学习单元2 铁碳合金及常用金属 材料
第一节
铁碳合金的基本相
铁碳合金是以铁和碳为基本组元组成的合金， 是钢和铸铁的统称。
铁碳合金在固态下的基本相分为固溶体与金 属化合物两类。属于固溶体的基本相有铁素体和 奥氏体，属于金属化合物的基本相有渗碳体。
一、铁素体 ( F ) 碳溶入α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，用 “ F ”表示。其强度和硬度较低，塑性、韧性良好。
二、奥氏体 ( A ) 碳溶入γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，用 “A”表示。奥氏体具有良好的塑性和低的变形抗 力。
三、渗碳体 ( Fe3 C ) 铁与碳组成的金属化合物称为渗碳体，用 “Fe3C”表示。 1、渗碳体硬而脆，硬度很高、塑性几乎为零， 是铁碳合金的重要强化相；
2、渗碳体属于一种亚稳定化合物。在一定条件 下会全部或部分地分解为铁和石墨(称石墨化)，
(2)优质钢。 ωs ≤0.030％，ωp≤0.035％。
(3)高级优质钢。ωs≤0.020％，ωp≤0.030％。
(4)特级质量钢。ωs <0.015％，ωp<0.025％。
(三) 按用途分类 (1) 碳素结构钢。主要用于制造各种工程
构件 (桥梁、建筑构件等) 和机器零件 (齿轮、
轴等)。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。
(2) 碳素工具钢。主要用于制造各种刃具、
量具、模具等。这类钢一般属于高碳钢。
三、碳钢的牌号与应用 (一) 碳素结构钢 碳的质量分数一般在0.06％～ 0.38％范围 内，钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大 多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。
其牌号（表示方法）由代表屈服点的字母 Q、屈服点的数值、质量等级符号(A、B、C、 D)和脱氧方法符号(F、b、Z、TZ)组成。
K
727
Q 0.0218
Fe
0.77
2.11
4.3
Fe3C 6.69
简化的铁碳相图
(三)Fe—Fe3C相图中铁碳合金的分类
根据铁碳合金的碳的质量分数及组织的不 同，即相图中P点和E点，可将铁碳合金分为 三大类：工业纯铁、碳钢和白口铸铁。
1、工业纯铁 成分为P点左面 (ωc <0.0218％) 的铁碳合金，其 室温组织为铁素体。
3、白口铁
成分为E点右面 (ωc = 2.11％～6.69％) 的铁 碳合金，其特点是液态结晶时都发生共晶转变， 因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温组织 中性能硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力 加工。根据相图上的C点（共晶点），白口铸 铁又可分为以下三类：
(1) 共晶白口铸铁。成分为C点 (ωc = 4.3％) 的合 金，室温组织为低温莱氏体。
例如：Q235一AF表示碳素结构钢中屈服 强度为235MPa的A级沸腾钢。
(二) 优质ห้องสมุดไป่ตู้素结构钢
这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧 性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的 机械零件。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示， 数 字表示钢中平均碳质量分数，以万分之几来表 示。 如45等，表示其平均碳的质量分数为 0.45％。
(三) 碳素工具钢 碳素工具钢因含碳量比较高 (ωc = 0.65％～ 1.35％) ，硫、磷杂质含量较少，经淬火、低 温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较 低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具 和模具。
碳素工具钢的牌号由代号“T”(“碳”字汉语 拼音首字母)后加数字组成。
数字表示钢中平均碳质量分数，以千分之几表示。 如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8％的碳素工具 钢。 若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母 “A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2％的 高级优质碳素工具钢。
第二节
Fe — Fe3C相图
Fe—Fe3C 相图是表示在缓慢冷却 (加热 ) 条件下 (即平衡状态) 不同成分的钢和铸铁 在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形， 如下图所示。
A
1538
温度/℃
L+A
L
L+Fe3C
D C
1227
A
912
600
E
A+Fe3C+Ld
F 1148
G
F
F+A
P
S
P+Fe3C+Ld’
除Fe和C以外，还有其它元素：锰、硅、 硫、磷等。
二、碳钢的分类 (一) 按钢中碳的质量分数分类
(1) 低碳钢。ωc ≤0.25％。 (2) 中碳钢。0.25％ < ωc ≤0.60％。 (3) 高碳钢。ωc ≥ 0.6％。
(二) 按钢的冶金质量分类 根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为：
(1)普通质量钢。ωs≤0.050％，ωp≤0.045％。
(四) 铸造碳钢（铸钢） 铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的 首字母“ZG‘’后面加两组数字组成，第一组数 字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度 值。例如ZG270—500表示屈服强度为270MPa、
抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。
(五）合 金 钢 合金钢——为了改善钢的组织和性能， 在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而 制成的钢。 加入的元素称为合金元素。与碳钢相比， 合金钢的性能显著提高，应用日益广泛，但 价格高于碳钢。
(2) 亚共晶白口铸铁。成分为C点左面 (ωc = 2.11 ％～4.3％)的合金，室温组织为低温莱氏体 +珠 光体 + 二次渗碳体。 (3) 过共晶白口铸铁。成分为C点右面 (ωc = 4.3 ％～6.69％) 的合金，室温组织为低温莱氏体 +一 次渗碳体。
第三节
碳
素
钢
碳素钢(简称碳钢)是ωc <2.11％而且以碳 为主要合金元素的铁碳合金。
一、合金钢的分类 (一) 按用途分类 1、合金结构钢——用于制造各种机械零件 和工程结构的钢。 2、合金工具钢——用于制造各种工具的钢。 3、特殊性能钢——具有某种特殊物理或化 学性能的钢。主要包括不锈钢等。
2、碳钢 成分为相图中的P点与E点之间 (wc = 0.0218％～2.11％) 的铁碳合金。根据相图中S 点，碳钢又可分为以下三类：
(1) 共析钢。成分为S点 (wc = 0.77％) 的合金， 室温组织为珠光体。 (2) 亚共析钢。成分为S点左面 (wc = 0.0218 ％～0.77％) 的合金，室温组织为珠光体 + 铁 素体。 (3) 过共析钢。成分为S点右面(wc = 0.77 ％～2.11％)的合金，室温组织为珠光体 + 二次 渗碳体。