第五章 铁碳合金
12009年 7月 19日星期日
Ch5 铁碳合金
§ 1 铁碳合金的相结构与性能
§ 2 铁碳合金相图
§ 3 碳钢第五章 铁碳合金
22009年 7月 19日星期日
碳在 α-Fe中的间隙固溶体称为 α铁素体,简称为铁素体 (F );最大溶碳量为 727℃ 时的 wc=0.0218%,最小为室温时的 wc=0,0008%; 性能为,σb180~280MPa、
σ0.2100~170MPa,δ30%~50%,αk160~200J/㎝ 2,硬度 ~80HBS 。
碳在 δ-Fe中形成的间隙固溶体称为 δ铁素体,(δ),最大溶碳量为 1495℃ 时的 0.09% 。
§ 1铁碳合金的性能与相结构一、铁素体( Ferrite)
第五章 铁碳合金
32009年 7月 19日星期日
碳在 γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 (A),
最高溶碳量为 1148℃ 时的 wc=2.11%,最小为
727℃ 时的 wc=0.77% ; 奥氏体具有高塑性,
低硬度和强度,其力学性能为,σb400MPa、
δ40%~50%,170~220HBS。
奥氏体主要存在于 727℃ 以上的高温范围内,
利用这一特性,工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形 。
二、奥氏体( Austenite)
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
42009年 7月 19日星期日三、渗碳体( Cementite)
渗碳体是指晶体点阵为正交点阵,化学式近似于 Fe3C的一种间隙式化合物,用符号 Fe3C表示,
其含碳量为 wc=6.69%,渗碳体具有很高的硬度和耐磨性,脆性很大,其力学性能指标大致为:
硬度 800HBW,抗拉强度 (σb)30MPa,伸长率
(δ)~0,冲击韧度 (αk)~0。
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
52009年 7月 19日星期日四、珠光体( Pearlite)
F+ Fe3C的一种机械混合物,用符号 P表示,其组织为层片状结构,综合了铁素体和渗碳体优点,其综合力学性能好 。
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
62009年 7月 19日星期日五、莱氏体( Ledeburite)
莱氏体是由 A+ Fe3C组成的一种机械混合物,用符号 Ld表示,其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体,主要体现了渗碳体特点,硬而脆 。
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
72009年 7月 19日星期日一,Fe-Fe3C相图
§ 2 铁碳合金相图简化相图第五章 铁碳合金
82009年 7月 19日星期日
Fe-Fe3C相图分析
§ 2 铁碳合金相图
点,A,G,Q,(D);
E,P; C,S
线,ACD,AECF;
ECF,PSK;
ES,PQ;
AE,GS;
区:单相区两相区三相区 简化相图第五章 铁碳合金
92009年 7月 19日星期日
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
102009年 7月 19日星期日二、典型合金的结晶过程
根据成分,铁碳合金的分类:
工业纯铁,Wc< 0.0218%
钢,Wc0.0218~ 2.11%
亚共析钢 ( 0.0218% < wc< 0.77%
共析钢 ( wc= 0.77% )
过共析钢 ( 0.77% < wc< 2.11% ) ;
白口铁(生铁),Wc2.11~ 6.69%
亚共晶白口铸铁( 2.11%< wc< 4.3%
共晶白口铸铁( wc= 4.3%)
过共晶白口铸铁( 4.3%< wc< 6.69%);
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
112009年 7月 19日星期日共析钢的结晶过程 § 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
122009年 7月 19日星期日
亚共析钢的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
132009年 7月 19日星期日
过共析钢的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
142009年 7月 19日星期日
过共析钢的显微组织:
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
152009年 7月 19日星期日
共晶白口铁的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
162009年 7月 19日星期日
亚共晶白口铁的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
172009年 7月 19日星期日
过共晶白口铁的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
182009年 7月 19日星期日三、铁碳合金的成分与性能的关系
Fe-C合金相组成物、组织组成物的相对量
F→F+Fe 3CⅢ →F+P→P→P+Fe 3CⅡ →P+Fe 3CⅡ +Ld/→Ld /→Ld /+Fe3CⅠ
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
192009年 7月 19日星期日三、铁碳合金的成分与性能的关系含碳量对铁碳合金力学性能的影响
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
202009年 7月 19日星期日一、常存杂质对碳钢性能的影响
硅和锰的影响
硅,锰均可固溶于铁素体中,使钢的强度,
硬度升高 — 固溶强化 。 硅在提高强度,硬度的同时,还显著地降低了钢的塑性,韧性;
另外硅与氧容易生成脆性夹杂物 SiO2,也对钢的性能不利 。
锰易与钢中的硫生成 MnS塑性夹杂物,可降低硫的有害作用 — 热脆,但 MnS量过多时也会恶化钢的性能 。 作为杂质元素存在时,Si、
Mn量一般控制在规定值之下 (wSi< 0.5%,
wMn< 0.8%),此时它们是有益元素 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
212009年 7月 19日星期日
硫的影响
硫与铁生成熔点为 1190℃ 左右的 FeS,且 FeS常与 Fe
一起形成低熔点 ( 约 989℃ ) 的共晶体,分布在奥氏体晶界上;当钢进行热加工时 ( 如在 900~ 1200℃ 锻造或轧制,焊接等 ),共晶体将熔化,使钢的强度,
尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂,这种现象称为热脆 。 增加钢中的含锰量,使 S与 Mn优先生成高熔点 ( 约 1620℃ ) 的 MnS,从而避免热脆 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
222009年 7月 19日星期日
磷的影响
磷主要溶于铁素体中,它虽然有明显的提高强度,硬度的作用,但也剧烈地降低了钢的塑性,韧性,尤其是低温韧性,并使冷脆转化温度升高;此外,过多的磷也会生成极脆的 Fe3P化合物,且易偏析于晶界上而增加脆性,这种现象称为冷脆 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
232009年 7月 19日星期日
由于 硫、磷 均增加了钢的脆性,故一般是 有害元素,需要严格控制其含量;
硫、磷含量高低大大地影响了钢的质量,据此,钢可分为 普通质量钢、优质钢和高级优质钢 。
在易切削钢中,硫、磷却是有益元素,
可改善钢的切削加工性,这种钢便是易切削钢。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
242009年 7月 19日星期日
气体元素的影响 [H]
氢可引起,氢脆,,使零件在工作时出现灾难性的突然脆断 。
一般出现在合金钢的大型锻,轧件,且钢的强度越高,氢脆倾向越大,如电站汽轮机主轴,钢轨,电镀刺刀等氢脆断裂 。 实际生产中,常通过锻后保温缓冷措施或预防白点退火工艺来降低钢件的氢脆倾向 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
252009年 7月 19日星期日
气体元素的影响 [N]
氮固溶于铁素体中将引起,应变时效,,即冷塑性变形的低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加而塑性,韧性降低的现象 。
应变时效对锅炉,化工容器及深冲压零件极为不利,增加零件脆性断裂的可能性 。
若钢含有与 N亲合力大的 Al,V,Ti,Nb等元素而形成细小弥散分布的氮化物,可 细化晶粒,提高钢的强韧性,并能降低 N的应变时效作用,此时 N又变成了有益元素 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
262009年 7月 19日星期日
气体元素的影响 [O]
氧少部分溶于铁素体中,大部分以各种氧化物夹杂的形式存在,将使钢的强度,塑性与韧性,尤其是疲劳性能降低,故应对钢液进行脱氧 。 依据浇注前钢液脱氧程度不同,
可将钢分为 镇静钢 ( 充分脱氧钢 ),沸腾钢
( 不完全脱氧钢 ) 和介于两者之间的 半镇静钢,显然镇静钢的质量和性能较佳,用于制造重要零件 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
272009年 7月 19日星期日二、碳钢的分类
按钢的含碳量分类:
低碳钢,Wc<0.25%
中碳钢,Wc0.25~0.6%
高碳钢,Wc>0.6%
按钢的质量分类:
普通碳素钢,Ws<0.055% Wp<0.045%
优质碳素钢,Wp Ws<0.040%
高级优质碳素钢,Ws<0.030% Wp<0.035%
按钢的用途分类:
碳素结构钢:制造各种工程构件和机器零件
碳素工具钢:制造各种刀具、量具、模具
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
282009年 7月 19日星期日三、碳钢的编号和用途
普通碳素结构钢
五类 20种,Q235中 Q— 屈服强度,235为?sMPa
优质碳素结构钢
平均含碳量的万分数
碳素工具钢
T7( A),T— 碳素工具钢,7_平均含碳量的千分数
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
292009年 7月 19日星期日普通碳素结构钢 〔 表 5-2〕 P57
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
302009年 7月 19日星期日优质碳素结构钢
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
312009年 7月 19日星期日碳素工具钢
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
322009年 7月 19日星期日实验一 ① 铁碳合金硬度测试
② 平衡组织观测(第 4周)
第一组 253~450 周二( 15:45-)
第二组 074~139 周三( 12:30-)
第三组 141~250 周三 ( 14:00-)
第四组 002~072 周四 ( 15:45-)
地 点:实验楼 420,422 杨顺贞老师第五章 铁碳合金
332009年 7月 19日星期日课后作业:
P7 (Ch4) 第 4题、第 8题( Wc0.6%)
第 12题、第 17题课内作业:
1、对某碳素钢进行金相分析,其组织为 P+Fe3C网,其中 P为
98%,请问此碳素钢的含碳量大约是多少?
2、铁碳合金中的组织有哪些,简述其性能特点。
第五章 铁碳合金
342009年 7月 19日星期日
1.分析含碳量 wc分别为 0.45%,1.2%的铁碳合金在极缓慢冷却时的组织转变过程,绘出室温组织示意图并在图上标明组织组成物名称。
2.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。
3.根据 Fe-Fe3C相图计算:
⑴ 室温下,wc0.2%的钢中珠光体和铁素体相对量。
⑵ 室温下,wc为 1.2%的钢中珠光体和二次渗碳体的相对量。
⑶ 727℃ 共析反应刚完成时,珠光体中铁素体和渗碳体的相对量。
⑷ wc为 1.2%的钢在 1400℃,1100℃ 和 800℃ 时奥氏体中的含碳量。
习 题第五章 铁碳合金
352009年 7月 19日星期日
4.某仓库中的钢材经金相分析后发现组织为 P+F,其中 F占 80%。问此钢的含碳量大约为多少?
5,现有形状和尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金,它们的含碳量 wc分别为 0.20%,0.40%,1.2%、
3.5%,根据你所学的知识可用哪些方法来区别它们?
习 题
12009年 7月 19日星期日
Ch5 铁碳合金
§ 1 铁碳合金的相结构与性能
§ 2 铁碳合金相图
§ 3 碳钢第五章 铁碳合金
22009年 7月 19日星期日
碳在 α-Fe中的间隙固溶体称为 α铁素体,简称为铁素体 (F );最大溶碳量为 727℃ 时的 wc=0.0218%,最小为室温时的 wc=0,0008%; 性能为,σb180~280MPa、
σ0.2100~170MPa,δ30%~50%,αk160~200J/㎝ 2,硬度 ~80HBS 。
碳在 δ-Fe中形成的间隙固溶体称为 δ铁素体,(δ),最大溶碳量为 1495℃ 时的 0.09% 。
§ 1铁碳合金的性能与相结构一、铁素体( Ferrite)
第五章 铁碳合金
32009年 7月 19日星期日
碳在 γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 (A),
最高溶碳量为 1148℃ 时的 wc=2.11%,最小为
727℃ 时的 wc=0.77% ; 奥氏体具有高塑性,
低硬度和强度,其力学性能为,σb400MPa、
δ40%~50%,170~220HBS。
奥氏体主要存在于 727℃ 以上的高温范围内,
利用这一特性,工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形 。
二、奥氏体( Austenite)
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
42009年 7月 19日星期日三、渗碳体( Cementite)
渗碳体是指晶体点阵为正交点阵,化学式近似于 Fe3C的一种间隙式化合物,用符号 Fe3C表示,
其含碳量为 wc=6.69%,渗碳体具有很高的硬度和耐磨性,脆性很大,其力学性能指标大致为:
硬度 800HBW,抗拉强度 (σb)30MPa,伸长率
(δ)~0,冲击韧度 (αk)~0。
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
52009年 7月 19日星期日四、珠光体( Pearlite)
F+ Fe3C的一种机械混合物,用符号 P表示,其组织为层片状结构,综合了铁素体和渗碳体优点,其综合力学性能好 。
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
62009年 7月 19日星期日五、莱氏体( Ledeburite)
莱氏体是由 A+ Fe3C组成的一种机械混合物,用符号 Ld表示,其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体,主要体现了渗碳体特点,硬而脆 。
§ 1铁碳合金的性能与相结构第五章 铁碳合金
72009年 7月 19日星期日一,Fe-Fe3C相图
§ 2 铁碳合金相图简化相图第五章 铁碳合金
82009年 7月 19日星期日
Fe-Fe3C相图分析
§ 2 铁碳合金相图
点,A,G,Q,(D);
E,P; C,S
线,ACD,AECF;
ECF,PSK;
ES,PQ;
AE,GS;
区:单相区两相区三相区 简化相图第五章 铁碳合金
92009年 7月 19日星期日
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
102009年 7月 19日星期日二、典型合金的结晶过程
根据成分,铁碳合金的分类:
工业纯铁,Wc< 0.0218%
钢,Wc0.0218~ 2.11%
亚共析钢 ( 0.0218% < wc< 0.77%
共析钢 ( wc= 0.77% )
过共析钢 ( 0.77% < wc< 2.11% ) ;
白口铁(生铁),Wc2.11~ 6.69%
亚共晶白口铸铁( 2.11%< wc< 4.3%
共晶白口铸铁( wc= 4.3%)
过共晶白口铸铁( 4.3%< wc< 6.69%);
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
112009年 7月 19日星期日共析钢的结晶过程 § 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
122009年 7月 19日星期日
亚共析钢的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
132009年 7月 19日星期日
过共析钢的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
142009年 7月 19日星期日
过共析钢的显微组织:
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
152009年 7月 19日星期日
共晶白口铁的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图显微组织第五章 铁碳合金
162009年 7月 19日星期日
亚共晶白口铁的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
172009年 7月 19日星期日
过共晶白口铁的结晶过程:
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
182009年 7月 19日星期日三、铁碳合金的成分与性能的关系
Fe-C合金相组成物、组织组成物的相对量
F→F+Fe 3CⅢ →F+P→P→P+Fe 3CⅡ →P+Fe 3CⅡ +Ld/→Ld /→Ld /+Fe3CⅠ
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
192009年 7月 19日星期日三、铁碳合金的成分与性能的关系含碳量对铁碳合金力学性能的影响
§ 2 铁碳合金相图第五章 铁碳合金
202009年 7月 19日星期日一、常存杂质对碳钢性能的影响
硅和锰的影响
硅,锰均可固溶于铁素体中,使钢的强度,
硬度升高 — 固溶强化 。 硅在提高强度,硬度的同时,还显著地降低了钢的塑性,韧性;
另外硅与氧容易生成脆性夹杂物 SiO2,也对钢的性能不利 。
锰易与钢中的硫生成 MnS塑性夹杂物,可降低硫的有害作用 — 热脆,但 MnS量过多时也会恶化钢的性能 。 作为杂质元素存在时,Si、
Mn量一般控制在规定值之下 (wSi< 0.5%,
wMn< 0.8%),此时它们是有益元素 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
212009年 7月 19日星期日
硫的影响
硫与铁生成熔点为 1190℃ 左右的 FeS,且 FeS常与 Fe
一起形成低熔点 ( 约 989℃ ) 的共晶体,分布在奥氏体晶界上;当钢进行热加工时 ( 如在 900~ 1200℃ 锻造或轧制,焊接等 ),共晶体将熔化,使钢的强度,
尤其是韧性大大下降而产生脆性开裂,这种现象称为热脆 。 增加钢中的含锰量,使 S与 Mn优先生成高熔点 ( 约 1620℃ ) 的 MnS,从而避免热脆 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
222009年 7月 19日星期日
磷的影响
磷主要溶于铁素体中,它虽然有明显的提高强度,硬度的作用,但也剧烈地降低了钢的塑性,韧性,尤其是低温韧性,并使冷脆转化温度升高;此外,过多的磷也会生成极脆的 Fe3P化合物,且易偏析于晶界上而增加脆性,这种现象称为冷脆 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
232009年 7月 19日星期日
由于 硫、磷 均增加了钢的脆性,故一般是 有害元素,需要严格控制其含量;
硫、磷含量高低大大地影响了钢的质量,据此,钢可分为 普通质量钢、优质钢和高级优质钢 。
在易切削钢中,硫、磷却是有益元素,
可改善钢的切削加工性,这种钢便是易切削钢。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
242009年 7月 19日星期日
气体元素的影响 [H]
氢可引起,氢脆,,使零件在工作时出现灾难性的突然脆断 。
一般出现在合金钢的大型锻,轧件,且钢的强度越高,氢脆倾向越大,如电站汽轮机主轴,钢轨,电镀刺刀等氢脆断裂 。 实际生产中,常通过锻后保温缓冷措施或预防白点退火工艺来降低钢件的氢脆倾向 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
252009年 7月 19日星期日
气体元素的影响 [N]
氮固溶于铁素体中将引起,应变时效,,即冷塑性变形的低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加而塑性,韧性降低的现象 。
应变时效对锅炉,化工容器及深冲压零件极为不利,增加零件脆性断裂的可能性 。
若钢含有与 N亲合力大的 Al,V,Ti,Nb等元素而形成细小弥散分布的氮化物,可 细化晶粒,提高钢的强韧性,并能降低 N的应变时效作用,此时 N又变成了有益元素 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
262009年 7月 19日星期日
气体元素的影响 [O]
氧少部分溶于铁素体中,大部分以各种氧化物夹杂的形式存在,将使钢的强度,塑性与韧性,尤其是疲劳性能降低,故应对钢液进行脱氧 。 依据浇注前钢液脱氧程度不同,
可将钢分为 镇静钢 ( 充分脱氧钢 ),沸腾钢
( 不完全脱氧钢 ) 和介于两者之间的 半镇静钢,显然镇静钢的质量和性能较佳,用于制造重要零件 。
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
272009年 7月 19日星期日二、碳钢的分类
按钢的含碳量分类:
低碳钢,Wc<0.25%
中碳钢,Wc0.25~0.6%
高碳钢,Wc>0.6%
按钢的质量分类:
普通碳素钢,Ws<0.055% Wp<0.045%
优质碳素钢,Wp Ws<0.040%
高级优质碳素钢,Ws<0.030% Wp<0.035%
按钢的用途分类:
碳素结构钢:制造各种工程构件和机器零件
碳素工具钢:制造各种刀具、量具、模具
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
282009年 7月 19日星期日三、碳钢的编号和用途
普通碳素结构钢
五类 20种,Q235中 Q— 屈服强度,235为?sMPa
优质碳素结构钢
平均含碳量的万分数
碳素工具钢
T7( A),T— 碳素工具钢,7_平均含碳量的千分数
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
292009年 7月 19日星期日普通碳素结构钢 〔 表 5-2〕 P57
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
302009年 7月 19日星期日优质碳素结构钢
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
312009年 7月 19日星期日碳素工具钢
§ 3 碳 钢第五章 铁碳合金
322009年 7月 19日星期日实验一 ① 铁碳合金硬度测试
② 平衡组织观测(第 4周)
第一组 253~450 周二( 15:45-)
第二组 074~139 周三( 12:30-)
第三组 141~250 周三 ( 14:00-)
第四组 002~072 周四 ( 15:45-)
地 点:实验楼 420,422 杨顺贞老师第五章 铁碳合金
332009年 7月 19日星期日课后作业:
P7 (Ch4) 第 4题、第 8题( Wc0.6%)
第 12题、第 17题课内作业:
1、对某碳素钢进行金相分析,其组织为 P+Fe3C网,其中 P为
98%,请问此碳素钢的含碳量大约是多少?
2、铁碳合金中的组织有哪些,简述其性能特点。
第五章 铁碳合金
342009年 7月 19日星期日
1.分析含碳量 wc分别为 0.45%,1.2%的铁碳合金在极缓慢冷却时的组织转变过程,绘出室温组织示意图并在图上标明组织组成物名称。
2.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体的异同之处。
3.根据 Fe-Fe3C相图计算:
⑴ 室温下,wc0.2%的钢中珠光体和铁素体相对量。
⑵ 室温下,wc为 1.2%的钢中珠光体和二次渗碳体的相对量。
⑶ 727℃ 共析反应刚完成时,珠光体中铁素体和渗碳体的相对量。
⑷ wc为 1.2%的钢在 1400℃,1100℃ 和 800℃ 时奥氏体中的含碳量。
习 题第五章 铁碳合金
352009年 7月 19日星期日
4.某仓库中的钢材经金相分析后发现组织为 P+F,其中 F占 80%。问此钢的含碳量大约为多少?
5,现有形状和尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金,它们的含碳量 wc分别为 0.20%,0.40%,1.2%、
3.5%,根据你所学的知识可用哪些方法来区别它们?
习 题