T13： 硬度高、韌性低硬度高、韌性低 銼、刮刀、量具銼、刮刀、量具習(xí)題與思考題習(xí)題與思考題1 何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、變態(tài)萊氏體？分別寫出它們的符號和性能特點。變態(tài)萊氏體？分別寫出它們的符號和性能特點。2 一堆鋼材由于混雜，不知道化學(xué)成分，現(xiàn)抽出一一堆鋼材由于混雜，不知道化學(xué)成分，現(xiàn)抽出一根進行金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其根進行金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其中珠光體的面積大約占中珠光體的面積大約占40，由于珠光體與鐵素，由于

19、珠光體與鐵素體的比容相近，可用顯微組織中珠光體與鐵素體體的比容相近，可用顯微組織中珠光體與鐵素體的面積百分?jǐn)?shù)替代二者的重量百分?jǐn)?shù)，試估算該的面積百分?jǐn)?shù)替代二者的重量百分?jǐn)?shù)，試估算該鋼材的含碳量。鋼材的含碳量。 3 已知珠光體的已知珠光體的HBS180，20，鐵素體的，鐵素體的HBS80，50，試計算含碳量為，試計算含碳量為0.45的碳鋼的碳鋼的硬度和伸長率。的硬度和伸長率。(提示：合金的性能值大約是它提示：合金的性能值大約是它的各組織組成物的性能值與它的各組織組成物在的各組織組成物的性能值與它的各組織組成物在合金中的含量的乘積和，或稱為加權(quán)平均值合金中的含量的乘積和，或稱為加權(quán)平均值)。4 何謂共