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铁碳合金

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铁碳合金

铁碳相图

铁碳相图中的基本相

铁素体

  1. 形态: CC 固溶于 α−Fe\alpha-Fe 的间隙固溶体
  2. 符号: FF
  3. 晶体结构: 体心立方
  4. 组成: 室温下几乎由纯铁组成, 间隙固溶极少量的 CC, 产生正畸变
  5. 性能: 塑性高, 强度低

奥氏体

  1. 形态: CC 固溶于 γ−Fe\gamma-Fe 的间隙固溶体
  2. 符号: AA
  3. 晶体结构: 面心立方
  4. 组成: 与 CC 形成的固溶体
  5. 性能: 通常在高温时稳定存在

渗碳体

  1. 形态: 介稳定化合物 Fe3CFe_3C
  2. 符号:
    1. 一次渗碳体 Fe3CIFe_3C_I 随温度降低, 最先出现的独立渗碳体 (含碳量高时, 从液相中结晶产生, 不是来自共晶/共析反应)
    2. 二次渗碳体 Fe3CIIFe_3C_{II} 在共晶点左侧, 共析点右侧, 从 A 中析出的渗碳体(不是共晶反应生成)
    3. 三次渗碳体 Fe3CIIIFe_3C_{III} 从纯铁素体中析出的渗碳体(不是 P 中的铁素体, 此部分属于组织 P 内交换)
  3. 性能: 又硬又脆, 熔点高, 会缓慢分解为石墨与铁素体

δ 固溶体

  1. 形态: δ−Fe\delta-Fe
  2. 符号: δ\delta
  3. 晶体结构: 体心立方
  4. 性能: 仅在纯度极高, 温度极高的铁中存在

铁碳相图中的组织

珠光体

  1. 形态: Fe3CFe_3C 与 FF 的两相机械混合物构成的组织
  2. 组织符号: PP
  3. 形成: 由奥氏体发生共析反应得到
  4. 性能: 强度高, 塑性较好
  5. 含碳量: 0.77%0.77\% (发生共析反应温度下 AA 的含碳量)

莱氏体

  1. 形态: Fe3CFe_3C 与 AA 的两相机械混合物构成的组织
  2. 组织符号: LdL_d
  3. 形成: 由含碳量足够高时, LL 相 发生共晶反应得到
  4. 性能: 其中的 AA 低温不稳定, 因此只在高温存在

变态莱氏体

  1. 形态: Fe3CFe_3C 与 P 的两组织机械混合物构成的组织
  2. 组织符号: Ld′L_d'
  3. 形成: 莱氏体冷却到室温后, 其中的 AA 发生共析, 转变为 PP

重要结点

G

  1. ω≈0%\omega\approx0\%
  2. 反应室温下铁素体中的碳含量近似为 0

S

  1. ω=0.77%\omega=0.77\%
  2. 此处为铁碳合金的共析点

E

  1. ω=2.11%\omega=2.11\%
  2. 反应 A 中最大的碳含量, 此时 E 点处成分的合金 Fe3CIIFe_3C_{II} 含量最多

C

  1. ω=4.3%\omega=4.3\%
  2. 此处为铁碳合金的共晶点

F

  1. ω=6.69%\omega=6.69\%
  2. T=1148°CT=1148\degree C 铁碳合金的共晶转变温度
  3. 反应 Fe3CFe_3C 的碳含量, 大于此质量后不再有 F 相

K

  1. T=727°CT=727\degree C 铁碳合金的共析转变温度

PSK 线

即热处理中的 A1A_1 线, 为奥氏体发生共晶反应, 生成珠光体的温度

SE 线

即热处理中的 AcmA_{cm} 线, 为奥氏体中渗碳体析出的温度

GS 线

即热处理中的 A3A_3 线, 为奥氏体中铁素体析出温度

平衡结晶过程

  1. 平衡结晶结果通过显微组织体现
  2. 晶体的晶界排列混乱, 更容易被腐蚀, 显黑色
  3. 珠光体中, 有大量晶界, 且存在电化学腐蚀, 因此呈现黑色(低倍数) 或细密的黑色条纹(退火态的片状珠光体)
  4. 使用硝酸酒精溶液浸蚀, 块状的 FF 与 Fe3CFe_3C 均为白色, 无法区分(过共析钢), 需要通过苦味酸溶液浸蚀以区分

工业纯铁

  1. ω<0.02%\omega<0.02\%
  2. 冷却最终得到 F 于极少量的 Fe3CIIIFe_3C_{III}
  3. 得到的 Fe3CIIIFe_3C_{III} 沿 FF 晶界分布

共析钢

1 ω=0.77%\omega=0.77\%

  1. L→AL\rightarrow A

  2. A→P(F+Fe3C)A\rightarrow P(F+Fe_3C)

  3. F→Fr+Fe3CF\rightarrow F_r+Fe_3C 冷却到室温时, 铁素体将继续析出渗碳体

  4. 最终得到 PP

亚共析钢

  1. ω∈[0.0218,0.77]\omega\in[0.0218, 0.77]
  2. A→Ar+FA\rightarrow A_r+F, 在共析之前, AA 先析出 FF
  3. 剩余过程与共析钢类似
  4. 最终得到 P+FP + F, 均以块状分布

过共析钢

  1. ω∈[0.77,2.11]\omega\in[0.77, 2.11]
  2. A→Ar+Fe3CIIA\rightarrow A_r+Fe_3C_{II}, 在共析之前, AA 先析出部分 Fe3CIIFe_3C_{II}
  3. 剩余过程与共析钢类似
  4. 最终得到 P+Fe3CIIP + Fe_3C_{II}, 其中 Fe3CIIFe_3C_{II} 沿 P 的晶界分布
  5. 显微组织中, 使用硝酸酒精溶液处理, 得到的 Fe3CIIFe_3C_{II} 为白色(无法与 PP 中的 FF 区分); 使用苦味酸溶液处理, 得到的 Fe3CIIFe_3C_{II} 为黑色

共晶白口铸铁

  1. ω=4.3%\omega=4.3\%
  2. L→Ld(A+Fe3C)L\rightarrow L_d(A+Fe_3C)
  3. A→Ar+Fe3CIIA\rightarrow A_r+Fe_3C_{II} 莱氏体中的 AA 也会析出 Fe3CIIFe_3C_{II}
  4. 之后冷却过程类似过共析钢, LdL_d 内的 AA 变为 PP, 因此认为 LdL_d 也转变为变态莱氏体 Ld′L_d'
  5. 最终得到 Ld′L_d', PP 以鱼骨状分布在 Fe3CIIFe_3C_{II} 中

亚共晶白口铸铁

  1. ω∈[2.11,4.3]\omega\in[2.11, 4.3]
  2. L→Lr+AL\rightarrow L_r+A, 在共晶之前, 有部分 LL 先结晶为 AA
  3. 剩余过程与共析钢类似
  4. 最终得到 PP 与 Ld′L_d'
  5. 先共晶 AA 在共析之前先在其晶界上析出了部分 Fe3CIIFe_3C_{II}, 因此最终的显微组织 AA 共析的 PP 与 Ld′L_d' 中的 PP 不会相连, 存在一定间隙(Fe3CIIFe_3C_{II})

过共晶白口铸铁

  1. ω∈[4.3,6.69]\omega\in[4.3, 6.69]
  2. L→Lr+AL\rightarrow L_r+A, 在共晶之前, 有部分 L 先结晶为 Fe3CIFe_3C_{I}
  3. 剩余过程与共析钢类似
  4. 最终得到 Fe3CIFe_3C_{I} 与 Ld′L_d'
  5. 先共晶 Fe3CIFe_3C_{I} 单向生长, 以条状形式存在于显微组织中

钢锭的组织与缺陷

组织

  1. 表面细晶区 与锭模接触的钢液冷却速度快, 形成晶粒细小的组织
  2. 柱状晶区 表层形成细晶区后, 晶核沿散热方向, 即垂直于锭模壁的方向生长为柱状
  3. 中心等轴晶区 距离锭模壁远, 散热均匀, 速度慢, 晶粒大
  4. 柱状晶区热塑性差, 需要减少

缺陷

  1. 缩孔 集中收缩形成的孔穴
    1. 由于结晶时体积收缩, 得不到补充产生
    2. 通常出现在钢锭的最上方(得不到金属液补充)
    3. 含大量杂质, 危害大, 不允许存在, 需要切去
  2. 缩松 分散体积收缩形成的分散小孔
    1. 危害较小, 通过锻造可以减轻
    2. 会使塑性与断裂韧度下降
  3. 杂质
    1. 磷 PP 与 FeFe 化合, 会导致钢在低温时发生脆性断裂
    2. 硫 SS 高温时与 FeFe 化合, 产生脆性化合物, 导致热脆性
    3. 氧 OO 有害杂质
    4. Mn,SiMn, Si 有益杂质, 有一定强化作用

铁碳合金的性能

力学性能

  1. ω<0.77%\omega<0.77\% 随碳含量升高, PP 增多, 强度与硬度升高, 塑性与韧性降低
  2. ω>1.0%\omega>1.0\% 出现沿晶界分布的网状 Fe3CIIFe_3C_{II}, 强度下降, 硬度继续上升
  3. ω>2.11%\omega>2.11\% 合金以 Fe3CFe_3C 为基底, 过于脆, 不易应用

工艺性能

  1. 切削性能 中碳钢
  2. 可锻性能 低碳钢
  3. 焊接性能 低碳钢
  4. 铸造性能 共晶白口铸铁

铁碳合金的分类与牌号

钢的分类

含碳量

  1. 低碳钢 ω<0.25%\omega<0.25\% 用于以塑性, 韧性为主的零件
  2. 中碳钢 0.25%<ω<0.60%0.25\%<\omega<0.60\% 用于要求塑性, 韧性同时有要求具有一定的强度的零件
  3. 高碳钢 ω>0.6%\omega>0.6\% 用于强度高且耐磨的零件

按质量

根据杂质 PP 与 SS 的含量, 分为普通碳钢, 优质碳钢, 高优质钢

按用途

  1. 结构钢 用于工程构件, 机器零件
  2. 工具钢 用于刀具, 模具, 量具
  3. 特殊性能钢 不锈钢, 耐热钢, 耐磨钢

碳素结构钢牌号

碳素结构钢碳含量低, 主要要保证力学性能

  1. 牌号 QQ + 数字 + 质量等级 + 脱氧方法
  2. QQ 表示 屈 的首字母
  3. 数字 表示屈服强度
  4. 字母 A 到 D 质量以此提高
  5. ZZ 表示镇静钢, FF 表示沸腾钢, 可省略

优质碳素钢牌号

必须同时保证化学成分与性能, 牌号使用两位数字

  1. 数字表示碳含量的万分数, 即 0.ab%0.ab\%
  2. 30∼5030 \sim 50 钢经淬火 + 高温回火后, 具有较好的力学性能
  3. 40,4540, 45 钢可用于主轴或连杆
  4. 55,60,6555, 60, 65 钢经淬火 + 中温回火后, 可用于制作弹簧

碳素工具钢牌号

用于制作量具, 刀具等, 要求硬度高, 因此一般碳含量较高

  1. 牌号 T + 数字(两位或一位)
  2. T 表示 tool 首字母
  3. 数字表示碳含量的千分数, 即 n×0.1%n \times 0.1\%
  4. 如果添加 Mn 则在末尾标注元素符号 Mn
  5. 如果杂质含量少, 则在末尾标注 A
  6. 使用碳素钢前都需要热处理, 改善脆性

铸钢牌号

使用字母 ZG + 数字 - 数字

  1. 字母表述 铸钢
  2. 第一组数字表示屈服强度
  3. 第二组数字表示抗拉强度

铸铁

石墨化

在高温下并且有足够的扩散时间下, 渗碳体, 铁液与奥氏体中会析出稳定的石墨, 将铸铁中石墨的形成称为石墨化

  1. 高温下长时间保温有利于石墨化, 低温下难以发生石墨化
  2. 减缓铸铁的冷却速度有利于石墨化
  3. 增大 CC 与 SiSi 元素含量有利于石墨化

白口铸铁

不进行石墨化的铸铁, 颜色光亮, 极脆

灰口铸铁

  1. 进行充分石墨化的铸铁, 因此颜色灰暗
  2. 组织 片状石墨 + 珠光体 + 铁素体
  3. 用于耐磨, 形状复杂的地方, 如箱体
  4. 牌号 HT + 抗拉强度

球墨铸铁

  1. 加入球化剂和孕育剂, 是石墨球化的铸铁
  2. 石墨为球状, 对金属基体的割裂和损伤小, 具有较好的韧性与强度
  3. 用于代替锻钢, 制造形状复杂的零件, 如齿轮
  4. 牌号 QT + 抗拉强度 - 拉伸率(两位不带单位%)

可锻铸铁

  1. 不充分石墨化, 通过退火得到絮状石墨
  2. 性能与球墨铸铁接近
  3. 不能用于锻造
  4. 牌号 字母为 KT, 数字与球墨铸铁相同