4第4章铁碳合金相图及碳素钢汇总

2第四章铁碳合金相图及碳素钢※三碳素钢（非合金钢）※一铁碳合金的基本组织※二铁碳合金相图3教学要求：1、熟练掌握铁碳合金基本组织——铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的含义、符号、性能。2、了解铁碳合金相图，掌握Fe-Fe3C相图特性点、特性线和各区域的组织。3、明确铁碳合金的分类，掌握含碳量对钢组织和性能的影响。4、理解Fe-Fe3C相图的应用，特别是钢在锻造和铸造中的应用。5、掌握碳钢的概念，熟练掌握碳钢的五种分类，掌握普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢的牌号、性能和典型用途。4钢和生铁都是铁碳合金，其基本组织是铁和碳两个元素，是现代工业中应用最广泛的金属材料。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先必须研究铁碳合金相图。一般说的铁碳合金相图，实际上是铁-渗碳体（Fe-Fe3C）相图。根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以反应形成金属化合物，或固溶体与金属化合物组成机械混合物。因此，在铁碳合金中出现以下几种基本组织：一【新课导入】铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体※一铁碳合金的基本组织5碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体组元：Fe、Fe3C相1铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。二铁碳合金中的相62奥氏体碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体73渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%Fe3C硬度高、强度低(Rm35MPa),脆性大,塑性几乎为零Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体81珠光体P：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。图珠光体的显微组织三铁碳合金中的基本组织92莱氏体Ld莱氏体在7270C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在7270C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld’。其显微组织如图，其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。图莱氏体的显微组织10※小结:11※小结:【新课导入】从铁碳合金组织学习中我们知道，室温下的组织F、P、Ldˊ、Fe3C随着含碳量增加，它们的性能变化是规律的，塑性、韧性由好变差，硬度由大变小，其实这种变化规律我们是可以从材料专家绘制的铁碳合金相图反映出来的。我们接下来就是学习讨论：铁碳合金相图1213一Fe-C相图与Fe-Fe3C相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%～2.11%的称钢;含碳量为2.11%～6.69%的称铸铁。含碳量低于0.0218%的称纯铁。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。※二铁碳合金相图14铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图所示。16二Fe-Fe3C相图分析⒈特征点2.特征线3.相区171特征点LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++18192特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄JECF：共晶线LC⇄E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Ld表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体20PSK：共析线S⇄FP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。PSK线又称A1线。21⑶其它相线GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN—δ⇄固溶体转变线，ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。22⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线3相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C23※小结:学习内容Fe-Fe3C相图一、Fe-Fe3C相图相图特性点二、Fe-Fe3C相图特性线三、Fe-Fe3C相图相区24三铁碳合金的分类铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。钢(0.0218～2.11%C)高温组织为单相a.亚共析钢(0.0218～0.77%C)室温组织为F+Pb.共析钢(0.77%C)Pc.过共析钢(0.77～2.11%C)Fe3CⅡ+P白口铸铁(2.11～6.69%C)铸造性能好,硬而脆a.亚共晶白口铸铁(2.11～4.3%C)P+Fe3CII+Ld′b.共晶白口铸铁(4.3%C)Ld′c.过共晶白口铸铁(4.3～6.69%C)Fe3CI+Ld′25亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁26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。四组织组成物在铁碳合金相图上的标注+Fe3C+Fe3C27FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLe+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠLdP+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度28五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：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292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。a.0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能b.＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。c.＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld,合金太脆.303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:后续介绍切削加工的基本形式车刨钻铣磨31铸造焊缝组织模锻32六铁碳合金相图的应用1）在铸造中的应用。根据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合金的凝固温度范围，判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。2）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围。3）在热处理中的应用。相图反映了不同成分的合金在缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订热处理工艺的依据。【小结】一、铁碳合金的分类二、含碳量对钢组织和性能的影响三、Fe-Fe3C相图的应用33【新课导入】纯铁是一种塑性很好的金属，既不能制刀枪，也不能铸铁锅、犁锄。但当纯铁中加入一定量的碳后，就变成了现代工业的骨骼——钢铁材料了。钢铁材料是机械制造、建筑、交通运输、国防及其他各部门应用最广泛的金属材料。当今世界，钢铁产量占世界金属总产量的95％，钢铁的品种和使用量已成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要标志。对钢而言，有碳钢、合金钢之分。接下我们先来学习碳钢的知识。3435工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。※三碳素钢（非合金钢）36一钢中杂质对钢性能的影响钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。1、Mn的影响:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：①强化铁素体；②消除硫的有害作用。2、Si的影响：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：①强化铁素体；②增加钢液流动性。373、S的影响：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150～1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.05%以下.Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1600℃)。合金晶界的低熔点硫化物共晶384、P的影响：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.钢中的MnS夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中395气体元素的影响①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。②O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源.钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂40③H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点钢的氢脆断口41二钢的分类与编号1、钢的分类(1)按化学成分分低碳钢0.25%C中碳钢0.25～0.6%C高碳钢0.6%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5～10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢42钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015(2)按冶金质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：43（3）按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆调质钢渗碳钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具44（4）按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材低。半镇静钢：介于前两者之间生沸腾。这种钢成材率高，但不致密按脱氧程度分特殊镇静钢45（5）按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分电弧炉炼钢47碳钢是目前应用最为广泛的金属材料。对工农业生产、交通运输、国防乃至日常生活来说，碳钢是最基本、最重要的材料，这是因为碳钢具有下面的优点：1碳钢的优点：具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜。实际生产中使用的碳钢材料种类很多，常用的有以下四类：一、普通碳素结构钢（C：0.06%