【教学课件】第四章铁碳合金.ppt

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1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金主要内容主要内容铁碳合金系相图铁碳合金系相图铁碳合金平衡冷却过程分析铁碳合金平衡冷却过程分析碳对铁碳合金的影响碳对铁碳合金的影响碳钢碳钢铸铁铸铁第一节第一节 铁碳合金系相图铁碳合金系相图日常生活中最常用的金属材料：日常生活中最常用的金属材料：碳钢碳钢和和铸铁铸铁。（6080%)它们的基本组元是它们的基本组元是Fe和和C，即即Fe-C合金。合金。不同成分的不同成分的 Fe-C合金（合金（C含量不同）含量不同）组织、结构不同组织、结构不同性能不同性能不同 一、组元的特性一、组元的特性1.1.纯铁纯铁（1 1）物性）物性：纯纯Fe在在1538熔化，纯铁液体结晶为固体后熔

2、化，纯铁液体结晶为固体后在冷却至室温过程中经历两次在冷却至室温过程中经历两次同素异构同素异构转变。转变。同素异构：同素异构：元素相同，结构不同。元素相同，结构不同。-Fe 在在770（居居里里温温度度）发发生生由由铁铁磁磁性性转转变变为为顺顺磁磁性性，即即铁铁磁磁性性消消失失。这这种种转转变变为为非非相相变变过程，过程，因无晶格类型和成分变化因无晶格类型和成分变化。一、组元的特性一、组元的特性一、组元的特性一、组元的特性（1 1）力学性质：）力学性质：工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好。工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好。抗拉强度：抗拉强度：b b18018

3、0230 Mpa230 Mpa延伸率：延伸率：30305050断面收缩率：断面收缩率：70708080冲击韧性：冲击韧性：a ak k160160200 J/cm200 J/cm2 2硬度：硬度：50 5060 HB 60 HB 纯铁：纯铁：软、塑、韧软、塑、韧2.2.碳碳碳有两种晶体结构碳有两种晶体结构：石墨：石墨：简单六方（最软之一）简单六方（最软之一）金刚石金刚石：面心立方（最硬）：面心立方（最硬）C C在六方结构的同一层面上，以共价在六方结构的同一层面上，以共价键结合，键距为键结合，键距为0.142nm0.142nm，结合力强，但结合力强，但两层之间的原子间距较大，为两层之间的原子间距

4、较大，为0.34nm0.34nm，结合力很弱，易发生层间断裂。结合力很弱，易发生层间断裂。耐高温，可导电，耐高温，可导电，润滑性好润滑性好 强度、硬度、塑性和韧性低强度、硬度、塑性和韧性低。C C在钢铁中存在的三种形式在钢铁中存在的三种形式：溶入溶入FeFe的晶格形成固溶体（间隙固溶的晶格形成固溶体（间隙固溶 体）体）钢钢 以游离以游离石墨石墨存在于钢铁中存在于钢铁中铸铁。铸铁。与铁成金属间化合物与铁成金属间化合物 如如FeFe3 3C,FeC,Fe2 2C,C,FeCFeC）金属间化合物金属间化合物石墨的性能：石墨的性能：二二.FeFe3C相图相图 由于碳含量高于由于碳含量高于6.69wt%

5、的的Fe-C合金基本无应用价值，合金基本无应用价值，而在这一而在这一成分点上成分点上，C一般以一般以Fe3C形式存在（形式存在（金属间化合物）金属间化合物），所以一般以所以一般以FeFe3C相图分相图分析不同成分合金中的组织和结析不同成分合金中的组织和结构。构。注注：实线为实线为 FeFeFeFe3 3C C 相图相图 虚线为虚线为 FeFeC C 相图相图两者非常接近两者非常接近1 1 1 1、相图的特征、相图的特征、相图的特征、相图的特征Fe3C2 2 2 2、相图中的基本相、相图中的基本相、相图中的基本相、相图中的基本相相相 C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，晶体结构

6、为晶体结构为bccbcc，仅由，仅由相形成的相形成的组织组织称为称为铁素体铁素体，记为，记为 F(Ferrite)F(Ferrite)。=F相相 C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，晶体结构为晶体结构为fccfcc，仅由，仅由相形成的相形成的组织组织称为称为奥氏体奥氏体，记为，记为 A(Austenite)A(Austenite)。=A 相相 C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，晶体结构也为晶体结构也为bccbcc，相出现的温相出现的温度较高，度较高，组织组织形貌一般不易观察，形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。也有称高温铁素体。LFe3C注：注：Fe与与

7、相相 的区别，的区别，.2 2 2 2、相图中的基本相、相图中的基本相、相图中的基本相、相图中的基本相FeFe3 3C C相相 铁与碳生成的间隙铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分化合物，其中碳的重量百分比为比为6.69%6.69%，晶体结构是复杂，晶体结构是复杂正交晶系，仅由正交晶系，仅由FeFe3 3C C相构成相构成的的组织组织称为称为渗碳体渗碳体，依然记，依然记为为FeFe3 3C C，也有写为，也有写为 CmCm(Cementite(Cementite)。石墨石墨 在铁碳合金中的游离在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，状态下存在的碳为石墨，组组织织记记G(Graphite)G

8、(Graphite)。L L相相 碳在高温下熔入液体，碳在高温下熔入液体，相图中标记相图中标记 L(Liquid)L(Liquid)。LFe3C3 3 3 3、铁碳合金三相平衡转变、铁碳合金三相平衡转变、铁碳合金三相平衡转变、铁碳合金三相平衡转变这是一这是一包晶反应包晶反应(1495 C)(1495 C)，发生在高温，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。化。（不作讨论）（不作讨论）共晶反应共晶反应(1148 C)(1148 C)，产物共晶体组织称，产物共晶体组织称为为莱氏体莱氏体，记为，记为Ld(Ledeburite)Ld(Ledeburit

9、e)共析反应共析反应(727 C)(727 C)，产物为，产物为F F、FeFe3 3C C两相两相层片交替分布的共析体组织层片交替分布的共析体组织,称为称为珠光珠光体体，记为，记为P(Pearlite)P(Pearlite)LFe3C4 4、相图中各重要点的参数及含义、相图中各重要点的参数及含义、相图中各重要点的参数及含义、相图中各重要点的参数及含义 LFe3C5 5 5 5、相图中的基本线、相图中的基本线、相图中的基本线、相图中的基本线 （1 1）ABCD ABCD 液相线液相线（2 2）AHJECF AHJECF 固相线固相线（3 3）HJB HJB 包晶反应线包晶反应线(1495 C)

10、(1495 C)L LB B+H HA AJ J （4 4）ECF ECF 共晶反应线共晶反应线(1148 C)(1148 C)L LC C A AE E+Fe+Fe3 3C CI I (称为莱氏体称为莱氏体)（5 5）PSK PSK 共析反应线共析反应线(727 C)(727 C)As AsFp+FeFp+Fe3 3C C (称为珠光体称为珠光体)（6 6）A ACMCM线（线（ESES线）线）从奥氏体析出从奥氏体析出 Fe Fe3 3C C的临界温度线的临界温度线 （7 7）A A3 3线线 （GSGS线）线）从奥氏体转变从奥氏体转变 为铁素体线为铁素体线 LFe3C6 6、相图中相区、相

11、图中相区、相图中相区、相图中相区五个单相区五个单相区：液相区液相区 L 高温固溶体高温固溶体 相相（奥氏体（奥氏体，A)相相（铁素体（铁素体，F)Fe3C相相（渗碳体，（渗碳体，Cm）七个双相区：七个双相区：L ，L ，L Fe3C，Fe3C，Fe3C三个三相区三个三相区：HJB线线 L ECK线线 L Fe3C PSK线线 Fe3C LFe3C第二节第二节 铁碳合金铁碳合金平衡结晶过程平衡结晶过程 Fe-C Fe-C 合金按组织、性能、应用特点合金按组织、性能、应用特点分为以下类型：分为以下类型：工业纯铁工业纯铁 (C%0.02%)(C%0.02%)碳钢碳钢 (C%=0.02%(C%=0.0

12、2%2.11 wt%2.11 wt%）依据依据C C含量不同，又分为：含量不同，又分为：亚共析钢：亚共析钢：C0.77 wt%C0.77 wt%C0.77 wt%白口铸铁白口铸铁 (生铁）生铁）（C%=2.11 C%=2.11 6.69 wt%6.69 wt%）依据依据C C含量不同，又分为：含量不同，又分为：亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 C4.3 wt%灰口铸铁灰口铸铁 （C%=2.11 C%=2.11 6.69 wt%6.69 wt%）亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 LFe3C一、工业纯铁一、工业纯铁(C%0.02%)(C%0.02%)一、工业纯铁一、工业纯铁(C

13、%0.02%)(C%0.02%)一、工业纯铁一、工业纯铁(C%0.02%)(C%0.02%)一、工业纯铁一、工业纯铁(C%0.02%)(C%0.02%)含碳量大于含碳量大于Q Q点点(0.008%)(0.008%)时，理论上将从时，理论上将从FeFe中析出的中析出的FeFe3 3C CIIIIII（称为三次渗碳体称为三次渗碳体）。组织：组织：F相：相：(F)二、共析钢二、共析钢二、共析钢二、共析钢(C%(C%(C%(C%0.77%)0.77%)0.77%)0.77%)组织转变过程：组织转变过程：结晶过程：结晶过程：（1）温度在温度在“1 1”点以上为单相点以上为单相液体，到达液体，到达“1 1

14、”点，点，L L开始结晶生开始结晶生成成A A，随温度进一步降低，随温度进一步降低，L L含量含量减少，减少，A A含量增加，含量增加，但但L L的成分沿液的成分沿液相线变化，相线变化，A A成分沿固相线变化，成分沿固相线变化，相对含量遵循杠杆定律相对含量遵循杠杆定律。（2 2）当当温温度度到到“2 2”点点，L L全全部部转转变变为为A A（）。进进一一步步降降低低温温度度，A A结构和成分均不发生变化结构和成分均不发生变化。（3）当当温温度度达达到到“3 3”点点，发发生生共共析反应：析反应：AP(F+Fe3C)AP(F+Fe3C)（片层结构）（片层结构）（4）温温度度进进一一步步降降低低

15、，从从F F中中将将进进一一步步析析出出FeFe3 3C C。从从F F中中析析出出的的FeFe3 3C C称称为三次渗碳体，为三次渗碳体，记为：记为：FeFe3 3C CIIIIII注意：各双相区的成分和相注意：各双相区的成分和相对对含量含量均可通均可通过过杠杆定律杠杆定律计计算算 组织：组织：P相：相：(F)Fe3C二、共析钢二、共析钢二、共析钢二、共析钢(C%(C%(C%(C%0.77%)0.77%)0.77%)0.77%)显微组织显微组织显微组织显微组织 共析转变全部生成共析共析转变全部生成共析组织组织，F F 和和 Fe Fe3 3C C 两相一般为层片两相一般为层片状分布，组织为状

16、分布，组织为单一的珠光体单一的珠光体。两相的重量比。两相的重量比两相的厚度比两相的厚度比8:18:1 三、亚共析钢三、亚共析钢三、亚共析钢三、亚共析钢(C%=0.02(C%=0.02(C%=0.02(C%=0.02 0.77%)0.77%)0.77%)0.77%)三、亚共析钢三、亚共析钢三、亚共析钢三、亚共析钢(C%=0.02(C%=0.02(C%=0.02(C%=0.02 0.77%)0.77%)0.77%)0.77%)组织转变：组织转变：L L+A A A F+A F+P F+P 结晶过程：结晶过程：（略）（略）组织：组织：FP相：相：(F)Fe3C在在A的晶角或晶界处的晶角或晶界处生成生

17、成F（）剩余的剩余的A转变为片转变为片层层 P三、亚共析钢的显微组织三、亚共析钢的显微组织三、亚共析钢的显微组织三、亚共析钢的显微组织 室温下室温下组织组织组成物的相对量的计算（以组成物的相对量的计算（以C%=0.40wt%C%=0.40wt%为例）为例）：白色为白色为F，深色为，深色为P注意：注意：组织或相组织或相组织或相组织或相的相对含量随温度的变化的相对含量随温度的变化四、过共析钢四、过共析钢四、过共析钢四、过共析钢(C%=0.77(C%=0.77(C%=0.77(C%=0.77 2.11%)2.11%)2.11%)2.11%)四、过共析钢四、过共析钢四、过共析钢四、过共析钢(C%=0.

18、77(C%=0.77(C%=0.77(C%=0.77 2.11%)2.11%)2.11%)2.11%)组织转变组织转变：L LL LA A AA A AFeFe3 3C CIIII P PFeFe3 3C CIIII结晶过程：结晶过程：（略）（略）说明：说明：（1）从从A A中中析析出出的的 Fe3C 称称为为二二次次渗渗C C体体，记记为为Fe3C是是，它它沿沿A A的的晶晶界界析析出出，成成网网状状结结构构（2 2）珠光体仍呈片状结构。）珠光体仍呈片状结构。（3）各各两两相相的的相相对对含含量量及及成成分符合杠杆定律。分符合杠杆定律。组织：组织：PFe3CII相：相：(F)Fe3C沿沿A的

19、晶界析出网状的晶界析出网状结构的结构的Fe3C剩余的剩余的A转变为片层转变为片层 P四、过共析钢的显微组织四、过共析钢的显微组织四、过共析钢的显微组织四、过共析钢的显微组织 说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，使材料很脆，工程中使说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，使材料很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。用并不希望出现这种组织。晶界为晶界为Fe3CII，晶粒为晶粒为P五、共晶白口铁五、共晶白口铁五、共晶白口铁五、共晶白口铁(C%(C%(C%(C%4444.3%).3%).3%).3%)组织转变组织转变 L L Ld Ld（A+FeA+Fe3 3C CI I)A+FeA+Fe3 3C CIIII

20、+Fe3CI (P+Fe3CI（Fe3C)）说明：说明：（1）共共晶晶反反应应形形成成的的A+Fe3C称称为为高高温温莱莱氏氏体体，用用Ld d表表示示。从从L 中中析析出出的的Fe3C称为一次渗碳体，称为一次渗碳体，记为：记为：Fe3CI I（2 2）随温度降低，）随温度降低，A中将析出中将析出Fe3C，同时，同时，A的成分沿的成分沿ES线变化。这种从线变化。这种从A中析出的中析出的Fe3C称为称为二次渗碳体，记为：二次渗碳体，记为：Fe3C。这里这里Fe3C依附作依附作Fe3CI生长，生长，不能分辨（不是网状析出）不能分辨（不是网状析出）（3 3）在）在727727，A A发生共析反应生成

21、发生共析反应生成 P P，这种由这种由 P P+Fe3CI（Fe3C）称为称为变态莱氏体变态莱氏体，也也称为低温莱氏体称为低温莱氏体用用Ldd表示表示。Ld组织：组织：Ld 相：相：(F)Fe3C五、共晶白口铁的显微组织五、共晶白口铁的显微组织五、共晶白口铁的显微组织五、共晶白口铁的显微组织P：黑色的斑点或条块状黑色的斑点或条块状Fe3C：白色块状：白色块状Fe3CIP六、亚共晶白口铁六、亚共晶白口铁六、亚共晶白口铁六、亚共晶白口铁(C%=2.11(C%=2.11(C%=2.11(C%=2.11 4.3%)4.3%)4.3%)4.3%)组织转变组织转变 L L L LA AA ALd ALd

22、AFeFe3 3C CIIIILd PLd PFeFe3 3C CIIIILd Ld 网状分布网状分布组织：组织：PFe3CIILd 相：相：(F)Fe3CFe3C沿沿A的晶界网状析的晶界网状析出，出，Ld中的中的A析出的析出的Fe3CII依附依附Fe3CI析出析出剩余的剩余的L转变为转变为LdA中的成分达到中的成分达到S点成分点成分时，时，A转变为转变为P六、亚共晶白口铁的显微组织六、亚共晶白口铁的显微组织六、亚共晶白口铁的显微组织六、亚共晶白口铁的显微组织 黑色带树枝状特征的为黑色带树枝状特征的为P；分布在分布在P周围的白色网状周围的白色网状为为Fe3CII；具有黑白斑点状特征为具有黑白斑

23、点状特征为LdPFe3CIILd七、过共晶白口铁七、过共晶白口铁七、过共晶白口铁七、过共晶白口铁(C%=4.3(C%=4.3(C%=4.3(C%=4.3 6.69%)6.69%)6.69%)6.69%)组织转变组织转变 L L+Fe L L+Fe3 3C CI I Fe Fe3 3C CI I+Ld +Ld FeFe3 3C CI I+Ld+Ld 从从L中析出的中析出的Fe3CI呈板条呈板条状，在后续过程中不在变状，在后续过程中不在变化。化。组织：组织：Fe3CILd 相：相：(F)Fe3C剩余的剩余的L转变为转变为LdLd中的中的A析出析出Fe3CII七、过共晶白口铁的显微组织七、过共晶白口

24、铁的显微组织七、过共晶白口铁的显微组织七、过共晶白口铁的显微组织 FeFe3 3C C的形式：的形式：从从L L中直接析出的中直接析出的FeFe3 3C C为一次渗碳体（为一次渗碳体（FeFe3 3C CI I）从从A A中析出的中析出的FeFe3 3C C为二次渗碳体（为二次渗碳体（FeFe3 3C CIIII）从从F F中析出的中析出的FeFe3 3C C为三次渗碳体（为三次渗碳体（FeFe3 3C CIIIIII）通常不可见通常不可见初生初生Fe3CLd第三节第三节 碳对铁碳合金的影响碳对铁碳合金的影响一、碳对室温平衡组织的影响一、碳对室温平衡组织的影响 第三节第三节 碳对铁碳合金的影响

25、碳对铁碳合金的影响一、碳对室温平衡组织的影响一、碳对室温平衡组织的影响 二、碳对室温平衡相的相对含量的影响二、碳对室温平衡相的相对含量的影响二、碳对室温平衡相的相对含量的影响二、碳对室温平衡相的相对含量的影响06.69二、碳对力学性能的影响二、碳对力学性能的影响二、碳对力学性能的影响二、碳对力学性能的影响 1 1、各组成相的力学性质、各组成相的力学性质 F F：软，：软，塑塑 Fe Fe3 3C C：硬，脆：硬，脆 P P（F+FeF+Fe3 3C C）：）：介入二者之介入二者之间间2 2、C C对性能的影响对性能的影响 随随C C含量增加，硬度持续增加含量增加，硬度持续增加 ,持持续续下降下

26、降 b b先增加（先增加（C C 2.11 2.11）后下降（由于）后下降（由于 网状网状FeFe3 3C C的出的出现现）第四节第四节 碳碳 钢钢一、碳钢中的常存元素一、碳钢中的常存元素 碳钢中的常存元素是指除碳钢中的常存元素是指除FeFe、C C外，因冶炼带入钢锭中外，因冶炼带入钢锭中的，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指：的，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指：SiSi、MnMn冶炼时自然存在，对性能冶炼时自然存在，对性能无不利无不利影响。影响。S S、PP冶金时难以彻底清除而存在于钢中的冶金时难以彻底清除而存在于钢中的有害有害元素。元素。一般钢中大致含量：一般钢中大致含

27、量：Si0.250.30%Mn0.250.50%S0.05%P0.045常存元素对性能的影响常存元素对性能的影响常存元素对性能的影响常存元素对性能的影响磷：磷：P P 可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使钢脆化和韧性，特别是低温下会使钢脆化冷脆冷脆。（有害）（有害）硫硫：S S 与与 Fe Fe 形成形成 FeS FeS，而而 FeS FeS 与与 Fe Fe 又能形成低熔点的共又能形成低熔点的共晶体，分布在晶体，分布在 A A 的晶界上，在热加工过程中造成沿晶开裂的晶界上，在热加工过程中造成沿晶开裂热热脆脆 。但

28、适量的。但适量的 S S 可改善钢的切削性能。可改善钢的切削性能。硅、锰：硅、锰：SiSi，MnMn是脱氧剂，是对钢有利的杂质元素，是脱氧剂，是对钢有利的杂质元素，Si Si 提高提高强度，而强度，而 Mn Mn 可优先与可优先与 S S 反应生成反应生成 MnSMnS,降低降低S S的副作用的副作用 二、碳钢的分类二、碳钢的分类二、碳钢的分类二、碳钢的分类按含碳量分：按含碳量分：低碳钢低碳钢 W WC C 0.25 0.25中碳钢中碳钢 0.25 0.25 0.60.6按用途分按用途分：碳素：碳素结构钢结构钢（建筑材料（建筑材料,如桥梁如桥梁,房屋，机器零件等）房屋，机器零件等）碳素碳素工具

29、钢工具钢 （刀具，（刀具，模具等）模具等）l 根据根据P P，S S含量的多少含量的多少 普通碳素钢普通碳素钢 W WP P 0.045 0.045 W WS S 0.055 0.055 优质碳素钢优质碳素钢 W WP P 0.040 0.040 W WS S 0.040 0.040 高级优质碳素钢高级优质碳素钢 W WP P 0.035 0.035 W WS S 0.030 0.030l 根据含氧量：根据含氧量：沸腾钢沸腾钢镇定钢镇定钢 四、钢的牌号与用途四、钢的牌号与用途四、钢的牌号与用途四、钢的牌号与用途牌号牌号Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255、Q2

30、75AFQ275AF，(1)Q(1)Q的含义为的含义为“屈屈”，(2)(2)数字为钢的屈服强度数字为钢的屈服强度 （单位：（单位：MPaMPa）。）。(3)A:(3)A:钢的等级（钢的等级（A,B,CA,B,C，D),D),质量逐渐提高质量逐渐提高(S,P(S,P逐渐降低）逐渐降低）(4)F:(4)F:沸腾钢沸腾钢 特点：特点：这一钢种仅关心材料的这一钢种仅关心材料的力学性能力学性能，不考察其成分，大多，不考察其成分，大多为为轧制轧制的型的型 材材(钢板、圆、管、角钢板、圆、管、角)。用途：用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通

31、简单结构零件。于普通简单结构零件。如：如：桥梁，建筑桥梁，建筑。1 1、普通碳素结构钢、普通碳素结构钢牌号牌号0808、08F08F、1010、1515、2020、4545、5050、6565（1 1）数字表示钢中）数字表示钢中C C的含量的含量(万分之几万分之几)；（2 2）F F表示沸腾钢表示沸腾钢特点：特点：这类钢种要求保证这类钢种要求保证 C C 含量。含量。用途用途：优质碳素结构钢主要用来制造：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件机器零件。一般都要。一般都要热处理以热处理以提高其力学性能提高其力学性能。随着。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性

32、相应会降低。塑性相应会降低。2 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢牌号牌号T8T8、(T9)(T9)、T10T10、T10AT10A、(T11)(T11)、T12T12、T12AT12A、T13T13（1 1）“T”“T”表示表示“碳碳”，（2 2）数字数字表示钢的含碳量表示钢的含碳量(千分之几千分之几)。（3 3）全部为优质钢全部为优质钢，后缀，后缀A A为高级优质钢为高级优质钢特点：特点：过共析钢过共析钢，组织为：颗粒状的碳化物球化珠光体组织为：颗粒状的碳化物球化珠光体（经（经球化退火）球化退火），可以直接进行机械加工。可以直接进行机械加工。用途：用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用

33、于碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，量具，刃具，模具模具。3 3 3 3、碳素工具钢、碳素工具钢、碳素工具钢、碳素工具钢第五节第五节 铸铸 铁铁定义：定义：工业铸铁是指工业铸铁是指 Wc 2.11wtWc 2.11wt的的Fe-CFe-C合金合金 为铸铁。为铸铁。当当C以以Fe3C相似存在：相似存在：白口铸铁白口铸铁 当当C以以石墨石墨形式存在形式存在：灰口铸铁：灰口铸铁。与与钢钢相比，相比，铸铁中的铸铁中的 C C 含量含量较较高，高，杂杂质质元素元素（P P，S S）也也较较多多。铸铁性质：铸铁性质：铸造，切削加工，减震性较好。铸造，切削加工，减震性较好。强度，塑性，韧性低

34、强度，塑性，韧性低。一、一、一、一、铸铁中铸铁中铸铁中铸铁中C C C C的石墨化过程的石墨化过程的石墨化过程的石墨化过程 1.1.Fe3C是亚稳相是亚稳相 C C 在在 Fe Fe 中以中以 FeFe3 3C C形式存在，但形式存在，但 FeFe3 3C C是一亚稳相是一亚稳相，在一定的时候会发生反应：在一定的时候会发生反应：FeFe3 3C Fe+CC Fe+C。碳是以碳是以石墨石墨形形式存在。式存在。2.2.石墨化过程石墨化过程 是指在连续冷却过程中，是指在连续冷却过程中，碳原子析出形成石墨的过程碳原子析出形成石墨的过程。按石墨化发生的温度，石墨化过程可分为三个阶段按石墨化发生的温度，石

35、墨化过程可分为三个阶段:高温石墨化，中温石墨化，低温石墨化高温石墨化，中温石墨化，低温石墨化所有析出Fe3C的过程，都有可能析出石墨第一阶段第一阶段 高温石墨化高温石墨化 温度温度:1154:1154，从液体中直接析出初生或共晶石墨。，从液体中直接析出初生或共晶石墨。共晶共晶反应：反应：L LC CA AEEG GI I 组织组织：（：（奥氏体石墨奥氏体石墨）的共晶体。的共晶体。第二阶段第二阶段 中温石墨化中温石墨化 温度：温度：11541154738738之间，从之间，从奥氏体奥氏体中析出石墨，中析出石墨，称为二次石墨称为二次石墨G GIIII 过饱和析出反应：过饱和析出反应：A A A A

36、G GIIII 组织：组织：A AG GIIII 第三阶段第三阶段 低温石墨化低温石墨化 温度：温度：738738，奥氏体发生共析反应析出，奥氏体发生共析反应析出石墨石墨，称为三次石墨，称为三次石墨G GIIIIII。共析反应：共析反应：A AS S F Fp pG GIII。组织组织：(铁素体铁素体石墨石墨)共析体共析体 注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。灰口铸铁可以看成是石墨分布在工业纯铁或钢的基体上的灰口铸铁可以看成是石墨分布在工业纯铁或钢的基体上的铁碳合金铁碳合金2.2.2.2.石墨化过程石墨化过程石墨化

37、过程石墨化过程 （FeFeFeFeC C C C 相图）相图）相图）相图）3.3.3.3.影响铸铁石墨化的主要因素影响铸铁石墨化的主要因素影响铸铁石墨化的主要因素影响铸铁石墨化的主要因素对石墨化程度的影响对石墨化程度的影响 1)1)冷却速度冷却速度：冷却速度冷却速度缓缓慢慢有利于有利于石墨化石墨化过程的进行过程的进行。2)2)温度：温度：高温高温有利于有利于石墨化石墨化过程的进行。因为高温有利于过程的进行。因为高温有利于渗碳体渗碳体的的分解，分解，3)3)合金元素合金元素：SiSi、AlAl、CuCu、NiNi、CoCo将促将促进进石墨的形成（石墨的形成（不易形成不易形成渗碳体渗碳体），而而

38、CrCr、W W、MoMo、V V、MnMn阻碍石墨化阻碍石墨化过程过程 （促进渗碳体形成促进渗碳体形成）。）。对石墨形状的影响对石墨形状的影响 1)1)表面活性表面活性剂：剂：MgMg、ReRe元素可以改元素可以改变变石墨在液体中石墨在液体中表面表面张张力力，促促进进石墨以石墨以片状片状转转变变成成球状球状。2)2)石墨化方式石墨化方式：从液体中析出的石墨易成片状，而从固体下渗碳体分解从液体中析出的石墨易成片状，而从固体下渗碳体分解产产生的石墨生的石墨为为团团絮状絮状（GII,GIII）。三、三、三、三、铸铁的分类铸铁的分类铸铁的分类铸铁的分类1.1.按石墨化成度分：按石墨化成度分：灰口铸铁

39、（灰口铸铁（石墨化较充分石墨化较充分）麻口铸铁麻口铸铁 （石墨化不充分石墨化不充分）白口铸铁白口铸铁（没有石墨化，（没有石墨化，FeFe3 3C C）2.2.按铸铁中石墨的形状分：按铸铁中石墨的形状分：普通灰铸铁（普通灰铸铁（片状片状）球墨铸铁（球墨铸铁（球状球状）可锻铸铁可锻铸铁 （团絮状团絮状）蠕墨铸铁（蠕墨铸铁（蠕虫状蠕虫状）等。）等。灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织 3.3.组织组织：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。F片状片状GFP片状片状GP片状片状G根据石墨化过程是否充分根据石墨化过程是否充分FP片状片状

40、G充分充分不充分不充分球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁的显微组织的显微组织的显微组织的显微组织P+GG 热处理组织热处理组织F+P+GF+G四、铸铁的性能四、铸铁的性能1。抗拉强度低、塑性韧性差抗拉强度低、塑性韧性差 石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性 接接 近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。2。铸造性能好铸造性能好。3。耐磨性好耐磨性好。4。消震性好消震性好。5。切削加工性能

41、好切削加工性能好。6。缺口敏感性低缺口敏感性低。五、牌号及用途五、牌号及用途1。普通灰铸铁：。普通灰铸铁：如如 HT150,HT200,HT250 牌号：牌号：HTxxx，HT表示灰铁，三个数字表示表示灰铁，三个数字表示最低抗拉强最低抗拉强 度度，单位，单位MPa。用途用途：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。活塞等。热处理：热处理：只进行去应力退火。只进行去应力退火。2。球墨铸铁：球墨铸铁：如如 QT400-15,QT500-05,QT600-03 牌号：牌号：QTxxx-xx,数字表示最低抗拉强度和伸长率，数字表示最低抗拉强度和

42、伸长率，单位单位MPa和和%。用途：用途：用于一般机械零件，如用于一般机械零件，如齿轮齿轮、曲轴曲轴、凸轮轴凸轮轴等。等。热处理热处理：可通过热处理改善基体组织和性能。可通过热处理改善基体组织和性能。3 3、可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁可锻铸铁 （以下不讲）（以下不讲）（以下不讲）（以下不讲）1.1.牌号：牌号：KT35KT3510 KTZ4510 KTZ455 5 其中其中KTKT表示可锻铸铁，第一部表示可锻铸铁，第一部分数字为分数字为抗拉强度抗拉强度，第二部分数字为，第二部分数字为延伸率延伸率。字母。字母Z Z表示珠表示珠光体可鍛铸铁。光体可鍛铸铁。2.2.成分：成分：C:2.5 C:2.5

43、2.8%Si:1.2 2.8%Si:1.2 2.0%Mn:0.4 2.0%Mn:0.4 1.2%1.2%由由于硅的含量于硅的含量(碳当量碳当量)小，加上小，加上MnMn的作用，浇铸冷却时碳不的作用，浇铸冷却时碳不以石墨形式析出，得到的是白口铸件，这是的组织为珠光以石墨形式析出，得到的是白口铸件，这是的组织为珠光体莱氏体。体莱氏体。3.3.生成过程生成过程：进行石墨化退火。：进行石墨化退火。将将白口白口铸铁铸铁加加热热到到900900980980，经过经过15hr15hr左右的保温，左右的保温，这这是是让让渗碳体渗碳体进进行充分的分解，形成的石墨在行充分的分解，形成的石墨在长长大大过过程中并不是

44、程中并不是致密的，和部分基体致密的，和部分基体组组合合为团为团絮状，絮状，缓缓慢冷却到慢冷却到750750720720，让让第二第二阶阶段的石墨化充分段的石墨化充分进进行。行。可锻铸铁的显微组织可锻铸铁的显微组织可锻铸铁的显微组织可锻铸铁的显微组织 4.4.组织：组织：絮状石墨（絮状石墨（F FP P）混合基体）混合基体5.5.用途：用途：有一定的塑性，有一定的塑性，塑性和塑性和韧韧性比灰口性比灰口铁铁高得多，用来高得多，用来制作制作齿轮齿轮、曲、曲轴轴、凸、凸轮轴轮轴、活塞、活塞环环、农机构件、农机构件等等 4 4、其他铸铁其他铸铁其他铸铁其他铸铁1)1)蠕墨铸铁蠕墨铸铁 石墨形状为石墨形状

45、为蠕虫状蠕虫状，石墨两端圆滑，但未形成球状。性能介如灰，石墨两端圆滑，但未形成球状。性能介如灰铁和球铁之间。铁和球铁之间。2)2)合金铸铁合金铸铁 利用合金化原理，在铸铁熔炼中加入合金元素，得到的基体与合金钢相利用合金化原理，在铸铁熔炼中加入合金元素，得到的基体与合金钢相似。经过适当的热处理，满足某些专用特殊性能，可铸造出各种较复杂形状。似。经过适当的热处理，满足某些专用特殊性能，可铸造出各种较复杂形状。这些种类的铸铁随合金元素类型的不同而各有特色，铸铁按用途的要求主要这些种类的铸铁随合金元素类型的不同而各有特色，铸铁按用途的要求主要有：有：高耐磨性铸铁：成分一般为高的高耐磨性铸铁：成分一般为高的 Mn Mn、P P，制作球磨机的磨球等；，制作球磨机的磨球等；耐热铸铁：一般含有较高的耐热铸铁：一般含有较高的CrCr，制作锅炉的炉条等；，制作锅炉的炉条等；耐腐蚀铸铁：一般含耐腐蚀铸铁：一般含CrCr、CuCu，用于一些防腐环境。，用于一些防腐环境。由于合金铸铁的成分是在熔炼时各生产厂家自己控制，所以在成分和牌由于合金铸铁的成分是在熔炼时各生产厂家自己控制，所以在成分和牌号上没有统一的规格，仅仅是考核要求的关键性能。号上没有统一的规格，仅仅是考核要求的关键性能。