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第四章鐵碳合金相圖及碳素鋼※三碳素鋼（非合金鋼）※一鐵碳合金的基本組織※二鐵碳合金相圖2

鋼和生鐵都是鐵碳合金，其基本組織是鐵和碳兩個元素，是現代工業中應用最廣泛的金屬材料。為了熟悉鋼鐵材料的組織與性能，以便在生產中合理使用，首先必須研究鐵碳合金相圖。一般說的鐵碳合金相圖，實際上是鐵-滲碳體（Fe-Fe3C）相圖。根據含碳量的不同，碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以反應形成金屬化合物，或固溶體與金屬化合物組成機械混合物。因此，在鐵碳合金中出現以下幾種基本組織：一【

新課導入】鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體※一鐵碳合金的基本組織一、鐵碳合金的基本組織是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體⒈組元：Fe、Fe3C⒉相⑴鐵素體：碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體,用F

或

表示。

鐵素體組織金相圖⑵奧氏體:碳在

-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時最大為2.11%。727℃時為0.77%組織為不規則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在區進行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體

奧氏體組織金相圖⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是一個亞穩相，在一定條件下可發生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體滲碳體組織金相圖⑷珠光體：鐵素體與Fe3C的機械混合物，用P表示。珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。珠光體珠光體(P)⑸萊氏體：機械混合物高溫萊氏體：727℃以上，奧氏體與滲碳體，以Ld表示低溫萊氏體：727℃以下，珠光體與滲碳體，以Ld、表示為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體萊氏體(Ld)13※小結:A:A:A:14※歸納:※二鐵碳合金相圖

【新課導入】從鐵碳合金組織學習中我們知道，室溫下的組織F、P、Ldˊ、Fe3C隨著含碳量增加，它們的性能變化是規律的，塑性、韌性由好變差，硬度由大變小，其實這種變化規律我們是可以從材料專家繪制的鐵碳合金相圖反映出來的。我們接下來就是學習討論：鐵碳合金相圖151.Fe-C相圖與Fe-Fe3C相圖鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業應用最廣的合金。鐵和碳可形成一系列穩定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→※二鐵碳合金相圖17

鐵碳合金相圖：表示在平衡狀態下鐵碳合金的化學成分、相、組織與溫度的關系圖。利用它可以研究鋼和鑄鐵的內部組織及其變化規律，從而為更好的利用它們，并為制定熱處理、壓力加工等工藝規程打下基礎。在工程中一般研究的鐵碳合金狀態圖實際上都是鐵與滲碳體兩組元構成的狀態圖，如圖所示。五個重要的成份點:P、S、E、C、K。四條重要的線:EF、ES、GS、PSK。三個重要轉變:包晶轉變、共晶轉變、共析轉變。二個重要溫度:1148℃、727℃。(一)鐵碳合金相圖中主要點和線的意義

Fe-Fe3C

相圖FeT°Fe3C

Fe-Fe3C

相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK(P+Fe3C)1）

特征點?????LJNGAA+Fe3CP+Fe3CL+Fe3CL+AF+A

2）特征線⑴液相線—ACD，固相線—AECF

⑵

水平線：ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產物是A與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體,用Le表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體24PSK：共析線

AS?FP+Fe3C共析轉變的產物是F

與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。25⑶其它相線GS,GP—?固溶體轉變線,GS又稱A3線。HN,JN—δ?固溶體轉變線，ES—碳在-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。26（二）鐵碳合金的分類鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：工業純鐵(<0.0218%C)組織為單相鐵素體。鋼(0.0218～2.11%C)高溫組織為單相

亞共析鋼(0.0218～0.77%C)室溫組織為F+P共析鋼(0.77%C)

P過共析鋼(0.77～2.11%C)

Fe3CⅡ+P白口鑄鐵(2.11～6.69%C)鑄造性能好,硬而脆亞共晶白口鑄鐵(2.11～4.3%C)

P+Fe3CII+Ld′共晶白口鑄鐵(4.3%C)Ld′過共晶白口鑄鐵(4.3～6.69%C)Fe3CI+Ld′27亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業純鐵6.6900

PF+PFe3CⅡ+PP+Fe3CII+Ld′Ld′Fe3CI+Ld′（三）典型鐵碳合金的結晶過程及其組織工業純鐵(ingotiron)共析鋼(eutectoidsteel)亞共析鋼(hypoeutectoidsteel)過共析鋼(hypereutectoidsteel)共晶白口鐵(eutectoidwhiteiron)亞共晶白口鐵(hypoeutectoidwhiteiron)過共晶白口鐵(hypereutectoidwhiteiron)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43FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLe+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠLdP+Fe3CⅡ+LdP+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度44（四）含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響⒈含碳量對室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關系為：

鋼鐵素體亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對量%相組成物相對量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體452含碳量對力學性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時，組織為100%P,鋼的性能即P的性能＞0.9%C，Fe3CⅡ為晶界連續網狀，強度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Ld,合金太脆.463含碳量對工藝性能的影響(1)切削性能:中碳鋼合適(2)可鍛性能:低碳鋼好(3)焊接性能:低碳鋼好(4)鑄造性能:共晶合金好(5)熱處理性能:后續介紹切削加工的基本形式車刨鉆銑磨47鑄造焊縫組織模鍛48（五）鐵碳合金相圖的應用

1）在鑄造中的應用。根據相圖可以知道各種成分的鋼和鑄鐵的結晶溫度，可確定合金的澆注溫度，知道合金的凝固溫度范圍，判斷流動性以及縮孔、縮松的傾向。共晶成分的合金，結晶溫度較低，偏析較小，流動性好，因而鑄造合金的成分常選用接近共晶成分。2）在鍛造中的應用。鋼中有奧氏體組織時，塑性好，變形是抗力低，便于塑性變形，故常選擇單相奧氏體區域的適當溫度范圍。3）在熱處理中的應用。相圖反映了不同成分的合金在緩慢加熱或冷卻時，所發生的組織轉變溫度，是制訂熱處理工藝的依據。

【小結】1.Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3C相圖相圖特性點Fe-Fe3C相圖特性線2.鐵碳合金的分類3.含碳量對鋼組織和性能的影響4.Fe-Fe3C相圖的應用49【新課導入】純鐵是一種塑性很好的金屬，既不能制刀槍，也不能鑄鐵鍋、犁鋤。但當純鐵中含有一定量的碳后，就變成了現代工業的骨骼——鋼鐵材料了。鋼鐵材料是機械制造、建筑、交通運輸、國防及其他各部門應用最廣泛的金屬材料。當今世界，鋼鐵產量占世界金屬總產量的90％以上，鋼鐵的品種和使用量已成為衡量一個國家科學技術和經濟發展水平的重要標志。對鋼而言，有碳鋼、合金鋼之分。接下我們先來學習碳鋼的知識。5051工業用鋼按化學成分分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。

※三碳素鋼（非合金鋼）52

一鋼中雜質對鋼性能的影響鋼中的雜質一般是指Mn、Si、P、S。是由原料帶入或脫氧殘留的元素。1、Mn的影響:0.8%時為雜質,是有益元素。作用為：①強化鐵素體；②消除硫的有害作用。2、Si的影響：0.5%時為雜質，是有益元素。作用為：

①強化鐵素體；②增加鋼液流動性。

533、S的影響：是有害元素。常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶(985℃)，熱加工時(1150～1200℃)，由于其熔化而導致開裂，稱熱脆性.鋼中的硫應控制在0.05%以下.Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔點高(1600℃)。合金晶界的低熔點硫化物共晶544、P的影響：也是有害元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。P一般控制在0.045%以下.鋼中的MnS夾雜比利時阿爾伯特運河鋼橋因磷高產生冷脆性于1938年冬發生斷裂墜入河中555氣體元素的影響①N：室溫下N在鐵素體中溶解度很低，鋼中過飽和N在常溫放置過程中以FeN、Fe4N形式析出使鋼變脆,稱時效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除時效傾向。②O：氧在鋼中以氧化物的形式存在，其與基體結合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源.鋼中TiN夾雜鋼中氧化物夾雜56③H：常溫下氫在鋼中的溶解度也很低。當氫在鋼中以原子態溶解時，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。鋼中白點鋼的氫脆斷口57

二鋼的分類與編號1、鋼的分類(1)按化學成分分

低碳鋼0.25%C中碳鋼0.25～0.6%C高碳鋼0.6%C低合金鋼合金元素總量5%中合金鋼合金元素總量5～10%高合金鋼合金元素總量10%碳素鋼合金鋼58鋼類碳素鋼合金鋼PSPS普通質量鋼≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045優質鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級優質鋼≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特級優質鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015(2)按冶金質量分鋼的質量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質量鋼、優質鋼、高級優質鋼和特級優質鋼.根據現行標準，各質量等級鋼的磷、硫含量如下：

59（3）按用途分

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛調質鋼滲碳鋼彈簧鋼滾動軸承鋼耐磨鋼機器用鋼結構鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼擠壓模具60（4）按冶煉方法分轉爐煉鋼平爐煉鋼平爐鋼轉爐鋼電爐鋼

按爐別分沸騰鋼：脫氧不充分，澆注時C與O反應發鎮靜鋼：脫氧充分，組織致密，成材低。半鎮靜鋼：介于前兩者之間生沸騰。這種鋼成材率高，但不致密按脫氧程度分特殊鎮靜鋼61（5）按金相組織分珠光體鋼貝氏體鋼馬氏體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼萊氏體鋼

按正火組織分亞共析鋼共析鋼過共析鋼

按退火組織分電弧爐煉鋼62【小結】學習內容1、碳鋼2、碳鋼的五種分類63碳鋼是目前應用最為廣泛的金屬材料。對工農業生產、交通運輸、國防乃至日常生活來說，碳鋼是最基本、最重要的材料，這是因為碳鋼具有下面的優點：1碳鋼的優點：具有良好的力學性能和工藝性能，且冶煉方便，價格便宜。實際生產中使用的碳鋼材料種類很多，常用的有以下四類：一、普通碳素結構鋼（C：0.06%~0.38%，硫、磷含量較高，一般不需要熱處理。）二、優質碳素結構鋼（S≤0.035%P≤0.035%，用于質量要求高的機械零件。）三、碳素工具鋼（制造刀具、模具、量具等。）四、鑄造碳鋼64齒輪刀具2鋼的編號我國鋼材的編號是采用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法。采用漢語拼音字母表示鋼產品的名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表鋼產品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個字母.65常用鋼產品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號（GB/T221—2000）名稱符號位置名稱符號位置碳素結構鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強度鋼Q頭鍋爐用鋼g尾易切削鋼Y頭焊接氣瓶用鋼HP尾碳素工具鋼T頭車輛車軸用鋼LZ頭(滾珠)軸承鋼G頭機車車軸用鋼JZ頭焊接用鋼H頭沸騰鋼F尾鉚螺鋼ML頭半鎮靜鋼b尾船用鋼國際符號鎮靜鋼Z尾汽車大梁用鋼L尾特殊鎮靜鋼TZ尾壓力容器用鋼R尾質量等級A.B.C.D.E尾66普通碳素結構鋼a、牌號Q+最低屈服強度值+質量等級符號+脫氧方法符號Q表示“屈服強度”；屈服強度值單位是MPa；質量等級符號為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質量提高。脫氧方法符號:沸騰鋼—F；鎮靜鋼—Z；半鎮靜鋼—b；特殊鎮靜鋼—TZ。如碳素結構鋼牌號表示為Q235AF、Q235BZ。鋼板67b、性能、用途68齒輪加工方鋼（2）優質碳素結構鋼a、牌號用兩位數字表示。這兩位數字表示鋼平均含碳量的萬分之幾。如45鋼—平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%）的優質碳素結構鋼。69鋼帶說明：①含Mn量為0.7～1.0%時，在兩位數字后加元素符號“Mn”，如40Mn。②對于沸騰鋼和半鎮靜鋼,在鋼號后分別加字母F和b，如08F、10b。③高級優質鋼在鋼號后加字母A，如20A。70b、性能和用途71(3)碳素工具鋼a、牌號T+數字T表示“碳素工具鋼”；數字表示平均含碳量的千分之幾.如T8—其平均含碳量為千分之八(0.8%C)。說明：碳素工具鋼含碳量在0.7%以上。都是優質以上質量的。高級優質鋼在鋼號后加“A”，如T8A。

絲錐銼刀72b、性能（1）熱處理后具有高的硬度、耐磨性；（2）隨含碳量的增加，其硬度和耐磨性逐漸增大，韌性逐漸下降。c、用途──制造形狀復雜，切削速度較低（＜5米/分），工作溫度不高（200℃以下）的工具和耐磨件。

T7、T8：用于制造受沖擊，需要高硬度和耐磨性的工具（工作部分48~60HRC）。如鐵錘、沖頭、鏨子、螺絲刀、打炮眼的鋼釬、簡單模具、木工工具等。T9、T10、T11：用于受中等沖擊的工具和耐磨件（工作部分60~62HRC）。如手工鋸條、絲錐、板牙、沖模。T12、T13鋼用于制造不受沖擊，硬度極高的工具和耐磨件（工作部分62~65HRC）。如銼刀、刮刀、鉆頭等。73(4)鑄造碳鋼（含碳量0.15%~0.60%）ZG數字—數字〔鑄鋼

σSσb〕ZG340—640表示σS為340MPa，σb為640MPa的鑄造碳鋼。用途：制造形狀復雜，力學性能要求較高的機械零件。像變速箱體、水泵殼體鑄鋼件2.5噸大齒輪鑄件74小結：學習內容1、碳鋼概念及分類。2、普通碳素鋼結構鋼牌號、典型用途。Q+數字──質量等級+脫氧程度

屈服強度

屈服強度

（ABCD）（FbZTZ）

數值

差

→好

Ｑ215-B.b表示屈服強度為215MPa的B級半鎮靜鋼。

Ｑ235-A.F