航空工程材料（第3版）课件 3铁碳合金

第三章铁碳合金第三章：铁碳合金

概述

3.1铁碳合金及其相图

3.2碳钢

3.3铸铁CompanyLogo概述1、钢和铸铁都是铁和碳的合金，是工业上应用最广泛的重要金属材料。2、含碳量为0.0218%~2.11%的称为钢3、含碳量为2.11%~6.69%的称为铸铁。4、不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（碳钢）;5、特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢。返回

3.1铁碳合金及其相图3.1.1纯铁及其特性

3.1.2铁碳合金的基本相

3.1.3铁碳合金相图

3.1.4铁碳合金相图的应用3.1.1纯铁及其特性铁(Fe)是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是7.87g/cm3。

纯铁的强度、硬度低，塑性好。纯铁（工业纯铁）：含碳量<0.0218%性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPa

δ=30%～50%ψ=70%～80%ak=128～160J/cm2HBS=50～80图3-1纯铁的冷却曲线及晶体结构变化返回

纯铁在1538℃—体心立方晶格—δ铁（δ-Fe）冷却到1394℃—面心立方晶格—γ铁（γ-Fe）冷却到912℃—体心立方晶格—α铁（α-Fe）如继续冷却，晶格类型不再发生变化，若加热则会发生相反的变化。同素异晶（构）转变：金属具有在不同温度晶体结构不同的特性，晶格类型随温度的改变而改变。如铁、钛、钴等纯铁的同素异晶转变过程可概括为：δ-Fe

1394℃

γ-Fe912℃

α-Fe。1、同素异晶转变时，有结晶潜热产生，同时也遵循晶核形成和长大的结晶规律，与液态金属的结晶相似，故又称为重结晶。2、在纯铁中溶入其他溶质元素时，随温度的改变会有不同的固溶体产生，这些固溶体是钢铁材料的基本组织，因此，工程中才有可能通过不同的热处理来改变钢铁的组织和性能。同素异晶转变对铁碳合金的影响

3.1.2铁碳合金的基本相1.铁素体（F）定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：体心立方晶格碳溶解度：0.0218%（727℃），0.0057%（600℃），0.0008%（室温）性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaHBS=50～80δ=30%～50%ψ=70%～80%ak=160～200J/cm2铁素体室温时的性能与纯铁相似显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状，晶界曲折。图3-2铁素体的显微组织示2、奥氏体（A）定义：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织）晶格结构：面心立方晶格溶解度：0.77%(727℃)-2.11%(1148℃)温度范围：727℃-1495℃性能：σb≈400MPaHBS=170～220δ=40%～50%高塑性、无磁性奥氏体塑性、韧性好强度、硬度较低常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。奥氏体的显微组织与铁素体相似，呈多边形晶粒，但晶界较铁素体平直图3-3奥氏体的显微组织示意图3、渗碳体（Fe3C）定义：Fe与C形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能：HBS=800δ≈0ψ≈0

硬而脆→钢中强化相（耐磨性好）

Fe3C3Fe+C（石墨）弱的铁磁性(<230℃)高温渗碳体常以片状、球状、网状等形式与其他相共存，是钢中的主要强化相，其形态、大小、数量和分布对钢的性能有很大影响。

珠光体（P）-共析产物定义：F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能：σb≈750MPaHBS=180δ≈20%～25%ak=30～40J/cm2

综合性能提升补充：铁碳合金的派生组织

莱氏体（Ld或Le）－共晶产物定义：A与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。γβα共析转变：γ→α+β转变产物：共析组织Lβα共晶转变：L→α+β转变产物：共晶组织注意：共析转变与共晶转变的区别亚共析钢过共析钢共析钢亚共晶铸铁过共晶铸铁共晶铸铁奥氏体铁素体珠光体莱氏体渗碳体铸铁钢符号表示概念性能相固相固溶体铁素体F碳溶于α－Fe中的间隙固溶体具有良好的塑性和韧性，但强度硬度不高奥氏体A碳溶于γ－Fe中的间隙固溶体与溶碳量和晶粒大小有关，硬度较低而塑性较高，易于锻压成形金属化合物渗碳体Fe3C具有复杂晶格的间隙化合物硬度很高而塑性和韧性几乎为零，脆性极大液相L基本组织：

单相组织:F、A、Fe3C

莱氏体Ld:(A＋Fe3C)在共晶点上得到,

塑性韧性很差,是硬而脆的组织

变态莱氏体(Ld′):P＋Fe3C

珠光体P:(F＋Fe3C)在共析点上得到，具有良好的力学性能铁碳合金的基本相和组织3.2碳

钢3.2.1含碳量对钢的组织和性能的影响

3.2.2杂质元素对碳钢性能的影响

3.2.3碳钢的分类、牌号、性能及应用3.2.1含碳量对钢的组织和性能的影响CompanyLogoF图3-17含碳量对钢组织和力学性能的影响CompanyLogo返回

3.2.1含碳量对钢的组织和性能的影响亚共析钢:随着含碳量的增加，组织中的珠光体比例增加，铁素体比例减少，所以，它的强度、硬度随之增加，而塑性、韧性则下降。过共析钢:随着含碳量的增加，晶界上的二次渗碳体越来越多，并且逐渐形成连续的网状渗碳体。含碳量在0.9%以下，形成的网状渗碳体还不连续时，钢的强度随含碳量的增加而增加；当含碳量大于0.9%并形成连续网状渗碳体时，钢的强度开始下降。⒊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:共晶合金好铸造焊缝组织模锻切削加工3.2.2杂质元素对碳钢性能的影响1.各种杂质元素的来源2.杂质元素的种类3.各种杂质元素的作用4.各种杂质元素的含量锰、硅、硫、磷1.锰(Mn:

0.8%时为杂质)来自炼钢原料（生铁和脱氧剂锰铁）有益元素a.锰有较好的脱氧能力，可使钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量；b.锰与硫能生成MnS，以减轻硫的有害作用；c.锰大部分溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度，一部分锰能溶于渗碳体中形成合金渗碳体。碳钢中wMn=0.25％～0.8%当锰含量不高时，对钢性能影响不大。2.硅来自:生铁和脱氧剂有益元素a.与钢液中的FeO生成炉渣，消除FeO对钢质量的影响；b.强化铁素体，产生固溶强化，提高钢的强度和硬度。c.增加钢液流动性镇静钢（用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢）中wＳi=0.1%-0.4%，沸腾钢（只用锰铁脱氧）中wＳi=0.03%-0.07%当含硅量不高时，对钢性能影响不大。CompanyLogo3.硫来源：矿石和燃料有害元素硫不溶于铁，以FeS的形式存在于钢中。FeS与Fe形成低熔点共晶体，熔点为958℃，分布在奥氏体晶界上，当钢在1000℃～1200℃进行热加工时，由于晶界处共晶体熔化，导致钢开裂，产生热脆。

钢中的硫应控制在0.045%以下Mn可消除硫的有害作用。

FeS+Mn→Fe+MnS，

MnS熔点高(1620℃)4.磷磷是由矿石带入钢中的全部溶于铁素体中，提高钢的强度、硬度，但使塑性、韧性急剧下降，尤其在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。磷是钢中有害元素，

一般控制在0.045%以下。硫和磷都是钢中的有害杂质，炼钢是要尽量降低它们的含量。但有时为了改善钢的切削加工性，降低零件的表面粗糙度，钢中的硫、磷含量可适当提高，同时也适当提高含锰量。这种含硫、磷、锰较高，并有良好切削加工性的钢称为“易切削钢”。3.2.3碳钢的分类、牌号、性能及应用1）按钢的含碳量分类（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%。CompanyLogo1.碳钢的分类2）按钢的主要质量等级分类碳素结构钢碳素钢筋钢铁道用一般碳素钢严格控制质量和性能不需要特别控制质量控制晶粒度降低硫、磷含量改善表面质量机械结构用优质碳钢冲压薄板低碳结构钢焊条用碳钢优质铸造碳钢控制淬透性纯洁度保证淬透性碳钢碳素弹簧钢碳素工具钢普通质量碳钢特殊质量碳钢优质碳钢特别控制质量3）按钢的用途分类机械零件和工程构件一般属于低、中碳钢刃具、量具和模具一般属于高碳钢碳素结构钢碳素工具钢按冶炼方法:转炉钢和电炉钢按冶炼时脱氧程度:沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等其他分类方法2.碳钢的牌号、性能和应用

1）普通碳素结构钢按GB700—1988规定碳素结构钢牌号由Q（123）（A-D）5；（123屈服点数值最大值约275MPa、（A-D）质量等级、5脱氧方法）质量等级:A（wＳ＝0.050%、wＰ＝0.045%）B（wS＝0.045%、wP＝0.045%）C（wS＝0.040%、wP＝0.040%）D（wS＝0.035%、wP＝0.035%）脱氧方法用汉语拼音字首表示：“F”—沸腾钢、“b”—半镇静钢“Z”—镇静钢、“TZ”—特殊镇静钢（“Z”和“TZ”可省略）例如Q235A表示σs＝235MPa，质量等级为A级的碳素结构钢。

附表2。Q195钢、Q215钢：有一定的强度，塑性好制作薄板（如镀锌薄钢板）、钢筋、冲压件、铆钉、地脚螺栓、开口销和烟筒等，也可代替08F钢、10钢制作冲压件和焊接结构件。CompanyLogoQ235钢：强度较高制作钢筋、钢板、农业机械用型钢和不重要的机械零件，如拉杆、连接、转轴等。Q235–C钢、Q235–D钢质量较好，可制作重要的焊接结构件。Q255钢、Q275钢：强度高、质量好制作建筑、桥梁等工程上质量要求较高的焊接结构件，以及摩擦离合器、主轴、刹车钢带、吊钩等。附表2碳素结构钢牌号、化学成分和力学性能（摘自GB700—88）

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沸腾钢:脱氧不完全的碳素钢。一般用锰铁和少量铝脱氧后，钢水中还留有高于碳氧平衡的氧量，与碳反应放出一氧化碳气体。因此，在浇注时钢水在钢锭模内呈沸腾现象，故称为沸腾钢镇静钢:镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握，但是碳素钢中此类钢是值得提倡和发展的。浇注前经过中等程度脱氧处理，使钢水在凝固过程中保持一定沸腾的钢。脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间。半镇静钢的许多性能、特点，如钢锭的纯洁度、成分偏析、成材率、冲击韧性、冷冲压性能、焊接性能等都在镇静钢和沸腾钢之间。这种钢含碳量一般低于0.25%的低碳钢，可作为普通或优质碳素结构钢使用。半镇静钢表示方法是在钢号后面加字母b，如10b，25b等。2）优质碳素结构钢这类钢中有害杂质元素磷、硫受到严格限制，非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较好，主要制作重要的机械零件。牌号用两位数表示，表示钢中平均含碳量的万分数如40钢：表示平均wＣ=0.40%的优质碳素结构钢。钢中含锰量较高（WMn=0.7%～1.2%）时，在数字后面附以符号“Mn”如65Mn钢：表示平均WＣ=0.65%，并含有较多锰（WMn=0.9%～1.%）的优质碳素结构钢。按使用加工方法分为高级优质钢在数字后面加“A”；特级优质钢在数字后面加“E”；沸腾钢在数字后面加“F”；半镇静钢数字后面加“b”。优质碳素结构钢的磷、硫含量见表3-3。压力加工用钢（UP）切削加工用钢（UC）压力加工用钢（UHP）定锻用钢（UF）冷拔坯料用钢（UCD）08F钢含碳量低、强度低、塑性好一般由钢厂轧成薄板或钢带供应，可制作冲压件如外壳、容器、罩子等；10钢～25钢冷塑性变形能力和焊接性好常用来制作受力不大，韧性要求高的冲压件和焊接件如螺钉、螺母、杠杆、轴套和焊接容器等经热处理（如渗碳）后，钢材表面具有高硬度，心部有一定的强度和韧性，常用来制作承受冲击载荷的零件，如齿轮、凸轮、销、摩擦片等；30钢～55钢、40Mn钢、50Mn钢经调质处理后，可获得良好的综合力学性能主要用来制作齿轮、连杆、轴类、套筒等零件其中40钢、45钢应用广泛；60钢～85钢、60Mn钢、65Mn钢、70Mn钢经热处理后，可获得较高的弹性极限、足够的韧性和一定的强度常用来制作弹性零件和易磨损的零件如弹簧、弹簧垫圈、轧辊、犁铧等。CompanyLogo汽车曲轴弹簧齿轮表3-3优质碳素结构钢中的磷、硫含量CompanyLogo返回

附表3优质碳素结构钢的牌号和化学成分（摘自GB/T699—1999）

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牌号用“T（XX）”T代表“碳”首字母XX数字表示钢的平均含碳量的千分数CompanyLogo返回

3）碳素工具钢碳素工具钢的WＣ=0.65%～1.35%经热处理后具有较高的硬度和耐磨性制作低速切削刃具对热处理变形要求低的一般模具、低精度量具等。如T8钢，表示平均WＣ=0.8%的碳素工具钢。见附表5。若牌号末尾加“A”，则表示钢中硫、磷含量比相同含碳量的碳素工具钢少，如T10A钢的硫、磷含量比T10钢少。螺纹量规锉刀钻头附表5优质碳素结构钢中的磷、硫含量CompanyLogo返回

3.3铸铁渗碳体（结合态）

铸铁WＣ≥2.11%的铁碳合金断口暗灰的灰口铸铁碳的存在形式莱氏体共晶石墨（游离态）白口铸铁石墨的存在形态（即形状、尺寸、数量及分布）是决定铸铁组织和性能的关键。因此，了解铸铁中石墨的形成过程及其影响因素是十分必要的。3.3.1铸铁的分类

3.3.2铸铁的石墨化及其影响因素

3.3.3常用的灰口铸铁3.3铸

铁3.3.1铸铁的分类1.根据碳在铸铁中的存在形式分类（1）白口铸铁。碳除少数溶入铁素体外，其余的全部以渗碳体的形式存在于铸铁中。其断口呈银白色，故称为白口铸铁。（2）灰口铸铁。碳全部或大部分以石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色，故称为灰口铸铁。（3）麻口铸铁。碳一部分以石墨形式存在，类似灰口铁；另一部分以渗碳体存在，类似白口铸铁。因在断口上呈黑白相间的麻点，故称为麻口铸铁。2.灰口铸铁根据石墨的形态不同分类（1）灰铸铁。石墨成片状存在。（2）可锻铸铁。石墨成团絮状存在。它是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火后获得的。（3）球墨铸铁。石墨呈球状存在。它是在铁水浇注前经球化处理后获得的。（4）蠕墨铸铁。铸铁中石墨呈蠕虫状存在。3.3.3常用的灰口铸铁1.灰铸铁

1）灰铸铁的组织灰铸铁的组织可看成是碳钢的基体加片状石墨。按基体组织不同分为：铁素体基体灰铸铁铁素体—珠光体基体灰铸铁珠光体基体灰铸铁。其显微组织如图3-20所示

2）灰铸铁的性能

（1）力学性能。A:抗拉强度比相应基体的钢低很多，塑性、韧性极低。（石墨的强度极低，相当于在钢的基体上分布了许多孔洞和裂纹，分割、破坏了基体的连续性，减小了基体的有效承载截面，而且石墨的尖角处易产生应力集中，石墨片数量越多、尺寸越大、分布越不均匀，灰铸铁的抗拉强度越低。）B:抗压强度、硬度主要取决于基体，石墨对其影响不大，故灰铸铁的抗压强度和硬度与相同基体的钢相似。

当石墨存在形态一定时，铸铁的力学性能取决于基体组织:珠光体基体比铁素体基体灰铸铁的强度、硬度、耐磨性均高，但塑性、韧性低；铁素体—珠光体基体灰铸铁的性能介于两者之间。灰铸铁的抗压强度一般是其抗拉强度的3倍～4倍。（2）其他性能。铸铁具有下列优良性能:①铸造性好：灰铸铁熔点低、流动性好。在结晶过程中析出比体积（俗称比容）较大的石墨，部分补偿了基体的收缩，所以收缩率较小。②减振性好：石墨割裂了基体，阻止了振动的传播，并将振动能量转变为热能而消失，其减振能力比钢高10倍左右。③减摩性好：石墨本身有润滑作用，石墨从基体上剥落后所形成的孔隙有吸附和储存润滑油的作用，可减少磨损。④切削加工性能好：片状石墨割裂了基体，使切屑易脆断，且石墨有减摩作用，减小了刀具的磨损。⑤缺口敏感性低：铸铁中石墨的存在就相当于许多微裂纹，致使外来缺口的作用相对减弱。3）灰铸铁的孕育处理目的：提高灰铸铁的力学性能孕育处理：浇注前向铁液中加入一定量的孕育剂，以获得大量、高度弥散的人工晶核，从而得到细小、均匀分布的片状石墨和细化的基体。经孕育处理后获得的亚共晶灰铸铁，称为孕育铸铁。孕育铸铁：强度较高，塑性和韧性有所提高，常用于力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的大型铸件。孕育铸铁：结晶过程几乎是在全部铁液中同时进行，可以避免铸件边缘及薄壁处出现白口组织，使铸件各部位截面上的组织和性能均匀一致。4）灰铸铁的牌号及用途

牌号是由“HTXXX”（“灰铁”二字首字母和一组数字组成）数字表示：30mm试棒的最小抗拉强度值（MPa）。灰铸铁的牌号、性能及用途见附表6。设计铸件时，应根据铸件受力处的主要壁厚或平均壁厚选择铸铁牌号。CompanyLogo附表6灰铸铁牌号、不同壁厚铸件的力学性能和用途(摘自GB9439—88)

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2.球墨铸铁

1）球墨铸铁的组织球墨铸铁是铁液经球化处理而不是在凝固后经过热处理，使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。按基体组织不同：铁素体球墨铸铁铁素体—珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁贝氏体球墨铸铁(a)铁素体基体(b)铁素体-珠光体基体(c)珠光体基体(d)下贝氏体基体2）球墨铸铁的性能球墨铸铁的力学性能比灰铸铁高得多(球状石墨对基体的割裂作用和应力集中现象明显减小)。疲劳强度与中碳钢