铁碳合金和合金钢概述

Fe2CFeCFe3C6.69%C所研究的Fe-Fe3C相图的位置FeCC%T一、铁碳合金相图分析1、铁碳合金的组元⑴Fe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）基本相及其性能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2、铁碳合金中的相⑴液相L铁与碳的液溶体。⑵δ相（bcc)是碳在δ—Fe中的间隙固溶体⑶α相（bcc)是碳在α—Fe中的间隙固溶体，其性能特点是强度低、硬度低、塑性好。⑷γ相(fcc)是碳在γ—Fe中的间隙固溶体，其性能特点是强度较低，硬度不高，易于塑性变形。⑸Fe3C相（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。L++Fe3C+Fe3C+L+Fe3C++LFe1234566.6902004006008001000120014001600ANGJBHESCDFKPQ2.114.30.770.020.530.170.0911487271495Wc(%)Fe－Fe3C相图LFe3C（二）铁碳相图分析包晶转变匀晶转变共晶转变共析转变1、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以相组成物表示的Fe-Fe3C相图2、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+（三）典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织1、共析钢L→γγ→α+Fe3C室温组织:P室温相：α+Fe3CLγ2、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+Fe3C二、Fe-Fe3C合金室温平衡组织及性能（一）工业纯铁（C%＜0.0218％）组织：F或F+Fe3CⅢ，Fe3CⅢ呈小白片状分布于F晶界。工业纯铁室温组织性能：强度、硬度较低，塑性、韧性好F晶界（二）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1、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2、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（较高强度和一定的塑、韧性）P组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈贝壳状3、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PFe3CⅡ（三）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1、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'dAFe3CⅡP2、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'd3、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%↑，且其形态由薄片状（Fe3CⅢ）→层片状（共析渗碳体）→网状（Fe3CⅡ）→基体（共晶渗碳体）→粗大板片状（Fe3CⅠ），而F%↓，且其形态由大块状→断续网状→层片状。Wc≤1.0％时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度增加，而塑性和韧性不断下降；Wc＞1.0％时，因出现网状渗碳体而导致钢的强度下降，但硬度仍会增加。工业上使用的钢的碳质量分数一般≤1.3～1.4％。Wc＞2.11％的铁碳合金（白口铸铁）具有莱氏体组织，难以加工，故极少直接使用。三、钢的分类及编号（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Q235—A•F新编号质量等级：A级、B级、C级、D级S%、P%下降，质量提高F—沸腾钢、Z—镇静钢、b—半镇静钢用途：钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。热处理：热轧空冷组织：S＋F建筑构件钢桥梁多边型角钢钢筋、螺纹钢螺钉、铆钉（2）优质碳素结构钢（a）普通锰含量钢：碳含量用两位数字表示，以0.01％为单位，如45钢，含C量为45/10000=0.45%。（b）较高锰含量钢：碳含量用两位数字表示，以0.01%为单位，后面加汉字“锰”或化学符号“Mn”，如45锰或45Mn钢。分为普通锰含量钢和较高锰含量钢。较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。热处理：渗碳、淬火、回火等。40Mn钢WMn0.7~1.0%平均Wc0.40%平均Wc0.40%钢牌号：40钢汽车曲轴弹簧齿轮（3）碳素工具钢牌号:“碳”或T＋碳含量（千分之几表示)+符号用途：制造各种刃具、模具、量具。例如冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。T10A钢高级优质wS≤0.020%，wP≤0.030%平均Wc1.0%“碳”热处理：球化退火、淬火+低温回火组织：P球状、回火M＋Fe3C粒状+A'螺纹量规锉刀钻头（4）铸造碳钢ZG200-400铸钢σs≥200MPaσb≥400MPa2、合金钢的编号（1）合金结构钢原则：字母＋数字＋化学元素符号＋数字＋符号（A）高级优质钢Me平均含量（百倍）合金元素（Me）的名称钢的平均碳含量（实际碳含量的一万倍表示）例1：12CrNi3A——12铬镍3高级优质钢高级优质钢Ni平均含量为3％Cr平均含量小于1.5％钢的平均碳含量为0.12％表示钢的用途例：GCr15——滚铬15钢表示元素铬，平均含量为1.5％表示滚动轴承用钢例2：Y40Mn——易切削40锰钢表示元素锰，平均含量小于1.5％表示钢中的碳平均含量为0.4％表示易切削钢特例：GCr钢中Cr后的数字表示的是千倍含量另外，还有GCr9、GCr6、GCr15SiMn等（2）合金工具钢原则：钢中平均含碳量Wc≥1.0%时不标，Wc1%时以千分之几表示。合金元素含量为百分之几。例1：9SiCr——9硅铬（低合金工具）钢钢中Si、Cr平均含量均小于1.5％钢中碳平均含量为Wc＝0.9％W18Cr4V——钨18铬4钒（18-4-1）含碳量未标，但平均Wc为0.7~0.8％钢中平均V含量Wv1.5％，Cr含量WCr＝4％，W含量Ww＝18％特例：高速钢平均碳含量1%也不标。另外，还有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等（3）特殊性能合金钢原则：钢中平均含碳量Wc以千分之几表示。合金元素平均含量WMe以百分几表示。例1：1Cr18Ni9Ti——奥氏体不锈钢钢中平均WCr=18%,WNi＝9％,WTi1.5％钢中碳平均含量WC≤0.12％例2：3Cr18Ni25Si2——耐热不起皮钢钢中平均WCr=18%,WNi＝25％,WSi=2％钢中碳平均含量WC=0.3~0.4％四、合金元素在钢中的作用（一）合金元素的分类1、强碳化物形成元素与碳亲和力较强的合金元素。如Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。在钢中存在形式：含量较低时一般倾向于置换Fe3C内的Fe原子而形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C、（Fe，W）3C等。而含量较高时，除形成渗碳体型碳化物外，还可形成稳定性更高的合金碳化物（Cr7C3、Fe4W2C等）和稳定性特高的特殊碳化物（WC、VC等）。2、弱碳化物形成元素是指与碳亲和力较弱的合金元素。如Mn。在钢中存在形式：少量溶于渗碳体（Fe3C）内，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，大部分溶于铁素体（F）内，形成合金铁素体。3、非碳化物形成元素与碳亲和力很弱，不和碳形成碳化物的合金元素。如Ni、Si、Al、Co、Cu、B等。在钢中存在形式：基本都溶于铁素体（F）内，形成合金铁素体。（二）合金元素的作用1、固溶强化除铅外，大多数合金元素（Me）都能溶于F形成合金F。由于Me与Fe的晶格类型和原子半径的差异而引起F的晶格畸变，产生固溶强化。Me与Fe的晶格类型和原子半径的差异愈大，该Me对F的强化效果也愈大。而F的δ、Ψ、Ak与溶入F中的Me种类及数量有关。合金元素对铁素体硬度的影响（退火态）合金元素对铁素体冲击韧性的影响2、第二相强化某些Me加入钢中，增强Fe与C的亲和力，形成稳定性较高的合金渗碳体（F