工程材料 機械制造基礎 -,第五章 鐵碳合金相圖,機械工程系 唐明華,第五章 鐵碳合金相圖 ( Iron Carbon Phase Diagram ),Fe C 相圖的基礎知識。 形成Fe - Fe3C 相圖組元和基本組織的結構與性能。 Fe - Fe3C 相圖的建立與分析。 碳的質量分數對鐵碳合金組織、性能的影響。 Fe - Fe3C 相圖的應用。 鐵碳合金的生產及分類。,第一節 Fe - C相圖的基礎知識,1.鐵與碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物。,2.穩定的化合物可以作為一個獨的組 元。,3.Fe C 二元相圖。,Fe C 二元相圖,(6.69%C),Mg Si 合金相圖,第二節 形成Fe - Fe3C 相圖組元 和基本組織的結構與性能,一.組元 * 鐵 ( ferrite ) * 滲碳體 ( Cementite ),二.基本組織,1.鐵素體 ( F ) ( Ferrite ) 碳溶于 Fe中形成 的間隙固溶 體。,鐵素體組織金相圖,2.奧氏體 ( A ) - Austenite 碳溶于 -Fe中形成 的間隙固溶 體。,奧氏體組織金相圖,3. 滲碳體 ( Fe3C ) - Cementite 鐵與碳 形成的金屬 化合物。,滲碳體組織金相圖,4.珠光體 ( P ) - Pearite,鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。,5.萊氏體 ( Ld ) - Ledeburite,奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。,第 三 節 Fe - Fe3C 相圖的建立與分析,一.Fe - Fe3C 相圖的建立,包晶反應相圖,共晶反應相圖,共析反應相圖,Fe - Fe3C 相圖,Fe - Fe3C 相圖,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,( A+Fe3C ),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,( F+ Fe3C ),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,共晶相圖,共析相圖,勻晶相圖,( P+Fe3C ),Fe - Fe3C 相圖,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,6.69%C,Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,P,Ld,K,( P+Fe3C ),P+Ld+Fe3C,Ld+Fe3C,P+F,P+Fe3C,( F+ Fe3C ),A+ Fe3C,L+ Fe3C,( A+Fe3C ),Fe - Fe3C 相圖,二. Fe - Fe3C 相圖的分析,五個重要的成份點: P、S、E、C、K。 四條重要的線: EF、ES、GS、FK。 三個重要轉變: 包晶轉變反應式、共晶 轉變反應式、共析轉變反應式。 二個重要溫度: 1148 、727 。,三.典型鐵碳合金的結晶過程分析,工業純鐵 ( ingot iron ) 共析鋼 ( eutectoid steel ) 亞共析鋼 ( hypoeutectoid steel ) 過共析鋼 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口鐵 ( eutectoid white iron ) 亞共晶白口鐵( hypoeutectoid white iron ) 過共晶白口鐵( hypereutectoid white iron ),1.工業純鐵 ( Wc 0.0218% ),工業純鐵組織金相圖,2. 共析鋼 ( Wc = 0.77% ),共析鋼組織金相圖,3.亞共析鋼 ( Wc = 0.45% ),亞共析鋼組織金相圖,4.過共析鋼 ( Wc = 1.2% ),過共析鋼組織金相圖,5.共晶白口鐵 ( Wc = 4.3% ),共晶白口鐵組織金相圖,6.亞共晶白口鐵 ( Wc = 3.0% ),亞共晶白口鐵組織金相圖,7.過共晶白口鐵 ( Wc = 5.0% ),過共晶白口鐵組織金相圖,組織組成物:,F ; Fe3C,F ; P,相組成物:,P = 1 WF = 57%,Fe3C = 1 - WF = 6%,0.02,0.45,0.77,6.69,第四節 碳的質量分數對鐵碳 合金組織、性能的影響,碳的質量分數對平衡組織的影響。 碳的質量分數對力學性能的影響。 碳的質量分數對工藝性能的影響。,一.碳的質量分數對平衡組織的影響,二.碳的質 量分數對 力學性能 的影響,三.碳的質量分數對 工藝性能的影響,對鑄造性能的影響。 對鍛造性能的影響。 對焊接性能的影響。 對切削加工性能的影響。,第五節 Fe - Fe3C 相圖的應用,一.選擇材料方面的應用,1. 分析零件的工作條件, 根據鐵碳合金 成分、組織、性能之間的變化規律進 行選擇材料。,2. 根據鐵碳合金成分、組織、性能之間 的變化規律 , 確定選定材料的工作范 圍。,二.制定熱加工工藝方面的應用,第六節 鐵碳合金的生產及分類,鋼鐵的冶煉。 鋼錠的組織、質量及缺陷。 碳素鋼的分類、編號及用途。,一.鋼鐵的冶煉,高爐 煉鐵,鑄鐵錠,生產鑄鐵件,煉鋼生鐵,轉爐 平爐 電爐,生產鋼件,轉爐煉鋼,平爐煉鋼,電弧爐煉鋼,1.煉鐵的冶金反應特點:,還原反應,2.煉鋼的冶金反應特點:,氧化反應,二.鋼錠的組織、質量及缺陷,一)雜質元素對鋼的質量和性能的影響,Mn 脫氧、去硫,提高鋼的強度 和硬度。,Si 有很強的固溶強化作用,能脫 氧。,1.有益元素,2.有害元素:,P 有很強的固溶強化作用,低溫 韌性差 ( 冷脆 )。,S 能引起鋼在熱加工時或高溫工 作下開裂 ( 熱裂 )。,3.氣體元素:,N：鋼中過飽和N在常溫放置過程中會發生時 效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時效 傾向。 O：鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源。 H：原子態的過飽和氫時將降低韌性, 引起氫 脆。當氫在缺陷處以 分子態析出時，會產 生很高內壓，形成微 裂紋，其內壁為白色， 稱白點或發裂。,二)鋼錠的組織及其宏觀缺陷,1.鎮靜鋼 ( killed steel ),鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵和鉛 進行了充分脫氧 ,Wo = 0.01%左右, 成 分較均勻、組織較致密。主要用于機 械性能要求較高的零件。,2.沸騰鋼 ( boiling steel ),鋼液在澆注僅前進行輕度假脫氧, Wo = 0.03%0.07%,成分偏析較嚴重、 組織不致密。機械性能不均勻, 沖擊韌 性差, 常用于要求不高的零件。,3.半鎮靜鋼 ( balanced steel ),半鎮靜鋼是脫氧過程介于鎮靜鋼 和沸騰鋼之間的鋼,是用錳鐵和硅鐵進 行脫氧。其質量也介于二者之間,可代 替部分鎮靜鋼,一般不適于做重要零件。,三.碳素鋼的分類、編號及用途,碳素鋼的分類 碳素鋼的編號及用途,一)碳素鋼的分類,1.按碳的質量分數分類: * 低碳鋼: Wc 0.25% * 中碳鋼: 0.25% Wc 0.6% * 高碳鋼: Wc 0.6%,2.按鋼的質量分類:,* 碳素鋼: Wp = (0.035% 0.045%) Ws = (0.035% 0.050%),* 優質碳素鋼: Wp = 0.035% Ws = (0.030% 0.035%),* 高級優質碳素鋼: Wp 0.030% Ws = ( 0.020%0.025% ),3.按鋼的用途分類:,碳素結構鋼 ( carbon structural steel ) 用于制造各種機械零件、工程構 件。一般為低、中碳鋼。,碳素工具鋼 ( carbon tool steel ) 用于制造各種工具。一般為高碳鋼。,二)碳素鋼的編號及用途,1.碳素結構鋼: Q 235 A