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1、第4章铁碳合金相图与碳钢第1页，共41页，编辑于2022年，星期一4.1 Fe-Fe3C 相图本课程的重点中的重点本课程的重点中的重点是热处理的基础是热处理的基础要求能要求能画出相图画出相图，标出，标出重要温度点和成分点重要温度点和成分点能标出所有区域的能标出所有区域的相组成相组成和和组织组成组织组成。第2页，共41页，编辑于2022年，星期一Fe-Fe3C 相图分析0.09 0.17 0.5314956.69L+Fe3C第3页，共41页，编辑于2022年，星期一0.09 0.17 0.5314956.69相图中点、线、区的意义 点的意义点的意义：A：纯铁的熔点：纯铁的熔点：1538；D：Fe
2、3C的熔点：的熔点：1227；N：纯铁同素异构转变点，：纯铁同素异构转变点，Fe(1394)-Fe；G:纯铁同素异构转变点，纯铁同素异构转变点，-Fe（912）Fe；S：共析点，：共析点，AS(727)P(FP+Fe3C)；C:C:共晶点，共晶点，L LC C(1148)(1148)Ld(ALd(AE E+Fe+Fe3 3C)C)；E E：碳在：碳在A A体中的最大溶解度点，体中的最大溶解度点，11481148溶解溶解2.11%2.11%的碳；亦是的碳；亦是钢钢与生与生铁铁（铸铁）（铸铁）的分界点；的分界点；L+Fe3C第4页，共41页，编辑于2022年，星期一线的意义线的意义液相线液相线 A
3、BCD固相线固相线 AHJECF恒温转变水平线恒温转变水平线HJB 包晶转变包晶转变H H+L+LB B A AJ J(1495)(1495)ECF 共晶转变共晶转变 LCLLd d(A(AE E+Fe3C)+Fe3C)(1148)PSK 共析转变共析转变 A AS SP(FP(FP P+Fe3C)+Fe3C)(727)(727)GS线：线：AF,AF,亦称亦称A A3 3线；线；ES线线：AFeAFe3 3C,C,亦称亦称A Acmcm线线 0.09 0.17 0.5314956.69莱氏体(Ld)-奥氏体和渗碳体混合物珠光体（P）-铁素体和渗碳体层片状混合物L+Fe3C第5页，共41页，编
4、辑于2022年，星期一 区的意义：区的意义：（1）单相区：）单相区：L、A、F；（2）两相区：）两相区：L+、L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、+A+A、A+FA+F、A+FeA+Fe3 3C CF+FeF+Fe3 3C C（3）三相共存点：三相共存点：J J点：点：(L+A)(L+A)C C点：（点：（L+A+FeL+A+Fe3 3C C）；）；S S点：（点：（A+F+FeA+F+Fe3 3C C）；）；0.09 0.17 0.5314956.69L+Fe3C第6页，共41页，编辑于2022年，星期一相图中的组织组成1227(I)第7页，共41页，编辑于2022年，星期一三个恒温
5、转变包晶转变：包晶转变：恒温下由一定成分恒温下由一定成分的固相和一定成分的液相相互的固相和一定成分的液相相互作用形成另一种成分的新固相。作用形成另一种成分的新固相。共晶转变：共晶转变：恒温下由一定成恒温下由一定成分的液相转变为两种一定成分的液相转变为两种一定成分的固相。分的固相。共析转变：共析转变：恒温下由一定恒温下由一定成分的固相转变为两种一成分的固相转变为两种一定成分的固相。定成分的固相。第8页，共41页，编辑于2022年，星期一珠光体P：（Pearlite）共析转变产物，AP(F+Fe3C)第9页，共41页，编辑于2022年，星期一莱氏体Ld/Ld:(Ledeburite)，共晶转变产物
6、，LLd(A+Fe3C)Ld（P+Fe3C）；第10页，共41页，编辑于2022年，星期一典型合金组织转变分析及其相组成和典型合金组织转变分析及其相组成和组织组成的计算组织组成的计算第11页，共41页，编辑于2022年，星期一铁铁-碳合金相图中钢的平衡组织转变碳合金相图中钢的平衡组织转变铁碳平衡合金三种类型：工业纯铁、钢及白口铸铁铁碳平衡合金三种类型：工业纯铁、钢及白口铸铁钢又可分成下列三种类型：钢又可分成下列三种类型：共析钢共析钢:Wc=0.77%（即（即S点成分）的钢；点成分）的钢；亚共析钢亚共析钢:Wc=0.02%0.8%（即（即PS点之间成分）的钢点之间成分）的钢过共析钢过共析钢:Wc
7、=0.8%2.11%（即（即SE点之间成分）的钢点之间成分）的钢而白口铸铁又可分成下列三种类型：而白口铸铁又可分成下列三种类型：共晶白口铸铁（共晶白口铸铁（C点成分，点成分，Wc=4.3%）；）；亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（C点以左，点以左，Wc=2.11%4.3%）；）；过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（C点以右，点以右，Wc=4.3%6.69%）第12页，共41页，编辑于2022年，星期一1227工业纯铁工业纯铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁共析钢共析钢过共析钢过共析钢过共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁共晶白口铁亚共析钢亚共析钢(I)第13页，共41页，编辑于2022年，星期一12270.02
8、%0.40%1.2%0.77%2.11%3.0%4.3%5.0%(I)第14页，共41页，编辑于2022年，星期一(1)工业纯铁（C0.01%）：LL+AAA+FFF+Fe3C 12270.01%WF=（6.69-0.01）/6.69=99.85%WFe3C=1-WF=0.015%(I)第15页，共41页，编辑于2022年，星期一1227040%L L+A A F+A F+P 相组成：WF=(6.69-0.40)/6.69=94.%组织组成：WP=(0.40-0.0218)/(0.77-0.0218)=50.5%亚共析钢(I)第16页，共41页，编辑于2022年，星期一12270.77%共析钢
9、（C0.77%）：LL+AAP 相组成：WF=(6.69-0.77)/6.69=88.4组织组成：WP=100%(I)第17页，共41页，编辑于2022年，星期一12271.2%过共析钢（C1.2%）：L L+A A A+Fe3C P+Fe3C 相组成:WF=(6.69-1.2)/6.69=82%组织组成：WP=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)(I)第18页，共41页，编辑于2022年，星期一12272.11%相组成：WF=(6.69-2.11)/6.69=68.5%组织组成：WP=(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=77%WFe3CII=1-WF=23%(I)第19页
10、，共41页，编辑于2022年，星期一12273.0%亚共晶白口铁（C3.0%）：LL+AA+LdA+FeLL+AA+LdA+Fe3 3C C+LdP+Fe+LdP+Fe3 3C C+Ld+Ld 相组成：WF=(6.69-3.0)/6.69=55%组织组成WLd=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=40.6%WP=(6.69-2.11)/(6.69-0.77)*(1-40.6%)=59.4%*77%=45.7%WFe3CII=1-40.6%-45.7%=13.7%(I)第20页，共41页，编辑于2022年，星期一12274.3%共晶白口铁（C4.3%）LLdLdLLdLd 相组成：WF=
11、(6.69-4.3)/6.69=35.7%组织组成：Ld=100%(I)第21页，共41页，编辑于2022年，星期一1227过共晶白口铁（C5.0%）：LL+FeLL+Fe3 3C CLd+FeLd+Fe3 3C CLd+FeLd+Fe3 3C C 5.0%相组成：WF=(6.69-5.0)/6.69=25.3%组织组成 WLd=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=70.7%WFe3CI=29.3%(I)第22页，共41页，编辑于2022年，星期一1227100 0FFe3C相组成百分含量共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁组织组成百分含量FPFe3CIIFe3CI
12、Ld(I)第23页，共41页，编辑于2022年，星期一n组织组成物与相组成物组织组成物与相组成物标注区别主要在标注区别主要在+Fe3C和和+Fe3C两个相两个相区区.+Fe3C相区中有相区中有四个四个组织组成物区，组织组成物区，+Fe3C相区中有相区中有七个七个组织组成物区。组织组成物区。铁碳合金相图上铁碳合金相图上相相和和组织组织的标注的标注+Fe3C+Fe3C 第24页，共41页，编辑于2022年，星期一FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+Le
13、P+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温温度度第25页，共41页，编辑于2022年，星期一C含量的增加Fe3C 百分含量增加Fe3C 分布和形态发生变化铁素体晶界薄片珠光体中的层片状沿原奥氏体晶界分布的网状莱氏体中的基体分布在莱氏体上的粗大片状碳含量对碳含量对Fe-CFe-C合金组织和性能的影响合金组织和性能的影响第26页，共41页，编辑于2022年，星期一C含量的增加F Fe3CHBS b d y ak 第27页，共41页，编辑于2022年，星期一Fe-Fe3C相图的实际应用1，为选材提供依据：碳含量对组织和性能的影响规律合理选材低碳钢(0.1-0.25%)塑性、韧性好建筑结构、容器中碳钢(0
14、.25-0.6%)强度、塑性、韧性好轴类零件高碳钢(0.6-1.3%)高硬度、耐磨工具类零件白口铁（2.11-6.69%）高硬度、耐磨、高脆性不受冲击的耐磨件第28页，共41页，编辑于2022年，星期一2，为制定热加工工艺提供依据q铸造：铸造：1)分析铸造性能优劣；分析铸造性能优劣；2)确定铸造温度（过热度）；确定铸造温度（过热度）；q锻造：锻造：1)确定锻造温度；确定锻造温度；2)分析加热缺陷；分析加热缺陷；q焊接：焊接：1)分析焊接组织；分析焊接组织；2)分析焊接缺陷和应力；分析焊接缺陷和应力；q热处理：确定热处理加热温度；热处理：确定热处理加热温度；第29页，共41页，编辑于2022年，
15、星期一n 切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适n 可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好n 焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好n 铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好n 热处理性能热处理性能:第六章介绍第六章介绍铸铸造造焊焊缝缝组组织织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨第30页，共41页，编辑于2022年，星期一第31页，共41页，编辑于2022年，星期一补充作业题n1.1.画出画出Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，填出图中各区的相和相图，填出图中各区的相和组织。并分析碳含量组织。并分析碳含量w wc c分别为分别为0.3%0.3%、0.77%0.77%、1.
16、2%1.2%、3.0%3.0%、4.3%4.3%、5.0%5.0%的铁碳合金从液态的铁碳合金从液态缓慢冷却至室温时的结晶过程和室温组织。缓慢冷却至室温时的结晶过程和室温组织。并应用杠杆定律计算室温下相组成物和组织并应用杠杆定律计算室温下相组成物和组织组成物的质量百分数。组成物的质量百分数。第32页，共41页，编辑于2022年，星期一4.2.1 钢中杂质对钢性能影响钢中杂质对钢性能影响4.2.2 碳钢的分类碳钢的分类4.2.3 碳钢的牌号、性能及用途碳钢的牌号、性能及用途4.2 碳素钢第33页，共41页，编辑于2022年，星期一4.2.1 钢中杂质对钢性能影响碳钢中的杂质：碳钢中的杂质：q有益元
17、素：有益元素：Si、Mn；q有害元素：有害元素：S、P、H、O、N；SiSi、MnMn的影响：的影响：1.Si、Mn溶入溶入F体中，形成合金体中，形成合金F体，使强度、硬度提高；体，使强度、硬度提高；2.碳钢中一般：碳钢中一般：Si0.5%；Mn0.8%；第34页，共41页，编辑于2022年，星期一1.S引起热脆：引起热脆：FeS与与Fe形成低熔点共晶物（形成低熔点共晶物（989），轧制开裂；），轧制开裂；2.P引起冷脆：引起冷脆：P越多，低温脆性温度越高，易产生脆断；越多，低温脆性温度越高，易产生脆断；3.S、P使钢材的可焊性降低：焊接接头处有大量夹杂物；使钢材的可焊性降低：焊接接头处有大量
18、夹杂物；4.钢材质量按钢材质量按S、P含量的分类：含量的分类：1)1)普通钢：普通钢：S0.035%0.035%0.05%0.05%；P0.035%P0.035%0.045%0.045%；2)优质钢：优质钢：S0.030%0.030%0.035%0.035%；P0.030%P0.030%0.035%0.035%3 3）高级优质钢：）高级优质钢：S0.020%S0.020%；P0.030%P0.030%；S和和P的影响：的影响：S S、P P元素的合理利用：元素的合理利用：1)S易易切切削削钢钢：S的的化化合合物物断断屑屑性性能能好好，适适合合自自动动车车床床加加工工，但但是是仅适用于不重要的工
19、件，如螺钉、螺母等小件；仅适用于不重要的工件，如螺钉、螺母等小件；2 2）P P耐磨铸铁：耐磨铸铁：P P形成形成FeFe3 3P P，硬度高，耐磨性好，硬度高，耐磨性好 第35页，共41页，编辑于2022年，星期一H,N,OH,N,O的影响：的影响：氢氢的的影影响响：氢氢脆脆H2易易在在钢钢中中引引起起针针孔孔，亦亦称称白白点点，产产生生脆脆断，所以压力容器要检查断，所以压力容器要检查低倍组织低倍组织；N N的影响的影响：1)在冷冲压件中，在冷冲压件中，N能引起能引起应变时效应变时效，使压力容器脆性增加；，使压力容器脆性增加；2)N的的有有益益利利用用：氮氮化化物物（NbN、TiN）有有弥弥
20、散散强强化化作作用用，使使工工件件的的强强度、耐热性提高；度、耐热性提高；氧的影响氧的影响：FeOFeO、SiOSiO2 2等可形成夹杂物。等可形成夹杂物。第36页，共41页，编辑于2022年，星期一4.2.2 碳钢的分类一，碳钢的分类：1，按碳含量分类：（1）低碳钢（Wc0.25%）（2）中碳钢（Wc=0.30-0.60）（3）高碳钢（Wc 0.60）2，按质量分类（P,S含量）（1）普通碳素钢 Ws 0.035,Wp 0.035（2）优质碳素钢 Ws 0.030,Wp 0.030（3）高级优质碳素钢 Ws 0.020,Wp 0.0203，按用途分类（1）碳素结构钢：工程构件、机械零件工程构
21、件、机械零件（2）碳素工具钢：刀具、量具、模具，一般为优质钢或高级优质高刀具、量具、模具，一般为优质钢或高级优质高碳钢碳钢第37页，共41页，编辑于2022年，星期一4.2.3 碳钢的牌号和用途1，普通碳素结构钢：Q+数字 =屈服强度数值例如：例如：Q235,表示屈服强度为表示屈服强度为235MPa235MPa的普通碳素结构钢的普通碳素结构钢（1）质质量量等等级级：A A、B B、C C、D D四四等等，A A最最低低（S0.050%S0.050%、P0.045%P0.045%）；D D最高（最高（S S、P0.035%P0.035%）；）；（2 2）脱脱氧氧方方法法符符号号：F F：沸沸腾腾
22、钢钢；Z Z：镇镇静静钢钢；b b：半半镇镇静静钢钢；T TZ Z：特特殊镇静钢；殊镇静钢；（3）应用应用：塑性、韧性好，焊接性能好；塑性、韧性好，焊接性能好；一般不进行热处理，在供应状态下直接使用；一般不进行热处理，在供应状态下直接使用；用于桥梁、建筑等结构用于桥梁、建筑等结构第38页，共41页，编辑于2022年，星期一（1 1）牌牌号号：两两位位数数字字/10000，表表示示该该钢钢的的平平均均碳碳含含，例例如如：45钢，钢，C45/100000.45%；（2）质量质量：优质优质即即S、P0.035%；（3）应用应用：（a）08、10钢钢：含含碳碳低低、塑塑性性、韧韧性性高高，适适用用于于
23、冷冷冲冲压压件件：如如汽汽车车外外壳、仪表外壳等；壳、仪表外壳等；（b）15、20、25钢钢：含含碳碳低低，韧韧性性高高，适适用用于于轻轻载载荷荷渗渗碳碳工工件件，如如活塞销、样板等；活塞销、样板等；（c）30、40、45、50钢钢：含含碳碳中中等等，调调质质后后强强度度、塑塑性性、韧韧性性 匹配较好，适用于轴类件、连杆等；匹配较好，适用于轴类件、连杆等；（d）55、60、65钢钢：含含碳碳高高，淬淬火火回回火火后后弹弹性性模模量量高高，适适用用于小尺寸弹簧；于小尺寸弹簧；2，优质碳素结构钢优质碳素结构钢第39页，共41页，编辑于2022年，星期一（1 1）牌号牌号：T（碳的声母）数字，以数字
24、（碳的声母）数字，以数字/1000表示平均碳含量，表示平均碳含量，例如：例如：T12钢，钢，C12/10001.2%；（2 2）质量质量：1)全部为优质：全部为优质：S0.030%；P0.030%；2)高级优质：钢号后缀高级优质：钢号后缀A，如，如T12A;（3 3）应用）应用：a)T7a)T7、T7AT7A、T8AT8A钢钢：有有一一定定的的韧韧性性，适适用用于于斧斧头头、锤锤子子、凿凿子子、冲冲头等；头等；b)T10b)T10、T10AT10A钢：振动较小的工具如丝锥、板牙、钢锯条等；钢：振动较小的工具如丝锥、板牙、钢锯条等；c)T12c)T12、T12AT12A钢：锉刀、刮刀、钻头等。钢
25、：锉刀、刮刀、钻头等。3 3，碳素工具钢，碳素工具钢第40页，共41页，编辑于2022年，星期一1.1.某某优优质质碳碳素素结结构构钢钢在在显显微微镜镜下下观观查查到到的的金金相相组组织织P P占占93%93%和和渗渗碳碳体体各各占占7%7%，此此钢钢的的牌牌号号是什么？适合做哪一类零件？是什么？适合做哪一类零件？3 3。比较下列材料的各方面的性能优劣：。比较下列材料的各方面的性能优劣：铸造性能铸造性能（A A共晶白口铁，共晶白口铁，B B 高碳钢）高碳钢）轧制性能（轧制性能（A A 低碳钢，低碳钢，B B 中碳钢）中碳钢）焊接性能（焊接性能（A A 低碳钢，低碳钢，B B中碳钢）中碳钢）抗拉强度（抗拉强度（A A 低碳钢，低碳钢，B B 中碳钢）中碳钢）断裂韧度（断裂韧度（A A 中碳钢，中碳钢，B B 高碳钢）高碳钢）硬度（硬度（A A中碳钢，中碳钢，B B 高碳钢）高碳钢）抗拉强度（抗拉强度（A A 共析钢，共析钢，B B 过共析钢）过共析钢）硬度（硬度（A A 共析钢，共析钢，B B过共析钢）过共析钢）课堂讨论课堂讨论第41页，共41页，编辑于2022年，星期一