【冶金精品文档】铁碳合金相图及碳素钢.ppt

第五章第五章  铁碳合金相图及碳素钢铁碳合金相图及碳素钢 钢铁材料是铁碳合金系中具有实用价值的部分，是目前人类社会中应用最为广泛的工程材料反映铁碳合金的化学成分、相、组织与温度关系的相图已经诞生一百多年百余年来随着技术的进步世界各国的金属学工作者对这张相图进行了越来越精确的测定形成了目前通用的图样它是一个比较复杂的相图，是由多种基本类型相图组成 本课将较详细介绍铁碳相图中具有实用价值的部分的Fe-Fe3C相图，并介绍与此相图相对应的、工业用量颇大的碳素钢2021/9/211第一节第一节   铁碳合金中的相与基本组织铁碳合金中的相与基本组织一、 Fe的同素异晶转变及晶格结构 Fe是元素周期表中第26号元素，相对分子质量56、体积质量7.8/cm3、熔点1538℃Fe具有同素异晶转变现象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 同素异晶转变也是通过成核长大的过程来完成原子重新排列的，也是一种结晶过程，也有结晶潜热产生但是，它是在固态下进行的晶格类型的转变，有别于液态金属的凝固结晶，也有别于变形金属再固态下的再结晶。

因此，同素异晶转变也被称为重结晶，是一种固态相变 由于晶格类型不同，其原子排列的致密度也不同因此，在同素异晶转变时，会引起宏观体积的变化和内应力的增加由于同素异晶转变时也有潜热释放，所以，在金属冷却曲线上也会以一个平台形式表现出来只是比结晶平台小些图5-1是铁的冷却曲线2021/9/212 从冷却曲线上可见到第一个1538℃的平台是铁的结晶温度结晶后是体心立方晶格Fe当温度降到1394℃出现第二个平台这是Fe在固态下第一次同素异晶转变转变成为面心立方的Fe当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的第二次同素异晶转变变成体心立方的Fe当继续冷却到769℃时出现第四个平台这个平台对应的温度称为居里点它不是同素异晶转变，因为没有晶格类型的变化只是Fe原子的外层电子排列的变化引起Fe的磁性状态的改变使Fe由顺磁性变成铁磁性，使透磁率增加数万倍晶格类型虽然仍是体心立方，但是晶格常数减小了由0.293nm变成0.233nm这种具有铁磁性的体心立方晶格的铁称为Fe在不是专门研究材料磁性时，同时体心立方结构的Fe和Fe可不加以区分统称为Fe我们在这里主要是讨论铁碳合金的力学性能，可以不必区分Fe和Fe。

认为912℃的同素异晶转变是由Fe转变成Fe铁的同素异晶转变可简单的记作：  Fe←→ Fe←→ Fe 正因为Fe具有这种同素异晶转变才使得钢也存在多种固体相变这正是钢可以进行各种热处理的基础2021/9/213二、铁碳合金中的相 铁碳合金的组元Fe与C相互作用可以形成几种很重要的相碳在Fe-C合金中的存在形式主要有三种：固溶到铁晶格间隙中的固溶碳、与Fe形成间隙化合物的化合碳、游离在Fe-C合金中的游离碳铁与碳相互作用形成的主要相有以下几种： 1.铁素体：铁素体是碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体代号为F或虽然Fe的体心立方晶格总空隙度较大（32％），但是每个具体的空隙直径都不大，仅有0.072nm，远小于碳原子的直径（0.154nm）所以 ， 碳 在 -Fe中 的 溶 解 度 很 小 室 温 时 溶 解 度Wc≤0.0008％≈0最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％碳原子在Fe晶格间隙中的可能位置见图5-2铁素体是一种强度不高但是塑性很好的相，见表5-1铁素体是钢铁材料在室温室时的重要相，常作为基体相存在2021/9/214 2.奥氏体：它是碳原子固溶到Fe中所形成的间隙固溶体。

代号为A或 它存于727℃以上面心立方的Fe虽然总间隙为 26％，小于Fe但是，具体间隙的直径却较大，最大的直径是0.104nm近于碳原子直径所以碳原子在Fe中的溶解度大于在-Fe中的溶解度在727℃时，wc＝0.77％最大溶解度在1148℃时，wc≈2.11％碳原子在Fe晶格间隙中的可能位置，见图5-3奥氏体是一种强度不高塑性很好的高温相是热变形加工所需要的相一般情况奥氏体不存在于室温 2021/9/2153.渗碳体 它是铁与碳形成的间隙化合物分子式是Fe3C其晶体结构见图2-16有固定的Wc＝6.69％，熔点为1227℃可视为是一种组元渗碳体是具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性的相见表5-1渗碳体也是钢铁材料在室温下的重要相常作为钢的第二相弥散强化的强化相 4.石墨 它是Fe-C合金中游离存在的碳，代号G它以简单六方晶格结构存在强度、塑性、硬度都很低在钢中通常是不允许它存在否则会降低钢的力学性能但是在铸铁材料中为了增加铸铁的切削加工性和降低铸铁的脆性并能保证一定的强度和韧性，常采用一些工艺措施使大多数的化合碳转变成游离碳的石墨使铸铁由白口变成灰口，成为有用的工程材料（详见铸铁一章）。

2021/9/216 还有，在1394℃以上有一个δ铁素体相它是碳固溶到δFe中形成的一种间隙固溶体高温相，在1495℃时有最大的溶解度为Wc≈0.09％但是在我们所讨论的范围内一般用不到这个相 此外，铁碳合金在液态时成为液相，代号是L 上述这些相，在Fe-C合金中的显微组织中均被称为相组成物 在室温下，铁碳合金中最重要的相是铁素体和渗碳体它们在钢铁材料中既可一独立存在，也可以以机械混合物形式组成一些基本组织2021/9/217三三 、铁碳合金中的基本组织、铁碳合金中的基本组织 在铁碳合金中，当wc=0.77％，温度在727℃时，会产生共析转变所共析转变是指在某一恒定温度时，一定成分的固相又重新结晶成两个不同的机械混合物这种两相的机械混合物称为共析体铁碳合金中的共析转变是指碳的质量分数为0.77％的奥氏体在727℃时发生重结晶，形成铁素体和渗碳体的两相机械混合物这种机械混合物的共析体命名为珠光体代号为P铁 碳 合 金 中 的 共 析 转 变 可 以 表 示 为A0.77←→（F+Fe3C）≡P珠光体和渗碳体以相间片层形式机械混合在一起，见图5-7其力学性能见表5-1。

2021/9/218当wc=4.3％，温度为1148℃时铁碳合金发生共晶转变L4.3←→（A+Fe3C）≡Ld即碳的质量分数为4.3％铁碳合金液相结晶时发生共晶转变产生了奥氏体和渗碳体机械混合物的共晶体这个共晶体命名为高温莱氏体，代号为Ld高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组织在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变变成珠光体这是的莱氏体就变成由P和Fe3C组成成为低温莱氏体，低温莱氏体是铁碳合金在室温下的另一个基本组织另外，各个相若是独立存在于铁碳合金中，也都可以看作是单相的基本组织这些基本组织均被称为铁碳合金显微组织的组织组成物2021/9/219第二节 铁碳合金相图 铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和性能有重要意义对于制定钢铁材料的铸、锻、焊及热处理等工艺有直接的指导意义一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 铁和碳两个组元不仅能形成各种固溶体相而且可以产生一系列的化合物如，Fe3C、Fe2C、FeC等这样一来，Fe-C二元合金相图就可以看成是由Fe-Fe3C ；Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四个二元相图组成，见图5-4 但是对于wc＞6.69％的铁碳合金，因其力学性能很差，在机械工程中没有使用价值。

因此，Fe-C合金相图实际上只有Fe-Fe3C相图是我们讨论的对象，见图5-5Fe-Fe3C相图对于了解碳素钢和白口铸铁及工业纯铁的显微组织与温度关系是很直观的2021/9/2110二、对Fe-Fe3C相图的分析㈠ 相图中的主要点 相图中各个点的碳的质量分数、温度值及各个点的含义，见表5-2㈡相图中的主要相变线ABCD线为液相线温度高于此线铁碳合金均是液相其中，AB线是L→δ开始线，BC是L→A开始线，CD是L→Fe3C开始线从液相直接结晶出来的Fe3C称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠAHJECF线为固相线温度降到次线之下铁碳合金全部都结晶成固相2021/9/2111HJB线为包晶线当温度达到这条线（1495℃）时wc=0.09％～0.53％的铁碳合金均有包晶转变即H成分的δ固溶体（δH）和B成分的液相（LB）在1495℃时共同结晶成J成分的奥氏体（AJ）表达式为δH+LB→AJECF线是共晶线当温度达到这条线（1148℃）时，此线下2.11％＜wc＜6.69％的铁碳合金均有共晶转变发生PSK线是共析线，代号为A1当温度到达这条线（727℃）时此线下0.02％wc6.69％的铁碳合金均会有共析转变发生.ES线为固溶线,也称溶解度线,代号为Acm.它是奥氏体中碳的溶解度随温度变化曲线.当温度降到此线,奥氏体中多余的碳以渗碳体的形式析出。

从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体记为Fe3CⅡ2021/9/2112PQ线也是固溶线它是铁素体中碳的溶解度随温度变化的曲线当温度降到此线,铁素体中多余的线也以渗碳体形式析出从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.GS线是奥氏体向铁素体转变的开始线，也是铁素向奥氏体转变的终了线代号为A3GP线是奥氏体向铁素体转变的终了线, 也是铁素向奥氏体转变的开始线实际上相图中的这些线都是各个化学成分的合金随温度变化发生各种相转变的温度点(相变点)的分类集合2021/9/2113 还要指出的是：一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳以及珠光体和莱氏体中的渗碳体，它们本身并无本质区别，都具有相同的化学成分、晶格结构和性质只是出处不同，并由此造成其形态、大小以及在合金中的分布等情况有所不同因此，对合金的性能也有不同的影响但是，渗碳体的形态、大小、分布不是一成不变的，可以通过有关的热处理或锻造等方法来改变按需要来控制调整渗碳体对铁碳合金性能的影响2021/9/2114（三）（三）Fe-Fe3C相图中的相区相图中的相区单相区有五个：L、δ、A、F、Fe3C具体位置见图5-5其中，Fe3C相区因Fe3C有固定的化学成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一条垂线DFKL。

双相区有七个：δ+L、δ+A、A+L、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+ Fe3C具体位置见图5-5三相共存区有三个，是三条水平线：L+δ+A(包晶线)、L+A+ Fe3C(共晶线)、A+F+ Fe3C（共析线） 2021/9/2115三、典型铁碳合金的结晶过程三、典型铁碳合金的结晶过程（一）Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类按合金中碳质量分数和显微组织的不同，铁碳合金可分为三大类：1. 工业纯铁 它是wc≤0.02%的铁碳合金2. 碳素钢 它是0.02%＜wc≤2.11%的铁碳合金按起室温下先微组织的不同又分为三种： 共析钢： wc=0.77% 亚共析钢：0.02%＜wc＜0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11%3.白口铸铁 它是2.11%＜wc＜6.69%的铁碳合金按其室温下显微组织的不同又分为三种： 共晶白口铸铁： wc=4.3% 亚共晶白口铸铁：2.11%＜wc＜4.3% 过共晶白口铸铁：4.3%＜wc＜6.69%2021/9/2116（二）典型合金的相变过程（二）典型合金的相变过程在图5-5中标有①②……⑦七条垂直的点划线，分别是工业纯铁、碳素钢、白口铸铁三类铁碳合金中七个典型合金所在的位置。

1.工业纯铁在平衡状态下的相变过程 合金①是工业纯铁中有代表性的合金它是一种固溶体合金图5-6a是该合金的相变过程的图示 从图5-5相图上可见：在1点以上均匀的液相（L）1～2点是该合金结晶温度区别，δ与L两相共存，先形成δ相的晶核，后长大成为δ固溶体晶粒，到2点结晶终了，全部液相都结晶成δ固溶体在2～3点之间是δ固溶体单相区，没有相变，仅是δ相简单的冷却3～4点间δ与A两相共存，即冷到3点以下时在δ相晶界处先形成奥氏体（A）晶核，后长大成奥氏体晶粒，直到4点δ相全部转变成奥氏体相2021/9/2117 在4～5点之间时奥氏体单相区，没有相变，仅是A的简单的冷却5～6点之间A与F两相共存，即冷到5点以下时在奥氏体相的晶界处又形成铁素体（F）晶核，然后长大成F晶粒，直到6点A全部转不变成F6～7点之间时铁素体（F）的单相区，没有相变，仅是F的简单冷却7点以下直到室温是F和Fe3CⅢ的两相共存区即当冷却到7点以下时，F的溶解度小于F中的实际碳的质量分数，多余的碳以三次渗碳体的形式从F中析出，通常分布在F晶界处随着温度的下降铁素体的溶解度也下降，析出的Fe3CⅢ也增加直到室温，最后形成F+ Fe3CⅢ的显微组织。

图5-6b是它的金相照片 从上所述可知工业纯铁缓慢冷却的相变过程可以简单地示意为：L→δ→A→F→F+ Fe3CⅢ室温时工业纯铁显微组织的相组成物与组织组成物都是铁素体和渗碳体2021/9/21182.共析钢在平衡态下的相变过程 图5-5中合金②的wc=0.77%，是共析成分的铁碳合金——共析钢 其相变过程见图5-7a 从图5－5相图上可看到： 在1点以上合金处于均匀的液相状态在1～2点之间是它的结晶温度区间，是液相与奥氏体相的两相共存区即当冷到1点以下从液相（L）中产生奥氏体（A）相晶核并长大，冷却直到2点时，全部液相都结晶成奥氏体2～3点之间是奥氏体单相区，这个温度区间没有相变，只是 A的 简 单 冷 却 当 冷 到 3点 发 生 共 析 转 变 As←→P(FP+Fe3C)奥氏体相变成F和Fe3C的两相机械混合物的珠光体（P）珠光体中的F和Fe3C分别被称为共析铁素体和共析渗碳体其形态一般情况下是片层状分布片层位向基本相同的区域称为一个珠光体团它不是晶粒，珠光体团的边界也不能称作晶界珠光体中F和Fe3C两相各占的百分数可以用杠杆定理算出在727C共折转变刚完成时，F的wc=0.2% 。

所以 QF=(6.69-0.77)/(6.69-0.02) ≈88.8% Q Fe3C =(0.77 –0.02)/(6.69-0.02) ≈11.2%2021/9/2119 随着温度下降直到室温、虽然珠光体的形貌没有什么变化、但是其内部的F由于对碳的溶解度的下降，将析出Fe3CⅢ不过，Fe3CⅢ并不独立于珠光体之外，而是与珠光体内的Fe3C混在一起因此，冷却到室温时，珠光体内的F和Fe3C的相对质量百分数也要发生变化这也可以用杠杆定理计算出来室温时F的wc=0，而Fe3C的碳质量分数不随温度而变所以，室温时珠光体内F和Fe3C的相对质量百分数是： QF=(6.69-0.77)/(6.69-0) ≈88.5% Q Fe3C =1-QF ≈11.5% 可见，珠光体中的渗碳体增加了0.3%这个数值与碳质量分数最高的工业纯铁在室温时的Fe3C含量相同 共析钢的相变过程可简单的示意为： L→A→P(F十Fe3C)。

室温时共析钢显微组织的相组成物是F和Fe3C ，组织组成物是P图5-7b是其金相照片2021/9/21203.亚共析钢在平衡态下的相变过程 图5-5中合金③是wc =0.45%的亚共析钢其相变过程见图5-8a 从图5-5相图L可看到： 在1点以上，合金处于均匀的液相状态在1～3点之间是它的结晶温度区间其中1～2点之间是L、两相共存区即合金液相冷却到1点以下，L相按匀晶转变方式先形成相晶核，然后长大到2点时仍有部分L相存在剩余L相的wc=0.53%已生成的相的wc=0.09%这时相与包围它的液相发生包晶转变：0.09+L0.53——→A0.17包晶转变之后仍剩有部分液相因此，在2～3点之间是A、L两相共存区在这个温度区间内随温度下降、剩下的液相按匀晶转变的方式逐渐结晶成A，直到3点剩余液相也全部转变成A，与先前包晶转变的A混合在一起在3～4点之间是单相A简单冷却，没有相变当冷到4点以下在A的晶界上形成 F晶核并逐渐长大这些F称为先共析铁素体14951495 C C2021/9/2121在4～5点之间是先共析F和A共存的两相区随温度下降先共析F相的相对质量分数逐渐增加，剩余的A相的相对质量分数逐渐减少，并且剩余A中的碳的质量分数沿GS线逐渐增加。

当温度降到5点（727C）时剩余奥氏体的Wc＝0.77%，达到了共折成分于是，这些剩余的奥氏体就发生了恒温（727C）的共析转变，转变成珠光体这时合金③显微组织是先共析FP十P在温度降到5点之下直到室温，由于碳在F中的溶解度逐渐下降则先共析F中多余的碳以Fe3CⅢ形式析出因此，在室温下合金③的显微组织是F+Fe3CⅢ+P但是Fe3CⅢ的含量很少，可以忽略不计因此，合金③所代表的亚共析钢在室温时的显微组织可近似的看作是F十P，见图5-8b若Wc＝0.45%则F与P在室温下的相对质量白分数可用杠杆定理来计算 QF=(0.77 –0.45)/(0.77-0) ≈42% Q P =(0.45 –0)/(0.77-0) ≈58%2021/9/2122 对于亚共析钢在室温时的组织组成物F和P两者的相对质量百分数是随具体合金的wc变化而变化的随wc增加QP也增加在光学显微镜下F是白色的，P是黑色的，因此可观察到F和P各占截面积的比例由于Fe3C、F、P的体积质量都很相近，因此截面比可视为质量比这样，通过光学显微镜观察估计出某一铁碳合金中的P所占比例，就可用杠杆定理估算出该合金的wc。

对于亚共析钢其计算可以简化为wc≈0.77%×QP因为在室温下F中的wc ≈0) 2021/9/2123 4.过共析钢在平衡态下的相变过程 图5-5中合金④是wc=1.2%的过共析钢其相变过程的图示，见图5-9a 当温度在1点以上合金④是均匀的液相状态在1～ 2 点之间是该合金的结晶温度区间，是A和L两相共存区即当温度降到1点以下从L相中按成核长大方式结晶出A相，当温度降到2点则L相全部结晶成单相A2～3点之间A单相区只有A的简单冷却，无相变3～4点之间是A和Fe3CⅡ的两相区即温度降到3点以下，由于碳在奥氏作中的溶解度下降，因而从奥氏体中以二次渗碳体（Fe3CⅡ）的形式析出多余的碳这种渗碳体也称先共析渗碳体随温度下降Fe3CⅡ的相对质量百分数逐渐增加，而A的相对质量百分数逐渐减少，并且二次渗碳体沿着A的晶界呈网状分布与此同时A中碳的质量分数沿ES线也不断的减少当温度降到4点（727C）时A的Wc≈0.77%于是A就发生恒温的共析转变全部A转变成P2021/9/2124 这时合金④的显微组织是P+网状Fe3CⅡ；直到室温这个显微组织保持不变，见图5-9b若合金④的wc＝1.2%则合金④中的Fe3CⅡ在室温时的相对质量分数可以用杠杆定理计算 Q Fe3C Ⅱ =(1.2–0.77 )/(6.69-0.77) ≈7.3% 在过共析钢中Fe3CⅡ的相对质量百分数随钢中wc的增加而增加, 过共析钢中最高碳的质量分数为wc＝2.11%，与此相对应的Fe3CⅡ最大相对质量百分数可用杠杆定理算出 Q Fe3C Ⅱ =(2.11–0.77 )/(6.69-0.77) ≈22.6%2021/9/21255.共晶白口铸铁平衡态下的相变过程 图5-5中合金⑤是碳的质量分数为共晶成分（wc=4.3%）的共晶铁碳合金，其相变过程图示，见图5-10a 从相图上可看到当温度在1点(1148C）之上是均匀的液相(L)状态，当温度降到1点之后发生恒温共晶转变。

即 L4.3←→(A2.11+Fe3C)≡Ld液相全部以共晶转变的方式结晶成高温莱氏体（Ld）组成高温莱氏体的奥氏体和渗碳体分别被称为共晶奥氏体和共晶渗碳体共晶奥氏体通常以树枝状分布在共晶渗碳体的基体上但当温度降到1点以下，随温度的下降，碳在奥氏体中溶解度的下降，Ld中的共晶奥氏体也同样会析出Fe3CⅡ，并与Ld中作为基体的共晶渗碳体混成一体在1～2点之间合金⑤的显微组织是Ld当Ld中的共晶奥氏体析出Fe3CⅡ，时其本身的碳的质量分数也不断下降，当温度降到2点（727℃）时共晶奥氏体的wc＝0.77%，随即发生共析转变，共晶奥氏体转变成珠光体，从2点直到室温，合金⑤的显微组织是在渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体这种显微组织称为低温莱氏体，也称为变态莱氏体，符号是Ld，见图5－10b11481148 C C2021/9/2126 6.亚共晶白口铁平衡态下相变过程 图5-5中合金⑥是一种亚共晶白口铸铁其相变过程，见图5-11a 从Fe－Fe3C相图上可见，当温度高于1点时合金⑥处于均匀的液相（L）状态在1～2之间是合金⑤的结晶温度区间是L和A两相共存区即当温度降到1点以下液相中先以成核长大方式产生A相，称为先共晶奥氏体。

随温度下降，先共晶奥氏体相的比例增加，L相比例减少但是剩余液相的wc沿BC线增加，当温度降到2点（1148C)时剩余液相的wc＝4.3%于是剩余液相发生共晶转变生成高温莱氏体（Ld），当温度低于2点（1148C）后先共晶奥氏体由于对碳溶解度的下降开始析出Fe3CⅡ并使先共晶奥氏体的wc下降在2～3点之间合金⑥的显微组织是A+Fe3CⅡ+Ld，当温度降到3点（727C）时先共晶奥氏体中的碳的质量分数降到0.77%，于是先共晶奥氏体发生共析转变成为珠光体，而高温莱氏体（Ld）也转变成低温莱氏体（Ld`），因此，自3点以下直到室温合金⑥的显微组织是P+ Fe3CⅡ+Ld`见图5-11b并且随着亚共晶白口铸铁的wc增加，P和Fe3CⅡ所占比例减少直到wc=4.3成为共晶白口铸铁时，P和Fe3CⅡ所占比例为02021/9/2127 7.过共晶白口铸铁在平衡态下的相变过程 图5-5中合金⑦是一种过共晶白口铸铁其相变过程见图5-12a 从Fe－Fe3C相图上可见，当温度高于1点时合金⑦处于均匀的液相(L)状态在1～2点之间是合金⑦的结晶温度区间，是L和Fe3CⅠ两相共存区即当温度降到1点以下时，液相中以成核长大方式产生一次渗碳体相（Fe3CⅠ），称为先共晶渗碳体。

随着温度的下降，Fe3CⅠ不断增加，而剩余的液相不断减少，而且其wc也沿着DC线不断降低当温度降到2点（1148C）时剩余液相的wc也降到4.3%于是剩余的液相发生共晶转变形成高温荣氏作（Ld）2～3点之间的显微组织是先共晶渗碳体和高温莱氏体（Fe3CⅠ+Ld）当温度降到3点时Ld中的奥氏体变成珠光体于是高温莱氏体变成低温莱氏体（Ld`）从3点直到室温合金⑦的显微组织是 Fe3CⅠ+ Ld`，见图5-12b并且随着过共晶白口铸铁中wc的增加，Fe3CⅠ所占的比例也增加当wc时，QLd`=0,Q Fe3CⅠ=100%2021/9/2128四、按组织组成物分区的四、按组织组成物分区的Fe-Fe3C相图相图 根据以上七个典型合金的相变过程的分析可以把Fe-Fe3C乡土中的各个相去进一步细分成按组织组成物分区的相区，见图5-132021/9/2129 五、碳的质量分数对铁碳合金组织与性能的影响五、碳的质量分数对铁碳合金组织与性能的影响从图5-5和图5-13中可以看出，在室温时随着铁碳合金中wc的增加，合金中的相组成物质虽然都是F和Fe3C这两个相但是，其相对的质量百分数却是逐渐变化的。

铁碳合金在室温时显微组织的组织组成物也随着wc从0增加到6.69%而发生一系列变化，F→F+Fe3CⅢ→P+F+Fe3CⅢ →P→P+Fe3CⅡ→Ld`+P+Fe3CⅡ→Ld`→Ld`+ Fe3CⅠ→Fe3CⅠ,见图5-14 在室温下，由于铁碳合金的显微组织随wc的变化而变化，所以，它的力学性能也要随wc变化而变化，见图5-152021/9/2130六、六、Fe- Fe3C相图在工业生产中的应用相图在工业生产中的应用 Fe-Fe3C相图给出了碳的质量分数与钢的组织与性能之间的关系这便于根据零件所需的使用性能来合理选用适当碳含量的钢显然相图可与指导我们对钢材的合理选用 Fe-Fe3C相图还给出了各种铁碳合金的温度与组织之间的关系这对指导铸、锻、热处理工艺有直接意义 1.在铸造方面的应用 根据相图上的液相线可以确定铸件的合理浇注温度一般选在液相线之上50℃～100℃ 2.在锻造方面的应用 从F-Fe3C相图上可知，当把钢加热到A3和Acm线之上都会变成单相奥氏体奥氏体状态的刚塑性好、强度较低，很适用于大变形量的热变形加工从工艺角度考虑既要易于变形加工又要避免晶粒粗大、过热和严重氧化。

所以，锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200℃ 3.在热处理方面的应用F-Fe3C相图中的A1、A2、A3、Acm三条相变现实确定碳素钢热处理工加热温度的依据2021/9/2131第三节 碳素钢 在Fe-Fe3C相图中碳的质量分数在0.02％～2.11％范围内的铁碳合金属于非合金钢，称为碳素钢其价格低廉、工艺性好，具有一定使用性能，能满足许多场合的需要因而在机械制造及其它一些工程中得到广泛使用一、 钢中的常存杂质对钢性能的影响 钢在冶炼过程中不可避免地存有杂质杂质是指一些不作为合金元素的各种元素的统称对钢性能影响较大的杂质有Si、Mn、S、P和氧、氮、氢等其中前四种称为常存杂质，是生产中需要经常检查的杂质2021/9/21321. Mn的影响 对于碳素钢锰属于杂质，锰是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素Mn有较强的脱氧能力，清除FeO可改善钢的品质，降低钢的脆性锰还可以与钢中有害杂质碳形成MnS，降低S对钢的危害，提高热变形加工的工艺性锰大部分溶于F，形成含锰的铁素体，使钢强化也能部分溶于渗碳体但是锰的质量分数过高会相图中共析点向左下方移动使钢的过热敏感性增加易使晶粒粗大。

总的说来锰对钢是有益的在一般碳素钢中把锰控制在0.25％～0.8％范围内对于某些碳素钢为提高其性能将杂质锰的含量控制在0.7％～1.2％，称为锰的质量分数较高的碳素钢2. 硅的影响 硅主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂硅比锰的脱氧能力强，可使钢液中FeO变成炉渣脱离钢液，提高钢的品质硅能溶与铁素体，提高钢的强度、硬度、但会降低钢的塑性和韧性 硅能够使Fe3C稳定性下降，促进Fe3C分解生成石墨若钢中出现石墨会钢的韧性严重下降，产生所谓的"黑脆"所以，杂质硅在碳素钢中一般控制在0.17％～0.37％范围内特殊需要可至0.03％ 2021/9/21333. 硫的影响 杂质硫主要来源于矿石和燃料S几乎不溶于铁，而于铁形成FeS化合物作为夹杂物存留钢中FeS熔点为1190℃而FeS有能于Fe形成共晶体，其熔点仅是985℃，见图5-16由于（F+FeS）共晶体的熔点低于钢的热变形加工温度（1000℃~1200℃），易使钢在热变形加工中开裂使钢的"热脆"性增加除特殊需要（如提高切削工艺性）外，钢中的S含量不大于0.05％ 前文已说过锰的存在可使硫形成MnS它的熔点可高达1620℃。

从而可消除由S引起钢的热脆性MnS在铸态钢中是呈粒状分布于铁素体晶粒内或晶界上由于MnS有一定的塑性，在轧时被轧成条状，但是若含量较大，它会引起轧钢中F和P呈带状分布，见图5-17这种带状组织会使热轧也出现个向异性用有带状组织的钢材加工成的零件虽然切削工艺很好，但是，若进行淬火处理易引起工件开裂 因此钢中的硫含量愈少，钢的品质愈好硫的含量常被用作衡量钢材质量等级的指标之一2021/9/21344. 磷的影响 磷主要是矿石带到钢中的磷可以固溶到铁素体中提高钢在室温时的强度但是，磷也易与铁形成极脆的化合物Fe3P使钢的塑性和韧性显著下降并且随着钢所处的温度愈低脆性愈严重磷会引起钢的"冷脆"另外，磷也降低钢的可焊性磷的有益的一面是能增加钢的耐大气腐蚀的能力，也能提高钢的切削工艺性但是，若无特殊需要钢中的磷含量最多不超过0.045％ 磷也是衡量钢材品质的指标之一5. 氧的影响 钢液中免不了和大气接触，另外，在炼钢工艺中有氧化过程以降低钢中的碳含量因此，钢总会有一定的氧为此在熔炼的后期应加脱氧剂造渣除氧主要脱氧剂有锰铁、硅铁、铝等除氧后，钢中仍会有一些氧的化合物以夹杂形式存在于钢中，也有极少量氧固溶到F中。

主要氧化物有Fe3O4、FeO、MnO、Mn3O4、SiO2、Al2O3等 钢中氧化物及其它化合物夹杂的存在会降低钢中的力学性能，尤其是会严重降低钢的疲劳强度因此，钢的品质检测中规定了夹杂物的控制级别，一般小于3级杂质氧对钢无益，愈少愈好2021/9/21356. 氮的影响 氮杂质主要来源于钢液与大气的接触氮在铁素体中的最大溶解度为0.1％（590℃）室温下溶解度极小，近于零若钢由高温快冷到室温时，氮使铁素体处于过饱和状态如果在200℃~250℃加热，氮会以氮化物形式析出，可增加钢的强度、硬度、，但是也降低钢的塑性和韧性，使钢变脆因200℃~250℃加热会使钢表面氧化成蓝色所以，称为"蓝脆"7. 氢的影响 氢杂质也主要来自大气钢中含有少量的氢就会使钢的脆性显著增加，对此现象称为氢脆另外，当钢进行热轧或锻造时，若工艺不当，氢杂质可能引起“白点”缺陷白点会使钢的力学性能严重降低，甚至引起钢材开裂报废对于大直含铬、钼的合金钢更易产生白点 为了保证钢在使用中不出问题，钢材生产厂都严格按国家标准控制杂质含量和夹杂物的等级用户也需对进厂钢材进行必要的化学成分及杂质的化学分析；对组织和缺陷及夹杂物作金相检查；对力学性能作材料力学试验。

2021/9/2136二、碳素钢的分类、钢号和主要用途二、碳素钢的分类、钢号和主要用途 为了满足使用的需要，碳素钢有许多品种，为了生产、使用和管理必须对碳素钢进行分类并确定钢的牌号㈠　碳素钢的分类 分类的方法很多，常见的方法有以下几种：⒈按钢中碳含量的多少分，可分为： ⑴ 低碳钢wc≤0.25％ ⑵ 中碳钢0.25％＜wc≤0.6％ ⑶ 高碳钢wc＞0.6％⒉按钢的质量分，可分为： ⑴ 普通钢ws≤0.05％，wp≤0.045％ ⑵ 优质钢ws≤0.035％，wp≤0.035％ ⑶ 高级优质钢ws≤0.02％，wp≤0.03％2021/9/2137⒊按钢的用途分，主要有： ⑴碳素结构钢（GB700-88） 见表5-3 ⑵ 优质碳素结构钢（GB699-88）见表5-4 ⑶ 碳素工具钢（GB1298-86）见表5-5 ⑷ 一般工程用铸造碳素钢件（GB11352-89）见表5-6⒋按炼钢时的脱氧程度分，可分为： ⑴ 沸腾钢 是脱氧不彻底的钢，代号F ⑵ 镇静钢 是脱氧彻底的钢，代号Z ⑶ 半镇静钢 是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。

⑷ 特殊镇静钢 进行脱氧的钢，代号为TZ2021/9/2138㈡碳素钢的钢号和命名方法和主要用途⒈碳素结构钢 这类钢主要用于各类工程，应用量很大对这类钢通常是热轧后空冷供货用户一般不需要再进行热处理而是直接使用所以，这类钢的钢号主要是以其力学性能中的屈服点来命名具体命名方法如下：标志符号Q+最小σs值—等级符号+脱氧程度符号 这类钢的标志符号Q来源于屈服点的汉语拼音字头Q等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号也是按S、P杂质多少来分以A、B、C、D四个符号代表四个等级其中： A级 ws≤0.05％， wp≤0.045％ B级 ws≤0.045％， wp≤0.045％ C级 ws≤0.04％， wp≤0.04％ D级 ws≤0.035％， wp≤0.035％2021/9/2139这类钢中质量等级最高级（D级），达到了碳素结构钢的优质级其余A、B、C三个等级均属于普通级范围从这类钢的钢号中，人们可以直接知道钢的最低屈服点，质量等级和脱氧程度，用起来很方便例如，Q235-AF，此钢σs≥235Mpa，质量等级为A级（S、P杂质含量较多），脱氧不充分的沸腾钢。

这类钢中共分五个强度等级，见表5-3这类钢适用于一般工程结构所需的热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接等构件使用其中:Q195、Q215-A、Q215-B碳的含量较低、塑性好、强度低一般用于螺钉、螺母、垫片、钢窗等强度要求不高的工件 Q235-A、Q255-A可用于农机具中不太重要的工件如拉杆、小轴、链等也可常用建筑钢筋、钢板、型钢等 Q235-B、Q255-B可作为建筑工程中质量要求较高的焊接构件在机械中可用作一般的转动轴、吊钩、自行车架等 Q235-C、Q235-D质量较好，可作一些较重要的焊接构件及机件 Q255、Q275强度较高，可作摩擦离合器、刹车钢带等2021/9/21402. 优质碳素结构钢 这类钢中磷、硫等有害杂质含量较低，夹杂物也少，化学成分控制较严格，质量较好常用于较为重要的机件可以通过各种热处理调整零件的力学性能出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态随用户需要而定这类钢的钢号很简单，如，45表示该钢的wc=0.45％，即碳的质量分数为万分之四十五这类钢中有三个钢号是沸腾钢，其钢号尾部标有F。

如08F这类钢中有些是锰的质量分数超出一般规定的锰杂质含量其钢号尾部标有元素符号Mn如65Mn这类钢仍属于优质碳素结构钢 ，不要误认为是合金钢 优质碳素结构钢总共有31个钢号含有低碳钢、中碳钢和高碳钢，见表5-4随着钢中的碳的质量分数的不同，具有不同的力学性能，可用来制作各种机械零件例如： 08F钢碳的质量分数低塑性好，强度低可用于各种冷变形加工成型件 2021/9/214110～25等低碳钢焊接性和冷冲压工艺性好，可用来制造各种标准件、轴套、容器等也可通过适当热处理（渗碳、淬火、回火）制成表面高硬度、心部有较高韧度和强度的耐磨损耐冲击的零件如齿轮、凸轮、销轴摩擦片、水泥钉等45等中碳钢通过适当热处理（调质、表面淬火等）可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的σe和屈强比，以及足够的韧性和耐磨性可用于制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等2021/9/21423.碳素工具钢 这类钢是碳的质量分数在0.65％～1.35％的碳素钢主要用于制作各种小型工具可进行淬火、低温回火处理获得高硬度、高耐磨性。

分为优质级(ws≤0.03％，wP≤0.035％)和高级优质级（ws≤0.02％，wP≤0.03％）两大类这类钢号命名的方法是：标志符号T加上碳的质量分数的千分值如T10T是碳字的汉语拼音字头10表示wc=1.0％，即碳的质量分数千分之十对于高级优质的碳素工具钢须在钢号尾部加“A”，如T10A优质级的不加质量等级符号这类钢锰的质量分数都严格控制在0.4％以下个别钢为了提高其淬透性，锰的质量分数的上限扩大到0.6％，这时，该钢号尾部要表出元素符号Mn如T8Mn以有别于T8这类钢的主要钢号、化学成分、性能、用途见表5-52021/9/21434.一般工程用铸造碳素钢 在工业生产中会遇到一些形状复杂的零件，不便锻压制成毛坯用锻压制成毛坯而铸铁又保证了塑性的要求，这时可采用铸钢件这类钢按GB11352-89规定了五个钢号，见表5-6其命名方法是：标志符ZG+最低σs值-最低σb值例如，ZG340-640其中ZG是铸钢这两个字的汉语拼音的字头前面数字340是指该钢的屈服强度（σ0.2）不小于340Mpa后面的数字640是指该钢的抗拉强度（σb）不低于640Mpa铸钢的铸造工艺差，易出现浇不到、缩孔严重、晶粒粗大等缺陷。

为了提高钢液的流动性，浇注温度很高，但易使铸钢件中出现过热的魏氏组织所谓魏氏组织是指在原来粗大的奥氏体晶粒内随温度下降而相变产生的粗大铁素体针使钢的塑性、韧性变坏魏氏组织可以通过完全退火得到消除2021/9/2144返回返回2021/9/2145返回返回2021/9/2146返回返回2021/9/2147返回返回2021/9/2148返回返回返回返回相区相区2021/9/2149返回返回2021/9/2150返回返回2021/9/2151工业纯铁返回返回2021/9/2152返回返回2021/9/2153共析钢返回返回2021/9/2154返回返回2021/9/2155亚共析钢返回返回2021/9/2156返回返回2021/9/2157过共析钢返回返回2021/9/2158返回返回2021/9/2159共晶白口铁返回返回2021/9/2160返回返回2021/9/2161亚共晶白口铁返回返回2021/9/2162返回返回2021/9/2163过共晶白口铁返回返回2021/9/2164返回返回2021/9/2165返回返回2021/9/2166返回返回2021/9/2167返回返回2021/9/2168返回返回返回返回FeFe3 3C C2021/9/21692021/9/2170。