第二章铁碳合金

2成形工艺基础－材 1

第第二二

章章铁铁碳碳合合金金


§1 纯铁的晶体结构及其同素异晶转变

1. 结晶由液态转变为固体晶体的过程。

或：原子由不规则 ( 无序 ) 排列到有 ( 序 ) 规则排列过程 .

或：晶体结构形成的过程。如水—冰 2

2. 冷却曲线用热分析法测定时描述金属结

晶过程的曲线。


曲线上有一段水平线，是实际结晶温度 T1 ,又称结晶平台，是结晶时放出的热 ( 潜热 ) 造成的 .

虚线：理论结晶温度 T0 。 3. 过冷度 ΔT ＝ T0 － T1

实际结晶温度低于理论结晶温度，此称“过冷”。

过冷是结晶的必要条件与冷却速度密切相关冷却速度越快，结晶温度越低，过冷度越大 , 反之冷却速度慢，过冷度则小。


下图是金属结晶过程示意图

主要结论： 1. 结晶过程实质＝形核＋成长（大），两者相继又并存。 2. 结晶终了：得多晶粒组织 ( 晶界多 ),犬牙交错，晶粒愈细愈好；控制细晶措施有：


1. 增大过冷度； 2. 变质处理； 3. 机械振动； 4. 热处理或压力加工。二、纯铁的晶体结构 1. 晶体与非晶体定义：原子按一定几何形状作有规律的重复

排列的固体物质—称晶体；非晶体则反之。特点：晶体 ①有熔点；②具有各向异性。


如：食盐，冰，金刚石，金属等。非晶体 : ① 无熔点；②各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。 2. 晶格为便于研究晶体中原子排列规律，人为将原

子抽象化，将晶体中每一个原子看作一个点，用假想连线联接起来。形成晶格。

晶格中一个基本几何单元叫做：晶胞。


晶胞棱边长度为：晶格常数 . (1) 体心立方晶格 body—centered cubic lattice [bcc] 特点： Rm( 强度 ) 较好。如：＜ 912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 (2)面心立方晶格 face—centered cubic lattice[fcc] 特点： A、 Z (塑性 ) 较好。＞ 912℃ Fe ,Cu, Al 等金属 .


(3) 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice (hcp).

特点：硬度高、脆性大。如：锌 (Zn) , 镁 (Mg), 镉 (Cd) 等金属。三、纯铁的同素异构转变在固态下随温度发生变化，其晶格类型发生转

变的现象—同素异构 ( 晶 ) 转变。

广义上说同素异构转变也是结晶过程，遵循生核与长大两规律；


也需要一定的过冷度；有结晶热效应。又称：重结晶，二次结晶。

由于晶格结构的转变，金属随之有体积的涨缩；金属内部产生应变。

降温时 γ－ α, 体积膨胀； α－ γ, 体积收缩。

转变式： α-Fe →γ-Fe →δ-Feα-Fe →γ-Fe →δ-Fe


§2§2 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织

1. 合金 alloy 由两种或两种以上金属元素或者金属元素与

非金属元素组成的具有金属特性的物质。如：青铜、铸铁、铝合金等。 2. 组元 constituent 组成合金的最基本的独立的物质称组元，简

称“元”。如：黄铜 Cu-Zn ；硬铝 Al-Cu 等为二元合

金。


3. 相 phase

指同一化学成分，同一结构并以界面互相分开的均匀组成部分。如固相、液相等。

4. 组织 structure

借助于放大镜、显微镜下观察到具有某种形态、形貌特征的组成部分。

常见的合金的相结构有：

固溶体、金属化合物和机械混合物三类型。


一、固溶体一、固溶体 solid solutionsolid solution

定义：溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的一种均匀固体。

如；糖水水—溶剂，糖—溶质。保持溶剂晶格；固溶体属于单相组织。

分类：按溶质原子在溶剂中分布情况不同，分置换固溶体和间隙固溶体两类


(1)置换固溶体—溶质原子替换晶格上的原子

(2)间隙固溶体—溶质原子溶入晶格原子间隙

特征：晶格类型不变，化学成分有限，性能发生变化。

结果：造成晶格畸变，强度、硬度上升。

这种现象称固溶强化。工程中广泛应用，

如锰钢（ 16Mn现称 Q345) 便为固溶结果。

（弱强化相）


碳可以溶入α-Fe 、 γ-Fe 等形成不同的固溶体。

1. 铁素体 F 铁素体是铁中溶入一种或多种溶质元素构成

的固溶体。 727℃ 时 Wc=0.0218%；室温时 Wc=0.008％ .

特点：塑性、韧性好，强度、硬度低。（近似纯铁）

其显微组织特征：


正常浸蚀后在显微镜下呈白亮色，在钢中的形态多为不规则的多边形块，在接近共析成分的钢中，往往呈网状或断续网状。

2.奥氏体 (A) 【 austenite 英国金相学家】

奥氏体是铁中溶入碳和（或）其他元素构成的固溶体。

其强度和硬度比铁素体高 ,塑性、韧性也好。因此，钢材多数加热到奥氏体状态进行锻造。


在 1148℃ 时 Wc ＝ 2.11％；在727℃ 时 Wc ＝ 0.77％

高温显微镜下 (727℃以上 )才能观察到奥氏体组织。其晶粒呈多边形，且晶界较铁素体平直。

二、金属化合物二、金属化合物 compoundcompound

合金元素之间发生相互作用而生成的一种具有金属性质的新相。如 Fe 与 C→Fe3C(渗碳体 ) 是晶体结构属于正交系，化学式为 Fe3C 的金属化合物 , 是钢和铸铁中


常见的固相。其硬度很高 (800HBW) ，塑性、韧性很差，脆性很大。

渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状和网状分布，主要起强化作用，它的形态、大小、数量和分布对钢和铸铁的性能有很大影响。

（相对固溶体， Fe3C 属于强强化相。）

Fe3C在一定条件下可以分解，形成石墨。反应式： Fe3C 3Fe ＋ C 石墨


三、机械混合物三、机械混合物两相按固定比例构成的组织（复合相），称

机械混合物。各相保持自己的晶格类型、性能特点 .( 如 :混凝土 ) 强度、硬度适中。

目前钢铁材料中大部分是这种组织。如铁碳合金中珠光体 (P) ；莱氏体 (Ld) 。 1.珠光体 P pearlite 是 F 与 Fe3C 机械混合物，WC=0.77%


珠光体是铁素体薄层（片）与碳化物（包括渗碳体）薄层（片）交替重叠组成的共析组织。

（记住：层片相间）其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

2.莱氏体 Ld 分高温莱氏体和低温莱氏体 A与 Fe3C 的机械混合物称高温莱氏体，用符号： Ld表示；


高温莱氏体冷却到 727℃以下时，转变为：

P+ Fe3C 称低温莱氏体；

珠光体和渗碳体的复合物，又称“变态莱氏体” (Ld′) 。

其力学性能与渗碳体相近 ,极为脆硬！

平均含碳量为 4.3％。

组织特征：白亮的渗碳体为基体，上面分布着许多粒状、条状或不规则形状的黑色珠光体。


§3 §3 铁碳合金状态图铁碳合金状态图铁碳合金的结晶过程比纯铁复杂的多。含碳量不同的铁碳合金结晶过程差别很大。用热分析法将不同成分的铁碳合金加以熔化；然后，使之极其缓慢的冷却，测出各成分的合金的冷却曲线；

在横 ( 成分 ) －纵 ( 温度 )坐标图上连点描线，可得铁碳合金状态图。

铁碳合金状态图的作用：


1.表达铁碳合金不同成分、温度下的组织状态 .

2. 研究钢铁成分、组织和性能之间关系的工具 .

3. 制定铸造、锻造、焊接和热处理工艺的依据 .

由于含碳大于 6.69％的铁碳合金在工业上

没有实用价值，又由于 Fe3C 的含碳量 6.69％，

是一个稳定的化合物，视为一个组元；我们重点

讨论的是： Fe—Fe3C 简化状态图



二、铁碳合金状态图的分析二、铁碳合金状态图的分析

1. 四个基本相是指铁碳合金状态图中：液相 (L) 、奥氏体相 (A) 、铁素体相 (F) 、渗碳体相 ( Fe3C) 。

2. 特性点在铁碳合金状态图中用字母标出的点都有其

特定的意义。 3. 特性线


1 ） ACD线—液相相；液体到此开始结晶。 2 ） AECF 线—固相线；合金至此全部结晶为

固体。在液—固两线之间为液—固两相区。在 C 点产生共晶反应，其反应式： Lc Ld(A+Fe3C) 3 ） GS线—自A中析出 F 线。以： A3 线表示。 4 ） ES线— C在A中的溶解度曲线 .以： Acm

表示。

1148℃


5） PSK线—共析反应线，常以： A1表示。 6） PQ线—碳在铁素体中溶解度曲线。产生 Fe3CⅢ

按含碳量不同，将铁碳合金分为：钢和铸铁两类钢—含碳量小于 2.11％的铁碳合金，按室温

组织又分为：亚共析钢— 含碳量 <0.77%；共析钢—含碳量 0.77 ％过共析钢—含碳量 >0.77 ％


铸铁—指生铁 (白口生铁 )含碳量为 2.11～ 6.69％，又分：

亚共晶白口生铁—含碳量 <4.3% 共晶白口生铁—含碳量 4.3％过共晶白口生铁—含碳量 >4.3%

三、钢在结晶过程中的组织转变三、钢在结晶过程中的组织转变 .. 下面以共析钢为例，分析铁碳合金在缓慢冷却过程中的组织转变规律。


A

E

G

PQ S

Fe

L

AL+A

F F+A

F+P PP+Fe3CⅡ

A+Fe3CⅡ

0.77 2.11

Ⅰ. 共析钢

Ⅰ

● 1●

2

●

3

P

Ⅱ.亚共析钢

Ⅱ

● 1●

2

●3●

4

1●

● 2

●3●4 ● 4'

LL+A

A

F+A

A→PP

冷却曲线

过共析钢


§4 §4 工业用钢简介工业用钢简介钢以铁为主元素，含 C％＜ 2％以下，

并含有其它元素的材料。钢：可形变加工的铁碳合金。一、碳钢分类（掌握内容）钢从不同角度可以有不同分类：二、碳素钢简称：碳钢 carbon -steel 常存元素对碳钢性能的影响 ( 了解 )


1. 碳 (C ) 作用

碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示

总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加， Fe3C 增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强度先升后降。

2.锰 (Mn) 作用

脱氧， FeO还原 Fe ；与 S作用→MnS降低热脆性；提高强度、硬度。属有益元素。

3.硅 ( Si) 作用


与钢液中 FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F 中，固溶强化。有益元素。

4.硫 S 作用：

形成 FeS( 熔点 1190℃ ），在晶界处，在 1100 ℃—1200 ℃ 时，压力加工，产生脆裂。“热脆”。有害元素。

5.磷 P 作用：

全部溶于 F 中，固溶强化； Rm 、 HB↑↑，在低温下引起脆断—“冷脆”。有害元素。


碳钢一般分为： 1. 碳素结构钢 GB700—1988 牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用 A、 B、 C 、 D表示。 A的 S、 P量高， D的 S、 P量最低，且

质量最好。

如： Q235—A . F Q—“屈”字汉语拼音字首，读“屈”。


235—Rm(σb)≥235MPa

A— 质量等级 A级 F—脱氧方法，指“沸腾钢”，一般不标。牌号： Q195； Q215； Q235； Q255； Q275五类 .

用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等。

2.优质碳素结构钢 S、 P含量较低，用于重要零件


GB：牌号用两位数字表示，表示含碳量万分之几（十）。

如： 08F 、 10 、 15、 20 、 25，为低碳钢，塑性好，耐冲、好焊；

30 、 35、 40 、 45、 50 、 55，中碳钢含P多，强硬适中，多做重要件；

60 、 65、 70 、 75，高碳钢。多需淬火＋回火，制作弹性耐磨件。

20Mn 、 65Mn 等称含锰量较高的优质碳素结构钢。


3. 碳素工具钢。牌号用“碳”字汉语拼音字首“ T”+数字表示Wc 的千分之几。

如： T7、 T8、 T9 、 T10 、 T10A、 T12等。

如 T10钢WC=1%； T10A中的“ A”表示为高级优质碳素工具钢 (适用各类高级优质钢）。

其中： T7钢（WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；


T10钢（WC=1%）用于制作手用钢锯条、简单冷作模具、（手工钻头）等；

T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。

主参考书 P24表 1 － 4 为碳钢成分和性能三、合金钢为了提高钢的力学性能、工艺性能、物理性能、化学性能、淬透性等，在碳钢的基础上加入某些合金元素，称为合金钢。按用途分

合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。


1. 合金结构钢钢号 : 数字＋元素符号＋数字 ( 平均百分数 )

如 20CrMnTi 、 40Cr 、 60Si2Mn 、 38CrMoAlA等；

用于制造机械零件和工程构件。主参考书 P24 中 16Mn应归类于 ( 低合金 )高强

度结构钢 ,新号 :Q345 （ GB/T1591-94 ）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢在碳素结构钢基础上加入少量锰、硅等合元制成

的。通常在热轧、正火状态下使用，产品同时保证力学性能和化学成份。


牌号表达同碳素结构钢，Q295Q295、、 Q345Q345、、 Q390Q390 、、 Q420Q420 、、 Q460Q460.

低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，但性能有较大的提高，在工程结构中应用极为广泛。（旧牌号 :16Mn 、 09MnV2 等等）

2. 合金工具钢用于制造刃具、模具、量具等工具 . 如 9SiCr 、 Cr12 、 CrMn 、 GCr15等；其中 GCr15有专用名称：“滚动轴承钢”，

实为“名专用途广”。


高速钢又称：锋钢、白钢。

特点是高热硬性、耐磨性、淬透性，常用牌号： W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2 等，制造形状复杂的高速切削工具，如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。

3. 特殊性能钢不锈钢（不锈钢又多为耐热钢！） 1)铬不锈钢：马氏体型不锈钢，其牌号有： 1Cr13 、 2Cr13 、 3Cr13 、 4Cr13


2)铬镍不锈钢：奥氏体型不锈钢，其牌号： 1Cr18Ni9 （ Ti ）、 0Cr18Ni9 3) 铁素体不锈钢： 1Cr17—容器，日用品。耐磨钢 GB5680—98 又称“高锰钢”，强烈冲击力作用下发生硬

化现象如牌号： ZGMn13—1 、 ZGMn13—2 等，应用铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。

磁钢（略）


§5§5零件选材的一般原则零件选材的一般原则 1.满足工作要求是关键；含有受力状态、工作条件等等。 2.满足工艺要求是效益；

在熟悉各种工艺方法的基础上，选择材料；如 : 机床上的复杂箱体一般选铸铁，因为复杂零件只能铸造成形。

3. 性价比分析促竞争力； 4. 立足国内，讲符合国标 .










渗碳体渗碳体莱氏体莱氏体




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