铁碳合金相图及其坐标含义（大学课程资料之----铁碳合金状态图）

一、铁素体（F）

铁素体 — 碳（C）溶入α-Fe中所形成的固溶体。 727℃ 0.02%C

力学性能：σb = 250MPa δ= 45~50% HB = 80

二、奥氏体（A）

奥氏体— 碳（C）溶入γ-Fe中所形成的固溶体。 1147℃ 2.06%C 、727℃ 0.77%℃

力学性能：σb = 250 ~ 350MPa δ= 40~45% HB = 160~200

三、渗碳体（Fe3C）

渗碳体— 是金属化合物。碳在铁碳合金存在的另一种形式 6.67%C

力学性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 800

四、珠光体（P = F Fe3C ）

珠光体— 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 727℃ 0.77% C

力学性能： σb = 750MPa δ=25% HB = 180-200

白色F基体中嵌入黑片状Fe 3C

五、莱氏体（Le）

莱氏体— 是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。

莱氏体（Le）1147℃ 4.3%C

727℃以上为高温Le （A Fe 3C）；727℃以下为低温Le’（ P Fe 3C ）；

力学性能： σb = 30MPa δ= 0 HB = 700

一、什么是状态图

状态图—— 表示合金系的成分、温度、组织、状态之间关系的图表。

二、状态图的作用

是研究合金的成分、温度、组织、状态之间变化规律的工具。

杠杆定律：

以Cu-Ni二元合金相图说明, 计算成分为C的合金在t1℃时，L和α两相的相对质量。

在t1℃时，L和α两相成分分别为CL ,C α。

设：合金总重量为1，液相重为WL ,α相重Wα

①定律适用于二元相图两相区两相相对质量的计算。

②在单相区，其相占100%

举例：

①当二元合金（成分已知）由两相组成时两相的相对质量是多少？

例：45钢（含C=0.45%）,铁素体（F）和Fe3C两相各占多少？

②当二元合金两相相对重量已知时，合金成分是多少？

例：金相观察：F:95%; Fe3C：5%；求钢的含碳量？

杠杆定律可以解决此类问题。

C—共晶点，1147℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。

共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结晶出一定成分的两个固相的反应。

共晶反应的产物——共晶体——机械混合物 L（4.3%C） A（2.06%C ） Fe3C （6.67%C ）

G — 纯铁的同素异晶转变点。 912℃

P —C在α-Fe中的最大溶解度点。727℃ 0.02%C

S —共析点。 727℃ 0.77%℃

共析反应—在一定的温度下，由一定成分的固相同时析出不同成分的另外两个固相的反应。

共析反应的产物 — 共析体— 机械混合物

A（0.77%C） F（0.002%C ） Fe3C（6.67%C ）

ES线 — C在γ-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3CⅡ Acm线
GS线 — A—F转变线 A3线

GP线 — F析出终了线。

PQ线 — 碳在α-Fe中的溶解度曲线。析出二次Fe3C Ⅲ

PSK线 — 共析线 727℃ A1线

（1） 单相区：L、F、A、Fe3C

（2） 两相区：L A、L Fe3C、A F、F Fe3C

（3） 三相区：L A Fe3C、A F Fe3C（S、C点）

亚共析钢的结晶过程

共析钢的结晶过程

过共析钢的结晶过程

铁碳合金状态图

六．状态图的作用

1．选择材料

2．确定各种工艺参数

一、钢的分类

1．按化学成分分类

1）碳素钢

（1）低碳钢 C < 0.25%

（2）中碳钢 C = 0.25-0.6%

（3）高碳钢 C > 0.6%

2）合金钢

（1）低合金钢 Me < 5%

（2）中合金钢 Me = 5-10%

（3）高合金钢 Me > 10%

2. 按质量分类

S：使合金产生热裂、热脆缺陷

P：使合金产生冷裂、冷脆缺陷

1）普通钢

2）优质钢

3）高级优质钢

3．按用途分

1）结构钢 （1）工程结构钢 （2）机械制造用钢

2）工具钢（1）碳素工具钢 （2）合金工具钢

3）特殊性能钢:弹簧钢、轴承钢、耐热钢、耐蚀钢等 。

4．按显微组织分

1）亚共析钢 2）共析钢 3）过共析钢

二、钢的编号及应用

1．结构钢

1）（普通）碳素结构钢(Wc0.06-0.38%)

碳素结构钢的钢号用屈服强度（MPa）表示。这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件。

Q195（0.06-0.12%C）、Q235（0.14-0.22%C）焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度

2）优质碳素结构钢

杂质P、S含量较低，主要用于制造各种较重要的机械零件。钢号用两位数字表示含碳量的万分之几。

45— 表示含碳量是万分之45（0.45%）

08、10、15 — 冲压件、焊接件。

15、20、25 — 渗碳淬火。

40、45、50 — 调质处理。制造齿轮、轴类零件。

60、65、70 — 淬火 中温回火，制造弹簧。

3）合金结构钢

合金元素在钢中的作用

合金钢是指为了改善钢的性能，在碳钢中特意加入某种合金元素的钢种。

合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（合金奥氏体、合金铁素体、合金马氏体）和碳化物（合金渗碳体、特殊化合物）。

合金元素改善钢的热处理工艺性能

1、细化奥氏体晶粒

2、提高淬透性

3、提高回火抗力

合金元素提高钢的使用性能

1、合金元素使钢强化（固溶强化、第二相强化、细晶强化）

2、合金元素使钢获得特殊性能

（1）形成稳定的单相组织

（2）形成致密氧化膜

（3）形成金属间化合物

3）合金结构钢

其钢号的表示方法为：两位数字 元素符号 数字。如：40Cr2Mo4V、60Si2Mn

① 低合金高强度结构钢

在低碳钢的基础上加入不超过5%合金元素，以Mn为主要合金因素。广泛用于建筑、石油、化工、铁道、桥梁、造船等工业部门。

牌号有Q295、Q345、Q460

② 机械结构用合金钢

用于制造各种机械零件的合金结构钢。又可分为：

合金渗碳钢：20Cr、20CrMnTi

主要生产：齿轮、内燃机凸轮轴

受力情况：受摩擦力、交变接触应力、冲击

性能要求：高的硬度和耐磨性、高的接触疲劳强度，心部要求有良好的韧性

热处理：渗碳热处理

合金调质钢：40Cr、40MnB

主要生产：机床主轴、汽车后桥半轴、曲轴等

受力情况：弯曲、扭转或交变载荷与冲击载荷复合作用

性能要求：高的强度、又要有较高的塑性和韧性

热处理： 淬火 高温回火

合金弹簧钢

主要生产：弹簧和其他弹性零件等

受力情况：传递力和缓和机械的振动与冲击

性能要求：高的弹性极限和屈服强度，较高的疲劳强度和足够的塑性和韧性

热处理：淬火 中温回火

③ 滚动轴承钢

滚动轴承的内、外套圈和滚珠、滚柱的专用钢种。如 GCr15等，含碳在0.95% - 1.1%，1.4-1.65%Cr。

受力情况：交变接触压应力及很大的摩擦力，还会受到大气、润滑油的侵蚀

性能要求：高的接触疲劳强度、高的弹性极限和高而均匀的硬度和适当的韧性

热处理：球化退火 淬火 低温回火

2．工具钢

工具钢是用于制造刃具、模具、量具的钢种。

工具的工作条件

（一）刃具

工作时强烈的摩擦，造成强烈的磨损，切削时刃部温度很高，刃口局部会受到很大的切削力，导致时刃崩缺；断续切削还会给刃具带来极大的冲击与振动，使刃具发生折断

（二）模具

由于金属坯料的剧烈变形，模具的型腔及刃口部分会受到强烈的摩擦和挤压，从而导致型腔壁的磨损、刃口钝化；模具工作时，还会受到冲击与热得作用，尤其是热作模具，在巨大的冲击载荷与周期性高温—急冷（因模具表面喷洒润滑剂）复合作用下，型腔表面会出现塌陷、沟槽、热疲劳裂纹，甚至断裂。

（三）量具

控制加工精度的测量工具。如卡尺、量规等。

在工作中，量具必须以极低的粗糙度与被测工件相接触以保障被测尺寸的精确。由于量具与被测工件长期反复接触，会导致工作面磨损、碰撞，甚至变形，使其失去原有的尺寸精度而不能继续使用。

各类工具虽然工作条件不一样，但大多数在工作中既要承受很大的局部压力和磨损，又要承受冲击、振动与热作用。

所以工具钢既要有高的硬度和耐磨性，又要有足够的韧性。

工具钢的含碳量在0.95—2.3%之间。

常加入的元素有Si、Mn、Cr、Mo、W、V等

1）碳素工具 含碳量为0.65-1.35% ，可制造低速切削的刀具和普通模具、量具。如T8、T12A等。

2）合金工具钢 其牌号表示方法是：一位数字（或无数字,含碳量>1%） 元素符号 数字。如：9SiCr、W18Cr4V等。

合金工具钢又可分为合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具钢。

① 合金刃具钢 制造各种刀具的钢材。含碳量为0.75-1.50%，9SiCr、W18Cr4V等。

② 合金模具钢 用于制造各种模具的钢材。如：Cr12MoV、5CrNiMo等。

③ 合金量具钢 生产中常用的量具，钢板尺、游标卡尺等。CrWMn、GCr15

3．特殊性能钢

1）不锈、耐蚀钢

性能要求：

主要是耐蚀性，高的强度，良好的加工性能（冷成形、焊接、热处理）

加入合金元素的目的：

提高基体的电极电位；Cr

使钢在室温呈单相组织；Cr、Ni

在钢的表面形成致密的氧化膜；Cr、Si、Al

形成稳定的碳化物和金属间化合物Ni、Nb、Ti

2）耐热钢

性能要求：高的热稳定性（高温抗氧化能力）；高的热强性（高的蠕变抗力和持久强度）。

加入合金元素的目的：

Ø固溶强化和形成单相组织并提高再结晶温度

Cr、Ni、W、Mo

形成弥散分布且稳定的碳化物 V、Ti、Nb

形成致密的氧化膜；Cr、Si、Al

① 不锈、耐蚀钢 具有较强抵抗腐蚀能力的钢。碳量低，加合金元素Cr、Ni。如1Cr18Ni9、0Ci19Ni9等。

② 耐热钢 良好的抗氧化性和热强性钢，如1Cr13、CR17等。

2）特殊物理性能钢

具有特殊磁、电、弹性、膨胀等物理性能的钢。

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