第3章 铁碳合金相图和碳钢

第三章铁碳合金§1铁碳合金的组元及相结构分析§2铁碳相图分析§3铁碳合金的平衡结晶分析§4铁碳相图的应用§5碳钢及其牌号§1铁碳合金的组元及相结构分析二.Fe–C二元相图三.Fe-Fe3C合金的组元及相结构一.纯铁的同素异晶转变返回一.纯铁的的同素异晶转变1394°C912°C体心立方面心立方体心立方δ-Feγ-Feα-Fe返回图3-1纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe返回二.Fe-C相图Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)返回图3-2Fe-C相图三、Fe-Fe3C合金的组元及相结构(一)组元*铁(ferrite)*渗碳体(Cementite)返回1.纯铁纯铁是过渡族金属元素，具有同素异构现象。纯铁的性能：塑性、韧性好，但强度较低，很少用来制造机械零件。返回2.渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。返回图3-3渗碳体组织示意图及晶体结构图(二)相结构及组织1．液相L2．高温铁素体（δ相）：碳固溶到δ-Fe中的间隙固溶体。3.铁素体(F、α相γ)：碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。强度、硬度低、塑性好。室温：C%=0.008%,727℃：C%=0.0218%返回图3-4铁素体晶体结构示意图4.奥氏体(A、相)碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。强度低，塑性好，易锻压成型。727℃C%=0.77%,1148C%=2.11%5.渗碳体返回图3-5奥氏体晶体结构示意图6.珠光体(P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。7.莱氏体(Ld)奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。返回§2Fe-Fe3C相图分析五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:ECF、ES(Acm)、GS(A3)、PSK(A1)。两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。返回图3-6Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeFe3CT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C§2Fe-Fe3C相图分析12271538返回图3-7Fe-Fe3C相图图3-8Fe-Fe3C相图返回1.包晶转变反应式:LB+HAJ1495℃3.共析转变反应式:AS(FP+Fe3C)P727℃2.共晶转变反应式:LC(AE+Fe3C)Ld1148℃§3铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁(ingotiron)共析钢(eutectoidsteel)亚共析钢(hypoeutectoidsteel)过共析钢(hypereutectoidsteel)共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)返回1.工业纯铁(Wc0.0218%)返回图3-10工业纯铁结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C122715382.共析钢(Wc=0.77%)返回图3-11共析钢结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C12271538图3-12共析钢组织金相图返回3.亚共析钢(Wc=0.45%)返回图3-13亚共析钢结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C12271538图3-14亚共析钢组织金相图返回4.过共析钢(Wc=1.2%)返回图3-15过共析钢结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C12271538图3-16过共析钢组织金相图返回5.共晶白口铁(Wc=4.3%)返回图3-17共晶白口铁结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C12271538图3-18共晶白口铁组织金相图返回6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)返回图3-19亚共晶白口铁结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C12271538图3-20亚共晶白口铁组织金相图返回7.过共晶白口铁(Wc=5.0%)返回图3-21过共晶白口铁结晶过程示意图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C6.69%CFeT°A+Fe3CFA+F0.77%CKF+Fe3CL+Fe3C12271538图3-22过共晶白口铁组织金相图返回组织组成物:F;Fe3CF;P0.77-0.45F=100%=43%0.77-0.020.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02相组成物:6.69-0.45F=100%=94%6.69-0.02P=1–WF=57%Fe3C=1-WF=6%0.020.450.776.69返回§4铁碳相图的应用一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响二、碳的质量分数对力学性能的影响三、铁碳相图的应用返回一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响1.碳的质量分数对平衡组织的影响返回图3-23碳的质量分数对平衡组织的影响含碳量对平衡组织的影响铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：F+→F+P→P→P+→P++Ld’→Ld’→Ld’+（沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状）→（沿A晶界呈网状分布）→共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→（分布在莱氏体上的粗大片状）。ⅢCFe3ⅢCFe3ⅡCFe3ⅠCFe3ⅡCFe3ⅡCFe3ⅠCFe3返回返回二.碳的质量分数对力学性能的影响返回图3-24碳的质量分数对力学性能的影响三.铁碳相图的应用在选材方面的应用。在制定热加工工艺方面的应用。返回1．为选材提供成分依据若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。返回2.制定热加工工艺方面的应用返回图3-25铁碳相图在热加工工艺方面的应用示意图2.为制定热加工工艺提供依据对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏.对于锻造：确定锻造温度。对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。返回§5碳钢及其牌号一、常存杂质元素对钢性能的影响二、碳钢的分类三、碳钢的牌号、性能及用途返回一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响1．Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。2．Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。3．S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。4．P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。5非金属杂夹物：有害物质例如：氧化物，碳化物，硅酸盐，氧化物。作用：（１）降低钢的力学性能能。（２）形成热纤维组织与带状组织，使材料性能具有各向异性。返回二、碳钢的分类1、按含碳量分类低碳钢（C≤0.25%）；中碳钢（C≤0.3~0.55%）；高碳钢（C≥0.65%）。2、按质量分类普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）优质钢（P、S均≤0.035%）高级优质钢（P≤0.030%，S≤0.030%）特级优质钢（P≤0.020%，S≤0.025%）3、按用途分类碳素结构钢碳素工具钢4、按冶炼方法及设备分类5、按冶炼烧注时脱氧刘与脱氧程度分类返回转炉炼钢平炉炼钢电弧炉炼钢4、按冶炼方法及设备分类返回图3-26冶炼方法示意图2）沸腾钢(boilingsteel)在浇注前（冶炼后期）将钢液用少量锰铁进行轻度脱氧,Wo=0.03%～0.07%,注入锭模后发生碳—氧反应，析出大量的CO气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。5、按冶炼浇注时脱氧程度分类1）镇静钢(killedsteel)钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,注入模子后，钢液不发生碳—氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢。成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。3）半镇静钢(balancedsteel)半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。返回4）镇静钢与沸腾钢的优缺点及应用各有优缺点：①沸腾钢成本低，成材率高；②沸腾钢表面质量好，冲压性能好，焊接性能好；③镇静钢的钢材质量好。机械性能好。因此，凡要求冲压性能好，含碳量较低的普通结构件都选用沸腾钢，如建筑用钢、汽车外壳用深冲钢板等。凡是重要的结构件如锅炉、化工容器用钢和机械上需经热处理的受力零件用钢都选用镇静钢。返回三、碳钢牌号、性能和用途碳素结构钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢铸钢返回1、普通碳素结构钢牌号和用途Q+数字表示牌号,Q235表示屈服点是235MPa,Q235-A·F,表示屈服点为235的A级沸腾钢。加工成形后一般不进行热处理，在热轧退火或正火态下直接使用。制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等性能要求:较高的强度和屈强比;较好的塑性和韧性;良好的焊接性;较低的缺口敏感性和冷弯后低的时效敏感性;较低的韧脆转变温度.返回1、普通碳素结构钢牌号和用途返回1、普通碳素结构钢牌号和用途返回2、优质碳素结构钢牌号和用途牌号：用两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数之几。分为普通含锰量（钢材中的含锰量0.35%~0.8%）和较高含锰量（含锰量0.7%~1.2%）两组。20钢表示平均含碳量为0.20%的优质碳素结构钢；15Mn：表示钢材中的平均含碳量为0.15%的含锰量较高的优质碳素结构钢。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等；30、35、40、45、50、55钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；60～85高碳钢，热处理（淬火+中温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧；。返回2、优质碳素结构钢牌号和用途返回2、优质碳素结构钢牌号和用途返回2、优质碳素结构钢牌号和用途返回３、碳素工具钢牌号和用途牌号：在汉字拼音首字母Ｔ后附以平均含碳量千分之几。T10A表示平均含碳量为1.0%高级优质碳素工具钢碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、刃具、模具等。返回３、碳素工具钢牌号和用途返回３、碳素工具钢牌号和用途T7，T8，承受冲击,韧性较好，硬度较高的工具。如冲头、凿子、榔头、木工工