第三章 铁碳合金 - 材料科学与工程学院 - Powered by …

第四章铁碳合金教学目的：掌握Fe-Fe3C相图及典型铁碳合金结晶规律，掌握用杠杆定律计算组织、相相对含量的方法，熟悉碳钢的表示方法，了解杂质对碳钢性能的影响。

本章重点：1、Fe-Fe3C相图及典型铁碳合金结晶规律2、用杠杆定律计算组织、相相对含量本章难点: 用杠杆定律计算组织、相相对含量参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，20052、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，20013、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术出版社，1997专业词汇：steel; cast iron; austenite; austenizing; austenite grain size; cementite;ledeburite; ferrite; pearlite; pearlite transformation; graphite;第一节Fe-Fe3C合金相图C相图由三部分组成：包晶部分+共晶部分+共析部分Fe-Fe3一、纯铁(即C%=0)1、纯铁的同素异构转变从相图上可以发现，纯铁在加热过程中，当温度低于912℃时，其结为体心立方的α- Fe；当加热到912℃时发生同素异构转变，形成面心立方的γ- Fe；当加热到1394℃时，γ- Fe又转变为构体心立方的δ- Fe；加热到1538℃时，熔化为液态。

正是由于铁具有同素异构转变现象，才使得铁碳合金能够通过热处理强化。

2、纯铁的力学性能纯铁的主要力学性能指标：σb=176-274MPa,σ0.2=98-166MPa,δ=30-50%,ψ=70-80%,HB=50-80,Ak=128-160J纯铁具有良好的塑性、韧性，但强度、硬度太低，故工业上应用很少,多用铁碳合金。

二、铁碳合金的四种固态合金相C：在实用的Fe-C合金系中，既含炭量范围0-6.69%（相当于含Fe3 0-100%），有四种固态合金相：1、铁素体（用F或α表示）：碳在α- Fe中的间隙固溶体。

由于体心立方晶格的间隙分散，间隙尺寸小，故铁素体的溶碳能力很低，常温下只有0.0008%，最大溶碳量（727℃）只有0.0218%2、渗碳体FeC：铁与碳形成的一种稳定化合物，具有复杂晶体结构—正3交晶格,含碳量 6.69%，不发生同素异构转变，硬而脆，HB=800，δ=03、奥氏体（用A或γ表示）：碳在γ- Fe中的间隙固溶体，由于面心立方晶格的间隙集中，间隙尺寸较大，故奥氏体溶解碳的能力较大，最大溶碳量（1148℃）为2.11%,是铁素体的100倍。

4、石墨：渗碳体在热力学上属于亚稳相，高温下发生分解Fe3C→3Fe+C,形成铁与石墨。

三、相图中的主要点、线、区1、点点对应温度含碳量含义A 1538℃ 0 纯铁的熔点B 1495℃ 0.53% 包晶反应时液态合金的浓度CC 1148℃ 4.30% 共晶点LC←→AE+Fe3D 1227℃ 6.69% 渗碳体熔点（计算值）E 1148℃ 2.11% 碳在γ- Fe中的最大溶解度点F 1148℃ 6.69% 渗碳体G 912℃ 0 同素异构转变点α- Fe←→γ-FeH 1495℃ 0.09% 碳在δ-Fe中的最大溶解度点J 1495℃ 0.17% 包晶点LB+δH←→AJK 727℃ 6.69% 渗碳体N 1394℃ 0 同素异构转变点γ- Fe←→δ-FeP 727℃ 0.0218% 碳在α-Fe中的最大溶解度点 S 727℃ 0.77% 共析点，As←→Fp+ Fe3CQ 室温 0.0008% 碳在α-Fe中的室温溶解度 2、线ABCD---液相线； AHJECF---固相线HJB--- 包晶线， 1495℃， LB+δH←→AJECF----共晶线， 1148℃， LC←→AE+Fe3C，（A+ Fe3C）-莱氏体LdPSK----共析线， 727℃， As←→Fp+ Fe3C,( F+ Fe3C)—珠光体PES-----碳在奥氏体中的溶解度线PQ-----碳在铁素体中的溶解度线2、区域（面）3、AHN左方----δ-Fe区域GPQ左方----铁素体区域NJESG-----奥氏体区域PSKLQ-----F+ Fe3C两相区ECFKS---- A+ Fe3C两相区四、典型铁碳合金结晶过程分析1、共析钢（0.77%C）: L→ L +A→A→As←→Fp+ Fe3C(珠光体P)2、亚共析钢(C<0.77%C):3、过共析钢（C>0.77%C）4、共晶白口铸铁(4.3%C)5、亚共晶白口铸铁6、过共晶白口铸铁二、组织组成物相对含量计算1、计算共析钢珠光体组织中铁素体和渗碳体的相对含量。

F=(6.69%-0.77%)/(6.69%-0.0008%)=88%Fe3C=1-88%=12%2、计算含碳量为 1.0%的过共析钢组织中二次渗碳体和珠光体的相对含量。

Fe3CⅡ=（1.0%-0.77%）/(6.69%-0.77%)=3.9%P=1-3.9%=96.1%3、计算含碳量为5%的过共晶白口铸铁组织中①一次渗碳体的相对含量②共晶渗碳体的相对含量③二次渗碳体的相对含量④共析渗碳体的相对含量⑤三次渗碳体的相对含量解：①T→1148+0℃, Fe3CⅠ=（5%-4.3%）/(6.69%-4.3%)=29.3%②T→1148-0℃, Fe3C总1=(5%-2.11%)/(6.69%-2.11%)=63.1%Fe3C共晶= Fe3C总1- Fe3CⅠ=63.1%-29.3%=33.8%③T→727+0℃, Fe3C总2=(5%-0.77%)/(6.69%-0.77%)=71.5%Fe3CⅡ= Fe3C总2- Fe3C总1=71.5%-63.1%=8.4%④T→727-0℃,Fe3C总3=(5%-0.0218%)/(6.69%-0.0218%)=74.7%Fe3C共析= Fe3C总3- Fe3C总2=74.7%-71.5%=3.2%⑤室温时，Fe3C总=(5%-0.0008%)/(6.69%-0.0008%)=74.74%Fe3CⅢ= Fe3C总- Fe3C总3=74.74%-74.7%=0.04%4、计算含碳量为2%的亚共晶白口铸铁组织中，珠光体的相对含量。

解：珠光体的含量等于奥氏体的含量，因此T→727+0℃P=A=(6.69%-2%)/(6.69%-0.77%)=79.2%三、铁碳合金的机械性能与含碳量之间的关系铁碳合金中，随着含碳量的升高，不仅组织中渗碳体的相对含量增加，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化，其规律如下：a、当渗碳体与铁素体构成片层状的珠光体时，铁碳合金的强度、硬度得到提高，且珠光体越多，强度、硬度越高b、当渗碳体沿珠光体晶界呈网状分布时，特别是作为基体或以针状形态分布在莱氏体基体上时，铁碳合金的塑性和韧性大大下降，强度也随之下降c、当钢的含碳量≤1%时，随着含碳量的增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降；当含碳量〉1%时，因组织中出现网状渗碳体，钢的强度下降，但钢的硬度不断增加。

d、工业用钢材，为了保证足够的强度和一定的塑性、韧性，其含碳量一般不超过1.3%-1.4%。

四、铁碳合金相图的应用1、铸造a、根据铁碳相图可确定合适的浇铸温度b、根据铁碳相图可以优化合金成分：如纯铁和共晶合金，其凝固温度区间最小，流动性好，铸造性能优良。

2、锻造由于奥氏体强度低，塑性好，便于塑性变形，因此钢材的锻造常选择在铁碳相图中奥氏体单相区中的适当温度范围内进行。

原则是：起锻温度不能过高，以防止过度氧化；终锻温度不能过低，以防止锻裂。

3、热处理铁碳合金相图是热处理的基本依据。

第二节碳钢含碳量在0.0218％—2.11％的铁碳合金，称为碳钢。

一、碳钢的分类1、根据冶炼时，钢水的脱氧程度分为：（1）、镇静钢：指钢水在浇铸前用硅铁和铝进行完全脱氧的钢，浇铸时很少析出气体，钢水平静凝固而得名。

这种钢化学成分均匀，组织致密，具有较高的机械性能。

（2）、沸腾钢：指钢水仅用弱脱氧剂锰铁进行不完全脱氧的钢，浇铸时钢水中残留的氧与碳反应，生成大量CO，气体逸出犹如钢水沸腾，故名沸腾钢。

（3）、半镇静钢：钢水的脱氧程度介于二者之间，浇铸时无明显沸腾，但有少量气体，铸锭中有气孔存在。

2、根据钢的含碳量，分为：低碳钢：含碳量≤0.25%中碳钢：0.25%<含碳量≤0.55%高碳钢：含碳量〉0.55%3、根据钢的质量，分为：碳素结构钢,GB700-88优质碳素结构钢，GB699-88高级优质碳素结构钢，GB3077-884、根据钢的用途，分为：碳素结构钢碳素工具钢锅炉钢桥梁钢容器钢二、碳钢的表示方法1、碳素结构钢GB700-88《碳素结构钢》代替GB700-79《普通碳素钢》GB700-79来源于原苏联标准гост：已淘汰甲类钢：A1,A2,A3, •••,A7,该类钢只保证机械性能乙类钢：B1,B2,B3, •••,B7,该类钢只保证化学成分特类钢：C1,C2,C3, •••,C7,该类钢既保证机械性能，又保证化学成分而GB700-88来源于ISO630《结构钢》，所有钢既保证机械性能，又保证化学成分,钢号的表示方法：Q 235 - A • F其中Q表示屈服强度，为235MPa；A表示质量等级，分A,B,C,D四级，D级质量最高；F表示沸腾钢（b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，Z、TZ可以省略）。

新标准中共有：Q195,Q215,Q235,Q255，Q275五个强度等级。

2、优质碳素结构钢 GB699-8845 , 60 （数字表示平均含碳量的万分之几）3、碳素工具钢T8A T表示碳素工具钢，8表示含碳量的千分之几，A表示高级优质钢。

4、铸造碳钢ZG200-400, ZG表示铸钢，200表示屈服强度值MPa，400表示抗拉强度值MPa。

5、其他代号焊接用钢H，锅炉用钢g，船用钢c，桥梁用钢q，压力容器用钢R三、新旧标准中钢的硫、磷含量对比普通质量钢优质钢高级优质钢特级优质钢 S≤, P≤ S≤, P≤ S≤, P≤ S≤, P≤新国标：0.05%,0.045% 0.035%,0.035% 0.025%,0.025% 0.015%, 0.025% 旧国标:0.055%,0.045% 0.040%,0.040% 0.030%,0.030% ——，——第三节杂质元素对碳钢的影响一、Mn的影响Mn在碳钢中是一种有益元素，碳钢中含Mn量一般低于0.8%，Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化，小部分Mn溶于渗碳体中形成合金渗碳体，使渗碳体的脆性降低。

Mn能增加珠光体的相对含量，并使珠光体细化，使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，可减轻硫的危害。

二、Si的影响Si在钢中也是一种有益元素，Si溶于铁素体中，使铁素体强化，钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。