4第4章铁碳合金相图及碳素钢汇总

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,体心立方晶格,面心立方晶格,体心立方晶格,一 复习：,1,、纯铁的同素异构转变是如何进行的？,Fe,、,Fe,晶格类型分别是怎样的？它们一般存在于什么温度之间？,2,、合金的基本组织有哪三种类型？,3,、固溶体又有哪两种类型？固溶体的性能是怎样的？,固溶体、金属化合物、机械混合物。,间隙固溶体、置换固溶体。,由于固溶体是通过溶入溶质元素形成的，其晶格发生畸变，增加了变形抗力，结果使金属材料的强度、硬度增高。（固溶强化）,2,第四章 铁碳合金相图及碳素钢,三 碳素钢（非合金钢）,一 铁碳合金的基本组织,二 铁碳合金相图,3,教学要求：,1,、,熟练掌握铁碳合金基本组织,铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的含义、符号、性能。,2,、,了解铁碳合金相图，掌握,Fe-Fe,3,C,相图特性点、特性线和各区域的组织。,3,、,明确铁碳合金的分类，掌握含碳量对钢组织和性能的影响。,4,、,理解,Fe-Fe,3,C,相图的应用，特别是钢在锻造和铸造中的应用。,5,、掌握碳钢的概念，熟练掌握碳钢的五种分类，掌握普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢的牌号、性能和典型用途。,4,钢和生铁都是铁碳合金，,其基本组织是铁和碳两个元素，是现代工业中应用最广泛的金属材料。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先必须研究铁碳合金相图。一般说的铁碳合金相图，实际上是铁,-,渗碳体（,Fe-,Fe,3,C,）相图。,根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以反应形成金属化合物，或固溶体与金属化合物组成机械混合物。因此，在铁碳合金中出现以下几种基本组织,：,一,【,新课导入】,铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体,一 铁碳合金的基本组织,5,碳在,-Fe,中的固溶体称,-,铁素体，用,表示。,都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在,727,时最大为,0.0218%,，室温下仅为,0.0008%,。,铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体,组元：,Fe,、,Fe,3,C,相,1,铁素体,：,碳在,-Fe,中的固溶体称铁素体,用,F,或,表示。,二 铁碳合金中的相,6,2,奥氏体,碳在,-Fe,中的固溶体称奥氏体。用,A,或 表示。,是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，,1148,时最大为,2.11%,。,组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在,区进行,.,碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,7,3,渗碳体：,即,Fe,3,C,含碳,6.69%,Fe,3,C,硬度高、强度低,(,R,m,35MPa,),脆性大,塑性几乎为零,Fe,3,C,是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：,Fe,3,C3Fe+C(,石墨,),该反应对铸铁有重要意义。,由于碳在,-Fe,中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以,Fe,3,C,或石墨的形式存在。,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体,8,1,珠光体,P,：,珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,图 珠光体的显微组织,三 铁碳合金中的基本组织,9,2,莱氏体,Ld,莱氏体在,727,0,C,以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体,Ld,；在,727,0,C,以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体,Ld,。其显微组织如图，其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。,图莱氏体的显微组织,10,小结,:,11,小结,:,【新课导入】,从铁碳合金组织学习中我们知道，室温下的组织,F,、,P,、,Ld,、,Fe,3,C,随着含碳量增加，它们的性能变化是规律的，塑性、韧性由好变差，硬度由大变小，其实这种变化规律我们是可以从材料专家绘制的铁碳合金相图反映出来的。我们,接下来,就是学习讨论：,铁碳合金相图,12,13,一,Fe-C,相图与,Fe-Fe,3,C,相图,铁碳合金,碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。,含碳量为,0.0218%,2.11%,的称钢,;,含碳量为,2.11%,6.69%,的称铸铁。含碳量低于,0.0218%,的称纯铁。,铁和碳可形成一系列稳定化合物：,Fe,3,C,、,Fe,2,C,、,FeC,，它们都可以作为纯组元看待。,含碳量大于,Fe,3,C,成分（,6.69%,）时，合金太脆，已无实用价值。,实际所讨论的铁碳合金相图是,Fe- Fe,3,C,相图。,二 铁碳合金相图,14,铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以,研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律,，从而为更好的利用它们，,并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。,在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图所示。,15,16,二,Fe-Fe,3,C,相图分析, 特征点,2.,特征线,3.,相区,17,1,特征点,L,J,N,G,+Fe,3,C,+Fe,3,C,L,+Fe,3,C,L+,+,18,19,2,特征线,液相线,ABCD,，,固相线,AHJECFD,三条水平线：,HJB,：,包晶线,L,B,+,H,J,ECF,：共晶线,L,C,E,+Fe,3,C,共晶产物是,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作莱氏体,用,L,d,表示。为蜂窝状,以,Fe,3,C,为基，性能硬而脆。,莱氏体,20,PSK,：,共析线,S,F,P,+ Fe,3,C,共析转变的产物是,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作珠光体，用,P,表示。,珠光体,L+,L+,L+ Fe,3,C,+,+ Fe,3,C,+,F+ Fe,3,C,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。,PSK,线又称,A,1,线 。,21,其它相线,GS,GP,固溶体转变线, GS,又称,A,3,线。,HN,JN,固溶体转变线，,ES,碳在,-Fe,中的固溶线。又称,A,c m,线。,PQ,碳在,-Fe,中的固溶线。,22,三个三相区：即,HJB (L+,+,),、,ECF(L+,+ Fe,3,C),、,PSK(,+,+ Fe,3,C),三条水平线,3,相区, 五个单相区：,L,、,、,、,、,Fe,3,C,七个两相区,: L+,、,L+,、,L+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,、,+,、,+Fe,3,C,23,小结,:,学习内容,Fe-,Fe,3,C,相图,一、,Fe-,Fe,3,C,相图相图特性点,二、,Fe-,Fe,3,C,相图特性线,三、,Fe-,Fe,3,C,相图相区,24,三 铁碳合金的分类,铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：,工业纯铁,(0.0218% C),组织为单相铁素体。,钢,(0.0218,2.11%C),高温组织为单相,亚共析钢,(0.0218,0.77%C),室温组织为,F+P,共析钢,(0.77%C),P,过共析钢,(0.77,2.11%C),Fe,3,C,+P,白口铸铁,(2.11,6.69%C),铸造性能好,硬而脆,亚共晶白口铸铁,(2.11,4.3%C),P+Fe,3,C,II,+Ld,共晶白口铸铁,(4.3%C),Ld,过共晶白口铸铁,(4.3,6.69%C),Fe,3,C,I,+Ld,25,亚共析钢,共析钢,过共析钢,共晶白口铁,过共晶白口铁,亚共晶白口铁,工业纯铁,26,组织组成物与相组成物标注区别主要在,+ Fe,3,C,和,+Fe,3,C,两个相区,.,+ Fe,3,C,相区中有四个组织组成物区，,+Fe,3,C,相区中有七个组织组成物区。,四 组织组成物在铁碳合金相图上的标注,+ Fe,3,C,+ Fe,3,C,27,Fe,Fe,3,C,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+,Fe,3,C,A+F,L+A,A+,L+,F,A,L,L+,Fe,3,C,F+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,A+,Fe3C+Ld,Ld,Le,+,Fe,3,C,Ld,+,Fe,3,C,Ld,P+,Fe,3,C,+Ld,P+,Fe,3,C,P+F,P,F,+,Fe,3,C,C%,温度,28,五 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响, 含碳量对室温平衡组织的影响,含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：,钢,铁素体,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,共析钢,白 口 铸 铁,二次渗碳体,工,业,纯,铁,珠光体,莱氏体,一次渗碳体,Fe,3,C,钢 铁,分 类,组织组,成物相,对量,%,相组成,物相对,量,%,含碳量,%,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,6.69,100,100,0,0,三次渗碳体,29,2,含碳量对力学性能的影响,亚共析钢随含碳量增加，,P,量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。,0.77%C,时，组织为,100% P,钢的性能即,P,的性能,0.9%C,，,Fe,3,C,为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。,2.11%C,，组织中有以,Fe,3,C,为基的,Ld,合金太脆,.,30,3,含碳量对工艺性能的影响,(1),切削性能,:,中碳钢合适,(2),可锻性能,:,低碳钢好,(3),焊接性能,:,低碳钢好,(4),铸造性能,:,共晶合金好,(5),热处理性能,:,后续介绍,切削加工的基本形式,车,刨,钻,铣,磨,31,铸造,焊缝组织,模锻,32,六 铁碳合金相图的应用,1,）在铸造中的应用。根据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合金的凝固温度范围，判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。,2,）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围。,3,）在热处理中的应用。相图反映了不同成分的合金在缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订热处理工艺的依据。,【,小结,】,一、铁碳合金的分类,二、含碳量对钢组织和性能的影响,三、,Fe- Fe,3,C,相图的应用,33,【新课导入】,纯铁是一种塑性很好的金属，既不能制刀枪，也不能铸铁锅、犁锄。但当纯铁中加入一定量的碳后，就变成了现代工业的骨骼,钢铁材料了。钢铁材料是机械制造、建筑、交通运输、国防及其他各部门应用最广泛的金属材料。当今世界，钢铁产量占世界金属总产量的,95,，钢铁的品种和使用量已成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要标志。,对钢而言，有碳钢、合金钢之分。接下我们先来学习,碳钢,的知识。,34,35,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于,2.11%,的铁碳合金。,合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,三 碳素钢（非合金钢）,36,一 钢中杂质对钢性能的影响,钢中的杂质一般是指,Mn,、,Si,、,P,、,S,。是由原料带入或脱氧残留的元素。,1,、,Mn,的影响,:,0.8%,时为杂质,是有益元素。作用为：, 强化铁素体；, 消除硫的有害作用。,2,、,Si,的影响：,0.5%,时为杂质，是有益元素。作用为：,强化铁素体；, 增加钢液流动性。,37,3,、,S,的影响,：是有害元素。,常以,FeS,形式存在。易与,Fe,在晶界上形成低熔点共晶,(985),，热加工时,(1150,1200),，由于其熔化而导致开裂，称热脆性,.,钢中的硫应控制在,0.05%,以下,.,Mn,可消除硫的有害作用,FeS + Mn Fe + MnS,，,MnS,熔点高,(1600),。,合金晶界的低熔点硫化物共晶,38,4,、,P,的影响,：,也是有害元素。,能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。,P,一般控制在,0.045%,以下,.,钢中的,MnS,夹杂,比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于,1938,年冬发生断裂坠入河中,39,5,气体元素的影响,N,：室温下,N,在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和,N,在常温放置过程中以,FeN,、,Fe,4,N,形式析出使钢变脆,称时效脆化,.,加,Ti,、,V,、,Al,等元素可使,N,固定，消除时效倾向。,O,：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源,.,钢中,TiN,夹杂,钢中氧化物夹杂,40, H,：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。,当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。,钢中白点,钢的氢脆断口,41,二 钢的分类与编号,1,、钢的分类,(1),按化学成分分,低碳钢,0.25%C,中碳钢,0.25,0.6%C,高碳钢,0.6%C,低合金钢 合金元素总量,5%,中合金钢 合金元素总量,5,10%,高合金钢 合金元素总量,10%,碳素钢,合金钢,42,钢 类,碳 素 钢,合 金 钢,P,S,P,S,普通质量钢,0.045,0.045,0.045,0.045,优 质 钢,0.035,0.035,0.035,0.035,高级优质钢,0.030,0.030,0.025,0.025,特级优质钢,0.025,0.020,0.025,0.015,(2),按冶金质量分,钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。,分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢,.,根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,43,（,3,）按用途分,工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆,调 质 钢渗 碳 钢弹 簧 钢滚动轴承钢耐 磨 钢,机器用钢,结 构 钢,刃具钢模具钢量具钢,工 具 钢,不锈钢耐热钢,特 殊 性能 钢,挤压模具,44,（,4,）按冶炼方法分,转炉炼钢,平炉炼钢,平炉钢转炉钢电炉钢,按 炉 别 分,沸腾钢：,脱氧不充分，浇注时,C,与,O,反应发,镇静钢：,脱氧充分，组织致密，成材低,。,半镇静钢：,介于前两者之间,生沸腾。这种钢成材率高，但不致密,按脱氧程度分,特殊镇静钢,45,（,5,）按金相组织分,珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢,按正火组织分,亚共析钢共析钢,过共析钢,按退火组织分,电弧炉炼钢,46,【,小结,】,学习内容,1,、碳钢,2,、碳钢的五种分类,47,碳钢是目前应用最为广泛的金属材料。对工农业生产、交通运输、国防乃至日常生活来说，碳钢是最基本、最重要的材料，这是因为碳钢具有下面的优点：,1,碳钢的优点：,具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜。,实际生产中使用的碳钢材料种类很多，常用的有以下四类：,一、普通碳素结构钢,（,C,：,0.06%0.38%,，硫、磷含量较高，一般不需要热处理。）,二、优质碳素结构钢,（,S,0.035% P,0.035%,，用于质量要求高的机械零件。）,三、碳素工具钢,（制造刀具、模具、量具等。）,四、铸造碳钢,48,齿轮,刀具,2,钢的编号,我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。,采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母,.,49,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（,GB/T 221,2000,）,名称,符号,位置,名称,符号,位置,碳素结构钢,Q,头,桥梁用钢,q,尾,低合金高强度钢,Q,头,锅炉用钢,g,尾,易切削钢,Y,头,焊接气瓶用钢,HP,尾,碳素工具钢,T,头,车辆车轴用钢,LZ,头,(,滚珠,),轴承钢,G,头,机车车轴用钢,JZ,头,焊接用钢,H,头,沸腾钢,F,尾,铆螺钢,ML,头,半镇静钢,b,尾,船用钢,国际符号,镇静钢,Z,尾,汽车大梁用钢,L,尾,特殊镇静钢,TZ,尾,压力容器用钢,R,尾,质量等级,A.B.C.D.E,尾,50,普通碳素结构钢,a,、牌号,Q+,最低屈服强度值,+,质量等级符号,+,脱氧方法符号,Q,表示,“,屈服强度,”,；屈服强度值单位是,MPa,；,质量等级符号为,A,、,B,、,C,、,D,、,E,。由,A,到,E,，其,P,、,S,含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号,:,沸腾钢,F,；镇静钢,Z,；半镇静钢,b,；特殊镇静钢,TZ,。,如碳素结构钢牌号表示为,Q235AF,、,Q235BZ,。,钢板,51,b,、性能、用途,52,齿轮加工,方钢,（,2,）优质碳素结构钢,a,、牌号 用两位数字表示。,这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。,如,45,钢,平均含碳量为万分之四十五（即,0.45%,）的优质碳素结构钢。,53,钢带,说明：, 含,Mn,量为,0.7,1.0%,时，在两位数字后加元素符号,“,Mn,”,，如,40Mn,。,对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母,F,和,b,，如,08F,、,10b,。, 高级优质钢在钢号后加字母,A,，如,20A,。,54,b,、性能和用途,55,(3),碳素工具钢,a,、牌号,T +,数字,T,表示,“,碳素工具钢,”,；,数字表示平均含碳量的千分之几,.,如,T8,其平均含碳量为千分之八,(0.8%C),。,说明：碳素工具钢含碳量在,0.7%,以上。都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加,“,A,”,，如,T8A,。,丝锥,锉刀,56,b,、性能,（,1,）热处理后具有高的硬度、耐磨性；,（,2,）随含碳量的增加，其硬度和耐磨性逐渐增大，韧性逐渐下降。,c,、,用途,制造形状复杂，切削速度较低（,5,米,/,分），工作温度不高（,200,以下）的工具和耐磨件。,T7,、,T8,：用于制造受冲击，需要高硬度和耐磨性的工具（工作部分,4860HRC,）。如铁锤、冲头、錾子、螺丝刀、打炮眼的钢钎、简单模具、木工工具等。,T9,、,T10,、,T11,：用于受中等冲击的工具和耐磨件（工作部分,6062HRC,）。如手工锯条、丝锥、板牙、冲模。,T12,、,T13,钢用于制造不受冲击，硬度极高的工具和耐磨件（工作部分,6265HRC,）。如锉刀、刮刀、钻头等。,57,(4),铸造碳钢（,含碳,量,0.15%0.60%,）,ZG,数字 数字,铸钢,S,b,ZG340,640,表示,S,为,340MPa,，,b,为,640MPa,的,铸造碳钢。,用途：制造形状复杂，力学性能,要求较高的机械零件。像变速箱体、水泵壳体,铸钢件,2.5,吨大齿轮铸件,58,小结：,学习内容,1,、普通碳素钢结构钢牌号、典型用途。,Q +,数字,质量等级,+,脱氧程度,屈服强度,屈服强度,（,A B C D,）（,F b Z TZ,）,数 值,差, 好,215-B. b,表示屈服强度为,215MPa,的,B,级半镇静钢。,235-A.F,表示,s,为,235MPa,的,A,级沸腾钢。,2,、优质碳素钢结构钢牌号、典型用途。,二位数字,表示平均含碳量的万分之几。,牌号,08 20 45 65 80,含碳量,0.08% 0.20% 0.45% 0.65% 0.80%,60,表示平均含碳量为,0.60%,的优质碳素结构钢。,65 Mn,表示平均含碳量为,0.65%,的较高含锰量的优质碳素结构钢。,59,小结：,学习内容,3,、碳素工具钢牌号、典型用途。,T+,数字,数字为平均含碳量的千分之几。,牌号,T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13,含碳量,0.7% 0.8% 0.9% 1.0% 1.1% 1.2% 1.3%,T7,表示平均含碳量为,0.7%,的碳素工具钢；,T12A,表示平均含碳量为,1.2%,的高级优质碳素工具钢。,4,、铸造碳钢牌号、典型用途。,ZG,数字 数字,铸钢,S,b,ZG340,640,表示,S,为,340MPa,，,b,为,640MPa,的铸造碳钢。,5,、碳钢概念及分类。,60,The End,内容总结,1。Fe 、Fe晶格类型分别是怎样的。间隙固溶体、置换固溶体。3、明确铁碳合金的分类，掌握含碳量对钢组织和性能的影响。4、理解Fe-Fe3C相图的应用，特别是钢在锻造和铸造中的应用。为了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理使用，首先必须研究铁碳合金相图。碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。1 珠光体P：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。在7270C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld。一 Fe-C相图与Fe-Fe3C相图。铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。PSK线又称A1线。一、Fe- Fe3C相图相图特性点,