c1-第三节+铁碳合金和合金钢概述+.ppt

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第三节 铁碳合金和合金钢概述,,所研究的Fe-Fe3C相图的位置,一、铁碳合金相图分析,1、铁碳合金的组元,⑴ Fe 铁是过渡族元素， 熔点为1538℃，密度是 7.87g/cm3⑵ 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）基本相及其性能,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固态铁的特性——同素异构转变,2、铁碳合金中的相,⑴液相L 铁与碳的液溶体 ⑵δ相 是碳在δ—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% ⑶α相 是碳在α—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 ⑷γ相 是碳在γ—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 ⑸Fe3C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γ,γ+L,γ+Fe3C,α+Fe3C,L,,,（二） 铁碳相图分析,1、铁碳相图中三种基本的转变,在1495 ℃发生包晶转变,γJ,在727℃发生共析转变,在1148℃发生共晶转变,,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：γ → α+β,转变产物：共析组织,共晶转变：L → α+β,转变产物：共晶组织,注意：共析转变与共晶转变的区别,2、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+ , + Fe3C, + Fe3C, + ,（三）典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织,铁碳合金中的组织,相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号γ表示 组织：称为奥氏体，用符号A表示含碳量：0~2.11% 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（18－8型不锈钢）,,奥氏体（A） —— C溶于-Fe形成的固溶体,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：0~0.0218%(727 ℃) 0~0.0008%(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，得到冷轧板铁素体（F）——C溶于-Fe形成的固溶体,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,珠光体（P）——和Fe3C形成的机械混合物,共析钢室温组织珠光体（P）,相：+ Fe3C两种相 组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号L’d表示含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁) 温度范围：727℃,Ld,L’d,室温组织: L’d(P + Fe3CⅡ +Fe3C）,莱氏体（L’d）—P和Fe3C形成的机械混合物,L'd [(P+Fe3CⅡ)+Fe3C],,共晶白口铸铁的室温组织,,,,渗碳体,典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织,1、共析钢,,,,L→γ,γ→α+Fe3C,室温组织:P 室温相：α+Fe3C,L,γ,2、亚共析钢,,,,,,γ→α+Fe3C,L,L→δ,L→γ,,γ,γ→α,室温组织:P+F 室温相：α+Fe3C,3、过共析钢,,,,,L,L→γ,γ→ Fe3CⅡ,γ→α+Fe3C,室温组织:P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C,γ,4、共晶白口铁,,,L,γ→α+Fe3C,L→γ+Fe3C,γ→ Fe3CⅡ,室温组织:L'd 即 P+Fe3CⅡ+Fe3C 室温相：α+Fe3C,5、亚共晶白口铁,L,L→γ,L→γ+Fe3C,γ→ Fe3CⅡ,γ→α+Fe3C,室温组织:L'd+P+Fe3CⅡ 即(P+Fe3CⅡ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C,,,,6、过共晶白口铁,,,,L,γ→ Fe3CⅠ,L→γ+Fe3C,γ→α+Fe3C,室温组织:L'd+Fe3CⅠ 即(P+Fe3CⅡ+Fe3C)+Fe3CⅠ 室温相：α+Fe3C,L+ A,L,P+Fe3CⅡ+L'd, + A,L+ Fe3CⅠ,,A,F, + L,F+A,F+Fe3CⅢ,A+Fe3CⅡ,Fe3CⅠ+Ld,A+Fe3CⅡ+Ld,Fe3CⅠ+L'd,P+Fe3CⅡ,F+P,Fe3C,二、Fe-Fe3C合金室温平衡组织及性能,（一）工业纯铁 （C%＜0.0218％ ）,组织：F或F+ Fe3C Ⅲ ，Fe3C Ⅲ 通常沿晶界析出。

工业纯铁室温组织,性能：σb 、HBS↓δ 、Ak↑,（二）碳钢,C%为0.0218％～2.11％，碳钢根据碳含量又可分为 三类：亚共析钢0.0218％～0.77％；共析钢0.77％； 过共析钢0.77％～2.11％亚共析钢,过共析钢,1、 亚共析钢 （C%为0.0218％～0.77％）,组织特征：P+F 随含C量增加， P量逐渐增加， F量逐 渐减少；形态从块状→断续网状 性能特点：塑性、韧性好15钢,45钢,65钢,钢中含碳量%＝Vp×0.77%＋VF×0.0008%,在显微分析中常以P与F的面积数量比来 估计亚共析钢的含碳量即：C％＝50％P×0.8％C＝0.40％ 此钢含碳量约为0.40％，即40钢磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现： 组织中含有50％P和50％F，,例如，一种未知钢号的碳钢(退火态)，利用 金相法估算此钢的碳含量2、共析钢（含碳量0.77%的铁碳合金）,共析钢室温组织,组织：P,性能：良好的综合力学性能（具有强度较高和一定的塑、韧性）,组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈贝壳状,3、过共析钢（含碳量0.77%～2.11％的铁碳合金）,T12钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀）,组织：P+ Fe3CⅡ,性能特点：硬度高，塑、韧性低,组织特征：Fe3CⅡ呈网状分布于层片状P周围,（三）白口铸铁,碳含量为2.11％～6.69％，白口铸铁(简称白口 铁)又可分为三类：亚共晶白口铁C%为2.11％～ 4.3％，共晶白口铁C%为4.3％，过共晶白口铁 C%为4.3％～6.69％。

过共晶白口铁,亚共晶白口铁,1、亚共晶白口铸铁 （含碳量2.11%～4.3％）,组织：P+ Fe3CⅡ +L'd （L'd →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）,性能：硬而脆2、共晶白口铸铁（含碳量4.3％）,共晶白口铸铁的室温组织,室温组织：低温莱氏体（L'd →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 高温组织：高温莱氏体（Ld → A+Fe3C ）,性能：硬而脆,3、过共晶白口铸铁（含碳量4.3%～6.69％）,过共晶白口铸铁室温组织,组织：L'd+ Fe3CІ （L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C）,性能：硬而脆15钢,45钢,65钢,T12,Wc↑，则Fe3C↑，且其形态由点状→层片状→网状 →基体 →粗大板片状，而 F↓且其形态由大块 状→断续网状→层片状三、钢的分类及编号,（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）,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,（b） 乙类钢：按化学成分供应,表示方法： 乙1（B1）、乙2（B2）、…、乙7（B7）,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、C5,注意：价格太高，一般不用，经常选优质碳素钢Q 235 — A • F,新编号,质量等级：A级、B级、C级、D级,F—沸腾钢、Z—镇静钢、b—半镇静钢,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：S＋F,,,,多边型角钢,钢筋、螺纹钢,螺钉、铆钉,（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,钢牌号：,40钢,汽车曲轴,弹簧,齿轮,（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,螺 纹 量 规,锉刀,钻头,2、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）,例 1 ：12 Cr Ni 3 A——12铬镍3高级优质钢,例 ：G Cr 15——滚铬15钢,例 2：Y 40 Mn——易切削40锰钢,特例： GCr钢中Cr后的数字表示的是千倍,另外， 还有GCr9 、GCr6、GCr15SiMn等,（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 Cr——9硅铬（低合金工具）钢,特例：高速钢平均碳含量 1% 也不标另外， 还有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等,（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,例2： 3Cr18 Ni25 Si2——耐热不起皮钢,四、合金元素在钢中的作用,（一）合金元素的分类,1、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。