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1、第四讲：铁-碳相图应用及钢的分类与牌号 一、铁-碳相图的基本区域 二、举例分析不同成分铁-碳合金结晶过程 三、碳含量对铁碳合金组织和性能影响 四、铁碳合金相图应用 五、钢的分类与牌号四个单相区：四个单相区：(1)(1)液相区（液相区（L L）(2)(2)奥氏体相区（奥氏体相区（A A，）(3)(3)铁素体相区（铁素体相区（F F，）(4)DFK(4)DFK垂线代表的垂线代表的渗碳体相区渗碳体相区（FeFe3 3C C）一、一、Fe-c相图区域构成相图区域构成五个双相区五个双相区:液相与奥氏体区液相与奥氏体区 （L L+A A）液相与渗碳体区液相与渗碳体区 （L L+Fe+Fe3 3C C）奥氏
2、体与铁素体区奥氏体与铁素体区 （A A+F+F）奥氏体与渗碳体区奥氏体与渗碳体区 （A A+Fe+Fe3 3C C）铁素体与渗碳体相区铁素体与渗碳体相区 （F F+Fe+Fe3 3C C）二、举例分析1538Q Fe-Fe3C状态图wC/%温度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe共析钢组织转变示意图 Eutectoid transformation亚共析钢组织转变示意图Sub-eutectoid 过共析钢组
3、织转变示意图Over-eutectoid 共晶成分组织转变示意图 Eutectic transformation 亚共晶成分组织转变示意图Sub-Eutectic transformation 过共晶成分组织转变示意图Sub-Eutectic transformation三、碳对铁-碳合金组织和性能影响1、C对平衡组织的影响对平衡组织的影响图 铁碳合金中组织与成分的关系2、对力学性能的影响、对力学性能的影响含碳量对钢力学性能的影响 o含碳越高，钢强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。因钢中增强相Fe3C增多。o含碳超过0.77%，达到0.9时，在晶界析出网状二次渗碳体，钢强度会有所降低。四、铁碳合
4、金相图应用 Application of Fe-C Equilibrium Diagram 1.在铸造中应用：Application in Foundry（1）确定钢和铸铁浇注温度；（2）判断其流动性好坏和收缩大小。2.在锻造中应用：Application in Forging 确保钢在奥氏体区域内变形。3.在热处理中应用：Application in Heat treatment 制定热处理工艺依据。据Fe-Fe3C相图液相线找出铁碳合金熔点来确定其熔化和浇注温度：液相线上50100。近共晶铁碳合金熔点低，而且凝固区也较小，有良好铸造性能。1）在铸造行业的应用Fe-Fe3C相图与铸造关系 2
5、）在锻造行业应用：确定钢的锻造温度范围 Fe-Fe3C相图与锻造工艺 钢的锻造多选择 单一奥氏体区。温度选择：始锻温度-不得过高以免氧化严重。一般在固相线下100200。终止温度-也不能过低，以免塑性太差，产生裂纹。一般800左右。不同钢对性能要求不同，其热处理工艺也不同，如加热温度的选择如图：3）在热处理工艺的应用：确定热处理工艺1 1、钢的分类：、钢的分类：按化学成分有：按化学成分有：碳素钢、合金钢。碳素钢、合金钢。按用途分有：按用途分有：n结构钢、工具钢、特殊性能钢结构钢、工具钢、特殊性能钢按质量分有：按质量分有：n普通钢普通钢（P 0.045%，S 0.050%）、n优质钢优质钢（P、
6、S均 0.035%）、n高级优质钢高级优质钢（P 0.035%，S 0.030%）按脱氧程度分有：按脱氧程度分有：n镇静钢镇静钢Z Z，沸腾钢，沸腾钢F F等。等。五、钢分类、牌号及应用1)按化学成分有(by Composition)低碳钢 C0.25%0.25%；碳素钢 中碳钢 0.25%0.25%C0.60%0.60%；Carbon 高碳钢 C0.6%0.6%；低合金钢 合金元素总量 5%5%；合金钢 中合金钢 5%5%合金10%10%Alloy 高合金钢 合金元素总量10%10%；钢钢：为C 2.11%Fe-C合金，还有Si、Mn、S、P等元素。2、碳素钢、碳素钢按含碳量分 低碳钢 0.
7、0218%C0.25%；中碳钢 0.25%C0.60%；高碳钢 0.60%C1.3%。碳素钢按用途：普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 1)1)碳（碳（C C）的多少对钢性能影响：）的多少对钢性能影响：对亚共析钢：对亚共析钢：对亚共析钢：对亚共析钢：含碳增加含碳增加含碳增加含碳增加,P,P,P,P量增加，量增加，量增加，量增加，F F F F减少，钢强、硬度增加，而减少，钢强、硬度增加，而减少，钢强、硬度增加，而减少，钢强、硬度增加，而塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。对过共析钢：对过共析钢：对过共析钢：对过共析钢：因出现网状二次渗碳体，随含碳量增加，硬度
8、增加，因出现网状二次渗碳体，随含碳量增加，硬度增加，因出现网状二次渗碳体，随含碳量增加，硬度增加，因出现网状二次渗碳体，随含碳量增加，硬度增加，但脆性增加，强度反而下降。但脆性增加，强度反而下降。但脆性增加，强度反而下降。但脆性增加，强度反而下降。2)硅和锰（Si、Mn）炼钢时用硅铁和锰铁脱氧而残留在钢中。在碳钢中Si0.37%；Mn=0.25%-0.8%对力学性能影响不大。Si：（1）用来清除钢中FeO，脱氧能力比Mn强。与钢液中FeO能结成密度较小硅酸盐，以炉渣形式被除去；（2）Si能溶入F中使其强化，从而提高钢 强度和硬度，但降低塑性和韧性；（3）总之，Si是一种有益元素，含量应小于0.
9、4%。Mn：（1）清除钢中FeO，锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉 渣，从而把FeO还原成铁；（2）减轻硫有害作用，降低钢脆性；（MnS在高温时有一定塑性，故切削中MnS起断屑作用，改善了钢的切削加工性，这类钢称易切削钢)（3）室温下，Mn大部分固溶入F中形成置换固溶体使F强 化，提高钢的强度和硬度。（4）Mn在钢中含量为0.250.80%，总之是有益元素。pS：炼钢时由矿石和燃料带入 引起热脆，是有害元素。p磷P：由矿石带入引起冷脆，也是有害元素。衡量钢指标是S、P含量：S在0.065%以下；磷P在0.045%以下。3)S、磷磷PS引起引起“热脆热脆”“热脆”：S与铁生成FeS，FeS与F
10、e形成低熔点（985）共晶体，分布在晶界上。在10001200 下进行压力加工时，易开裂。P磷磷 会引起会引起“冷脆冷脆”“冷脆”：磷P溶于F，提高F强度和硬度；但在室温使塑性和韧性急剧下降（因Fe3P）。小结：钢中杂质对钢质量的影响小结：钢中杂质对钢质量的影响p磷磷P P有害有害杂质杂质使钢塑性、韧性下降，具有冷脆性。使钢塑性、韧性下降，具有冷脆性。p硫硫S S有害有害杂质杂质造成钢的热脆，因在晶界处形成低熔点共晶体。造成钢的热脆，因在晶界处形成低熔点共晶体。p硅硅有益有益元素元素提高钢的强度和硬度，通常作为脱氧剂进入钢。提高钢的强度和硬度，通常作为脱氧剂进入钢。p锰锰有益有益元素元素提高钢
11、强度和硬度，抵消硫有害作用，也作为脱氧剂。提高钢强度和硬度，抵消硫有害作用，也作为脱氧剂。3、碳素钢牌号：1 1）普通碳素结构钢）普通碳素结构钢 *含碳小于含碳小于0.380.38，常用小于，常用小于0.250.25，即以低碳钢为主。，即以低碳钢为主。组织：F+P *结构钢牌号：结构钢牌号：Q+Q+三位数字表示，三位数字表示，例：例：Q215Q215A AF F Q Q屈服点；屈服点；215215屈服强度值，屈服强度值，215MPa215MPa A A质量等级，分为质量等级，分为A A、B B、C C、D D，其中，其中A A是普通级，是普通级，D D是优等级，其硫、磷含量较低。是优等级，其硫
12、、磷含量较低。F F脱氧程度，脱氧程度，F F是沸腾钢，是沸腾钢，Z Z是镇静钢，是镇静钢，Z Z可不标。可不标。*常见常见碳素结构钢碳素结构钢：Q195AQ195A、Q195B Q195B、Q215AQ215A、Q215B Q215B、Q235AQ235A、Q235B Q235B、Q235CQ235C、Q235D Q235D、Q2Q255A 55A、Q255BQ255B和和Q275Q275等。等。*其中其中Q235Q235用得最广用得最广,属低碳钢属低碳钢,经热轧成经热轧成钢板、型钢、钢管和棒材等钢板、型钢、钢管和棒材等,铁素体较多，铁素体较多，故其塑性和韧性优良故其塑性和韧性优良,用于建筑
13、构件用于建筑构件、不不重要轴、螺钉、螺母、冲压件、焊接件和重要轴、螺钉、螺母、冲压件、焊接件和锻件等。锻件等。*Q235Q235C C和和Q235Q235D D可用于重要焊接件。可用于重要焊接件。2 2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢*含硫、磷较低（0.035%)，用来制造重要零件。*优质结构钢牌号：用二位数字表示 例 20钢-表示含碳为0.2，即“20”表示钢平均含碳量万分数。10F-表示含碳量为0.1，沸腾钢*常用优质结构钢：常用优质结构钢：08 08、1010、1515、2020、2525等属等属低碳钢低碳钢-塑性好，易于拉拔、冲塑性好，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。压、挤压、锻造和
14、焊接。其中其中2020钢用途最广钢用途最广,用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴、用于制造螺钉、螺母、垫圈、小轴、冲压件和焊接件；也用于渗碳件。冲压件和焊接件；也用于渗碳件。30 30、3535、4040、4545、5050、5555等属等属中碳钢中碳钢-钢中珠光体量增多，钢中珠光体量增多，强度和硬度提高，尤其淬火后硬度。强度和硬度提高，尤其淬火后硬度。其中其中4545钢强度、硬度、塑性和韧性都好，应用最广，钢强度、硬度、塑性和韧性都好，应用最广，用于制造轴、丝杠、齿轮、重要螺钉和螺母等。用于制造轴、丝杠、齿轮、重要螺钉和螺母等。60 60、6565、7070、7575等属等属高碳钢高碳钢-经淬火和
15、回火，不仅强度和经淬火和回火，不仅强度和硬度提高，弹性优良，用于制造弹簧、钢丝绳和轧辊等。硬度提高，弹性优良，用于制造弹簧、钢丝绳和轧辊等。含碳量含碳量-为为0.70.71.351.35n淬火硬度高（淬火硬度高（60HRC60HRC），耐磨。），耐磨。n工作温度工作温度250250。牌号：牌号：T+T+数字，例：数字，例：T7A T7A T T-碳素工具钢；碳素工具钢；7-7-平均含碳量为平均含碳量为0.70.7；A-A-表高级优质表高级优质常用：常用：T8T8、T10T10、T10AT10A、T12T12T8-T8-共析钢共析钢，韧性最好韧性最好，用于制造受冲击工具：錾子和锻工工具，用于制造
16、受冲击工具：錾子和锻工工具T10T10、T10A-T10A-硬度高，且硬度高，且有韧性有韧性，用来制造锯条和小冲模等。，用来制造锯条和小冲模等。T12-T12-硬度最高，耐磨性好，但硬度最高，耐磨性好，但脆性大脆性大，适于制造不受冲击的，适于制造不受冲击的 耐磨工具如：钢锉和刮刀等。耐磨工具如：钢锉和刮刀等。3）碳素工具钢）碳素工具钢 合金钢合金钢 alloy-steel一、分类一、分类1、按合金元素多少：、按合金元素多少：（1）低合金钢）低合金钢（2）中合金钢）中合金钢（3）高合金钢）高合金钢W含量含量10%W含量含量=510%2、按用途：、按用途：（1）合金结构钢）合金结构钢（2）合金工具
17、钢）合金工具钢（3）特殊性能钢）特殊性能钢轴、齿轮、钢筋、型钢等轴、齿轮、钢筋、型钢等刀具、模具、手用工具等刀具、模具、手用工具等不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等不锈钢、耐热钢、耐蚀钢等二、合金元素在钢中作用二、合金元素在钢中作用（了解）（了解）1、与、与铁铁作用：固溶于铁素体中，固溶强化，作用：固溶于铁素体中，固溶强化，力学性能力学性能。2、与、与碳碳作用：作用：固溶于铁素体；固溶于铁素体；形成碳化物，形成碳化物，HB、b。三、合金结构钢牌号三、合金结构钢牌号 合金结构钢全是优质钢。合金结构钢全是优质钢。牌号牌号：数字数字+元素符号元素符号+数字数字 2525 Cr2Cr2 Ni4Ni4 W W（万
18、分之几）（万分之几）wS.P0.035%元素及含量元素及含量（百分之几）（百分之几）1.5%不标出不标出 1.52.5%用用 2表示表示2.53.5%用用 3表示表示例如：例如：40Cr 、60Si2Mn、20CrMnTi1、低合金高强度钢：、低合金高强度钢：制造制造桥梁、井架、电视塔架和船舶桥梁、井架、电视塔架和船舶等。等。1）成分）成分：C0.2%；合金元素强化铁素体。；合金元素强化铁素体。2）性能）性能：、ak良好，良好，b、s较高；较高；3）钢号）钢号 ：Q295；Q345；Q390；Q420；Q460注：注：Q345 代替旧标准代替旧标准 16Mn4）热处理）热处理：热轧后，正火状态
19、使用。：热轧后，正火状态使用。2、合金渗碳钢、合金渗碳钢1）成分）成分：C0.25%；心部心部有良好有良好塑性和韧性塑性和韧性。2）性能）性能：淬透性：淬透性好好；渗碳耐磨性；渗碳耐磨性，-1、ak 抗冲击。抗冲击。3）钢号：钢号：20Cr-A20202；变速箱齿轮用20CrMnTi4）热处理工艺）热处理工艺：渗碳、淬火：渗碳、淬火+低温回火，低温回火，5862HRC3、合金调质钢、合金调质钢1）成分）成分：0.50%；过高，；过高，ak；过低，淬不硬，；过低，淬不硬，不高。不高。2）性能）性能：综合力学性能：综合力学性能良好良好。3）钢号：）钢号：40Cr-A20402；齿轮用40CrMnM
20、o 4）热处理工艺）热处理工艺：淬火：淬火+高温回火高温回火4、合金弹簧钢、合金弹簧钢1）成分）成分：C=0.50.7%；过低，；过低，e不高，屈强比低；不高，屈强比低；2）性能）性能：高：高b；高屈强比；高屈强比s/b，-1、足够、足够、ak 3）钢号：）钢号：60Si2Mn、汽车减振弹簧用钢55Si2Mn。过高，过高，-1、ak 4）热处理：）热处理：冷成形弹簧冷成形弹簧d8mm，200250去应力退火去应力退火 淬火淬火+中温回火中温回火5、滚动轴承钢、滚动轴承钢1）成分）成分：C=0.951.1%,高硬度、耐磨性；高硬度、耐磨性；加加Cr=0.41.6%，提高淬透性。，提高淬透性。2）
21、性能）性能：较高：较高-1，HB，e；一定一定ak3）牌号）牌号:常用常用 GCr15 小型套圈，直径小型套圈，直径25mm钢球；钢球；GCr9直径为直径为1020mm滚珠。滚珠。WCr=0.9%4）热处理工艺）热处理工艺：球化退火、淬火：球化退火、淬火+低温回火低温回火四、合金工具钢牌号四、合金工具钢牌号合金工具钢属高级优质钢，牌号合金工具钢属高级优质钢，牌号：数字数字+元素符号元素符号+数字数字 9Mn2V Cr12MoV含碳千分之几含碳千分之几（WC12%。1）铬不锈钢）铬不锈钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。等。2）铬镍不锈钢）铬镍不锈钢1Cr18Ni9Ti、0Cr1
22、8Ni9。另：铁素体不锈钢另：铁素体不锈钢1Cr17用作容器或日用品。用作容器或日用品。2、耐磨钢：、耐磨钢：碳碳0.91.5%，锰，锰1114%，难加工，铸后直接用。，难加工，铸后直接用。应用：应用：ZGMn131、ZGMn132：球磨机衬板、颚板；：球磨机衬板、颚板；ZGMn133和和 ZGMn134：防弹板、铁道叉、履带板和铲斗。防弹板、铁道叉、履带板和铲斗。3、耐热钢：、耐热钢：自己阅自己阅。1、钢的分类、钢的分类小结：小结：2、钢的牌号 1）普通碳素结构钢 碳素结构钢一般不进行热处理，按力学性能供货，其牌号：屈服点字母+屈服点数值+质量等级+脱氧方法如：Q235-A.F：屈服强度23
23、5MPaA级沸腾钢。2）优质碳素结构钢：既保成分，又保性能。牌号：平均碳含量万分数：25、30、45 若含锰较高：45Mn3）碳素工具钢：碳含量在 0.651.35%之间 牌号：平均碳含量千分数：T8、T10、T12A4）合金结构钢：30CrMnSi、12CrNi3 牌号：平均碳含量万分数+元素符号+数字 滚珠轴承钢牌号前加“G”，如GCr15，Cr1.5%5）合金工具钢：用于刀具、模具和量具 牌号：9SiCr、Cr12、5CrMnMo 平均碳含量千分数+元素符号+数字 碳含量1%，不标出，如 W18Cr4V 6）特殊用途合金钢：不锈钢、耐热和耐磨钢 牌号：与合金工具钢相同如，1Cr18Ni9 1Cr13、4Cr9Si2、ZGMn13 和 0Cr18Ni9Ti 碳含量0.03%和 0.08%，冠以00和0。