铁碳合金相图和碳钢

P：由生铁带入。全部溶于F中，使钢的强度硬 度升高，而塑性、韧性显著下降。特别是使钢在
低温时脆性急剧增 加，称为冷脆性。
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
因此钢中要限制磷
的含量：P≤0.045%
利用：P多，脆性大， 可制造炮弹、改善 切削加工性能。
2、有益元素 Mn、Si
的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好 (σ b≈400 MPa、δ ≈40～50%、硬度为160～200HBS)， 易锻压成形。钢材热加工都在 区进行。 组织：为不规则多面体晶粒，晶界较直。
结构
面心立方结构
奥氏体
3）渗碳体（Fe3C）
定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化相，高 温下可分解， Fe3C →3Fe+C(石墨) 。
主要用于制作形状复杂，难以用锻压等方法成 形的铸钢件。
4.按冶炼方法分 铸铁锭
生产铸铁件
高炉炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
5.按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧成分分：
1.镇静钢
钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧 ,Wo =
0.01%左右, 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。
2.从冷却曲线上找 出临界点，并画到 成分—温度坐标中； 3.相同意义的点连
接起来。
作业
1、什么是铁碳合金相图？ 2、画出简化后的铁碳合金相图，填上组织。 3、说明相图中点A、C、D、E、G、P、线ECF、PSK、
ES、GS、ACD、AECF的含义。 4、什么是共晶转变？共析转变？并写出表达式。 5、说出铁碳合金相图中的四个单相区、五个两相区和
Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降，Fe3CⅢ量 不断增加，合金的室温下组织为F+ Fe3CⅢ。 室温下Fe3CⅢ的最大量为:
0.0218 0.0008 Q Fe3CIII 6.69 0.0008 100% 0.3%
2．共析钢 C%=0.77%
L--->L+A--->A--->A+P--->P 相组成物：F和Fe3C 组织组成物 ： P
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
二、 钢的分类
工业用钢按化学成分分:
碳素钢
低碳钢 ≤0.25% C 中碳钢 0.25~0.60% C 高碳钢 ≥0.60%C
合金钢
低合金钢 合金元素≤5% 中合金钢 合金元素5~10% 高合金钢 合金元素≥10%
P%=
含0.20%C钢的组织
F%=
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
1 亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
4．过共析钢
T12钢金相
L--->L+A--->A--->A+Fe3CII--->A+P+Fe3CII--->P+Fe3CII
什么？ 5、含碳量对金属的力学性能和可加工性有何
影响？ 6、为什么铸件常采用共晶成分的合金？
第四节 碳素钢
一、钢中的常存杂质 Mn、Si ，S、 P ；
1、有害元素
S、P
S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极
小，在钢的晶界处形成低熔点（989）共晶体 FeS
合金晶界的低熔点硫化物共晶
→压力加工时熔化→导致钢沿 晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑。
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
1．工业纯铁（C%≤0.0218%）
L--->L+A--->A--->A+F--->F+Fe3CIII 相组成物：F+Fe3C C%>0.0008% ; F C%<0.0008%
相相对量：
F%=
Fe 3C%=
组织组成物：F和Fe3CIII
第一节 铁碳合金的组元及基本相
一、纯铁及其同素异构转变 (重结晶)
Fe是元素周期表中第26号元素，相对分子 质量56、熔点1538℃。
磁性转变： 770 °C以上无磁性 770 °C以下有磁性
纯铁的力学性能特点：强度、硬度低，塑性、 韧性好，一般不用于结构件。
观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：
δ - Fe 1394 °C γ - Fe 912 °C α - Fe
Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素体 中，具有固溶强化效果，少部分形成合金 渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了硫的 有害作用。 碳钢中<0.8%，合金钢中 1.0%- 1.2%。
Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强化 作用；可增加钢液流动性。碳钢中<0.4%
3、气体元素 ① N：室温下N在铁素体中溶
• 1、什么是合金？相？组织？ • 2、合金的相结构有哪两大类？ • 3、什么是固溶体？固溶体分哪两种？固溶体的晶
格类型是怎样的？ • 4、什么是金属化合物？它的晶格类型是怎样的？
1、该图称为什么？有何作用？用什么方法测定的？ 2、点、线的含义。
第三章 铁碳合金相图
第一节 纯铁、铁碳合金的组织结构及其性能 第二节 Fe-Fe3C相图 第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响、碳钢
结构
4)珠光体 ( P )
珠光体(pearlite)是由铁素体和渗碳体组成的多
相组织，用符号P 表示。
珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光 体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此， 它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高
的强度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度
所谓同素异晶转变，是指金属在结晶成固态 之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发 生变化的现象，也称同素异构转变，又称重结晶。
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
Fe和C
L相：液态下无限互溶、成分均匀 固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等 金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
铁与碳相互作用形成的主要组织有以下几种： 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体
适中（180HBS）。
5)莱氏体
1、碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金冷却到 1148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组
织称为莱氏体(ledeburite)，用符号Ld 表示。
2、在727℃以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，
称为变态莱氏体，用符号Ld′表示。
3、莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性 很差。
成分与性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为
1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、 aKU≈0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、
形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。
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。
第 二 节 铁碳合金相图
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。
Fe - Fe3C 相图的建立
1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却， 记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）；
作业
• 1、写出纯铁的同素异构转变式，并说明纯铁的力学性能。 • 2、什么是铁素体？符号？晶格类型？力学性能？ • 3、什么是奥氏体？符号？晶格类型？力学性能？ • 4、什么是渗碳体？符号？力学性能？ • 5、什么是珠光体？符号？力学性能？ • 6、什么是莱氏体？符号？力学性能？
提问
什么是铁素体？奥氏体？渗碳体 ？珠光体？莱氏体？符号？晶格 类型？力学性能？
两个三相区的位置和组织。
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填组织及温度、含碳量
三、典型铁碳合金的结晶过程
铁碳合金分类
（1） 工业纯铁
<0.0218% C
亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C
亚共晶白口铸铁<4.3% C
相组成物：F，Fe3C F%=
Fe3C%=
组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量：
Fe3CII%= P%=
含1.4%C钢的组织
作业
1、铁碳合金分为哪几类？含碳量分别是多少？ 2、什么是熟铁？钢？生铁？ 3、钢分哪几类？含碳量和室温组织是什么？ 4、白口铸铁分哪几类？含碳量和室温组织是
什么？ 5、说明亚共析钢的结晶过程。 6、含碳量对金属的力学性能和可加工性有何
解度很低，钢中过饱和N在常 温放置过程中以FeN、Fe4N形 钢中TiN夹杂 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。
② O：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. 钢中氧化物夹杂
③ H：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。
1）铁素体
定义：碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示；
结构：体心立方结构。 成分：铁素体的溶碳能力很低，室温时溶解度Wc≤0.0008 ％≈0，最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。
性能：铁素体的塑性、韧性很好（δ=30～50%、 aKU=160～200J／cm2），但强度、硬度较低(σb=180～ 280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。其力学 性能几乎与纯铁相同。
影响？ 7、为什么铸件常采用共晶成分的合金？ 8、利用铁碳合金相图如何选材？ 9、规定锻造温度是怎样的？
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填组织及温度、含碳量
提问
1、铁碳合金分为哪几类？含碳量分别是多少？ 2、什么是熟铁？钢？生铁？ 3、钢分哪几类？含碳量和室温组织是什么？ 4、白口铸铁分哪几类？含碳量和室温组织是
组织：铁素体的组织为多边形晶粒。
结构
体心立方结构
铁素体
2）奥氏体
定义：碳溶于 -Fe中的间隙固溶体；用A或 表示。
结构：面心立方晶格， 成分：溶碳能力比铁素体大，在727℃时，wc＝0.77％，
最大溶解度在1148℃时，wc≈2.11％。 性能：奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要
碳钢常用的分类方法
1．按钢中碳的含量分类
• 根据钢中含碳量的不同，可分为：
（1）低碳钢 （2）中碳钢 （3）高碳钢
wc≤0.25%； 0.25%＜wc≤0.6%； wc＞0.6%。
2．按钢的质量分类
根据钢中有害杂质硫、磷含量的多少，可分为：
（1）普通碳素钢 钢中硫、磷含量较高
(ws≤0.050%，wp ≤ 0.045%)；
（2）优质碳素钢 钢中硫、磷含量较低
(ws≤0.035%，wp ≤ 0.035%)；
（3）高级优质碳素钢 钢中硫、磷含量很低
(ws≤0.020%,wp≤0.030%)。
3．按钢的用途分类
• 根据钢的用途不同，可分为： （1）碳素结构钢
主要用于制造各种机械零件和工程结构。 （2）碳素工具钢
主要用于制造各种刃具、量具和模具。 （3）碳素铸钢
F%=
Fe3C%=
珠光体
1 共析钢的结晶过程
珠光体
室温组织为：P（F+Fe3C）
3．亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%
45钢金相
L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F
相组成物：F，Fe3C
F%=
Fe3C%=
亚共析钢室温下的组织为F+P。 在0.0218~0.77%C 范围内珠光体 的量随含碳量增加而增加。
回顾
1、是什么曲线？水平线代表什么？ 2、细化晶粒的方法？ 3、与同素异构转变有何区别？
作业
•1、什么是合金？组元？相？组织？ •2、什么是固溶体？有哪几类？与纯金属相比力学
性能有何区别？ •3、什么叫固溶强化？ •4、什么是金属化合物？其结构和性能有哪些特点？ •5、什么是相图？有何作用？ •6、什么是共晶转变？ •7、影响固溶体晶体结构和溶解度的因素有哪些？ •8、为什么铸铁常采用接近共晶成分的合金？
2.沸腾钢
钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo = 0.03%～0.07%,
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。
3.半镇静钢 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。