鐵碳相圖及其合金

1、2024/3/30,1,鐵碳相圖及其合金,2024/3/30,2,第一節(jié) 鐵碳合金的相結(jié)構(gòu),純鐵從液態(tài)結(jié)晶后得到體心立方晶格的δ-Fe,隨后又有兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即面心立方格的γ-Fe和體心立方格的α-Fe 。碳溶入α-Fe和γ-Fe鐵中所形成的固溶體為鐵素體和奧氏體。當(dāng)含量超過(guò)鐵素體和奧氏體的溶解度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)金屬化合物相Fe3C，稱做滲碳體。碳原子溶入α-fe 中所形成的固溶體稱做高溫鐵素體。它在1400℃以上的高溫出現(xiàn)，對(duì)工程

2、上應(yīng)用的鐵碳合金的組織和性能沒有什么影響，故不作為鐵碳合金的基本相。固態(tài)鐵碳合金的基本組成相是鐵素體，奧氏體和滲碳體。,2024/3/30,3,一、鐵素體,碳原子溶入α-Fe中形成的間隙固溶體，稱做鐵素體。由于體心立方格的α-Fe的晶體格間隙半徑只有0.036nm，而碳原子半徑為0.077nm，所以鐵素體對(duì)碳的溶解度很小。在727℃時(shí)最大固溶度為0.02%,而在室溫時(shí)固溶度幾乎降為零。鐵素體的力學(xué)性能與純鐵相近，其數(shù)值如下：,抗拉強(qiáng)度R

3、m 250Mpa，,屈服強(qiáng)度RE 140Mpa,斷后延伸率A11.3 40%-50%,沖擊韌性αK 200 J/cm2,布氏硬度HBS 80,由此可見，鐵素體有優(yōu)良的塑性和韌性，但強(qiáng)度，硬度較低，在鐵碳合金中是軟韌相。鐵素體是912℃以下的平衡相，也稱做常溫相，在鐵碳相圖中用符號(hào)F表示。,2024/3/30,4,二、奧氏體,碳原子溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體，稱做奧氏體。具有

4、面心立方格的γ-Fe的間隙半徑為0.052nm，比α-Fe的間隙稍大，在1148℃時(shí)碳原子在其中的最大固溶度為2.11%。隨著溫度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃時(shí)是0.77%。奧氏體是727℃以上的平衡相，也稱高溫相。在高溫下，面心立方格晶體的奧氏體具有極好是塑性，所以碳鋼具有良好的軋、鍛等熱加工工藝性能。在鐵碳相圖中，奧氏體通常用符號(hào)A表示。,2024/3/30,5,三、滲碳體,滲碳體是鐵與碳原子結(jié)合形成的具有金屬性

5、質(zhì)的復(fù)雜間隙化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于復(fù)雜八面體結(jié)構(gòu)，分子式為Fe3C，含碳量6.69%。滲碳體的硬度很高，HV800，但極脆，塑性和韌性幾乎是零，強(qiáng)度Rm=30Mpa左右。在鐵碳合金中，它是硬脆相，是碳鋼的主要強(qiáng)化相。滲碳體在碳鋼中的含量和形態(tài)對(duì)鋼的性能有很大影響。它在鐵碳合金中可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在。在高溫時(shí)，鋼和鑄鐵中的滲碳體在一定時(shí)間會(huì)發(fā)生下面的分解反應(yīng)，析出石墨態(tài)的碳。,Fe3C → 3Fe+C（石墨）,

6、2024/3/30,6,一、相圖圖形介紹,在鐵碳合金系中，含碳量高于6.69%的鐵碳合金性能極脆，沒有使用價(jià)值。因此只研究Fe—Fe3C，即含碳量小于6.69%這一部分，通常稱為Fe—Fe3C相圖，也稱鐵碳合金相圖。在Fe—Fe3C相圖中，較穩(wěn)定的化合物Fe3C與Fe是組成二元合金的兩個(gè)組元。相圖有三個(gè)部分組成，左上角為包晶相圖。包晶相圖與共晶相圖都是具有三相平衡反應(yīng)的基本相圖，但它是在1400℃以上發(fā)生的反應(yīng)，在研究和應(yīng)用中對(duì)鐵碳合

7、金的組織和性能都沒有什么影響，故不予研究。Fe—Fe3C相圖可簡(jiǎn)化為圖2-2的形式。,第二節(jié) 鐵 碳 合 金 相 圖,2024/3/30,7,L4.3 A2.11 +Fe3C,相圖的右上部為共晶相圖，在1148℃時(shí)，含碳量4.3%的合金發(fā)生共晶反應(yīng)：,A0.77 F0.02+Fe3C,反應(yīng)生成鐵素體與滲碳體組成的機(jī)械混合

8、物共析體，稱作珠光體，以符號(hào)P表示。,以上反應(yīng)生成奧氏體與滲碳體組成的機(jī)械混合物共晶體，稱為萊氏體，以符號(hào)Ld表示。,相圖的下部為共析相圖。共析相圖與共晶相圖相似，所不同的是共晶相圖是從液相中同時(shí)析出兩個(gè)固相，產(chǎn)物稱作共晶體；而共析相圖則是從一個(gè)固相中同時(shí)析出兩個(gè)新的固相，產(chǎn)物稱作共析體。在鐵碳合金中，含碳0.77%的奧氏體在727℃時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)：,2024/3/30,8,珠光體也是鐵碳合金中室溫時(shí)的一個(gè)平衡組織，其力學(xué)性能數(shù)據(jù)如下：

9、,布氏硬度 HBS 180,斷后延伸率 A11.3 20%~25%,沖擊韌性 aK 30~40J/cm²,強(qiáng)度極限Rm 750Mpa,二、相圖中點(diǎn)、線和相區(qū)的意義,鐵碳合金相圖中主要點(diǎn)的溫度、含碳量及涵意見表2-1所示。,,,2024/3/30,9,2024/3/30,10,鐵碳合金下圖中各主要線的意義是：,,AECF為固相線。若溫度低于AECF線時(shí)，鐵碳合金凝固為

10、固體。,ECF為共晶線。若含碳量在ECF線投影范圍（2.11%～6.69%）內(nèi)，鐵碳合金在1148℃時(shí)必然發(fā)生共晶反映，形成萊氏體。,ES為碳在奧氏體中溶解度變化線，簡(jiǎn)稱Acm。從這根線可以看出，碳在秋耕氏體中的最大溶解度是在1148℃時(shí)，可溶解碳2.11%，布在727℃時(shí)，由于碳在奧氏體中的溶解度會(huì)降低，會(huì)從奧氏體中析出滲碳體。從固溶體奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體（Fe3CII）,以區(qū)別從液體中直接結(jié)晶的一次滲碳體(Fe3CI)

11、。,GS為奧氏體在冷卻過(guò)程中析出鐵素體起始溫度線,簡(jiǎn)稱A3線.,GP為奧氏體在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終止溫度線.,PSK為共析線,簡(jiǎn)稱A1線.合金含碳量在PSK線投影范圍（0.02%~6.69%）內(nèi)時(shí)，奧氏體在727℃時(shí)必然發(fā)生共析反應(yīng)，形成珠光體。,2024/3/30,11,PQ為碳在鐵素體中溶解度變化線。從該線可看出，碳在鐵素體中最大溶解度是在727℃時(shí)，可溶解碳0.0218%，在室溫僅能溶解碳0.008%。故一般鐵碳合金凡是從7

12、27℃緩冷至室溫時(shí)，均會(huì)從鐵素體中析出滲碳體，稱此滲碳體為三次滲碳體（Fe3CIII）。,因三次滲碳體數(shù)量極少，對(duì)力學(xué)性能影響不大，常予忽略。所謂一次`二次，三次滲碳體，僅在其來(lái)源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶體結(jié)構(gòu)和性能均相同。當(dāng)然，其本身細(xì)碎些，對(duì)脆性的影響就小一些。,簡(jiǎn)化的鐵碳合金下圖共有一個(gè)液相和三個(gè)固相，在相圖中分別占有四個(gè)單相區(qū)，即L，A，F(xiàn)及Fe3C;滲碳體也可作為鐵碳相圖的一個(gè)組元，它的成分是固定不變的，因此在相

13、圖上它的相區(qū)僅是一條豎直線。,相圖中有五個(gè)相區(qū)，即L+A、L+Fe3C、A+F及F+Fe3C。相圖中的兩條水平線是三相平衡線上有三個(gè)點(diǎn),分別與三個(gè)單相區(qū)以點(diǎn)相連接,當(dāng)發(fā)生三相平衡反應(yīng)時(shí),三個(gè)平衡相的成分即這三個(gè)點(diǎn)的成分,說(shuō)明了溫度和三個(gè)平衡相的成分是固定的.,從相圖可以看出，含碳量大于0.008%時(shí)任何成分的鐵碳合金在室溫時(shí)都處在F+Fe3C相區(qū)內(nèi)，即合金的相結(jié)構(gòu)都要由這兩相組成。但這兩個(gè)相的相對(duì)量不同，相的形態(tài)和分布不同，即組織不同，

14、合金的性能會(huì)在很大范圍之內(nèi)變化。,2024/3/30,12,三、典型合金結(jié)晶過(guò)程及室溫組織,工程上使用的鐵碳合金分為鋼和鑄鐵兩大類，它們的區(qū)別在于所含碳量不同。含量碳量小于2.11%的，稱為鑄鐵。,在分析鐵碳合金的平衡組織時(shí)，按照組織的不同，習(xí)慣將鋼和鑄鐵分為共析鋼，亞共析鋼，過(guò)共析鋼。共晶白口鑄鐵，亞共晶白口鑄鐵和過(guò)共晶白口鑄鐵等六種典型合金，如圖2—3所示。,2024/3/30,13,（一）共析鋼,圖2—3中合金①稱為共析鋼，其含碳

15、量為0.77%。當(dāng)溫度在1點(diǎn)以上時(shí)，合金為液相；溫度降至1點(diǎn)時(shí)，開始從液相中析出奧氏體；溫度降至1～2點(diǎn)之間時(shí)，從液相中繼續(xù)析出奧氏體。它的特點(diǎn)是液相不斷減少，固相奧氏體不斷增加。剩下的液相的成分沿AC 變化，奧氏體的成分 沿AE線變化。當(dāng)溫度降至2點(diǎn)時(shí)，合金全部線結(jié)晶成奧氏體，溫度降至2～3點(diǎn)之間時(shí)，合金為單相奧氏體，奧氏體組織不變。溫度降至3點(diǎn)，即共析點(diǎn)S時(shí)，含碳量0.77%的奧氏體在727℃溫度下發(fā)生共析反應(yīng)。從奧氏體中

16、同時(shí)析出含碳量為0.02%的鐵素體F和滲碳體Fe3C的共析組織，即珠光體P。,2024/3/30,14,珠光體是在727℃恒溫下生成的，溫度降到室溫時(shí)組織基本不發(fā)生變化。只是鐵素體的含量碳量從0.025降至幾乎為零，碳則以微量三次滲碳體的形式沉淀出來(lái)，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。,共析鋼的結(jié)晶過(guò)程如圖2—4所示。珠光體的顯微組織如圖2-5所示，鐵素體與滲碳體呈層片狀相間而生，有類似貝殼的光澤，故名珠光體。共析鋼的結(jié)晶過(guò)程用反應(yīng)式表示為：,L→L

17、+A P,2024/3/30,15,(二)亞共析鋼,含碳量低于0.77%的鋼均稱為亞共析鋼。以圖2—3中合金⑵為例，亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程，如圖2—6所示。合金從液相冷卻到1.2點(diǎn)以后，結(jié)晶出單相的奧氏體組織；溫度繼續(xù)降至2—2點(diǎn)之間時(shí)，奧氏體組織不變；當(dāng)溫度降至3點(diǎn)時(shí)，開始從奧氏體中析出鐵素體，鐵素體首先在奧氏體的晶界上形核，隨著溫度降低而長(zhǎng)大；溫度降至4點(diǎn)時(shí)，根據(jù)杠桿定

18、律先結(jié)晶出的鐵素體相的量為4S/（PS），其成分沿著GP線變化至P點(diǎn)（含碳0.02%），稱作初生鐵素體；剩下的奧氏體相的量為P4/（PS），其成分沿著GS線變化至S點(diǎn)（含碳0.77%）。這時(shí)剩下奧氏體的成分和溫度已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件，在727℃時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這樣，亞共析鋼奧氏體的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌跎F素體（圖2—7中白色晶粒），另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織（圖2—7黑色部分）。溫度將繼續(xù)降至室溫時(shí)，顯微組織基本不變（三次滲碳體

19、忽略不計(jì)） 為鐵素體+珠光體（F+P）。,2024/3/30,16,圖2－7 亞共析鋼的顯微組織,2024/3/30,17,鐵素體與珠光體的相對(duì)量可用杠桿定律在GPS相區(qū)（P+F）的PS線上計(jì)算出，稱作組織相對(duì)量。合金（2）中，珠光體量為：Qp=P4/PS×100%鐵素體量為：QF=1－Qp 或 QF=4S／PS×100%隨著亞共析鋼含碳量的增加，組織中的珠光體量增

20、加，從0%增加到100%；當(dāng)含碳量增加到0.77%時(shí)，珠光體為100%，即共析鋼組織。珠光體中的鐵素體，稱作共析鐵素體，滲碳體稱作共析滲碳體。室溫時(shí)，鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)只有鐵素體和滲碳體?？梢岳酶軛U定律在F+Fe3C的兩相區(qū)中計(jì)算出亞共析鋼鐵素體與滲碳體的相對(duì)量，稱作相的相對(duì)量：QF=（6.69－②）/（6.69－0.02）＋100%QFe3C=1－QF 式中②——亞共析鋼的含碳量。,計(jì)算出的QF為初生鐵素體與共析鐵素體之和。

21、亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程可用反應(yīng)式表示：L → L+A→ A → F＋A → F+P,2024/3/30,18,含碳量在0.77～2.11%的鋼,均統(tǒng)稱為過(guò)共析鋼.以圖2-3中合金3為例,過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程如圖2-8所示.合金從液相冷卻至1、2點(diǎn)以后，結(jié)晶出單相奧氏體組織；溫度繼續(xù)冷卻至2～3之間時(shí)，奧氏體組織不變；溫度降至3點(diǎn)時(shí)，碳在奧氏體中達(dá)到飽和，開始析出Fe3C，稱作二次滲碳體，寫作Fe3CII。Fe3CII沿著奧氏體晶界析

22、出，呈網(wǎng)狀分布(圖2－9)，隨著溫度降低，碳在奧氏體中溶解度下降，不斷析出。溫度降至4點(diǎn)（727℃）時(shí)，析出的二次滲碳體可用杠桿定律在A＋Fe3C兩相區(qū)SK線上計(jì)算出來(lái)。,（三）過(guò)共析鋼,2024/3/30,19,式中 ③—過(guò)共析鋼的含碳量剩余的奧氏體量為1－QFe3CII，其成分已沿著SE線變化至S點(diǎn)，已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件，在727時(shí)發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體的組織相對(duì)量為：Qp＝1－QFe3CII 或

23、Qp＝利用杠桿定律可以在F+Fe3C兩相區(qū)中計(jì)算出鐵素體與滲碳體相的相對(duì)量：QFe3C＝1－QF,,,QFe3CII=,Lg → L+A→ Ag → Fe3CII ＋Aτ→ Fe3CII +As Fe3CII+P,這樣計(jì)算出的QFe3C為二次滲碳體與共析滲碳體之和。過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程可用反應(yīng)式表示為：,2024/3/30,20,過(guò)共析鋼的顯微組織如圖2－9所示，圖中白色

24、的沿著晶界分布的組織即為二次滲碳體；深色部分的組織為珠光體。,過(guò)共析鋼的顯微組織如圖2－9所示,2024/3/30,21,圖2－3中合金④稱為共晶白口鐵，含碳量為4.3％，其結(jié)晶過(guò)程如圖2－10所示。含碳量4.3％的合金自液相冷卻至1點(diǎn)，即降至共晶溫度（1148）℃時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，從液相中同時(shí)析出含碳量為2.11％的奧氏體和含碳量為6.69％的滲碳體的共晶體，這種機(jī)械混合物稱為萊氏體用符號(hào)Ld表示。萊氏體組織為球狀或短桿狀的奧氏體均

25、勻分布在滲碳體基體上。溫度從1點(diǎn)繼續(xù)下降時(shí)，共晶體中的奧氏體碳的溶解度下降，不斷析出二次滲碳體，奧氏體的成分是沿著ES線變化的。溫度降至727℃時(shí)，奧氏體中的含碳量已降至0.77％，此時(shí)，奧氏體具備了共析轉(zhuǎn)變的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)槎螡B碳體加鐵素體的珠光體組織。這樣，共晶白口鐵的萊氏體組織形態(tài)不變，只是其中球狀和短桿狀的奧氏體轉(zhuǎn)變成了二次滲碳體和珠光體，而且二次滲碳體又與一次滲碳體融為一體，不大容易分辨。這種由一次滲碳體、二次滲碳鐵和珠光體

26、組成的組織稱為變態(tài)萊氏體，也有稱為低溫萊氏體，用符號(hào)L′d表示，其顯微組織如圖2－11所示。共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程可用反應(yīng)式表示為：,L A＋Fe3CI →（A＋Fe3CII）＋Fe3CI,Ld,（四）共晶白口鐵,P＋Fe3CII＋Fe3CI,2024/3/30,22,2024/3/30,23,（五）亞共晶白口鐵,含碳量高于2.11%，低于4.3%的鐵均稱為亞共晶白口鐵。以圖2-3合金5為

27、例，亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程如圖2-12所示。在共晶反應(yīng)之前，即1~2之間，從液相中已先結(jié)晶出一部分初生奧氏體A，其形態(tài)如樹枝狀（圖2－12）。冷卻到2點(diǎn)時(shí)，剩下液相的溫度和成分已具備共晶反應(yīng)的條件，遂轉(zhuǎn)化為萊氏體Ld。A與Ld的相對(duì)量可利用杠桿定律從L+A相區(qū)EC線上計(jì)算出。初生A+Ld的組織形態(tài)冷卻至室溫時(shí)變化不大，只是溫度在1148℃ 以下時(shí)，A初及共晶奧氏體中都要析出Fe3CII；冷卻至727 ℃時(shí)（即3點(diǎn)時(shí)），又具備了共析

28、反應(yīng)的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。室溫的顯微組織為二次滲碳體、樹枝珠光體及變態(tài)萊氏體，如圖2－13所示。合金的結(jié)晶過(guò)程可用反應(yīng)式表式為：,2024/3/30,24,2024/3/30,25,（六）過(guò)共晶白口鐵,含碳量為4.3%~6.69%的鐵，均統(tǒng)稱為過(guò)共晶白口鐵。以圖2－3中合金6為例，過(guò)共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程如圖2-14所示。從1點(diǎn)開始自液相中結(jié)晶出呈板條狀的一次滲碳體Fe3CI，剩下的液相在2點(diǎn)1148℃轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏Ld。所生成的Fe3CI

29、 +Ld的組織冷卻至室溫時(shí)，形態(tài)變化不大。但是在隨后的降溫過(guò)程中，從奧氏體中要析出二次滲碳體Fe3CII,冷卻至727℃（即3點(diǎn)）時(shí)又轉(zhuǎn)變成珠光體.過(guò)共晶白口鐵室溫時(shí)的顯微組織為板條狀的一次滲碳體及變態(tài)萊氏體,如圖2－15所示。 L → L＋Fe3C Ld＋Fe3CI L’d＋Fe3CI,2024/3/30,26,2024/3/30

30、,27,四、含碳量對(duì)鐵碳合金組織和力學(xué)性能的影響,含碳量小于0.02%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵,它的力學(xué)性能與鐵素體基本相同,有良好的塑性和韌性,較低的強(qiáng)度與硬度. 在鐵碳合金中含碳量變化對(duì)組織和性能影響很大.從Fe-Fe3C相圖中可看出，當(dāng)含碳量不同時(shí)，組織將變化。圖2-16為含碳量對(duì)碳鋼組織影響的示意圖。當(dāng)含碳量為0.77%時(shí)，為鐵素體+珠光體；而在過(guò)共析鋼中，組織則為珠光體+滲碳體。從示意圖中可以很清楚的得出含碳量變化后這些組織

31、的變化情況。,2024/3/30,28,含碳量變化后對(duì)力學(xué)性能的影響可見圖2-17所示。從圖中可看出，當(dāng)含碳量增加后，碳鋼的強(qiáng)度和硬度升高，而塑性和韌性則下降。,這是由于含碳量增加后，碳鋼中的滲碳體在不斷的增加。但是，含碳量超過(guò)了0.9%后，由于游離狀態(tài)的二次滲碳體自晶界析出，這些硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體包圍住珠光體的晶粒，降低了晶界之間的結(jié)合力，使鋼的脆性增加，反而使碳鋼強(qiáng)度逐漸下降。當(dāng)碳鋼的含碳量大于1.4%后，在工程上已應(yīng)用很少。,20

32、24/3/30,29,五、鐵碳合金在工程上的應(yīng)用,鐵碳合金相圖在選擇和使用材料、金屬加工、熱處理以及選配合鋼、合金鑄鐵等方面有重要作用。 鐵碳合金相圖能很好地反映鋼鐵材料的成分與組織之間的關(guān)系，可根據(jù)工程上的需要選材。,火電廠的鍋爐支架、廠房結(jié)構(gòu)、冷卻塔、起重機(jī)構(gòu)架、輸電鐵塔、鍋爐水冷壁管、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、燃料輸送設(shè)備和管道、粗細(xì)粉分離器等需要韌性、塑性好的含碳小與0.25%的碳鋼；重要的地腳螺栓、軸、齒輪等需要強(qiáng)度、韌性都較好的含碳0

33、.3%~0.5%的鋼；各類彈簧、板簧需要含碳0.5%~0.75%的鋼；而工具、模具、軸承類則需要含碳0.8%~1.3%的鋼。,白口鑄鐵的硬度高，脆性大，難于加工，只能用作拔絲模、磨煤機(jī)磨球等。如果在白口鑄鐵中加入足夠的鉻、鎳等合金元素，制成合金白口鐵，則是很好的耐磨材料，在磨煤機(jī)、碎煤機(jī)、灰渣泵、管道內(nèi)襯、噴燃器中有很廣泛的應(yīng)用。,鐵碳合金相圖是選擇熱加工工藝的重要依據(jù)，在鑄鐵、軋鍛、焊接和熱處理方面應(yīng)用很廣。,2024/3/30,30

34、,鐵碳合金相圖（與鑄鐵工藝的關(guān)系如圖2－18所示），從圖中看出，鑄鐵的澆注溫度低。越是接近共晶點(diǎn)C的鐵碳合金結(jié)晶是，液相線溫度低，合金的流動(dòng)性好；固液線距離近，偏析傾向小，所以鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)于鑄鋼。鐵碳合金相圖中有很廣闊的奧氏體區(qū)，面心立方晶格的高溫奧氏體有優(yōu)良的塑性和較好的強(qiáng)度，塑性變形抗力很低，是熱鍛、熱軋極好的組織，軋、鍛溫度一般選在圖中影線部分。鍛造的原則是始鍛（軋）的溫度不宜過(guò)高，終鍛溫度不宜過(guò)低，以防止鍛（軋）造裂紋

35、出現(xiàn)。,不同成分的鐵鑄合金冷卻后組織不同，在焊接時(shí)要選擇不同的焊接工藝。如鍋爐中有大量不同材質(zhì)的管道，其中含碳兩越低的鋼焊接性越好，含碳量增加時(shí)，隨著焊件壁厚的增加，需要預(yù)熱和焊后回火處理。鐵碳合金相圖還是鋼的熱處理重要工具和依據(jù)。,2024/3/30,31,2024/3/30,32,第三節(jié) 碳鋼,目前使用的金屬材料中，碳鋼占有重要地位。工程上使用的碳鋼一般是指含碳量不超過(guò)1.４％，且含有錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)的鐵碳合金。,一、常

36、存雜質(zhì)對(duì)碳鋼性能的影響,碳、錳、硅、硫、磷是碳鋼中的常存元素，統(tǒng)稱五大元素，在煉鋼是要對(duì)含量進(jìn)行分析和控制。碳在鋼中的影響已如前述。錳、硅、硫、磷則稱為常存雜質(zhì)，它們的含量對(duì)碳鋼的性能也有較大的影響。（1）錳的影響， 錳作為煉鋼時(shí)的脫氧劑而殘存在鋼中。它以置換固溶體的形式溶入鐵素體，可以提高鋼的強(qiáng)度。特別是它能與鋼中的硫，化合形成高熔點(diǎn)的MnS化合物，可消除硫的脆熱性，因此，錳是有益元素。在碳鋼中錳的含量一般不超過(guò)1.2%以下。(2

37、)硅的影響， 硅與錳相似，也是煉鋼脫氧是殘存在鋼中的。硅溶入鐵素體可以起固溶強(qiáng)化的作用，但含量增多是鋼變脆，一般控制在0.4%以下。,2024/3/30,33,（3）硫的影響 硫是從礦石和燃料中帶來(lái)的，雖經(jīng)煉鋼，煉鐵，還未能完全消除而殘存鋼中。硫不溶于鐵，但容易以FES的形式與FE形成低熔點(diǎn)共晶體并存在與晶界上這種共晶體在958℃時(shí)熔化，使得在1100～1200℃是軋、鍛的鋼材發(fā)生晶間開裂并報(bào)廢，稱為熱脆性，因此硫是有害元素，在鋼中的含

38、量要控制在0.055%以下。當(dāng)鋼中有錳存在是，錳與硫產(chǎn)生高熔點(diǎn)的MnS（熔點(diǎn)1620℃），可以消除硫的熱脆性。（4）磷的影響 磷也是礦石經(jīng)冶煉殘存在鋼中的有害雜質(zhì)，它可以溶入鐵素體中使鋼的韌性下降，并使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，這種現(xiàn)象稱作冷脆性。磷在鋼中的含量被限制在0.045%以內(nèi)。除了以上四種常存雜質(zhì)外，還有氫、氧、氮等殘存與鋼中，這些氣體易與形成白點(diǎn)、氣孔和非金屬夾雜物。特別是氧化夾雜，如SiO2、MnO等。這些缺陷的存在，均要使鋼

39、材質(zhì)量下降。,對(duì)于重要的電力設(shè)備零件，如汽輪機(jī)輪轂、葉片等，要求非金屬夾雜物限定在一定范圍內(nèi)。,2024/3/30,34,二、碳鋼的分類、編號(hào)和用途,（1）碳鋼的分類 碳鋼的分類方法很多，通常按照鋼的含碳量、質(zhì)量和用途分類。按含碳量分為：a 低碳鋼：含碳量≤0.25％；b 中碳鋼：含碳量在0.25％～0.6％之間c 高碳鋼：含碳量＞0.6％。按鋼的質(zhì)量分為：① 普通碳素鋼：鋼中含S≤0.055％，P≤0.045％；②

40、 優(yōu)質(zhì)碳素鋼：鋼中含S≤0.04％，P≤0.040％；③ 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼：鋼中含S≤0.030％，P≤0.035％。,2024/3/30,35,按鋼的用途分為： ① 碳素結(jié)構(gòu)鋼：用于制造工程構(gòu)件(鐵塔、鍋爐支架、廠房鋼結(jié)構(gòu)、起重設(shè)備和工程機(jī)械結(jié)構(gòu)、水冷壁管、風(fēng)管、榆粉管道、及機(jī)械零件f抽、齒輪、螺栓、螺母等)。一般為低、中碳鋼。②碳素工具鋼：用于制造各種工具、刀具、刃具、模具、軸承等。一般屬于高碳鋼。（2）碳鋼的編號(hào)及用途

41、 世界上許多工業(yè)國(guó)家都有自己的編號(hào)方法。我國(guó)碳鋼的編號(hào)方法按GB700－79分為三種。 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼的牌號(hào)是按照力學(xué)性能中的屈服強(qiáng)度分成五類來(lái)編號(hào)的,數(shù)字也大說(shuō)明屈服強(qiáng)度Rel值越高,碳鋼中的含碳量也越高;塑性也就要越低. 碳素結(jié)構(gòu)鋼用于制造螺栓、螺母、鋼板、圓鋼以及各類型鋼，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造及建筑等行業(yè)中。,2024/3/30,36,2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 （a） 正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：含錳量0.8％。編號(hào)方

42、法簡(jiǎn)單，用兩位數(shù)字表示,數(shù)字表示含碳量的萬(wàn)分之幾。,例如20號(hào)鋼、45號(hào)鋼即表示含碳量為0.20％、0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。鋼號(hào)從05、08、10、15、20……直到85。,如20Mn(20錳)或65Mn（65錳）。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分和力學(xué)性能見表2－3。,如作焊絲用的寫作H08，又如鍋爐用的20號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可寫作20g（或20鍋），20g可用作鍋爐鋼板、壓力容器和鍋爐水冷壁及小型汽包等。,（b） 較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素

43、結(jié)構(gòu)鋼：含錳量在0。7％～1．2洲之間。編號(hào)方法是在正常含錳量?jī)?yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號(hào)的后面加寫Mn(或猛)表示，,在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，對(duì)于專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)，是在鋼號(hào)前面或后面加一個(gè)表示用途的漢字或漢字的拼音符號(hào)。,2024/3/30,37,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用。低碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用作橋梁．起重及工程機(jī)械，鋼結(jié)構(gòu)件，還可滲碳后使用，制作機(jī)械零件；中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可經(jīng)調(diào)質(zhì)后制作軸、齒輪、溫度不超過(guò)450℃的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器和汽

44、缸緊因件；中、高碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用作各類彈簧、板黃和鋼絲繩等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼一般經(jīng)熱處理后使用，或在正火狀態(tài)下供應(yīng)。若含S、P量更低的叫高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，就在鋼號(hào)后面加寫A字(或高字)，如20 A(或20高)。 20 A廣泛應(yīng)用于鍋爐的水冷壁管。,3）碳素工具鋼： 碳素工具鋼的含碳量一般在65％一1. 3％之間。編號(hào)方法是用字母T(或碳)加數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的千分之幾。例如T8、T12（碳8、碳12）表示含碳量為0.8％、1

45、.2％的碳素工具鋼。鋼號(hào)為T7、T8……T13(碳7、碳8…碳13)。碳素工具鋼含S、P量均較少，屬于優(yōu)質(zhì)鋼。,若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在鋼號(hào)后加寫A字(或高字)，如T8A、T12A(碳8高、碳12高)。,2024/3/30,38,第四節(jié) 鑄鐵,鑄鐵是含碳量為2．11％一6．69％的鐵碳合金，工業(yè)上常用鑄鐵的含碳量在2．5％一4．0％之間。錳、硅、硫、磷的含量比碳鋼多。,一、概述,在工業(yè)上應(yīng)用的鑄鐵中，碳一般是以石墨狀態(tài)存在，這使得

46、鑄鐵有許多優(yōu)點(diǎn)。,（1）有優(yōu)良的鑄造性能：澆注的溫度低、流動(dòng)性好、偏析傾向小、收縮率小等。不僅適合澆鑄大型鑄件，也適合澆鑄薄小件。（2）由于石墨的存在，便于吸收機(jī)械振動(dòng)能，使之變?yōu)闊崮?。因此鑄鐵具有優(yōu)良的減震性，特別適合制作各種機(jī)床床身、設(shè)備底座等。（3）石墨本身有潤(rùn)滑作用，故鑄鐵有干式減磨性。當(dāng)有潤(rùn)滑劑存在時(shí)，由于石墨空洞有儲(chǔ)油的能力，使鑄鐵的減磨性增加。（4）由于石墨割裂了基體的連續(xù)性，鑄鐵在切削時(shí)易于斷屑，所以鑄鐵有很好的切

47、削加工工藝性能。 鑄鐵的強(qiáng)度、塑性、韌性部很差，屬于脆性材料．這是鑄鐵的根本缺點(diǎn)。它的導(dǎo)熱性差．焊接性差，鑄鐵不適合制作各類結(jié)構(gòu)件和重要零件。,2024/3/30,39,二、鑄鐵的石墨化,Fe－Fe3C相圖中，F(xiàn)e3C作為一個(gè)組元是較穩(wěn)定的相．但在鐵碳合金中，它仍是個(gè)亞穩(wěn)相，石墨才是穩(wěn)定的相。石墨具有簡(jiǎn)單六方晶體結(jié)構(gòu)，如圖2—19所示，密排面之間間隔大。結(jié)合力弱，易于剝離，它的強(qiáng)度和塑性幾乎是零。因此，石墨在鑄鐵中存在時(shí)．可看成是許多

48、空洞。 液態(tài)的鐵水可以結(jié)晶成滲碳體，也可以直接結(jié)晶成石墨，圖2—20為Fe－石墨相圖，圖中虛線是石墨析出線。含碳量為4．26％的鐵水在1154℃時(shí)可同時(shí)析出奧氏體和石墨；在1154—738℃之間時(shí)可由奧氏體中析出二次石墨， 或Fe3C發(fā)生分解產(chǎn)生石墨；在共析反應(yīng)階段，含碳0．68％的奧氏體在738℃時(shí)可同時(shí)析出鐵素體與石墨。,2024/3/30,40,2024/3/30,41,影響石墨化的因素主要是化學(xué)成分和冷卻速度。碳和硅是促進(jìn)石

49、墨化的主要元素，碳和硅的含量越高，鑄鐵的石墨化越充分；其次是冷卻速度，鑄鐵件的冷卻速度快時(shí)，易生成Fe3C而白口化。冷卻速度慢時(shí)，鑄鐵件易于石墨化。這受鑄件的壁厚和造型材料、造型工藝的影響，例如采用金屬模時(shí)冷速快，采用砂模時(shí)冷速慢。鑄鐵中析出石墨后，若石墨化進(jìn)行得徹底，將得到鐵素體基體及石墨的組織；若石墨化不完全，則得到鐵素體及珠光體基體和石墨的組織或珠光體和石墨的組織。鑄鐵的組織是在鋼的基體上分布著不同大小和形狀的石墨的組織。由于

50、石墨形態(tài)不同，鑄鐵可分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。,三、灰口鑄鐵,灰口鑄鐵是使用最廣泛的鑄鐵，占鑄鐵總量的80%。由于斷口呈暗灰色，故稱灰口鑄鐵。,2024/3/30,42,灰口鑄鐵中的石墨呈無(wú)規(guī)則的片狀，將基本割裂成許多空洞，好像許多裂縫分布在鋼的基體上，是鑄鐵的力學(xué)性能下降。圖2-22是灰口鑄鐵顯微組織圖。灰口鑄鐵中的石墨越均勻、越細(xì)小越好?；铱阼F的鐵水中用硅鈣合金作變質(zhì)處理（孕育），能細(xì)化灰口鑄鐵中的石墨，因而，可使鑄鐵的

51、強(qiáng)度提高100~200Mpa。三種不同的基體的灰口鑄鐵，以珠光體基體的強(qiáng)度為最高，但脆性也較大；鐵素體基體的灰口鑄鐵強(qiáng)度稍差一些，但脆性較小。,灰口鑄鐵的牌號(hào)用符號(hào)HT及數(shù)字表示，數(shù)字表示鑄鐵的最低抗拉強(qiáng)度值Rm。例如HT200，其中的HT即表示灰口鑄鐵，數(shù)字200表示灰口鑄鐵的Rm≥200Mpa。,灰口鑄鐵被廣泛作各種承受壓力和要求消震性的床身、軸承座、端蓋、車床尾座、工作臺(tái)、底座等工件。在電力工業(yè)中灰口鑄鐵可用作軸承蓋、油泵體、低壓

52、汽缸和中壓缸中部材料；200MW機(jī)組隔板上的導(dǎo)葉、低壓缸隔板等。,灰口鑄鐵的微觀組織 100×,2024/3/30,43,可鍛鑄鐵中石墨多為團(tuán)絮狀，其塑性和韌性高于灰口鑄鐵。圖2-23為可鍛鑄鐵的微觀組織，可鍛鑄鐵牌號(hào)用KT及數(shù)字表示，KT表示可鍛鑄鐵，后面的兩組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度Rm和最低伸長(zhǎng)率。例如，KT350-10表示Rm≥350MPa，A11.3≥10％?？慑戣T鐵是白口鑄鐵在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫下獲得的，所以生產(chǎn)周期

53、長(zhǎng)，成本高，已逐漸被球墨鑄鐵取代。,（四）可鍛鑄鐵,圖2-23 可鍛鑄鐵的微觀組織,2024/3/30,44,(五)球墨鑄鐵,球墨鑄鐵是在灰口鑄鐵澆注前加入一定量的球化劑（如Mg、Ca和RE等）進(jìn)行球化處理，同時(shí)加入變質(zhì)劑（通常加含Si75％的硅鐵）進(jìn)行變質(zhì)處理后得到的。球墨鑄鐵中石墨多為球狀，基體為鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體。球墨鑄鐵的牌號(hào)用符號(hào)QT及數(shù)字表示，QT表示球墨鑄鐵，數(shù)字表示球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和延伸率的最低值。例

54、如，QT600-02表示Rm≥600MPa，A≥2％。,由于球墨鑄鐵中石墨多為球狀，大大減少了鑄鐵的應(yīng)力集中，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且工藝簡(jiǎn)單，成本低，所以廣泛應(yīng)用于制造各種機(jī)械零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、軸瓦、齒輪、汽輪機(jī)汽缸、末級(jí)隔板、中壓閥門等。表4-5為常用球墨鑄鐵的牌號(hào)和性能。,微觀組織如圖4-3所示。,2024/3/30,45,六、合金鑄鐵,合金鑄鐵是在鑄鐵中加入合金元素，以提高其力學(xué)性能，或者提高其耐磨、耐蝕、耐熱等特殊性能

55、，又成為特殊性能鑄鐵。常用的合金鑄鐵有耐磨鑄鐵，耐蝕鑄鐵和耐熱鑄鐵。,2024/3/30,46,（一）耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵按其工作條件大體可分為兩種類型一種是在潤(rùn)滑條件下工作的，如機(jī)床導(dǎo)軌、汽缸套、活塞環(huán)和軸承等；另一種是在屋潤(rùn)滑的干摩擦條件下工作的，如火電廠煤粉制備系統(tǒng)中的碎煤機(jī)、磨煤機(jī)中的零件。后一種耐磨鑄鐵也有稱為抗磨鑄鐵的。在潤(rùn)滑條件下工作的耐磨鑄鐵，其組織為軟基體上分布有硬相組成物，以便在磨合后使軟基體有所磨損，形成構(gòu)槽，保

56、持供潤(rùn)滑用的油膜。常用的為高磷合金鑄鐵，使雜質(zhì)中的含磷量提高到0.4%～0.6%左右。其中磷在鑄鐵中形成磷化物作為硬相，鐵素體或珠光體屬于軟基體。普通高磷鑄鐵的成分為2.9%～3.2%C、1.4%～1.7%Si、0.6%～1.0%Mn、0.4%～0.65%P、小于等于0.12%S。由于普通高磷鑄鐵的強(qiáng)度和韌性較差，還常加入鉻、鉬、鎢、銅、鈦、釩等元素，構(gòu)成合金高磷鑄鐵，使其組織細(xì)化，進(jìn)一步提高力學(xué)性能和耐磨性。,2024/3/30,47

57、,在潤(rùn)滑條件下應(yīng)用的耐磨鑄鐵有釩鈦耐磨鑄鐵、鉬鉻耐磨鑄鐵、鎢系耐磨鑄鐵等。在干摩擦工況條件工作的耐磨鑄鐵，應(yīng)具有高的硬度。目前常用的有低合金耐磨鑄鐵、中錳球墨鑄鐵、高鉻鑄鐵等。低合金耐磨鑄鐵種類很多，有鎳硬鑄鐵、硼白口鑄鐵、鉻錳銅耐磨鑄鐵、鉻鉬銅耐磨鑄鐵等。中錳球墨鑄鐵是在稀土－鎂球墨鑄鐵中加入5％～9.5％的錳元素，含硅量控制在3.3％～5.0％范圍內(nèi)，其組織為馬氏體＋殘余奧氏體＋球狀石墨＋碳化物，這種組織既有一定的韌性，又有較

58、高的硬度，可用來(lái)制造球磨機(jī)磨球、襯板等既要受一定的沖擊力又希望耐磨的零部件。,2024/3/30,48,高鉻（12％～35％Cr）鑄鐵，因?yàn)楹休^多的強(qiáng)碳化物元素鉻，是無(wú)石墨的白口鑄鐵。通過(guò)熱處理后，基體可變成很硬的組織，還有許多硬的碳化物。因而硬度很高，具有優(yōu)良的耐磨性，特別是耐磨料磨損的性能。由于含鉻高，而且呈顆粒狀又比較細(xì)碎。因此，高鉻鑄鐵有一定的韌性，適當(dāng)熱處理之后還可進(jìn)行切削加工。,國(guó)內(nèi)外都十分重視對(duì)高鉻鑄鐵的研究和推廣應(yīng)用。

59、目前，還有將高鉻鑄鐵和低碳鋼符合澆鑄成金屬材料，這種復(fù)合材質(zhì)既有高硬度又有較好的韌性，因而擴(kuò)大了高鉻鑄鐵的應(yīng)用范圍。,(二)耐蝕鑄鐵耐腐蝕是個(gè)相對(duì)的概念，介質(zhì)不同時(shí)對(duì)鑄鐵的成分和組織有不同的要求。國(guó)外耐蝕鑄鐵以鎳鉻系為主，我國(guó)則以高硅系為主，此外，還有鋁系和鉻系耐蝕鑄鐵。高硅耐蝕鑄鐵中含硅量要超過(guò)13％，若再增加銅或鉬或稀土能進(jìn)一步提高耐腐蝕能力，可用于制造耐酸泵、管道、閥門等化工設(shè)備。,2024/3/30,49,（三）耐熱鑄鐵