1、第二章 鐵碳合金什么是鐵碳合金？ 以鐵、碳為主要成分的合金。其中鐵的含量大于 95%。學習內容 4.工業用鋼第一節 純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變【重點內容】1.金屬的結晶、結晶過程、晶核的形成，長大規律及其影響因素。2.過冷現象、過冷度、冷卻速度與過冷度的關系及細化晶粒的辦法。 3.純鐵的晶體結構。4.純鐵同素異晶轉變。 12min35s的錄像（金屬的晶體結構、結晶過程、細化晶粒的方法、同素異晶轉變等結晶和固態轉變的基本理論）一、金屬的結晶什么是金屬的結晶？ 液態金屬冷卻凝固轉變為固態晶體的過程 結晶的過程可用（溫度時間的曲線）冷卻曲線來表示。水結晶成冰的實驗，可以看出晶體結晶存在“過冷”現

2、象。過冷度過冷度的大小與冷卻速度的關系純金屬的冷卻曲線結晶過程 結晶過程：形核+長大 自發形核（均質形核） 晶核的形成 非自發形核（異質形核） 晶核的長大：樹枝狀長大晶粒大小及控制 晶粒每個晶核長成的晶體稱為晶粒。晶粒大小對金屬機械性能有較大的影響，在常溫下工作的金屬，其強度、硬度、塑性和韌性，一般是隨晶粒細化而有所提高的。影響晶粒大小的因素有哪些？ 形核率N (晶核數/scm3) 長大速度G (cm/s)晶粒大小的控制（1）增大過冷度 ；（2）變質處理；（3）振動1）過冷度的影響 冷卻速度愈大，過冷度愈大。實線部分，隨著T的增大，形核率和長大速度都大，且N的增加比G增加的快，晶粒愈細。 2）

3、變質處理在液態金屬結晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發晶核的固態質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒，這種處理方法即為變質處理。（3）振動對正在結晶的金屬施以機械振動、超聲波振動和電磁振動，均可使樹枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒細化。 二、 純鐵的晶體結構晶體中原子在空間的排列 ，可用晶格來表示。晶格中一個最基本的幾何單元叫晶胞。根據對晶胞的分析，最常見的晶格類型有體心立方晶格 、面心立方晶 格、密排六方晶格 。純鐵的晶格有體心立方和面心立方兩種。原子數18(1/8)=2典型金屬：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb性能特點：強度很高，塑性較

4、好致密度：68（原子占有晶胞體積的百分數）體心立方晶體結構純鐵的晶格有體心立方和面心立方兩種。面心立方晶體結構原子數 (1/2) 6 (1/8) 8=4典型金屬：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag性能特點：塑性極好致密度：74三、 純鐵同素異晶轉變液態鐵緩慢冷卻到熔點左右經過第一次結晶后，到室溫的過程中，晶格類型將發生改變。這種隨著溫度的改變，固態金屬晶格也隨之改變的現象，稱為同素異晶轉變。-Fe 轉變為-Fe 時，金屬的體積將膨脹還是收縮？純鐵的冷卻曲線及晶體結構變化 第二節 鐵碳合金的基本組織基本概念：合金、組元、相、組織將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結合在一起所形成的具有金屬特性的

5、新物質，稱為合金。 組成合金的最基本的、獨立的物質稱為組元，通常是指組成該合金的元素或某些化合物，根據合金組元數目的多少，把合金分為二元合金、三元合金和多元合金。如：鐵碳合金就是由鐵和碳二組元組成的二元合金。 相是指在合金中，凡成分相同、晶體結構相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。 在顯微鏡下能觀察到的金屬和合金的微觀形貌、圖象稱為組織，合金又可分為不同的組織。鐵碳合金的基本組織可分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三種類型。一、固溶體某些合金的組元在固態時，具有一定的互相溶解能力。溶質原子溶入溶劑晶格中，而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱固溶體。 在固溶體中保持其原晶體結構的組元（元素）

6、溶劑，其余的組元（元素）溶質根據溶質原子在溶劑晶格中所處位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩類。 間隙固溶體和置換固溶體鐵碳合金中的固溶體都是碳溶解到鐵的晶格中的間隙固溶體 間隙固溶體：溶質原子處于溶劑晶體結構的間隙位置。 固溶體 置換固溶體：溶質原子置換溶劑在晶格結點上的原子。 1、鐵素體（F） Ferrous鐵素體是碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體。由于-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218%（727）所以是幾乎不含碳的純鐵。具有良好的塑性和韌性，但強度和硬度卻較低。它在770以下具有磁性。 性能： b =180230MPa HB=5080 =3050%

7、=7080% ak=156196Jcm-2顯微鏡下觀察，鐵素體呈大小不一的多邊形顆粒形狀。2、奧氏體（A） Austenite奧氏體是碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體。-Fe的溶碳能力較高，最大為2.11%（1148）。由于-Fe一般存在于7271394之間，所以奧氏體也只出現在高溫區域內。性能： =4050%，具有良好的塑性和低的變形抗力。是絕大多數鋼種在高溫進行壓力加工所需的組織。 顯微鏡觀察，奧氏體呈現外形不規則的顆粒狀結構，但晶界較鐵素體平直。這是奧氏體不銹鋼在顯微鏡下觀察到的單相奧氏體孿晶組織。“固溶強化”通過溶入某種溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。固溶

8、強化的產生是由于溶質原子溶入后，引起溶劑金屬的晶格產生畸變，進而位錯運動時受到阻力增大的緣故。因此固溶強化是材料的一種主要的強化途徑。固溶體的性能當溶質元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質含量的升高，固溶體的性能將發生明顯改變。其一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導電性逐漸下降等。二、金屬化合物合金組元間發生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質，稱為金屬化合物。金屬化合物性能：熔點高，硬度高，脆性大。合金中含有金屬化合物后，其強度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韌性則降低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。 鐵碳合金中的滲碳體屬金屬化合物。滲

9、碳體是鐵與碳形成的穩定化合物。含碳量為6.69%。性能：HBW=800，硬度很高，脆性極大，是鋼中的強化相。顯微鏡下觀察，滲碳體(Fe3C)呈銀白色光澤。滲碳體在一定條件下可以分解出石墨。 滲碳體 Fe3C三、機械混合物它是兩種或兩種以上的相按一定質量百分數組成的物質。混合物各相保持其原有晶格。混合物的性能：取決于各組成相的性能，以及它們分布的形態、數量及大小。鐵碳合金中的機械混合物有珠光體和萊氏體。1. 珠光體（P） Perlite珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。珠光體的平均含碳量為0.77%，在727以下溫度范圍內存在。性能：b =750MPa HB=160180 較高 =2025

10、% =3040% 適中顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因得名。這是T8鋼的退火組織（白色為鐵素體、黑色為滲碳體）。2. 萊氏體Ld Ledeburite由奧氏體和滲碳體組成的兩相機械混合物。奧氏體在727時將轉變為珠光體，所以在室溫下由珠光體和滲碳體組成的機械混合物，稱為低溫萊氏體，用符號Ld/表示。高溫萊氏體僅存于727以上。萊氏體硬度很高，脆性大，塑性很差。 這是共晶白口鑄鐵的鑄造組織，珠光體呈橢圓狀分布在滲碳體的基體上。因其含滲碳體較多，故性能與滲碳體相近。第三節 鐵碳合金狀態圖【基本要求】： 1.熟練掌握鐵碳合金相圖中的點、線、區域的含義。 2.熟練掌握鋼在結晶過程中

11、的組織轉變；能利用狀態圖對典型合金的結晶過程進行分析。 3. 掌握碳鋼的牌號及用途；什么是鐵碳合金相圖？鐵碳合金狀態圖是研究在平衡條件下，鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關系及變化規律，這里的平衡是指極其緩慢的冷卻。它以溫度為縱坐標、合金成分（ Fe3C或含碳量）為橫坐標的圖形。它是說明合金成分、溫度和組織三者關系的圖形。簡化圖1538Q Fe-Fe3C狀態圖wC/%溫度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe

12、一、鐵碳合金狀態圖的建立合金狀態圖是通過一系列實驗測出不同成分的鐵碳合金在緩慢冷卻過程中的冷卻曲線和組織轉變，然后在成分與溫度坐標圖中標出臨界點溫度（結晶開始和結晶結束的溫度），并把物理意義相同的點連成曲線，這樣構成的完整圖形便是鐵碳合金狀態圖。二 、鐵碳合金狀態圖的分析1. 組元和相（1）組元： 鐵石墨相圖：Fe,C; 鐵滲碳體相圖： Fe，Fe3C。（2）相： L,A(),F(),Fe3C(K)。1538Q Fe-Fe3C狀態圖wC/%溫度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270

13、.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe2特性點：1538Q Fe-Fe3C狀態圖wC/%溫度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe3特性線： ACD線液相線 AECF線固相線 ECF線共晶反應線 GS線（A3)鐵素體從A中析出開始線 ES線碳在奧氏體中的溶解度曲線 PSK線共析反應線 PQ線C在F中的溶解度曲線，冷卻至此線有Fe3C析出1538Q Fe-Fe3C狀態圖wC/

14、%溫度/LAL+AL+Fe3CF+AFPF+PLdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C+PFe3C+PFe3C+ALd+Fe3C+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe四個單相區(1)ACD線以上的液相區（L）(2)AESGA線圍著的單一奧氏體相區（A，）(3)GPQG線圍著的單一鐵素體相區（F，）(4)DFK垂線代表的單一滲碳體相區（Fe3C）4. 區域 五個雙相區 ACEA線圍著的液相與奧氏體相區（L+A） CDFC線圍著的液相與滲碳體相區（L+Fe3C） GSPG線圍著的奧氏體與鐵素體相區（A+F） EFKSE線圍著的奧氏體

15、與滲碳體相區（A+Fe3C） QPSK以下為鐵素體與滲碳體相區（F+Fe3C）4. 區域5.鐵碳合金的分類工業純鐵：共析鋼：亞共析鋼：0.0218過共析鋼：0.77共晶白口鐵：亞共晶白口鐵：2.11過共晶白口鐵：4.30.60%（b）組織：F+P（c）性能：在淬火+中溫回火后，具有較高的和良好彈性也叫彈簧鋼。具有較好的耐磨性和中等硬度。（d）用途：主要用于制作彈簧和易磨損的零件。 碳素工具鋼 1）化學成分：Wc=0.65%-1.35%2）牌號：T+數字表示 T碳 數字表示千分含量。對于硫、磷含量較低的優質碳素工具鋼，則在數字后面加A。例：T8A0.8%的高級優質碳素工具鋼3)組織：P+F或P+

16、Fe3C4)性能：具有很高的硬度和耐磨性，但淬透性差，熱硬性差。5)用途：用于制作手動和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等 三、合金鋼為了改善鋼的某些性能，特意加入一種或幾種合金元素所煉成的鋼。化學成分： C0.2%，合金元素5%， 常加合金元素：Mn、Si、V、Nb、Ti、Re、Cu、N等。合金鋼的性能特點（a）具有較高的強度、塑性和沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性。（b）具有良好的焊接性。（c）具有較高的抗腐蝕性。合金鋼分類1.合金結構鋼 合金結構鋼是優質鋼，其的牌號表示方法：數字+元素符號+數字 25 Cr2 Ni4 W （萬分之幾）w0.035%，與優質結構鋼相同元素符號及含量（百分之幾）含量1.5%不標數字根據性能用途不同優質合金結構鋼又可分為滲碳鋼、調制鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼等。1）合金滲碳鋼典型零件：變速箱齒輪、齒輪等常用的20CrMnTi鋼。2）合金調質鋼典型零件：受沖擊載荷較大的齒輪常用40Cr、40CrMnMo等 3）彈簧鋼典型零件：汽車減振彈簧常用55Si2Mn 2