工程材料第六章(铁碳相图)

GS：从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开
始线。以A3表示。
EFC：共晶线。共晶反应发生在含碳为 2.11~
6.69%的铁碳合金中。
PSK：共析线，以A1表示。共析反应发生在含 碳为 0.0218~ 6.69%的铁碳合金中。
§ 6-3 典型合金的结晶过程及组织
• 按含碳量和组织不同，铁碳合金分三类： • 1、工业纯铁（C< 0.0218%） • 2、钢（C 0.0218~ 2.11%）。根据室温组织不 同，又分三种：共析钢（C= 0.77%），亚共析 钢（C < 0.77%），过共析钢（C> 0.77%）。 • 3、白口铁（C2.11~ 6.69%）。根据室温组织 不同，又分三种：共晶白口铁（C=4.3%），亚 共析白口铁（C < 4.3%），过共析白口铁（C> 4.3%）。
二、编号与用途
• 1、碳素结构钢GB700-88 • 牌号表示方法有屈服点字母、屈服点数值、质 量等级符号与脱氧方法四部分组成。 共5类牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、 Q275，其中Q195 、Q275不分质量等级，既保证 力学性能又保证化学成分。 Q215、Q235、Q255 的A级只保证力学性能，化学成分除S、P、Si外， 其它不保证。其它质量等级同时保证力学性能和 化学成分。见表3-3、表3-4。 例Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。
三、石墨化过程及影响因素
（2）第二阶段石墨化 • 按照Fe-C(G)相图，过饱和状态的奥氏体， 随着温度的降低，在1154℃~738℃沿着 E’S’线冷却时析出的二次石墨(GII) 的过 程，即AE→AS+GII。 • 按照Fe-Fe3C相图，二次渗碳体(Fe3CII)分 解而析出石墨的过程。
三、石墨化过程及影响因素
（3）第三阶段石墨化 • 按照Fe-C(G)相图，在738℃共析转变时形成 的共析石墨(G共析) 的过程，即A S→F P+G共析。 • 按照Fe-Fe3C相图，共析渗碳体(Fe3C共析)分解 而析出石墨的过程。 由于石墨化过程是碳原子扩散的过程， 所以石墨化的温度愈低，原子扩散愈困难， 因而愈不易石墨化过程的进行。显然，由于 石墨化程度的不同，将获得不同基体的铸铁 组织。
二、 铸铁的结晶
二、 铸铁的结晶
• 一次结晶——通常把初生A（或初生石墨） 的析出和共晶转变称为铸铁的一次结晶， 一次结晶决定了铸铁的晶粒大小、石墨形 状和分布 ； • 二次结晶——而把凝固后进行的碳自A中 脱溶及共析转变称为二次结晶，二次结晶 决定了铸铁的基体组织。 • 因此，要控制铸铁的组织，就必须控制这 两个结晶过程。
二、铸铁的结晶
• 由于渗碳体在长时间加热的条件下可以分 解为铁（或铁素体）和石墨，即 Fe3C→3Fe+C(G)。这表明石墨是稳定相， 而渗碳体仅是介（亚）稳定相。也就是说， 成分相同的铁液在冷却时，冷却速度愈慢， 析出石墨的可能性愈大；冷却速度愈快， 析出渗碳体的可能性愈大。因此反映铁碳 合金的相图实际上应是两个，即亚稳定的 Fe-Fe3C相图和稳定的Fe-C(G)相图。
三、石墨化过程及影响因素
石墨化：碳以石墨形式析出的过程。
灰口铸铁中的石墨是通过液态铁水进行结晶时的石墨化 过程获得的，一般可分为三个阶段：
（1）第一阶段石墨化： • 按照Fe-C(G)相图，它包括从铸铁的液相中直接析出 的一次石墨(GI)，即冷却到液相线时析出的一次石墨 的过程(L→LCˊ+GI)，以及在1154℃共晶转变时形成的 共晶石墨(G共晶) 的过程，即LCˊ→AEˊ+G共晶。 • 按照Fe-Fe3C相图，它包括一次渗碳体(Fe3CI)和共晶 渗碳体(Fe3C共晶)在高温下分解而析出石墨的过程。
• Q195、Q215主要用于薄板、焊接钢管、铁丝等。 • Q235主要用于中板、钢管、钢筋、小轴、螺栓。
• Q255、Q275主要用于连杆、键、轴等。
• 2、优质碳素结构钢
• 用两位数字表示含C量的万分数。分普通含锰量和
较高含锰量（0.7~1%)两种。 • 低C钢用于冲压件、焊接件和渗C件。中C钢用于综 合性能要求较高的轴类和齿轮类零件。高C钢用于弹 簧、钢丝、钢带等。见表3-6。
一、重要点与线的分析 1、重要的点 A：纯铁的熔点，t=1538C，C=0 D：Fe3C的熔点，t=1227 C， C=6.69% G：纯铁同素异构转变点，- Fe- Fe t=912 C，C=0 E：C在- Fe中的最大溶解度点，t=1148 C ，C=2.11%， 也是钢与白口铁的成分分界点。 P： C在- Fe中最大溶解度点，t=727 C， C=0.0218%。 也是纯铁与钢的成分分界点。 C：共晶点，t=1148 C， C=4.3% S：共析点，t=727 C ，C=0.77%
2、杂质的影响
1）磷和硫的影响
磷和硫是有害杂质。磷可溶入F体中，使钢的强度、
硬度提高，但塑性和韧性显著下降。尤其是低温更严 重，这一现象称钢的“冷脆”。 硫在钢中与Fe形成FeS，FeS又与Fe形成低熔点 985Cº 的共晶体，并常分布在晶界，当钢在1000 Cº 以
上热加工时，低熔点的共晶熔化，导致钢沿晶界开裂，
第六章 铁碳合金
• 本章重点： Fe-Fe3C相图中典型合金的平衡结晶过程，特 别是钢的部分。 • 难点：共晶与共析转变，结晶过程中各相成分的变化规 律，平衡相及组织的相对量计算。 一、学习Fe-Fe3C相图的意义 二、对Fe-Fe3C相图的几点说明 § 6-1 铁碳合金的基本相 一、 Fe - Fe - Fe - Fe 。 C在- Fe中的间隙固溶体叫铁素体（F）， C在- Fe中 的溶解度极小，最大为0.0218%. C在- Fe中的固溶体叫奥氏体（A）,C在- Fe中的溶解度 较大，为2.11%~0.77%。 • F与A的强度、硬度都较低，而塑性和韧性好。
3、优质碳素工具钢
• 用“T”表示，后面的数字表示含C量的千分数。
• T7、T8强度硬度较高，塑性韧性好，常用于受冲击
较大的工具（冲头、凿子等）。T9、T10、T11用于
高硬度、中等韧性的工具（钻头、丝攻等）。T12、
T13用来制造高硬度、高耐磨性而韧性要求不高的工 具（量具、锉刀等）。见表3-7。 • “ZG35”表示35号铸钢。“Y20”表示20号易切削钢。 高级优质钢分别在牌号后加“A”。
• 一、分类
• 1、按用途分：结构钢、工具钢 • 2、按含碳量分：低C钢（0.25%)，中C钢（ 0.30~ 0.6 %)，高C钢（ 0.6%)。 • 3、按质量分：普通钢（P 0.045%，S 0.055%)， 优质钢（结构钢 P 0.04%，S 0.045%。工具钢P 0.035%，S 0.03%)，高级优质钢（ P 0.03%，S 0.02%）。
二、白口铁的结晶过程与显微组织
• 1、共晶白口铁L Ld(A+Fe3C) Ld(A + Fe3C
+Fe3C) L'd(P + Fe3C +Fe3C) • 2、亚共晶白口铁 L L+A A+ Ld A+ Fe3C
+Ld P + Fe3C +L 'd
• 3、过共晶白口铁L L+ Fe3C Fe3C +Ld
二、 Fe3C：是晶格复杂的间隙化合物，强度很 低（40MPa)，塑性几乎为零，但硬度很高 (HB800)，所以Fe3C硬而脆。在钢和白口铁中以 片状、球状、网状、条状等形式存在。它的形状 和分布对钢性能影响很大，是铁碳合金的强化相。 三、铁碳合金中的相 1、液相L 2、 相-高温铁素体。 3、 相- 铁素体（用F或 表示） 4、 相-奥氏体（用A或 表示） 5、 Fe3C
二、铸铁的结晶
1 ． Fe-Fe3C 和 Fe-C 双重相 图 在铁碳合金中，碳可以三 种形式存在： • 一种是以原子形式固溶于 铁素体（F）中； • 另一种是以金属间化合物 （Fe3C）的形式存在； • 还有一种是以游离态的单 质石墨（G）存在。
二、 铸铁的结晶 • 石墨的晶格类型为简单六方晶格，原子呈 层状排列，同一层的原子间距为0.142nm， 结合力较强；而层与层之间的面间距为 0.340nm，是依靠较弱的金属键结合，故 石墨具有不太明显的金属性能（如导电 性），而且由于层与层间的结合力较弱， 易滑动，故石墨的强度、塑性和韧性较低， 硬度仅为3~5HBS。
§ 6-6 铸铁
一、铸铁的分类
根据碳的存在形态铸铁可分为： 1、白口铸铁 • 碳全部以Fe3C形式存在，断口呈白色，硬而脆， 不能进行切削加工。工业上很少用于制造机器零件， 主要用于炼钢原料。 2、灰口铸铁 • 碳全部或大部分以单质状态的片状石墨形态存在， 断口呈深灰色 。 3、麻口铸铁
★根据石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为： • 灰铸铁，即铸铁中石墨呈片状存在。 • 球墨铸铁，即铸铁中石墨呈球状存在。 • 蠕墨铸铁，即铸铁中石墨呈蠕虫状存在，即 其石墨形态介于片状与球状之间。 • 可锻铸铁，即铸铁中石墨呈团絮状存在。 ★ 此外，依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织 性能不同，可分为 常用铸铁 ( 普通铸铁 ) 和 合金 铸铁(特殊性能铸铁)两类。
Fe3C +L ' d 因为白口铁在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所 以不能进行锻压，而共晶成分合金的流动性好，适合 于铸造。
§ 6-4 碳与杂质对钢性能的影响
• 钢中除碳外，还有杂质元素硅、锰、硫、磷等。 • 1、碳的影响 • 钢在平衡状态下是有F和Fe3C两个相组成，F有良好的 塑性，而强度硬度低。 Fe3C硬而脆。 • 在亚共析钢中，随含碳量的增加，F量减少，P量增加， 钢的强度、硬度增加，而塑性和韧性降低。 • 在过共析钢中， Fe3C除形成P体外，还以网状形式形 成Fe3C 分布在晶界上，随着含碳量的增加，数量增多， 网络越厚越完整， Fe3C 网割裂了P体晶粒之间的联系， 因此，在过共析钢中随着含碳量的增加，钢的强度降低， 在约0.9%C时达最大值。所以，工业上常用的碳钢含C量 一般不超过1.4%。