鐵碳相圖及其合金

1、2024/3/30,1,鐵碳相圖及其合金,2024/3/30,2,第一節(jié) 鐵碳合金的相結(jié)構(gòu),純鐵從液態(tài)結(jié)晶后得到體心立方晶格的δ-Fe,隨后又有兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即面心立方格的γ-Fe和體心立方格的α-Fe 。碳溶入α-Fe和γ-Fe鐵中所形成的固溶體為鐵素體和奧氏體。當含量超過鐵素體和奧氏體的溶解度時，則會出現(xiàn)金屬化合物相Fe3C，稱做滲碳體。碳原子溶入α-fe 中所形成的固溶體稱做高溫鐵素體。它在1400℃以上的高溫出現(xiàn)，對工程

2、上應(yīng)用的鐵碳合金的組織和性能沒有什么影響，故不作為鐵碳合金的基本相。固態(tài)鐵碳合金的基本組成相是鐵素體，奧氏體和滲碳體。,2024/3/30,3,一、鐵素體,碳原子溶入α-Fe中形成的間隙固溶體，稱做鐵素體。由于體心立方格的α-Fe的晶體格間隙半徑只有0.036nm，而碳原子半徑為0.077nm，所以鐵素體對碳的溶解度很小。在727℃時最大固溶度為0.02%,而在室溫時固溶度幾乎降為零。鐵素體的力學性能與純鐵相近，其數(shù)值如下：,抗拉強度R

3、m 250Mpa，,屈服強度RE 140Mpa,斷后延伸率A11.3 40%-50%,沖擊韌性αK 200 J/cm2,布氏硬度HBS 80,由此可見，鐵素體有優(yōu)良的塑性和韌性，但強度，硬度較低，在鐵碳合金中是軟韌相。鐵素體是912℃以下的平衡相，也稱做常溫相，在鐵碳相圖中用符號F表示。,2024/3/30,4,二、奧氏體,碳原子溶入γ-Fe中形成的間隙固溶體，稱做奧氏體。具有

4、面心立方格的γ-Fe的間隙半徑為0.052nm，比α-Fe的間隙稍大，在1148℃時碳原子在其中的最大固溶度為2.11%。隨著溫度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃時是0.77%。奧氏體是727℃以上的平衡相，也稱高溫相。在高溫下，面心立方格晶體的奧氏體具有極好是塑性，所以碳鋼具有良好的軋、鍛等熱加工工藝性能。在鐵碳相圖中，奧氏體通常用符號A表示。,2024/3/30,5,三、滲碳體,滲碳體是鐵與碳原子結(jié)合形成的具有金屬性

5、質(zhì)的復雜間隙化合物。它的晶體結(jié)構(gòu)復雜，屬于復雜八面體結(jié)構(gòu)，分子式為Fe3C，含碳量6.69%。滲碳體的硬度很高，HV800，但極脆，塑性和韌性幾乎是零，強度Rm=30Mpa左右。在鐵碳合金中，它是硬脆相，是碳鋼的主要強化相。滲碳體在碳鋼中的含量和形態(tài)對鋼的性能有很大影響。它在鐵碳合金中可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀和板狀形態(tài)存在。在高溫時，鋼和鑄鐵中的滲碳體在一定時間會發(fā)生下面的分解反應(yīng)，析出石墨態(tài)的碳。,Fe3C → 3Fe+C（石墨）,

6、2024/3/30,6,一、相圖圖形介紹,在鐵碳合金系中，含碳量高于6.69%的鐵碳合金性能極脆，沒有使用價值。因此只研究Fe—Fe3C，即含碳量小于6.69%這一部分，通常稱為Fe—Fe3C相圖，也稱鐵碳合金相圖。在Fe—Fe3C相圖中，較穩(wěn)定的化合物Fe3C與Fe是組成二元合金的兩個組元。相圖有三個部分組成，左上角為包晶相圖。包晶相圖與共晶相圖都是具有三相平衡反應(yīng)的基本相圖，但它是在1400℃以上發(fā)生的反應(yīng)，在研究和應(yīng)用中對鐵碳合

7、金的組織和性能都沒有什么影響，故不予研究。Fe—Fe3C相圖可簡化為圖2-2的形式。,第二節(jié) 鐵 碳 合 金 相 圖,2024/3/30,7,L4.3 A2.11 +Fe3C,相圖的右上部為共晶相圖，在1148℃時，含碳量4.3%的合金發(fā)生共晶反應(yīng)：,A0.77 F0.02+Fe3C,反應(yīng)生成鐵素體與滲碳體組成的機械混合

8、物共析體，稱作珠光體，以符號P表示。,以上反應(yīng)生成奧氏體與滲碳體組成的機械混合物共晶體，稱為萊氏體，以符號Ld表示。,相圖的下部為共析相圖。共析相圖與共晶相圖相似，所不同的是共晶相圖是從液相中同時析出兩個固相，產(chǎn)物稱作共晶體；而共析相圖則是從一個固相中同時析出兩個新的固相，產(chǎn)物稱作共析體。在鐵碳合金中，含碳0.77%的奧氏體在727℃時發(fā)生共析反應(yīng)：,2024/3/30,8,珠光體也是鐵碳合金中室溫時的一個平衡組織，其力學性能數(shù)據(jù)如下：

9、,布氏硬度 HBS 180,斷后延伸率 A11.3 20%~25%,沖擊韌性 aK 30~40J/cm²,強度極限Rm 750Mpa,二、相圖中點、線和相區(qū)的意義,鐵碳合金相圖中主要點的溫度、含碳量及涵意見表2-1所示。,,,2024/3/30,9,2024/3/30,10,鐵碳合金下圖中各主要線的意義是：,,AECF為固相線。若溫度低于AECF線時，鐵碳合金凝固為

10、固體。,ECF為共晶線。若含碳量在ECF線投影范圍（2.11%～6.69%）內(nèi)，鐵碳合金在1148℃時必然發(fā)生共晶反映，形成萊氏體。,ES為碳在奧氏體中溶解度變化線，簡稱Acm。從這根線可以看出，碳在秋耕氏體中的最大溶解度是在1148℃時，可溶解碳2.11%，布在727℃時，由于碳在奧氏體中的溶解度會降低，會從奧氏體中析出滲碳體。從固溶體奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體（Fe3CII）,以區(qū)別從液體中直接結(jié)晶的一次滲碳體(Fe3CI)

11、。,GS為奧氏體在冷卻過程中析出鐵素體起始溫度線,簡稱A3線.,GP為奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終止溫度線.,PSK為共析線,簡稱A1線.合金含碳量在PSK線投影范圍（0.02%~6.69%）內(nèi)時，奧氏體在727℃時必然發(fā)生共析反應(yīng)，形成珠光體。,2024/3/30,11,PQ為碳在鐵素體中溶解度變化線。從該線可看出，碳在鐵素體中最大溶解度是在727℃時，可溶解碳0.0218%，在室溫僅能溶解碳0.008%。故一般鐵碳合金凡是從7

12、27℃緩冷至室溫時，均會從鐵素體中析出滲碳體，稱此滲碳體為三次滲碳體（Fe3CIII）。,因三次滲碳體數(shù)量極少，對力學性能影響不大，常予忽略。所謂一次`二次，三次滲碳體，僅在其來源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶體結(jié)構(gòu)和性能均相同。當然，其本身細碎些，對脆性的影響就小一些。,簡化的鐵碳合金下圖共有一個液相和三個固相，在相圖中分別占有四個單相區(qū)，即L，A，F(xiàn)及Fe3C;滲碳體也可作為鐵碳相圖的一個組元，它的成分是固定不變的，因此在相

13、圖上它的相區(qū)僅是一條豎直線。,相圖中有五個相區(qū)，即L+A、L+Fe3C、A+F及F+Fe3C。相圖中的兩條水平線是三相平衡線上有三個點,分別與三個單相區(qū)以點相連接,當發(fā)生三相平衡反應(yīng)時,三個平衡相的成分即這三個點的成分,說明了溫度和三個平衡相的成分是固定的.,從相圖可以看出，含碳量大于0.008%時任何成分的鐵碳合金在室溫時都處在F+Fe3C相區(qū)內(nèi)，即合金的相結(jié)構(gòu)都要由這兩相組成。但這兩個相的相對量不同，相的形態(tài)和分布不同，即組織不同，

14、合金的性能會在很大范圍之內(nèi)變化。,2024/3/30,12,三、典型合金結(jié)晶過程及室溫組織,工程上使用的鐵碳合金分為鋼和鑄鐵兩大類，它們的區(qū)別在于所含碳量不同。含量碳量小于2.11%的，稱為鑄鐵。,在分析鐵碳合金的平衡組織時，按照組織的不同，習慣將鋼和鑄鐵分為共析鋼，亞共析鋼，過共析鋼。共晶白口鑄鐵，亞共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵等六種典型合金，如圖2—3所示。,2024/3/30,13,（一）共析鋼,圖2—3中合金①稱為共析鋼，其含碳

15、量為0.77%。當溫度在1點以上時，合金為液相；溫度降至1點時，開始從液相中析出奧氏體；溫度降至1～2點之間時，從液相中繼續(xù)析出奧氏體。它的特點是液相不斷減少，固相奧氏體不斷增加。剩下的液相的成分沿AC 變化，奧氏體的成分 沿AE線變化。當溫度降至2點時，合金全部線結(jié)晶成奧氏體，溫度降至2～3點之間時，合金為單相奧氏體，奧氏體組織不變。溫度降至3點，即共析點S時，含碳量0.77%的奧氏體在727℃溫度下發(fā)生共析反應(yīng)。從奧氏體中

16、同時析出含碳量為0.02%的鐵素體F和滲碳體Fe3C的共析組織，即珠光體P。,2024/3/30,14,珠光體是在727℃恒溫下生成的，溫度降到室溫時組織基本不發(fā)生變化。只是鐵素體的含量碳量從0.025降至幾乎為零，碳則以微量三次滲碳體的形式沉淀出來，計算時可以忽略不計。,共析鋼的結(jié)晶過程如圖2—4所示。珠光體的顯微組織如圖2-5所示，鐵素體與滲碳體呈層片狀相間而生，有類似貝殼的光澤，故名珠光體。共析鋼的結(jié)晶過程用反應(yīng)式表示為：,L→L

17、+A P,2024/3/30,15,(二)亞共析鋼,含碳量低于0.77%的鋼均稱為亞共析鋼。以圖2—3中合金⑵為例，亞共析鋼的結(jié)晶過程，如圖2—6所示。合金從液相冷卻到1.2點以后，結(jié)晶出單相的奧氏體組織；溫度繼續(xù)降至2—2點之間時，奧氏體組織不變；當溫度降至3點時，開始從奧氏體中析出鐵素體，鐵素體首先在奧氏體的晶界上形核，隨著溫度降低而長大；溫度降至4點時，根據(jù)杠桿定

18、律先結(jié)晶出的鐵素體相的量為4S/（PS），其成分沿著GP線變化至P點（含碳0.02%），稱作初生鐵素體；剩下的奧氏體相的量為P4/（PS），其成分沿著GS線變化至S點（含碳0.77%）。這時剩下奧氏體的成分和溫度已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件，在727℃時發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。這樣，亞共析鋼奧氏體的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)槌跎F素體（圖2—7中白色晶粒），另一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織（圖2—7黑色部分）。溫度將繼續(xù)降至室溫時，顯微組織基本不變（三次滲碳體

19、忽略不計） 為鐵素體+珠光體（F+P）。,2024/3/30,16,圖2－7 亞共析鋼的顯微組織,2024/3/30,17,鐵素體與珠光體的相對量可用杠桿定律在GPS相區(qū)（P+F）的PS線上計算出，稱作組織相對量。合金（2）中，珠光體量為：Qp=P4/PS×100%鐵素體量為：QF=1－Qp 或 QF=4S／PS×100%隨著亞共析鋼含碳量的增加，組織中的珠光體量增

20、加，從0%增加到100%；當含碳量增加到0.77%時，珠光體為100%，即共析鋼組織。珠光體中的鐵素體，稱作共析鐵素體，滲碳體稱作共析滲碳體。室溫時，鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)只有鐵素體和滲碳體。可以利用杠桿定律在F+Fe3C的兩相區(qū)中計算出亞共析鋼鐵素體與滲碳體的相對量，稱作相的相對量：QF=（6.69－②）/（6.69－0.02）＋100%QFe3C=1－QF 式中②——亞共析鋼的含碳量。,計算出的QF為初生鐵素體與共析鐵素體之和。

21、亞共析鋼的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示：L → L+A→ A → F＋A → F+P,2024/3/30,18,含碳量在0.77～2.11%的鋼,均統(tǒng)稱為過共析鋼.以圖2-3中合金3為例,過共析鋼的結(jié)晶過程如圖2-8所示.合金從液相冷卻至1、2點以后，結(jié)晶出單相奧氏體組織；溫度繼續(xù)冷卻至2～3之間時，奧氏體組織不變；溫度降至3點時，碳在奧氏體中達到飽和，開始析出Fe3C，稱作二次滲碳體，寫作Fe3CII。Fe3CII沿著奧氏體晶界析

22、出，呈網(wǎng)狀分布(圖2－9)，隨著溫度降低，碳在奧氏體中溶解度下降，不斷析出。溫度降至4點（727℃）時，析出的二次滲碳體可用杠桿定律在A＋Fe3C兩相區(qū)SK線上計算出來。,（三）過共析鋼,2024/3/30,19,式中 ③—過共析鋼的含碳量剩余的奧氏體量為1－QFe3CII，其成分已沿著SE線變化至S點，已具備珠光體轉(zhuǎn)變的條件，在727時發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體的組織相對量為：Qp＝1－QFe3CII 或

23、Qp＝利用杠桿定律可以在F+Fe3C兩相區(qū)中計算出鐵素體與滲碳體相的相對量：QFe3C＝1－QF,,,QFe3CII=,Lg → L+A→ Ag → Fe3CII ＋Aτ→ Fe3CII +As Fe3CII+P,這樣計算出的QFe3C為二次滲碳體與共析滲碳體之和。過共析鋼的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示為：,2024/3/30,20,過共析鋼的顯微組織如圖2－9所示，圖中白色

24、的沿著晶界分布的組織即為二次滲碳體；深色部分的組織為珠光體。,過共析鋼的顯微組織如圖2－9所示,2024/3/30,21,圖2－3中合金④稱為共晶白口鐵，含碳量為4.3％，其結(jié)晶過程如圖2－10所示。含碳量4.3％的合金自液相冷卻至1點，即降至共晶溫度（1148）℃時，發(fā)生共晶反應(yīng)，從液相中同時析出含碳量為2.11％的奧氏體和含碳量為6.69％的滲碳體的共晶體，這種機械混合物稱為萊氏體用符號Ld表示。萊氏體組織為球狀或短桿狀的奧氏體均

25、勻分布在滲碳體基體上。溫度從1點繼續(xù)下降時，共晶體中的奧氏體碳的溶解度下降，不斷析出二次滲碳體，奧氏體的成分是沿著ES線變化的。溫度降至727℃時，奧氏體中的含碳量已降至0.77％，此時，奧氏體具備了共析轉(zhuǎn)變的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)槎螡B碳體加鐵素體的珠光體組織。這樣，共晶白口鐵的萊氏體組織形態(tài)不變，只是其中球狀和短桿狀的奧氏體轉(zhuǎn)變成了二次滲碳體和珠光體，而且二次滲碳體又與一次滲碳體融為一體，不大容易分辨。這種由一次滲碳體、二次滲碳鐵和珠光體

26、組成的組織稱為變態(tài)萊氏體，也有稱為低溫萊氏體，用符號L′d表示，其顯微組織如圖2－11所示。共晶白口鐵的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表示為：,L A＋Fe3CI →（A＋Fe3CII）＋Fe3CI,Ld,（四）共晶白口鐵,P＋Fe3CII＋Fe3CI,2024/3/30,22,2024/3/30,23,（五）亞共晶白口鐵,含碳量高于2.11%，低于4.3%的鐵均稱為亞共晶白口鐵。以圖2-3合金5為

27、例，亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖2-12所示。在共晶反應(yīng)之前，即1~2之間，從液相中已先結(jié)晶出一部分初生奧氏體A，其形態(tài)如樹枝狀（圖2－12）。冷卻到2點時，剩下液相的溫度和成分已具備共晶反應(yīng)的條件，遂轉(zhuǎn)化為萊氏體Ld。A與Ld的相對量可利用杠桿定律從L+A相區(qū)EC線上計算出。初生A+Ld的組織形態(tài)冷卻至室溫時變化不大，只是溫度在1148℃ 以下時，A初及共晶奧氏體中都要析出Fe3CII；冷卻至727 ℃時（即3點時），又具備了共析

28、反應(yīng)的條件，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。室溫的顯微組織為二次滲碳體、樹枝珠光體及變態(tài)萊氏體，如圖2－13所示。合金的結(jié)晶過程可用反應(yīng)式表式為：,2024/3/30,24,2024/3/30,25,（六）過共晶白口鐵,含碳量為4.3%~6.69%的鐵，均統(tǒng)稱為過共晶白口鐵。以圖2－3中合金6為例，過共晶白口鐵的結(jié)晶過程如圖2-14所示。從1點開始自液相中結(jié)晶出呈板條狀的一次滲碳體Fe3CI，剩下的液相在2點1148℃轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏Ld。所生成的Fe3CI

29、 +Ld的組織冷卻至室溫時，形態(tài)變化不大。但是在隨后的降溫過程中，從奧氏體中要析出二次滲碳體Fe3CII,冷卻至727℃（即3點）時又轉(zhuǎn)變成珠光體.過共晶白口鐵室溫時的顯微組織為板條狀的一次滲碳體及變態(tài)萊氏體,如圖2－15所示。 L → L＋Fe3C Ld＋Fe3CI L’d＋Fe3CI,2024/3/30,26,2024/3/30

30、,27,四、含碳量對鐵碳合金組織和力學性能的影響,含碳量小于0.02%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵,它的力學性能與鐵素體基本相同,有良好的塑性和韌性,較低的強度與硬度. 在鐵碳合金中含碳量變化對組織和性能影響很大.從Fe-Fe3C相圖中可看出，當含碳量不同時，組織將變化。圖2-16為含碳量對碳鋼組織影響的示意圖。當含碳量為0.77%時，為鐵素體+珠光體；而在過共析鋼中，組織則為珠光體+滲碳體。從示意圖中可以很清楚的得出含碳量變化后這些組織

31、的變化情況。,2024/3/30,28,含碳量變化后對力學性能的影響可見圖2-17所示。從圖中可看出，當含碳量增加后，碳鋼的強度和硬度升高，而塑性和韌性則下降。,這是由于含碳量增加后，碳鋼中的滲碳體在不斷的增加。但是，含碳量超過了0.9%后，由于游離狀態(tài)的二次滲碳體自晶界析出，這些硬而脆的網(wǎng)狀滲碳體包圍住珠光體的晶粒，降低了晶界之間的結(jié)合力，使鋼的脆性增加，反而使碳鋼強度逐漸下降。當碳鋼的含碳量大于1.4%后，在工程上已應(yīng)用很少。,20

32、24/3/30,29,五、鐵碳合金在工程上的應(yīng)用,鐵碳合金相圖在選擇和使用材料、金屬加工、熱處理以及選配合鋼、合金鑄鐵等方面有重要作用。 鐵碳合金相圖能很好地反映鋼鐵材料的成分與組織之間的關(guān)系，可根據(jù)工程上的需要選材。,火電廠的鍋爐支架、廠房結(jié)構(gòu)、冷卻塔、起重機構(gòu)架、輸電鐵塔、鍋爐水冷壁管、風機、風管、燃料輸送設(shè)備和管道、粗細粉分離器等需要韌性、塑性好的含碳小與0.25%的碳鋼；重要的地腳螺栓、軸、齒輪等需要強度、韌性都較好的含碳0

33、.3%~0.5%的鋼；各類彈簧、板簧需要含碳0.5%~0.75%的鋼；而工具、模具、軸承類則需要含碳0.8%~1.3%的鋼。,白口鑄鐵的硬度高，脆性大，難于加工，只能用作拔絲模、磨煤機磨球等。如果在白口鑄鐵中加入足夠的鉻、鎳等合金元素，制成合金白口鐵，則是很好的耐磨材料，在磨煤機、碎煤機、灰渣泵、管道內(nèi)襯、噴燃器中有很廣泛的應(yīng)用。,鐵碳合金相圖是選擇熱加工工藝的重要依據(jù)，在鑄鐵、軋鍛、焊接和熱處理方面應(yīng)用很廣。,2024/3/30,30

34、,鐵碳合金相圖（與鑄鐵工藝的關(guān)系如圖2－18所示），從圖中看出，鑄鐵的澆注溫度低。越是接近共晶點C的鐵碳合金結(jié)晶是，液相線溫度低，合金的流動性好；固液線距離近，偏析傾向小，所以鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)于鑄鋼。鐵碳合金相圖中有很廣闊的奧氏體區(qū)，面心立方晶格的高溫奧氏體有優(yōu)良的塑性和較好的強度，塑性變形抗力很低，是熱鍛、熱軋極好的組織，軋、鍛溫度一般選在圖中影線部分。鍛造的原則是始鍛（軋）的溫度不宜過高，終鍛溫度不宜過低，以防止鍛（軋）造裂紋

35、出現(xiàn)。,不同成分的鐵鑄合金冷卻后組織不同，在焊接時要選擇不同的焊接工藝。如鍋爐中有大量不同材質(zhì)的管道，其中含碳兩越低的鋼焊接性越好，含碳量增加時，隨著焊件壁厚的增加，需要預(yù)熱和焊后回火處理。鐵碳合金相圖還是鋼的熱處理重要工具和依據(jù)。,2024/3/30,31,2024/3/30,32,第三節(jié) 碳鋼,目前使用的金屬材料中，碳鋼占有重要地位。工程上使用的碳鋼一般是指含碳量不超過1.４％，且含有錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)的鐵碳合金。,一、常

36、存雜質(zhì)對碳鋼性能的影響,碳、錳、硅、硫、磷是碳鋼中的常存元素，統(tǒng)稱五大元素，在煉鋼是要對含量進行分析和控制。碳在鋼中的影響已如前述。錳、硅、硫、磷則稱為常存雜質(zhì)，它們的含量對碳鋼的性能也有較大的影響。（1）錳的影響， 錳作為煉鋼時的脫氧劑而殘存在鋼中。它以置換固溶體的形式溶入鐵素體，可以提高鋼的強度。特別是它能與鋼中的硫，化合形成高熔點的MnS化合物，可消除硫的脆熱性，因此，錳是有益元素。在碳鋼中錳的含量一般不超過1.2%以下。(2

37、)硅的影響， 硅與錳相似，也是煉鋼脫氧是殘存在鋼中的。硅溶入鐵素體可以起固溶強化的作用，但含量增多是鋼變脆，一般控制在0.4%以下。,2024/3/30,33,（3）硫的影響 硫是從礦石和燃料中帶來的，雖經(jīng)煉鋼，煉鐵，還未能完全消除而殘存鋼中。硫不溶于鐵，但容易以FES的形式與FE形成低熔點共晶體并存在與晶界上這種共晶體在958℃時熔化，使得在1100～1200℃是軋、鍛的鋼材發(fā)生晶間開裂并報廢，稱為熱脆性，因此硫是有害元素，在鋼中的含

38、量要控制在0.055%以下。當鋼中有錳存在是，錳與硫產(chǎn)生高熔點的MnS（熔點1620℃），可以消除硫的熱脆性。（4）磷的影響 磷也是礦石經(jīng)冶煉殘存在鋼中的有害雜質(zhì)，它可以溶入鐵素體中使鋼的韌性下降，并使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，這種現(xiàn)象稱作冷脆性。磷在鋼中的含量被限制在0.045%以內(nèi)。除了以上四種常存雜質(zhì)外，還有氫、氧、氮等殘存與鋼中，這些氣體易與形成白點、氣孔和非金屬夾雜物。特別是氧化夾雜，如SiO2、MnO等。這些缺陷的存在，均要使鋼

39、材質(zhì)量下降。,對于重要的電力設(shè)備零件，如汽輪機輪轂、葉片等，要求非金屬夾雜物限定在一定范圍內(nèi)。,2024/3/30,34,二、碳鋼的分類、編號和用途,（1）碳鋼的分類 碳鋼的分類方法很多，通常按照鋼的含碳量、質(zhì)量和用途分類。按含碳量分為：a 低碳鋼：含碳量≤0.25％；b 中碳鋼：含碳量在0.25％～0.6％之間c 高碳鋼：含碳量＞0.6％。按鋼的質(zhì)量分為：① 普通碳素鋼：鋼中含S≤0.055％，P≤0.045％；②

40、 優(yōu)質(zhì)碳素鋼：鋼中含S≤0.04％，P≤0.040％；③ 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：鋼中含S≤0.030％，P≤0.035％。,2024/3/30,35,按鋼的用途分為： ① 碳素結(jié)構(gòu)鋼：用于制造工程構(gòu)件(鐵塔、鍋爐支架、廠房鋼結(jié)構(gòu)、起重設(shè)備和工程機械結(jié)構(gòu)、水冷壁管、風管、榆粉管道、及機械零件f抽、齒輪、螺栓、螺母等)。一般為低、中碳鋼。②碳素工具鋼：用于制造各種工具、刀具、刃具、模具、軸承等。一般屬于高碳鋼。（2）碳鋼的編號及用途

41、 世界上許多工業(yè)國家都有自己的編號方法。我國碳鋼的編號方法按GB700－79分為三種。 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼的牌號是按照力學性能中的屈服強度分成五類來編號的,數(shù)字也大說明屈服強度Rel值越高,碳鋼中的含碳量也越高;塑性也就要越低. 碳素結(jié)構(gòu)鋼用于制造螺栓、螺母、鋼板、圓鋼以及各類型鋼，廣泛應(yīng)用于機械制造及建筑等行業(yè)中。,2024/3/30,36,2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 （a） 正常含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：含錳量0.8％。編號方

42、法簡單，用兩位數(shù)字表示,數(shù)字表示含碳量的萬分之幾。,例如20號鋼、45號鋼即表示含碳量為0.20％、0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。鋼號從05、08、10、15、20……直到85。,如20Mn(20錳)或65Mn（65錳）。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分和力學性能見表2－3。,如作焊絲用的寫作H08，又如鍋爐用的20號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可寫作20g（或20鍋），20g可用作鍋爐鋼板、壓力容器和鍋爐水冷壁及小型汽包等。,（b） 較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素

43、結(jié)構(gòu)鋼：含錳量在0。7％～1．2洲之間。編號方法是在正常含錳量優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號的后面加寫Mn(或猛)表示，,在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，對于專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼編號，是在鋼號前面或后面加一個表示用途的漢字或漢字的拼音符號。,2024/3/30,37,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用。低碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用作橋梁．起重及工程機械，鋼結(jié)構(gòu)件，還可滲碳后使用，制作機械零件；中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可經(jīng)調(diào)質(zhì)后制作軸、齒輪、溫度不超過450℃的汽輪機轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器和汽

44、缸緊因件；中、高碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用作各類彈簧、板黃和鋼絲繩等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼一般經(jīng)熱處理后使用，或在正火狀態(tài)下供應(yīng)。若含S、P量更低的叫高級優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，就在鋼號后面加寫A字(或高字)，如20 A(或20高)。 20 A廣泛應(yīng)用于鍋爐的水冷壁管。,3）碳素工具鋼： 碳素工具鋼的含碳量一般在65％一1. 3％之間。編號方法是用字母T(或碳)加數(shù)字表示，數(shù)字表示含碳量的千分之幾。例如T8、T12（碳8、碳12）表示含碳量為0.8％、1

45、.2％的碳素工具鋼。鋼號為T7、T8……T13(碳7、碳8…碳13)。碳素工具鋼含S、P量均較少，屬于優(yōu)質(zhì)鋼。,若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在鋼號后加寫A字(或高字)，如T8A、T12A(碳8高、碳12高)。,2024/3/30,38,第四節(jié) 鑄鐵,鑄鐵是含碳量為2．11％一6．69％的鐵碳合金，工業(yè)上常用鑄鐵的含碳量在2．5％一4．0％之間。錳、硅、硫、磷的含量比碳鋼多。,一、概述,在工業(yè)上應(yīng)用的鑄鐵中，碳一般是以石墨狀態(tài)存在，這使得

46、鑄鐵有許多優(yōu)點。,（1）有優(yōu)良的鑄造性能：澆注的溫度低、流動性好、偏析傾向小、收縮率小等。不僅適合澆鑄大型鑄件，也適合澆鑄薄小件。（2）由于石墨的存在，便于吸收機械振動能，使之變?yōu)闊崮?。因此鑄鐵具有優(yōu)良的減震性，特別適合制作各種機床床身、設(shè)備底座等。（3）石墨本身有潤滑作用，故鑄鐵有干式減磨性。當有潤滑劑存在時，由于石墨空洞有儲油的能力，使鑄鐵的減磨性增加。（4）由于石墨割裂了基體的連續(xù)性，鑄鐵在切削時易于斷屑，所以鑄鐵有很好的切

47、削加工工藝性能。 鑄鐵的強度、塑性、韌性部很差，屬于脆性材料．這是鑄鐵的根本缺點。它的導熱性差．焊接性差，鑄鐵不適合制作各類結(jié)構(gòu)件和重要零件。,2024/3/30,39,二、鑄鐵的石墨化,Fe－Fe3C相圖中，F(xiàn)e3C作為一個組元是較穩(wěn)定的相．但在鐵碳合金中，它仍是個亞穩(wěn)相，石墨才是穩(wěn)定的相。石墨具有簡單六方晶體結(jié)構(gòu)，如圖2—19所示，密排面之間間隔大。結(jié)合力弱，易于剝離，它的強度和塑性幾乎是零。因此，石墨在鑄鐵中存在時．可看成是許多

48、空洞。 液態(tài)的鐵水可以結(jié)晶成滲碳體，也可以直接結(jié)晶成石墨，圖2—20為Fe－石墨相圖，圖中虛線是石墨析出線。含碳量為4．26％的鐵水在1154℃時可同時析出奧氏體和石墨；在1154—738℃之間時可由奧氏體中析出二次石墨， 或Fe3C發(fā)生分解產(chǎn)生石墨；在共析反應(yīng)階段，含碳0．68％的奧氏體在738℃時可同時析出鐵素體與石墨。,2024/3/30,40,2024/3/30,41,影響石墨化的因素主要是化學成分和冷卻速度。碳和硅是促進石

49、墨化的主要元素，碳和硅的含量越高，鑄鐵的石墨化越充分；其次是冷卻速度，鑄鐵件的冷卻速度快時，易生成Fe3C而白口化。冷卻速度慢時，鑄鐵件易于石墨化。這受鑄件的壁厚和造型材料、造型工藝的影響，例如采用金屬模時冷速快，采用砂模時冷速慢。鑄鐵中析出石墨后，若石墨化進行得徹底，將得到鐵素體基體及石墨的組織；若石墨化不完全，則得到鐵素體及珠光體基體和石墨的組織或珠光體和石墨的組織。鑄鐵的組織是在鋼的基體上分布著不同大小和形狀的石墨的組織。由于

50、石墨形態(tài)不同，鑄鐵可分為灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵。,三、灰口鑄鐵,灰口鑄鐵是使用最廣泛的鑄鐵，占鑄鐵總量的80%。由于斷口呈暗灰色，故稱灰口鑄鐵。,2024/3/30,42,灰口鑄鐵中的石墨呈無規(guī)則的片狀，將基本割裂成許多空洞，好像許多裂縫分布在鋼的基體上，是鑄鐵的力學性能下降。圖2-22是灰口鑄鐵顯微組織圖。灰口鑄鐵中的石墨越均勻、越細小越好?；铱阼F的鐵水中用硅鈣合金作變質(zhì)處理（孕育），能細化灰口鑄鐵中的石墨，因而，可使鑄鐵的

51、強度提高100~200Mpa。三種不同的基體的灰口鑄鐵，以珠光體基體的強度為最高，但脆性也較大；鐵素體基體的灰口鑄鐵強度稍差一些，但脆性較小。,灰口鑄鐵的牌號用符號HT及數(shù)字表示，數(shù)字表示鑄鐵的最低抗拉強度值Rm。例如HT200，其中的HT即表示灰口鑄鐵，數(shù)字200表示灰口鑄鐵的Rm≥200Mpa。,灰口鑄鐵被廣泛作各種承受壓力和要求消震性的床身、軸承座、端蓋、車床尾座、工作臺、底座等工件。在電力工業(yè)中灰口鑄鐵可用作軸承蓋、油泵體、低壓

52、汽缸和中壓缸中部材料；200MW機組隔板上的導葉、低壓缸隔板等。,灰口鑄鐵的微觀組織 100×,2024/3/30,43,可鍛鑄鐵中石墨多為團絮狀，其塑性和韌性高于灰口鑄鐵。圖2-23為可鍛鑄鐵的微觀組織，可鍛鑄鐵牌號用KT及數(shù)字表示，KT表示可鍛鑄鐵，后面的兩組數(shù)字表示最低抗拉強度Rm和最低伸長率。例如，KT350-10表示Rm≥350MPa，A11.3≥10％?？慑戣T鐵是白口鑄鐵在高溫下長時間保溫下獲得的，所以生產(chǎn)周期

53、長，成本高，已逐漸被球墨鑄鐵取代。,（四）可鍛鑄鐵,圖2-23 可鍛鑄鐵的微觀組織,2024/3/30,44,(五)球墨鑄鐵,球墨鑄鐵是在灰口鑄鐵澆注前加入一定量的球化劑（如Mg、Ca和RE等）進行球化處理，同時加入變質(zhì)劑（通常加含Si75％的硅鐵）進行變質(zhì)處理后得到的。球墨鑄鐵中石墨多為球狀，基體為鐵素體、珠光體或鐵素體加珠光體。球墨鑄鐵的牌號用符號QT及數(shù)字表示，QT表示球墨鑄鐵，數(shù)字表示球墨鑄鐵的抗拉強度和延伸率的最低值。例

54、如，QT600-02表示Rm≥600MPa，A≥2％。,由于球墨鑄鐵中石墨多為球狀，大大減少了鑄鐵的應(yīng)力集中，具有優(yōu)良的力學性能，而且工藝簡單，成本低，所以廣泛應(yīng)用于制造各種機械零件，如發(fā)動機曲軸、連桿、軸瓦、齒輪、汽輪機汽缸、末級隔板、中壓閥門等。表4-5為常用球墨鑄鐵的牌號和性能。,微觀組織如圖4-3所示。,2024/3/30,45,六、合金鑄鐵,合金鑄鐵是在鑄鐵中加入合金元素，以提高其力學性能，或者提高其耐磨、耐蝕、耐熱等特殊性能

55、，又成為特殊性能鑄鐵。常用的合金鑄鐵有耐磨鑄鐵，耐蝕鑄鐵和耐熱鑄鐵。,2024/3/30,46,（一）耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵按其工作條件大體可分為兩種類型一種是在潤滑條件下工作的，如機床導軌、汽缸套、活塞環(huán)和軸承等；另一種是在屋潤滑的干摩擦條件下工作的，如火電廠煤粉制備系統(tǒng)中的碎煤機、磨煤機中的零件。后一種耐磨鑄鐵也有稱為抗磨鑄鐵的。在潤滑條件下工作的耐磨鑄鐵，其組織為軟基體上分布有硬相組成物，以便在磨合后使軟基體有所磨損，形成構(gòu)槽，保

56、持供潤滑用的油膜。常用的為高磷合金鑄鐵，使雜質(zhì)中的含磷量提高到0.4%～0.6%左右。其中磷在鑄鐵中形成磷化物作為硬相，鐵素體或珠光體屬于軟基體。普通高磷鑄鐵的成分為2.9%～3.2%C、1.4%～1.7%Si、0.6%～1.0%Mn、0.4%～0.65%P、小于等于0.12%S。由于普通高磷鑄鐵的強度和韌性較差，還常加入鉻、鉬、鎢、銅、鈦、釩等元素，構(gòu)成合金高磷鑄鐵，使其組織細化，進一步提高力學性能和耐磨性。,2024/3/30,47

57、,在潤滑條件下應(yīng)用的耐磨鑄鐵有釩鈦耐磨鑄鐵、鉬鉻耐磨鑄鐵、鎢系耐磨鑄鐵等。在干摩擦工況條件工作的耐磨鑄鐵，應(yīng)具有高的硬度。目前常用的有低合金耐磨鑄鐵、中錳球墨鑄鐵、高鉻鑄鐵等。低合金耐磨鑄鐵種類很多，有鎳硬鑄鐵、硼白口鑄鐵、鉻錳銅耐磨鑄鐵、鉻鉬銅耐磨鑄鐵等。中錳球墨鑄鐵是在稀土－鎂球墨鑄鐵中加入5％～9.5％的錳元素，含硅量控制在3.3％～5.0％范圍內(nèi)，其組織為馬氏體＋殘余奧氏體＋球狀石墨＋碳化物，這種組織既有一定的韌性，又有較

58、高的硬度，可用來制造球磨機磨球、襯板等既要受一定的沖擊力又希望耐磨的零部件。,2024/3/30,48,高鉻（12％～35％Cr）鑄鐵，因為含有較多的強碳化物元素鉻，是無石墨的白口鑄鐵。通過熱處理后，基體可變成很硬的組織，還有許多硬的碳化物。因而硬度很高，具有優(yōu)良的耐磨性，特別是耐磨料磨損的性能。由于含鉻高，而且呈顆粒狀又比較細碎。因此，高鉻鑄鐵有一定的韌性，適當熱處理之后還可進行切削加工。,國內(nèi)外都十分重視對高鉻鑄鐵的研究和推廣應(yīng)用。

59、目前，還有將高鉻鑄鐵和低碳鋼符合澆鑄成金屬材料，這種復合材質(zhì)既有高硬度又有較好的韌性，因而擴大了高鉻鑄鐵的應(yīng)用范圍。,(二)耐蝕鑄鐵耐腐蝕是個相對的概念，介質(zhì)不同時對鑄鐵的成分和組織有不同的要求。國外耐蝕鑄鐵以鎳鉻系為主，我國則以高硅系為主，此外，還有鋁系和鉻系耐蝕鑄鐵。高硅耐蝕鑄鐵中含硅量要超過13％，若再增加銅或鉬或稀土能進一步提高耐腐蝕能力，可用于制造耐酸泵、管道、閥門等化工設(shè)備。,2024/3/30,49,（三）耐熱鑄鐵