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第五章 铁碳合金第一节 铁碳合金基本组元、组织及 其性能第二节 铁碳相图分析第三节 碳钢及合金钢概述2021/6/71第一节 铁碳合金基本组元、组织及其性能一、铁碳合金基本组元二、铁碳相图分析（认识相图结构，点线区， 三种反应）三、基本组织及其性能（组织名称、特点、 性能）2021/6/72 钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称铁和碳是钢铁材料两个最基本的组元碳的质量分数0.0218%Wc2.11%称为钢，2.11%Wc 6.69%称为铁或铸铁不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会中最为重要的金属材料为了熟悉并合理利用钢铁材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的本质及其成分、组织结构与性能之间的关系2021/6/73Fe2CFeCFe3C6.69%C所研究的Fe-Fe3C相图的位置FeCC%T Fe 铁是过渡族元素，熔点为1538，密度是7.87g/cm3 Fe3C 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、铁碳合金基本组元2021/6/74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FeFeFe1394912bccfccbcc固态铁的特性同素异构转变 2021/6/75二、铁碳相图分析（相图结构，点线区，三种反应）以相组成物表示的Fe-Fe3C相图1、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 + 2021/6/76Wc（%）Fe铁碳合金中的相 液相L 铁与碳的液溶体相 是碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394以上存在，1495时溶碳量为0.09%相 是碳在Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格其中碳的固溶度室温时约为0.0008%，600时为0.0057%，在727时为0.0218%其性能特点是强度低、硬度低、塑性好相 是碳在Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。

其中碳的固溶度在1148时为2.11%其性能特点是强度较低，硬度不高，易于塑性变形Fe3C相 是一个金属化合物（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+L+ +Fe3C+Fe3CL+Fe3C + Fe3C6.69L2021/6/77包晶转变匀晶转变共晶转变共析转变2、铁碳相图中三种基本转变2021/6/78铁碳相图中三种基本的转变FeFe3CGNA 在1495 发生包晶转变J 在727发生共析转变SKP727 LBJH1495 ECF1148D12271495LB+H 在1148发生共晶转变1148LCE+Fe3C 727SP+Fe3C2021/6/79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共析转变： +转变产物：共析组织L共晶转变：L +转变产物：共晶组织注意：共析转变与共晶转变的区别2021/6/710三、基本组织及其性能（组织名称、特点、性能）相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。

组织：称为奥氏体，用符号A表示含碳量：02.11%温度范围：727 1495 力学性能：强度、硬度低； 塑性好钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制奥氏体不锈钢（188型不锈钢）PGQSECJNBDFK2.1172714951、奥氏体（A） C溶于-Fe形成的固溶体2021/6/711相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示组织：称为铁素体，用符号F表示含碳量：00.0218%(727 ) 00.0008%(室温)温度范围：912力学性能：强度、硬度低；塑性好工业纯铁0.02%C，冷轧提高强度，得到冷轧板PGQSECJNBDFK912 0.02180.00082、铁素体（F）C溶于-Fe形成的固溶体2021/6/712相：+ Fe3C两种相组成组织：珠光体，用符号P表示含碳量：0.77% (称为共析钢)温度范围：727力学性能：强度、硬度较高； 塑性较好 钢丝绳 SP（P+Fe3C）7270.77GPQSECJNBDFK+Fe3C3、珠光体（P）和Fe3C形成的机械混合物2021/6/713共析钢室温组织珠光体（P）P2021/6/714相：+ Fe3C两种相组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号Ld表示。

含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁)温度范围：1.0%时：b而HB为什么？ 2021/6/7381.硬度 主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大2.强度 对组织形态很敏感随碳含量的增加，亚共析钢中 P 增多而 F 减少P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大到约wc=0.9时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低 3.随碳含量的增大，F量不断减少，合金的塑性、韧性连续下降2021/6/739对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 或硬度80F%+800Fe3C% (HB) 强度230F%+770P% (MPa)延伸率()50F%+20P% (%)工业上广泛使用的钢含碳量1.31.4硬度80F%+180P% (HB)2021/6/740四、铁碳相图的应用1、在铸造上的应用2、在锻造上的应用3、在热处理上的应用2021/6/741第三节 碳钢及合金钢概述一、钢中常存在的杂质元素及其影响二、钢的分类、编号及应用2021/6/742一、钢中常存在的杂质元素及其影响1、Mn 脱氧；减轻S的影响；固溶强化。

2、Si 固溶强化3、S 热脆4、P 冷脆2021/6/743（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（Wc 0.25 0.60%）高碳钢（Wc 0.60%）二、钢的分类、编号及应用2021/6/744（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2021/6/745（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。

2021/6/746沸腾钢质量等级、（A级）235为屈服强度（MPa）钢的屈服点Q 235 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2021/6/747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：SF建筑构件钢桥梁2021/6/748多边型角钢钢筋、螺纹钢螺钉、铆钉2021/6/749（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2021/6/750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2021/6/751汽车曲轴弹簧齿轮2021/6/752（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 2021/6/753螺纹量规锉刀钻头2021/6/7542、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 ：12 Cr Ni 3 A12铬镍3高级优质钢高级优质钢Ni平均含量为3Cr平均含量小于1.5钢的平均碳含量为0.12表示钢的用途2021/6/755例 ：G Cr 15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：Y 40 Mn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另外， 还有GCr9 、GCr6、GCr15SiMn等2021/6/756（2） 合金工具钢原则： 钢中平均含碳量Wc 1.0%时不标， Wc 1% 时以千分之几表示 合金元素含量为百分之几例1： 9 Si Cr9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 0.92021/6/757 W18 Cr4 V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Wv 1.5，Cr含量 WCr 4，W含量Ww18特例：高速钢平均碳含量 1% 也不标。

另外， 还有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等2021/6/758（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%, WNi9,WTi 1.5钢中碳平均含量WC 0.12例2： 3Cr18 Ni25 Si2耐热不起皮钢钢中平均WCr=18%, WNi25,WSi=2钢中碳平均含量WC = 0.3 0.42021/6/759（三）合金元素在钢中的作用1、合金元素的分类a）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）2021/6/760b）弱碳化物形成元素是指与碳亲和力较弱的合金元素在钢中存在形式： 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。

c）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2021/6/7612、合金元素的作用固溶强化 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，即使 F 的HB 、 b Me与Fe的晶格。