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1、铁碳合金相图2024/7/91主要内容铁碳合金的相结构铁碳合金相图碳钢与铸铁铁碳合金相图的应用及其局限2024/7/92第一节 铁碳合金的相结构纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe，随后随着温度的降低发生同素异构转变，得到面心立方晶格的-Fe，再冷却生成体心立方晶格的-Fe。碳溶入-Fe和-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。碳原子溶入-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在1394以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。铁碳合金相图的基本组成相是铁素体，奥
2、氏体和渗碳体。2024/7/93ANG纯铁的冷却曲线Fe-Fe3C相图（局部）2024/7/94一、铁素体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方晶格的-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.0218%，而在室温时固溶度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：2024/7/95 抗拉强度 b 180-280Mpa屈服强度 S 100-170Mpa断后伸长率A11.3 30%-50%冲击韧性K 160-200 J/cm2布氏硬度HB 50-80HBS由由此此可可见见，
3、铁铁素素体体有有优优良良的的塑塑性性和和韧韧性性，但但强强度度，硬硬度度较较低低，在在铁铁碳碳合合金金中中是是软软韧韧相相。铁铁素素体体是是912912以以下下的的平平衡衡相相，也也称称做做常常温温相相，在在铁铁碳碳相相图图中中用用符号符号F F或或表示。表示。二、奥氏体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方晶格的-Fe的晶格间隙半径为0.052nm，比-Fe的间隙稍大，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727时是0.77%(共析点)。奥氏体是727以上的平衡相，也称高温相。在高温下，奥氏体具有极好的塑性，所以在
4、此相区具有良好的热轧、锻造等热加工工艺性能。在铁碳合金相图中，奥氏体通常用符号A或表示。2024/7/96三、渗碳体渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙化合物，属于复杂八面体结构，含碳量6.69%。渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几乎是零。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能影响很大。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：2024/7/97Fe3C 3Fe+C（石墨）一、相图图形介绍在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳
5、合金脆性大，没有使用价值。因此只研究含碳量小于6.69%的这一部分，通常称为铁碳合金相图，也称Fe-Fe3C相图，如图2-1所示。在FeFe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是在1400以上发生反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。FeFe3C相图可简化为图2-2形式。2024/7/98第二节 铁 碳 合 金 相 图L+Fe3C图图2-1Fe-Fe3C 相图相图图图2-2 简化的简化的Fe-Fe3C相图相图2024/7/99 L4.3 A2.
6、11 +Fe3C2024/7/910恒温1148恒温727 相图的右上部为共晶相图。相图的右上部为共晶相图。在在1148时，含碳量时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：的合金发生共晶反应：A0.77 F0.0218+Fe3C以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号P表示。表示。以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号Ld表示。表示。相相图图的的左左下下部部为为共共析析相相图图。共共
7、析析相相图图与与共共晶晶相相图图相相似似，所所不不同同的的是是共共晶晶相相图图是是从从液液相相中中同同时时析析出出两两个个固固相相，产产物物称称作作共共晶晶体体；而而共共析析相相图图则则是是从从一一个个固固相相中中同同时时析析出出两两个个新新的的固固相相，产产物物称称作作共共析析体体。在在铁铁碳碳合合金金中中，含含碳碳0.77%的的奥奥氏氏体体在在727时发生共析反应：时发生共析反应：二、相图中点、线和相区的意义珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：2024/7/911布氏硬度 HB 180-280HB断后延伸率 A11.3 20%25%冲击韧性 a K 3040J/cm
8、抗拉强度 b 750-900Mpa 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。特性点温度（）含碳量（）特性点含义 A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120-Fe -Fe的同素异构转变点S7270.77共析点由由此此可可见见，珠珠光光体体力力学学性性能能介介于于铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体之之间间，具具有有较较好好的的塑塑性性和和韧韧性性，强强度度较较高高，硬硬度度适适中中。正正火火后后便便可可得得到到珠珠光体组织。光体组织。铁碳合金相图中各主要线的意义：2
9、024/7/912AECF为固相线。为固相线。若温度低于若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。线时，铁碳合金凝固为固体。ECF为共晶线。为共晶线。若含碳量在若含碳量在ECF线的范围（线的范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在）内，铁碳合金在1148时时即发生共晶反应，形成莱氏体。即发生共晶反应，形成莱氏体。ES为为碳碳在在奥奥氏氏体体中中溶溶解解度度曲曲线线，简简称称Acm。从从该该线线可可以以看看出出，在在1148时时碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的最最大大溶溶解解度度为为2.11%，在在727时时，溶溶解解度度为为0.77%，随随着着温温度度降降低低，碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的溶溶
10、解解度度也也降降低低而而从从奥奥氏氏体体中中析析出出渗渗碳碳体体。从从固固溶溶体体奥奥氏氏体体中中析析出出的的渗渗碳碳体体称称为为二二次次渗渗碳碳体体（Fe3C）。从从液液相相中中直直接接结结晶晶出出的的渗渗碳碳体体称称为为一一次次渗渗碳碳体体（Fe3C），从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3C）。）。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。线。GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。PSK为为共共析析线线，简简称称A1线线。
11、若若含含碳碳量量在在PSK线线的的范范围围（0.0218%6.69%）内内，奥奥氏氏体体在在727时必然发生共析反应，形成珠光体。时必然发生共析反应，形成珠光体。PQ为碳在铁素体中溶解度曲线。从该线可以看出，在727时碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，在600时溶碳量约为0.0057，在室温仅能溶解碳0.008%，可忽略不计。故一般铁碳合金凡是从727缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3C）。2024/7/913 因因三三次次渗渗碳碳体体数数量量极极少少，对对力力学学性性能能影影响响不不大大，常常予予忽忽略略。对对于于一一次次，二二次次，三三次次渗碳体
12、，仅在其来源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。渗碳体，仅在其来源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。简简化化的的铁铁碳碳合合金金相相图图共共有有一一个个液液相相和和三三个个固固相相，在在相相图图中中分分别别占占有有四四个个单单相相区区，即即 L，A，F及及Fe3C；渗渗碳碳体体是是铁铁碳碳相相图图的的基基本本组组成成相相，它它的的成成分分是是固固定定不不变变的的，因因此此在在相相图图上它的相区仅是一条竖直线。上它的相区仅是一条竖直线。相相图图中中有有五五个个双双相相区区，即即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F、A+FeA+Fe
13、3 3C C、F+FeF+Fe3 3C C。相相图图中中的的两两条条水水平平线线是是三三相相平平衡衡线线，线线上上有有三三个个点点，分分别别与与各各个个单单相相区区以以点点相相连连接接，当当发发生生三三相相平平衡衡反反应应时时，三三个个平平衡衡相相的的成成分分即即这这三三个个点点的的成成分分，说说明明了了在在相相变变过过程程中中相相变变温温度度和和各各组组成相的相对含量是固定的。成相的相对含量是固定的。从从相相图图可可以以看看出出，含含碳碳量量大大于于0.008%时时任任何何成成分分的的铁铁碳碳合合金金在在室室温温时时都都处处在在F+Fe3C相相区区内内，即即合合金金的的相相结结构构都都要要由
14、由这这两两相相组组成成。但但这这两两个个相相的的相相对对量量不不同同，相相的的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。三、典型合金结晶过程及室温组织工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁，碳钢和铸铁三大类，它们的区别在于含碳量的不同。含碳量小于0.0218%的，称为工业纯铁；含碳量大于0.0218%而小于2.11%，称为碳铁；含碳量大于2.11%而小于6.69%的，称为铸铁。2024/7/914在分析铁碳合金的平衡组织时，在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，亚共析钢，过共析钢；
15、将亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金铁共六种典型合金，如图，如图2-3所示。所示。（一）共析钢上图中合金称为共析钢，其含碳量为0.77%。当温度在1点以上时，合金为液相；温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体；温度降至12点之间时，从液相中不断析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC线变化，奥氏体的成分沿AE线变化。当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度降至23点之间时，合金为单相奥氏体。温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727温度下发生共
16、析反应。从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C，两相所组成的共析组织即珠光体P。2024/7/915珠光体是在727恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含碳量从0.0218%降至几乎为零，碳则以微量的三次渗碳体的形式析出来。2024/7/916恒温727LL+A P图2-5 共析钢的珠光体组织 500 x共共析析钢钢的的结结晶晶过过程程如如图图2-4所所示示。珠珠光光体体的的显显微微组组织织如如图图2-5所所示示，铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体呈呈层层片片状状相相间间而而生生，有有类类似似贝贝壳壳的的光光泽泽，故故名名珠珠光光体体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：共析
17、钢的结晶过程用反应式表示为：（二）亚共析钢含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢。以图2-3中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如图2-6所示。合金从液相冷却到1-2点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；温度继续降至2-3点之间时，完全转变为单相奥氏体；当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；温度降至3-4点时，根据杠杆定律可以计算出结晶出的先共析铁素体含量为4S/（PS），剩下的奥氏体相的量为 P4/（PS）。温度降至4点时剩下的奥氏体成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为先共析铁
18、素体（图27中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织（图27中黑色部分）。温度继续降至室温时，显微组织基本不变（析出的三次渗碳体可忽略不计）即为铁素体加珠光体（F+P）。2024/7/917 Wc=0.20%Wc=0.40%图27 亚共析钢的室温组织 200 x2024/7/918铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区的PS线上计算出。合金中，珠光体组织含量为：QP=P4/PS100%先共析铁素体含量为：QF=1QP 或 QF=4SPS100%随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当含碳量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。珠光体中的铁素体
19、，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚共析钢中铁素体与渗碳体的含量，称作相的相对含量：QF（总）=（6.69）/（6.690.0218）100%QFe3C=1 QF（总）2024/7/919其中其中 Q QF F（总）（总）为先共析铁素体与共析铁素体之和。式中为先共析铁素体与共析铁素体之和。式中 亚共析钢的含碳量。亚共析钢的含碳量。亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L L+A A FA F+P含碳量在 0.77%2.11%的碳钢,称为过共析钢。以图2-3中合金为例，过
20、共析钢的结晶过程如图2-8所示。合金从液相冷却至1-2点以后，结晶出奥氏体；温度继续降至2-3之间时，全部转变为奥氏体；温度降至3点时，碳在奥氏体中溶解度达到饱和。温度降低至3-4时，开始析出Fe3C，即为二次渗碳体Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界析出。室温下过共析钢的显微组织如图2-9所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。温度降至4点（727）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在AFe3C两相区SK线上计算出来。2024/7/920（三）过共析钢 含碳量1.2%的过共析钢的显微组织 200 x 含碳量1.4%的过共析钢的显微组织 200 x图2-92
21、024/7/921 式中 过共析钢的含碳量剩余的奥氏体量为1QFe3CII，其成分已沿着ES线变化至S点，已具备珠光体转变的条件，在共析点727时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体组织的相对量即为剩余奥氏体的量：Q P1QFe3CII 或 Q P利用杠杆定律可以在 F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量：QF=Q P（6.690.77）/（6.690.0218）QFe3C=1 QF2024/7/922 Q Fe3CII =L L+A A Fe3CII A Fe3CII+P 恒温727 这这样样计计算算出出的的QFe3C为为二二次次渗渗碳碳体体与与共共析析渗渗碳碳体体之之和和。过过共
22、共析析钢钢的的结结晶晶 过程可用反应式表示为：过程可用反应式表示为：（四）共晶白口铁图23中合金称为共晶白口铁，含碳量为4.3，其结晶过程如图210所示。自液相冷却至1点，即降至共晶温度1148时，发生共晶反应，从液相中同时析出含碳量为2.11的奥氏体和含碳量为6.69的渗碳体的共晶体组织，这种机械混合物组织称为莱氏体用符号Ld表示。莱氏体组织为球状或短杆状的奥氏体均匀分布在渗碳体基体上。温度从1点继续下降时，共晶体中奥氏体的碳溶解度下降，不断析出二次渗碳体。温度降至727时，奥氏体中的含碳量已降至0.77，此时，奥氏体具备了共析转变的条件，转变为二次渗碳体以及珠光体组织。这样，共晶白口铸铁中
23、的莱氏体组织形态不变，只是其中球状和短杆状的奥氏体转变成了二次渗碳体和珠光体，而且二次渗碳体又与一次渗碳体融为一体，不大容易分辨。这种由一次渗碳体、二次渗碳铁和珠光体组成的组织称为低温莱氏体，用Ld表示，其显微组织如图211所示。共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为：2024/7/923L AFe3CI（AFe3CII）Fe3CI 恒温1148Ld 恒温727PFe3CIIFe3CI2024/7/924（五）亚共晶白口铁含碳量高于2.11%，低于4.3%的合金称为亚共晶白口铁。以图2-3合金5为例，亚共晶白口铁的结晶过程如图2-12所示。在共晶反应之前，即12之间，从液相中已先结晶出一部分初生
24、奥氏体A，其形态如树枝状（图212）。冷却到2点时，剩下液相的温度和成分已具备共晶反应的条件，遂转化为莱氏体Ld。A与Ld的相对量可利用杠杆定律从L+A相区EC线上计算出。初生A+Ld的组织形态冷却至室温时变化不大，只是温度在1148以下时，初生奥氏体中都要析出Fe3CII；冷却至727时（即3点时），又具备了共析反应的条件，转变为珠光体。室温的显微组织为二次渗碳体、珠光体及低温莱氏体，如图213所示。合金的结晶过程可用反应式表式为：2024/7/925 LAL ALd ALdFe3CII 恒温727恒温1148PLd Fe3CII图2-13 亚共晶白口铁的室温组织 200 x图中黑色树枝状组
25、织为珠光体，其余为共晶组织2024/7/926（六）过共晶白口铁 含碳量为4.3%6.69%的铁碳合金，称为过共晶白口铁。以图 23中合金为例，过共晶白口铁的结晶过程如图2-14所示。从1点开始自液相中结晶出呈板条状的一次渗碳体Fe3CI，剩下的液相在2点1148转变为莱氏体Ld。所生成的Fe3CI+Ld的组织冷却至室温时形态变化不大。过共晶白口铁室温时的显微组织为板条状的一次渗碳体及低温莱氏体，如图215所示。L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI2024/7/927恒温727恒温11482024/7/928第三节 碳钢与铸铁含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，它的力学性
26、能与铁素体基本相同，有良好的塑性和韧性，较低的强度与硬度。在亚共析钢中，室温组织为铁素体+珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光体+渗碳体。含碳量的变化，室温组织即变化，随之碳钢性能不同。含碳量对碳钢组织的影响见图3-1。含碳量对力学性能的影响见图3-2，从图中可以看出，当含碳量增加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。2024/7/929碳碳的的质质量量分分数数小小于于2.11%而而大大于于0.0218%且且不不含含有有特特意意加加入入的的合合金金元元素素的的钢钢称称为为碳碳钢钢。目目前前使使用用的的金金属属材材料料中中，碳碳钢钢占占有有重重要要地地位位，工工程程中中使使用用的的碳钢均含
27、有锰、硅、硫、磷等元素。碳钢均含有锰、硅、硫、磷等元素。一 碳钢碳碳、锰锰、硅硅、硫硫、磷磷是是碳碳钢钢中中的的常常存存元元素素，统统称称五五大大元元素素。炼炼钢钢时时要要对对上上述元素含量进行分析和控制。它们的含量对碳钢的性能有较大的影响。述元素含量进行分析和控制。它们的含量对碳钢的性能有较大的影响。（一）钢中常存元素对碳钢性能的影响（1 1）碳的影响）碳的影响图3-1 含碳量对碳钢组织的影响图3-2 含碳量对碳钢力学性能的影响2024/7/930含碳量的增加，碳钢中的渗碳体也在不断的增加。但是，当含碳量超过0.9%后，由于游离状态的二次渗碳体沿晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的
28、晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加，反而使碳钢强度逐渐下降。工程上已很少使用含碳量大于1.4%的碳钢。（2）锰锰的的影影响响 锰锰在在碳碳钢钢中中是是作作为为脱脱氧氧、去去硫硫的的元元素素加加入入的的。一一般般碳碳钢钢的的含含锰锰量量为为0.25%-0.8%。钢钢中中的的锰锰一一部部分分形形成成MnS和和MnO的的夹夹杂杂物物，其其余余的的锰锰溶溶入入铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体中中。锰锰溶溶入入铁铁素素体体中中起起到到固固溶溶强强化化的的作作用用，从从而提高钢的强度。而提高钢的强度。锰是有益元素锰是有益元素。（3）硅硅的的影影响响 硅硅与与锰锰相相似似，具具有有较较强强的的脱脱氧氧
29、作作用用。硅硅溶溶入入铁铁素素体体中中可可提提高高钢钢的的强强度度，且且塑塑性性、韧韧性性降降低低不不明明显显，但但含含量量大大于于0.8%时时，钢钢的的塑塑性性、韧性显著下降。一般控制钢中硅含量在韧性显著下降。一般控制钢中硅含量在0.5%以下。以下。（4 4）硫硫的的影影响响 硫硫是是炼炼钢钢过过程程中中难难以以除除尽尽的的杂杂质质元元素素。易易以以FeSFeS的的形形式式与与FeFe形形成成低低熔熔点点的的共共晶晶体体并并附附在在晶晶界界上上，这这种种共共晶晶体体熔熔点点为为958958，使使得得在在1100110012001200时时热热轧轧、热热锻锻的的钢钢材材易易产产生生热热裂裂纹纹
30、并并报报废废，称称为为热热脆脆性性。在在钢钢中中的的含含量量应应控控制制在在0.04%0.04%以以下下。但但硫硫可可以以改改善善钢钢的的被被切切削削性性能能，所所用用在在易易切削钢中硫是作为有益元素加入的。切削钢中硫是作为有益元素加入的。（5 5）磷磷的的影影响响 磷磷来来源源于于炼炼钢钢原原料料，为为杂杂质质元元素素。它它可可以以溶溶入入铁铁素素体体中中而而提提高钢的高钢的冷脆性冷脆性并并使钢的塑韧性明显降低。在钢中的含量不得超过使钢的塑韧性明显降低。在钢中的含量不得超过0.04%0.04%。2024/7/931除除了了上上述述常常存存的的元元素素外外，还还有有氢氢、氧氧、氮氮等等残残存存
31、与与钢钢中中，这这些些气气体体易易形形成成白白点点、气气孔孔和和非非金金属属夹夹杂杂物物。特特别别是是氧氧化化物物夹夹杂杂SiO2、MnO等等。这这些些缺缺陷陷的存在，均降低钢材质量。的存在，均降低钢材质量。（二）常见合金元素对钢性能的影响在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加合适的合金元素以改善材料的性能。合适的合金元素以改善材料的性能。（1）由碳钢制成的零件尺寸不宜太大。否则，因淬透性不够而不能满足工件对强度、硬度与塑韧性良好配合的要求。加入合金元素可提高淬透性。（2）用碳钢制成的切削刀具不能满足
32、切削红硬性的要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金可满足。（3）碳钢不能满足特殊性能的要求，如耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等，只有特种的合金钢才能具有这些性能。2024/7/932Cr 提提高高钢钢的的淬淬透透性性，并并有有二二次次硬硬化化作作用用，增增加加钢钢的的耐耐磨磨性性，含含量量超超过过12时时，钢钢具具有有良良好好的的高高温温抗抗氧氧化化性性和和耐耐腐腐蚀蚀性性，是是不不锈锈钢钢及及耐耐热热钢钢的的主主要要合合金金元元素素。铬铬在在调调质质合合金金钢钢中中的的主主要要作作用用是是提提高高淬淬透透性性，使使钢钢经经淬淬火火回回火火后后具具有有较较好好的的综综合合力力学学性性能
33、能；在在渗渗碳碳钢钢中中可可以以形形成成含含铬铬的的碳碳化化物物，从从而而提提高高材材料料表表面的耐磨性。面的耐磨性。Mo 提提高高钢钢的的淬淬透透性性，在在调调质质钢钢中中，钼钼能能使使较较大大截截面面的的零零件件淬淬深深、淬淬透透，提提高高钢钢的的回回火火稳稳定定性性，从从而而更更有有效效地地降降低低残残余余应应力力，提提高高塑塑性性。在在渗渗碳碳钢钢中中，钼钼能能在在表表面面渗渗碳碳层层中中降降低低碳碳化化物物在在晶晶界界上上形形成成连连续续网网状状的的倾倾向向，减减少少渗渗碳碳层层中残余奥氏体，相对地增加了表层的耐磨性。中残余奥氏体，相对地增加了表层的耐磨性。Mn 锰锰是是良良好好的的
34、脱脱氧氧剂剂和和脱脱硫硫剂剂。锰锰和和铁铁形形成成固固溶溶体体，提提高高钢钢中中铁铁素素体体和和奥奥氏氏体体的的硬硬度度和和强强度度。可可以以使使钢钢的的调调质质组组织织均均匀匀、细细化化，可可以以避避免免渗渗碳碳层层中中碳碳化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向。化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向。2024/7/933二 铸铁铸铁是含碳量在2.116.69的铁碳合金。碳以渗碳体形式存在的铸铁，断口呈银白色，称为白口铸铁。碳以全部或大部分片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，称为灰口铸铁。2024/7/934（一）概述铁碳相图中，渗碳体铁碳相图中，渗碳体Fe3C作为一
35、个组元是较稳定的相。但在铁碳合金中，它作为一个组元是较稳定的相。但在铁碳合金中，它仍是个亚稳相，石墨才是稳定的相。仍是个亚稳相，石墨才是稳定的相。在工业上应用的铸铁中，碳一般都是以在工业上应用的铸铁中，碳一般都是以石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点。（1）优良的铸造性能优良的铸造性能 浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小。浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小。（2）优优良良的的减减震震性性 由由于于石石墨墨的的存存在在，便便于于吸吸收收机机械械振振动动能能，使使之之变变为为热热能能。因因此此铸铁具有优良的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备
36、底座等。铸铁具有优良的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等。（3）良良好好的的切切削削加加工工性性能能 由由于于石石墨墨割割裂裂了了基基体体的的连连续续性性，铸铸铁铁在在切切削削时时易易于于断断屑屑，所以铸铁有很好的切削加工性能。所以铸铁有很好的切削加工性能。铸铸铁铁的的强强度度、塑塑性性、韧韧性性都都很很差差，属属于于脆脆性性材材料料。这这是是铸铸铁铁的的根根本本缺缺点点。它它的的导导热热性差焊接性差，因此铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。性差焊接性差，因此铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。2024/7/935影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。碳和硅是促进石墨化的主要元素
37、，碳和硅的含量越高，铸铁的石墨化越充分；其次是冷却速度，铸铁件的冷却速度快时，易生成Fe3C而白口化。冷却速度慢时，铸铁件易于石墨化。铸铁中析出石墨后，若石墨化进行得彻底，将得到铁素体基体及石墨的组织；若石墨化不完全，则得到铁素体及珠光体基体和石墨的组织或珠光体和石墨的组织。铸铁的组织是在钢的基体上分布着大小和形状不同的石墨。由于石墨形态不同，铸铁可分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。（二）铸铁的石墨化（三）铸铁分类球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，其综合性能接近于钢。微观组织如图3-3所示。球墨铸铁的牌号用符号QT及数字表示，QT表示
38、球墨铸铁，数字表示球墨铸铁的抗拉强度和延伸率的最低值。例如，QT600-02表示b 600MPa，A2。2024/7/936可可锻锻铸铸铁铁是是白白口口铸铸铁铁在在高高温温下下长长时时间间保保温温获获得得的的，所所以以生生产产周周期期长长，成成本本高。现已逐渐被球墨铸铁取代。高。现已逐渐被球墨铸铁取代。灰口铸铁是目前使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的灰口铸铁是目前使用最广泛的铸铁，占铸铁总量的80%。由由于于球球墨墨铸铸铁铁中中石石墨墨多多为为球球状状，大大大大减减少少了了铸铸铁铁的的应应力力集集中中，具具有有优优良良的的力力学学性性能能，而而且且工工艺艺简简单单，成成本本低低，所所以以广广泛泛应
39、应用用于于制制造造各各种种机机械械零零件件，如如发发动机曲轴、连杆、轴瓦、齿轮、汽轮机汽缸等。动机曲轴、连杆、轴瓦、齿轮、汽轮机汽缸等。图图3-3 球墨铸铁正火后球墨铸铁正火后组织组织 400 x球墨铸铁正火后组织说明：基体为珠光球墨铸铁正火后组织说明：基体为珠光体加断续状铁素体，石墨为黑色球状。体加断续状铁素体，石墨为黑色球状。2024/7/937第四节 铁碳合金相图的应用及其局限一一 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用（一）选材方面的应用（一）选材方面的应用对对于于需需要要具具有有良良好好的的塑塑性性、韧韧性性的的材材料料如如厂厂房房结结构构、冷冷却却塔塔，则则可可选选用用铁铁素体组织多
40、的低碳钢（素体组织多的低碳钢（C C=0.1%-0.25%=0.1%-0.25%）；）；对对于于要要求求综综合合机机械械性性能能较较高高的的材材料料即即强强硬硬度度、塑塑韧韧性性都都较较好好如如轴轴、齿齿轮轮，则则可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢（可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢（C C=0.25%-0.65%=0.25%-0.65%）；）；对对于于需需要要硬硬度度高高、耐耐磨磨性性好好的的材材料料时时如如工工具具、轴轴承承，则则可可选选含含碳碳量量更更高高的的其其组织是珠光体加渗碳体的高碳钢（组织是珠光体加渗碳体的高碳钢（C C=0.8%-1.4%=0.8%-1.4%）。）。铁铁碳碳合合
41、金金相相图图很很好好地地反反映映了了材材料料成成分分与与组组织织之之间间的的关关系系，铁铁碳碳合合金金相相图图在在选选择择材材料料、金金属属加加工工、热热处处理理以以及及选选配配合合金金钢钢、合合金金铸铸铁铁等等方方面面有有着着重重要要作用。如图作用。如图4-1所示。所示。2024/7/938（二）锻造方面的应用（二）锻造方面的应用 钢钢处处于于奥奥氏氏体体状状态态时时强强度度低低，塑塑性性好好，因因此此热热锻锻、热热轧轧选选在在单单相相奥奥氏氏体体区区内内进进行行。一一般般始始锻锻、始始轧轧温温度度控控制制在在固固相相线线以以下下100200范范围围内内。温温度度高高时时，钢钢的的变变形形抗
42、抗力力小小，但但温温度度不不能能过过高高，以以防防钢钢材材过过热热、过过烧烧。终终锻锻、终终轧轧温温度度不不能能过过低低，以以免免钢钢材材因因塑塑性性差差而而发发生生锻锻裂裂或或轧轧裂裂。亚亚共共析析钢钢热热加加工工终终止止温温度度多多控控制制在在GS线线以以上上，避避免免变变形形时时出出现现大大量量铁铁素素体体，而而使使强强度度降低。我公司始锻温度为降低。我公司始锻温度为11001200，终锻温度为，终锻温度为9001000。（三）热处理方面的应用（三）热处理方面的应用 铁铁碳碳相相图图对对于于制制定定热热处处理理工工艺艺有有着着特特别别重重要要的的意意义义。一一些些热热处处理理工工艺艺如如
43、退退火火、正正火火、淬淬火火的的加加热热温温度度都都是是依依据据铁铁碳碳相相图图确确定定的的。钢钢的的热热处处理理种种类类分分为为整整体体热热处处理理和和表表面面热热处处理理两两大大类类。常常用用整整体体热热处处理理工工艺艺有有正正火火，退退火火、淬淬火火和和回回火火，俗俗称称“四四把把火火”。表表面面热热处处理理分分为为表表面面淬淬火火与与化化学学热热处处理理两两类。类。2024/7/939正火正火正正火火是是将将钢钢件件加加热热到到临临界界温温度度以以上上30-50，保保温温适适当当时时间间后后，在在静静止止的的空空气气中中冷冷却却的的热热处处理理工工艺艺称称为为正正火火。正正火火的的主主
44、要要目目的的是是细细化化组组织织，改改善善钢钢的的性性能能，获获得得接接近近平平衡衡状状态态的的组组织织，常常用用作作预预先先热热处处理理。正正火火后后的的组组织织可可通过铁碳平衡相图反应出来，如图通过铁碳平衡相图反应出来，如图4-2所示。所示。退火退火将将金金属属缓缓慢慢加加热热到到一一定定温温度度，保保持持足足够够时时间间，然然后后以以适适宜宜的的速速度度冷冷却却（通通常常是是缓缓慢慢冷冷却却，有有时时是是控控制制冷冷却却）的的一一种种金金属属热热处处理理工工艺艺。退退火火的的目目的的如如下：下：（1）降低硬度，改善切削加工性；）降低硬度，改善切削加工性；（2）消除残余应力，稳定尺寸，减少
45、变形与裂纹倾向；）消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；（3）细化晶粒，调整组织，）细化晶粒，调整组织，提高工件的综合机械性能。提高工件的综合机械性能。2024/7/940淬火淬火淬淬火火是是将将钢钢加加热热到到临临界界温温度度Ac3（亚亚共共析析钢钢）或或Ac1（过过共共析析钢钢）以以上上某某一一温温度度，保保温温一一段段时时间间，使使之之完完全全或或部部分分奥奥氏氏体体化化，然然后后以以大大于于临临界界冷冷却却速度的冷速快冷到速度的冷速快冷到Ms点以下进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。点以下进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。回火回火淬淬火火的的目目的的是是使使过过冷冷奥奥
46、氏氏体体进进行行马马氏氏体体或或贝贝氏氏体体转转变变，得得到到马马氏氏体体或或下下贝贝氏氏体体组组织织，然然后后配配合合以以不不同同温温度度的的回回火火，以以大大幅幅提提高高钢钢的的强强度度、硬硬度度、耐耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件的使用要求。磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件的使用要求。回回火火是是工工件件淬淬火火后后将将其其加加热热到到Ac1以以下下的的某某一一温温度度，保保温温一一定定时时间间，然然后后冷却到室温的热处理工艺。冷却到室温的热处理工艺。（1）低温回火）低温回火 保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。保持淬火工件高的硬度和耐磨性
47、，降低淬火残留应力和脆性。（2）中温回火）中温回火 可以得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性可以得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。常用于弹簧钢。常用于弹簧钢。（3）高温回火）高温回火 目的是得到强硬度、塑韧性都较好的综合机械性能。目的是得到强硬度、塑韧性都较好的综合机械性能。2024/7/941图图4-1 铁碳合金相图在锻扎和铸造方面的应用铁碳合金相图在锻扎和铸造方面的应用图图4-2 20CrMo渗碳空冷后组织渗碳空冷后组织 200 x2024/7/942二二 铁碳合金相图的局限性铁碳合金相图的局限性铁碳合金相图应用很广，为了正确掌握它的应用，就必须知道铁碳合金相图的局限性。2024/7/94
48、3 （2）铁铁碳碳相相图图只只反反映映铁铁碳碳二二元元合合金金中中相相的的平平衡衡状状态态。实实际际生生产产中中应应用用的的碳碳钢钢和和铸铸铁铁，除除了了铁铁和和碳碳以以外外，往往往往含含有有或或有有意意加加入入其其它它元元素素。被被加加入入元元素素的的含含量较高时，相图将发生重大变化。严格说，这样的条件下铁碳相图已不适用。量较高时，相图将发生重大变化。严格说，这样的条件下铁碳相图已不适用。（1）铁铁碳碳相相图图反反映映的的是是平平衡衡相相，而而不不是是组组织织。相相图图能能给给出出平平衡衡条条件件下下相相的的成成分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。分和各相的相对
49、质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。（3）铁铁碳碳相相图图中中相相的的平平衡衡是是在在非非常常缓缓慢慢的的冷冷却却和和加加热热速速度度下下，在在足足够够长长反反应应时时间间的的情情况况下下才才能能达达到到的的。就就是是说说，相相图图没没有有反反映映出出速速度度、时时间间的的作作用用。所所以以钢钢铁铁在在实实际际的的生生产产和和加加工工过过程程中中，当当冷冷却却和和加加热热速速度度较较快快时时，就就不不能能用用相相图来分析问题。图来分析问题。C曲线的引入曲线的引入 铁铁碳碳合合金金相相图图是是在在无无限限缓缓慢慢的的冷冷却却条条件件下下得得到到的的，没没有有考考虑虑冷冷却却速速度度对对钢钢组组织织的的影影响响。但但是是在在实实际际生生产产中中，冷冷却却不不可可能能无无限限缓缓慢慢，必必须须考考虑虑时时间间因因素素对对组组织织的的影影响响。这这样样就就做做出出了了以以温温度度，时时间间为为坐坐标标的的奥奥氏氏体体等等温温转转变变图图，即即C曲线，又称曲线，又称TTT图。图。典型的典型的C曲线图曲线图C曲线在连续冷却过程中的应用曲线在连续冷却过程中的应用2024/7/944谢谢大家！谢谢大家！2024/7/945