金属材料与热处理 模块二 铁 - 碳合金

1. 金属材料与热处理模块二 铁-碳合金 主讲：赵广引

2. [复习] • 上次课的重点 • [讲授新课] • 课题：铁碳合金 • 教学目的与要求： • 1、掌握铁碳合金的基本相及合金相图的建立。 • 2、掌握共晶转变及共析转变的条件。 • 3、掌握共析钢、亚共析钢和过共析钢的结晶过程。 • 教学重点与难点： • 1、掌握合金相图的建立是教学重点. • 2、各种钢的结晶过程是教学难点 • 教学过程：

4. 一、纯铁的同素异构转变 δ-Fe γ -Fe α- Fe 1538cº 1394ºc 912ºc 室温 体心立方 面心立方 体心立方 课题1 铁碳合金的基本相与铁碳合金相图 纯铁的同素异构转变的慨念 纯铁在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。 金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性 能的目的。

5. 二、铁碳合金的基本相及组织

6. 三、铁碳合金状态图 T(℃) 1538 A D 1227 L A+L L +Fe3C 1148 F E C A G A+Fe3C F+A 727 K P S F F+Fe3C Q 0.0218 2.11 4.3 0.77 Fe Wc(%) Fe3C

7. 1.铁碳合金相图中主要特性点的含义

8. 2.两条水平线 1)共晶反应 一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。 1148 ℃ L 4.3%c A2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)

9. 2)共析反应 一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的 新的固相的反应。 727 ℃ F0.0218%c+Fe3C6.69%c A2.11%c 共析反应的产物即珠光体 P＝F0.0218%+Fe3C6.69%

10. 相图中主要线的含义 • ACD线—液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 • AECF线—固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。 • ECF水平线—共晶线 含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148 ℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。 • PSK水平线—共析线（A1线） 含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727 ℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。 • GS线—（A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 • ES线—称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。

11. 3.相区分析 • 单相区：L，A、F、Fe3C • 双相区： L+ A、 L+ F、 A+F、 A+Fe3C、 F+Fe3C • 三相区：水平线处L+A+Fe3C、 A+F+Fe3C

12. 课题2 典型铁碳合金的冷却过程及组织转变 工业纯铁 含碳量小于0.0218%的铁碳合金。 含碳量为0.0218%—2.11%的铁碳合金。根据金相 组织的不同，可分为三种。 共析钢： 含碳量为0.77%; 亚共析钢：含碳量在0.0218%—0.77%之间； 过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间； 铁碳合金 钢 含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。 共晶白口铸铁：含碳量为4.3%; 亚共白口铸铁：含碳量在2.11%—4.3%之间； 过共白口铸铁：含碳量在4.3%—6.69%之间； 白口铸铁

13. 铁碳合金状态图分析 L'd＝P+Fe3CⅡ+Fe3C L L+A L+Fe3C A Ld Ld+Fe3C A+Fe3CⅡ +Ld A+Fe3CⅡ F+A L'd+Fe3C P+F P P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+L'd L'd

14. 共析钢的平衡组织 共析钢的平衡结晶过程 1) 共析钢的平衡结晶过程

15. F P 亚共析钢的平衡组织 （a）0.20%C 410 × （b）0.45%C 400 × （c）0.60%C 300 × 亚共析钢的冷却曲线 2) 亚共析钢的平衡结晶过程

16. Fe3CⅡ P 过共析钢的平衡组织 过共析钢的冷却曲线 3) 过共析钢的平衡结晶过程

17. 共晶白口铸铁的平衡组织 共晶白口铸铁的冷却曲线 4)共晶白口铸铁的平衡结晶过程

18. Fe3CⅡ Ld′ P 亚共晶白口铸铁的平衡组织 亚共晶白口铸铁的冷却曲线 5) 亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程

19. 过共晶白口铸铁的平衡组织 过共晶白口铸铁的冷却曲线 6) 过共晶白口铸铁的平衡结晶过程

20. 组织组成物相图 纯铁的熔点 ACD线—液相线 渗碳体的熔点 AECF线—固相线 共晶线 碳在奥氏体中的最大溶解度 Acm A3线 A1线 共析线 共晶点 共析点

21. 课题3 碳含量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 一、Wc对铁碳合金组织的影响 通过以上分析可知铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。但因其含碳量不同，所以组织中两个相的相对含量、分布及形态不同,室温下随 含碳量 的增加，铁碳合金组织变化如下： F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′ →Ld′+ Fe3CⅠ→Fe3C

22. 二、Wc对钢力学性能的影响 HBS Ψ σb δ ak 0 1.3% 0.9% Wc(%) 含碳量对钢力学性能的影响 • 1）随着Wc↑， HBS↑ 、σb↑； δ↓、 Ak↓ ； • 2） Wc =0.9%时，σb达到最高； Wc＞0.9%时，随 Wc↑，σb↓； • 3）由于 Fe3CⅡ成网状，使σb ↓； • 4）工业用钢的含碳量一般不超过 1.3%。

23. 课题4Fe-Fe3C相图的应用及局限性 • 选材的重要依据：根据相图中成分、组织、性能间的关 系，可以按照工件性能要求，进行合理选材 • 铸造工艺 • 首先依据相图可以确定铸造合金的浇注温度。 • 其次根据相图中合金结晶温度区间的范围大 • 小、结晶温度的高低判断合金的铸造性能，合 • 理选择铸造合金的成分。 • 锻造加工工艺 钢材的扎制或锻造均选择在相图的单相 奥氏体区内进行 • 焊接工艺 了解铁碳合金的焊接性能 • 热处理工艺 依据相图的相变温度线，拟定各种热处理的加热规范。

24. 课题5 合金元素对铁碳合金的影响 1）硅:来自炼钢原料,强脱氧剂（有益元素） 强化铁素体,提高钢的强度、硬度，降低塑性和韧性 含量在WSi=0.10%～0.4% 2）锰:来自生铁和脱氧剂,具有一定的脱氧能力（有益元素） 使铁素体强化 含量在WMn=0.25%～0.80% 3）硫:强化铁素体,热脆（有害元素） 4）磷: 强化铁素体,冷脆（有害元素） 1.定义：Wc、少量杂质元素 2.常存杂质对钢性能的影响

25. 1)按钢的含碳量分： （1）低碳钢：0.0218%<WC<0.25%； （2）中碳钢：0.25% ≤WC≤0.6%； （3）高碳钢：0.6%<WC≤2.11% 2)按钢的质量分 （1）普通质量非合金钢 （2）优质非合金钢 （3）特殊质量非合金钢 3)按钢的用途分 （1）非合金结构钢。主要用于制造各种结构件和机械零件。 （2）非合金工具钢。主要用于制造各种刃具、量具和模具。 3.非合金钢的分类

26. 1)普通碳素结构钢 Q235-A-F表示σs≥235Mpa的A级沸腾碳素结构钢 用途：通常用于制造型材、螺钉、铁钉、铁丝、建筑 材料等。 2)优质碳素结构钢 钢的牌号用平均含碳量的万分数（两位数）表示， 脱氧方法的表示与碳素结构钢相同，但镇静钢符号省略。 含锰量较高的钢（WMn=0.7%~1.2%）末尾标出锰元素符 号，65Mn为含锰量较高，平均含碳量为WC=0.65%的优质 碳素结构钢。 用途：常用于齿轮、主轴、连杆→45钢。 弹簧、板簧、发条→65钢、65Mn。 4.非合金钢的牌号、性能及应用

27. 3)碳素工具钢：碳素工具钢的牌号用“碳”的汉语拼音字首 “T”后面标数字表示，其数字表示平均含碳量的千分数。 T8表示平均含碳量为WC=0.8%的碳素工具钢。 用途：主要用于剪刀、斧头、锯子、锉刀等。 4)铸造碳钢：铸造碳钢一般用于制造力学性能要求较高的形状复杂件。 ZG340-650表示：σs≥340Mpa， σb ≥650Mpa的铸造碳钢。

28. 总 结 • 纯铁具有同素异晶转变，因此有多种组织，可以 • 通过热处理来强化； • 各种铁碳合金的结晶过程有相似之处； • 铁碳合金的组织和性能随含碳量呈规律变化； • 非合金钢的典型牌号、性能及用途。