第五章鐵碳合金鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業應用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。鐵和碳可形成一系列穩定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CC%(at%)→鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關系的理論基礎,是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據.一、鐵碳合金的組元和相碳在δ-Fe中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ表示。

都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體⒈組元：Fe、Fe3C⒉相⑴鐵素體：碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體,用F

或

表示。

⑵奧氏體:碳在-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時最大為2.11%。組織為不規則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在區進行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是一個亞穩相，在一定條件下可發生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體二、鐵碳合金相圖的分析⒈特征點

?????LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

⒉特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFD

⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產物是與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體,用Le表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體PSK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉變的產物是

與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉變線,GS又稱A3

線。ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。⑶三個三相區：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線

⒊相區⑴五個單相區：

L、、、、Fe3C

⑵七個兩相區:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C三、典型合金的平衡結晶過程⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相

①亞共析鋼(0.0218~0.77%C)

②共析鋼(0.77%C)

③過共析鋼(0.77~2.11%C)鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：⑴工業純鐵(<0.0218%C)組織為單相鐵素體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業純鐵⑶白口鑄鐵(2.11~6.69%C)鑄造性能好,硬而脆①亞共晶白口鑄鐵(2.11~4.3%C)②共晶白口鑄鐵(4.3%C)③過共晶白口鑄鐵(4.3~6.69%C)㈠工業純鐵的結晶過程合金液體在1-2點間轉變為，3-4點間→，5-6點間→。到7點，從中析出Fe3C。NSJBHL+++

工業純鐵的結晶過程隨溫度下降，Fe3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。室溫下Fe3CⅢ最大量為:

從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。

Fe3CⅢ以不連續網狀或片狀分布于晶界。㈡共析鋼的結晶過程

合金液體在1-2點間轉變為。到S點發生共析轉變：

S?P+Fe3C,

全部轉變為珠光體。共析鋼的結晶過程珠光體在光鏡下呈指紋狀.轉變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點以下，共析

中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結合不易分辨。室溫組織為P.珠光體Q室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？Q43219㈢亞共析鋼的結晶過程0.09~0.53%C亞共析鋼冷卻時發生包晶反應.以0.45%C的鋼為例合金在4點以前通過勻晶—包晶—勻晶反應全部轉變為。到4點，由中析出。到5點,成分沿GS線變到S點，

發生共析反應轉變為珠光體。溫度繼續下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結合,且量少,忽略不計.+Fe3CⅢGSPABJH亞共析鋼的結晶過程利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:

C%=P面積%×0.77%(忽略中含碳量，P面積%=QP)共析溫度下相的相對重量為：

組織組成物的相對重量為：

S’室溫下相的相對重量百分比為：室溫下組織組成物的相對重量百分比為：S’亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C范圍內珠光體的量隨含碳量增加而增加。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織㈣過共析鋼的結晶過程

合金在1~2點轉變為

,到3點,開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈網狀分布.溫度下降,Fe3CⅡ量增加。到4點，

成分沿ES線變化到S點，余下的

轉變為P。在共析溫度下Fe3CⅡ的相對量？過共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量隨含碳量而增加,含碳量為2.11%時,Fe3CⅡ量最大：含1.4%C鋼的組織室溫下兩相的相對重量百分比：室溫下兩組織組成物的相對重量百分比：12345S’㈤共晶白口鐵的結晶過程

合金冷卻到C點發生共晶反應全部轉變為萊氏體(Le),萊氏體是共晶

與共晶Fe3C的機械混合物,呈蜂窩狀.Fe3C共晶轉變結束時，兩相的相對重量百分比為:C點以下,

成分沿ES線變化，共晶

將析出Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ與共晶Fe3C

結合，不易分辨。1’2Fe3C溫度降到2點,

成分達到0.77%,此時,相的相對重量:在2點,共晶

發生共析反應，轉變為珠光體，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體,用Le’表示.

2點以下，共晶體中P的變化同共析鋼。S共晶白口鐵室溫組織為Le’(P+Fe3C),它保留了共晶轉變產物的形態特征。室溫下兩相的相對重量百分比為：

㈥亞共晶白口鐵的結晶過程合金在1~2點間析出

。到2點，液相成分變到C點,并轉變為Le。2~3點間從中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶襯托出來。到3點，轉變為P。亞共晶白口鐵的結晶過程亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3CⅡ+Le’。室溫下組織組成物相對重量百分比為：ECFD1234N室溫下相的相對重量百分比?㈦過共晶白口鐵的結晶過程1~2點間從液相中析出Fe3C,這種滲碳體稱一次滲碳體，用Fe3CⅠ表示，呈粗條片狀。到2點，余下的液相成分變到C點并轉變為Le。DFK3Fe3C1242點以下,Fe3CⅠ成分重量不再發生變化,Le變化同共晶合金,其室溫組織為Fe3CⅠ+Le’。

組織組成物與相組成物標注區別主要在+Fe3C和+Fe3C兩個相區.+Fe3C相區中有四個組織組成物區，+Fe3C相區中有七個組織組成物區。

㈧組織組成物在鐵碳合金相圖上的標注+Fe3C+Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度㈨含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響⒈含碳量對室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關系為：

鋼鐵素體亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對量%相組成物相對量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體⒉含碳量對力學性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ為晶界連續網狀，強度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Le’,合金太脆.⒊含碳量對工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼合適②可鍛性能:低碳鋼好③焊接性能:低碳鋼好④鑄造性能:共晶合金好⑤熱處理性能:第六章介紹鑄造焊縫組織模鍛切削加工的基本形式車刨鉆銑磨

工業用鋼按化學成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。

1、Mn:0.8%時為雜質,是有益元素。作用為：

①強化鐵素體；②消除硫的有害作用。一、雜質元素對性能的影響鋼中的雜質一般是指Mn、Si、P、S。是由原料帶入或脫氧殘留的元素。

①強化鐵素體；②增加鋼液流動性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶(985℃)，熱加工時(1150~1200℃)，由于其熔化而導致開裂，稱熱脆性.鋼中的硫應控制在0.045%以下.2、Si：0.5%時為雜質，是有益元素。作用為：

合金晶界的低熔點硫化物共晶Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔點高(1600℃)。4、P：也是有害元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。P一般控制在0.045%以下.鋼中的MnS夾雜比利時阿爾伯特運河鋼橋因磷高產生冷脆性于1938年冬發生斷裂墜入河中二、鋼的分類1、按化學成分分

中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C低合金鋼合金元素總量5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量10%碳素鋼合金鋼

鋼類碳素鋼合金鋼PSPS普通質量鋼≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045優質鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級優質鋼≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特級優質鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按質量分鋼的質量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質量鋼、優質鋼、高級優質鋼和特級優質鋼.根據現行標準，各質量等級鋼的磷、硫含量如下：3、按用途分

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調質鋼彈簧鋼滾動軸承鋼耐磨鋼機器用鋼結構鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼擠壓模具齒輪刀具三、鋼的編號我國鋼材的編號是采用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法。采用漢語拼音字母表示鋼產品的名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表鋼產品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個字母.常用鋼產品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號（GB/T221—2000）名稱符號位置名稱符號位置碳素結構鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強度鋼Q頭鍋爐用鋼g