第四章铁碳合金

第一节铁碳合金相图 一、铁碳合金的组元 1。纯铁 ⑴ 力学性能：软、韧 ⑵ 同素异构转变：固态时，材料的晶体结构随温度发生变化的现象。纯铁在912℃ 和1394℃会发生同素异构转变,如右图所示。 ● 912℃以下的纯铁称 α - Fe, bcc结构， ●912℃ ~1394 ℃的称 γ - Fe, fcc结构， ●1394 ℃以上的称δ- Fe, bcc结构。第四章铁碳合金 2。渗碳体具有复杂晶体结构的间隙化合物，在铁碳相图中表现为一垂线，故作为一独立组元。

二、铁碳合金的基本相 1。铁素体碳在 α- Fe 中的间隙固溶体， ferrite, 简写为 α 或 F。铁素体溶碳能力极微，其性能是软、韧。 2。奥氏体碳在 γ-Fe中的间隙固溶体， austenite, 简写为 γ 或 A。奥氏体溶碳能力也低，其性能也是软、韧。 3。渗碳体Fe3C，cementite, 含碳量为 6.69%.性能：硬、脆。以下研究 Fe-Fe3C 相图。

1。相区 ⑴单相区： L、δ、A、F、Fe3C ⑵两相区： L+δ、 δ+A、A+F、L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、F+Fe3C ⑶三相区：三条水平线 ECF （共晶转变） PSK （共析转变） HJB （包晶转变）三、Fe-Fe3C 相图

1148 ℃ 727℃ 2。恒温转变⑴共晶转变：在 ECF 线上， L4.3 A2.11+ Fe3C产物称莱氏体：ledeburite ，简写为： Ld⑵共析转变，在 PSK 线上，A0.77F0.02 + Fe3C产物称珠光体：pearlite，简写为： P⑶包晶转变（HJB线）略

3。二次相析出 研究溶解度线ES、PQ知： ●奥氏体（A）在1148℃~ 727 ℃间缓慢冷却时，会沿晶界析出 Fe3CⅡ，形成网状组织。 ●铁素体（F）在727℃~室温间缓慢冷却时，会沿晶界析出少量 Fe3CⅢ。

⒈工业纯铁 WC： 0～0.02% ⒉亚共析钢 WC： 0.02 ～ 0.77% ⒊共析钢 WC： 0.77% ⒋过共析钢 WC： 0.77～2.11% ⒌亚共晶白口铁 WC： 2.11～4.3% ⒍共晶白口铁 WC： 4.3% ⒎过共晶白口铁 WC： 4.3～6.69% 第二节铁碳合金平衡结晶过程分析按含碳量铁碳合金分为 7 类：

在PQ线以下缓冷时，在 F晶界上析出三次渗碳体Fe3CⅢ ，最终组织为： F + Fe3CⅢ 因Fe3CⅢ量少，在晶界呈薄片状断续分布，对性能影响不大，一般可忽略不计。一、工业纯铁

二、共析钢 在727℃发生共析转变，全部变成珠光体，再继续冷至室温。室温平衡组织为 P。在光学显微镜下珠光体的形貌是Fe3C与F交替排列的层片状组织。若放大倍数不够，则层片不能看清。 g P(F + Fe3C)

变，温度恒定。待A全部变成P，共析转变结束，温度再继续下降。变，温度恒定。待A全部变成P，共析转变结束，温度再继续下降。室温时的平衡组织是： F + P。根据杠杆定律可以推得，P在钢中的相对量与钢的含碳量x的近似关系是： WP＝ x / 0.77 三、亚共析钢在 A+F 两相区缓冷时，A的成分沿GS线变化，至727℃时，A的成分到达S点，发生共析转

四、过共析钢 在ES线以下缓冷时，在A晶界上析出二次相Fe3CⅡ, 同时A的成分沿ES线变化。至727℃，A的成分到达S点，发生共析转变，温度恒定。待A全部变成P，共析转变结束，温度再继续下降。室温时的平衡组织是： P + Fe3CⅡ。二次渗碳体 Fe3CⅡ保留在 P 周围，形成网状组织，这种网状组织使钢的力学性能明显下降，属有害组织，必须消除。

五、共晶白口铁 　在 C 点（1148℃）发生共晶转变，全部变成 Ld，即A + Fe3C。　在1148℃以下的缓冷中，A的成分沿 ES 线变化，并在周围析出Fe3CⅡ。至727 ℃，A的成分到达S点，发生共析转变变成P。室温时的组织是： P + Fe3CⅡ + Fe3C, 称为变态莱氏体，记着：L’d

六、亚共晶白口铁 在液相线以下为L + A两相。在1148 ℃时 L 相成分到达C点，发生共晶转变，变成Ld。　继续冷却时，初晶A沿边界析出Fe3CⅡ，至727 ℃,初晶A的成分到达 S 点，发生共析转变变成 P， Ld则变成L’d。室温时的平衡组织是： P + Fe3CⅡ + L’d

七、过共晶白口铁 　液相在高温直接结晶出条状的一次渗碳体Fe3CⅠ，在1148℃发生共晶转变，组织是： Ld + Fe3CⅠ 在727℃发生共析转变， Ld 变成L’d 。室温时的平衡组织是： L’d+ Fe3CⅠ。

第三节　Fe-Fe3C 相图的主要应用 一、估计铁碳合金在平衡状态时的力学性能１。含碳量越高， Fe3C 就越多，则硬度越高，而塑性、韧性越低。２。在亚共析钢的范围（WC≦0.８%)，含碳量越高，则强度越高。

１。铸造性能：液相线和固相线的距离越小，则铸造性能越好。１。铸造性能：液相线和固相线的距离越小，则铸造性能越好。　所以共晶成分合金的铸造性能最好。２。锻造性能：单相固溶体的锻造性能好，莱氏体不能锻造。　所以低碳钢的锻造性能优于高碳钢，铸铁不能锻造。三、确定钢铁材料铸造、锻造、热处理的加热温度二、判断铁碳合金的热加工工艺性能

第四节　碳钢 一、分类１。按含碳量分：　　　　　　　　低碳钢　WC 0.25％　　　　　中碳钢　0.25％ < WC 0.6％　　　　　高碳钢　WC>0.6％２。按冶金质量分：（根据杂质S、P的含量多少）　　　　　　　普通碳素钢　　　优质碳素钢　　　　　高级优质碳素钢３。按用途分：　碳素结构钢　　　　　　　　碳素工具钢

二、牌号及用途 1。普通碳素结构钢 Q195， Q215， Q235， Q255， Q275 ⑴均为普通钢，数字表示屈服强度，单位为MPa。 ⑵ Q275的含碳量约0.3%，其余均为低碳钢。 ⑶ 一般用于工程构件（桥梁、建筑……）或要求不高的机械零件，在热轧状态（相当于正火）使用，不再进行热处理。 2。优质碳素结构钢 ⑴ 钢号是二位数字，表示钢平均含碳量的万分之几，如10、 25、45、50等。 ⑵ 质量性能优于普碳钢，用于制造机械零件。 ⑶ 一般须进行热处理提高性能后再使用。

3。碳素工具钢 ⑴钢号是 T + 数字，如T7、T8、T10、T12、T13，数字表示钢平均含碳量的千分之几。 ⑵全部都是优质钢。还有高级优质钢，在钢号后尾以A, 如T8A. ⑶用于制造要求高硬度、高耐磨性，但尺寸不大、形状不复杂，使用温度不高的工具，如钳工工具等。 ⑷ 应在热处理后使用。 4。碳素铸钢 ⑴ 钢号是ZGxxx-xxx, 后为两组数字，分别表示钢的屈服强度和抗拉强度，如ZG230-450, ZG310-570等。 ⑵ 用于形状复杂不能锻造成形，性能要求较高的机械零件。

二、铸铁的组织 1。按铸铁石墨化的程度其组织可有： ⑴ F+G； ⑵ P+F+G； ⑶ P+G； ⑷ P+Fe3C+G； ⑸ 白口铁。从⑴至⑸，石墨化渐不充分， Fe3C渐多，G渐少。 2。可以将铸铁看成是G分布在工业纯铁或钢基体上的铁碳合金。视石墨为裂缝或孔洞来估计铸铁的性能。第五节铸铁一、铸铁的石墨化1。铸铁中的碳以石墨形式结晶或析出的现象称铸铁石墨化。（石墨：graphite, 简写为G）石墨化越充分，则铸铁中石墨越多，而Fe3C 越少。2。影响铸铁石墨化的主要因素：⑴（C +Si）%越多，则石墨化越充分；⑵ 冷却速度越慢，则石墨化越充分。

三、铸铁的分类 1。按石墨化的程度分： ⑴白口铸铁：不进行石墨化，断口呈银白色。 ⑵麻口铸铁：石墨化不充分， P+Fe3C+G ⑶灰铸铁：石墨化较充分，断口呈灰白色。 ● F+G —— 铁素体灰铸铁 ● P+F+G —— 珠光体铁素体灰铸铁 ● P+G ——珠光体灰铸铁 2。对灰铸铁，又按石墨形态分： ⑴普通灰铸铁——石墨呈片状； ⑵球墨铸铁——石墨呈球状； ⑶可锻铸铁——石墨呈团絮状； ⑷蠕墨铸铁——石墨呈蠕虫状。

碳钢及铸铁 灰口铸铁球墨铸铁粗片状细片状小球状团絮状蠕虫状按石墨的形态分类白口铸铁团絮状铸铁

以下显示了灰铸铁和球墨铸铁中石墨与基体的不同形态：以下显示了灰铸铁和球墨铸铁中石墨与基体的不同形态：

四、铸铁的性能 1。抗拉强度低、塑性韧性差因石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性接近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。 2。铸造性能好。 3。耐磨性好。 4。消震性好。 5。切削加工性能好。 6。缺口敏感性低。

五、牌号及用途 1。普通灰铸铁：如 HT150, HT200, HT250 …… HTxxx ，三个数字表示最低抗拉强度，单位MPa。用于要求消震、耐磨、形状复杂的地方，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。只进行去应力退火。 2。球墨铸铁：如 QT400-15, QT500-05 , QT600-03 …… QTxxx-xx, 数字表示最低抗拉强度和伸长率，单位MPa和%。用于一般机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。可进行改善基体组织的热处理（如退火、正火、调质等）。 3。可锻铸铁：将白口铁长时间石墨化退火，使其中的 Fe3C 转变为团絮状石墨而成。如 KT300-06, KT350-10, KT450-06, KT650-02 数字意义同球铁。性能接近球墨铸铁，但生产成本低。用于小件的批量生产。可锻铸铁实际并不能锻造。

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