铁碳合金教学课件

铁碳合金教学课件第一章铁碳合金基础知识铁碳合金是现代工业的基础材料，包括各种类型的钢和铸铁本章将介绍铁的基本性质、化学特性以及铁碳合金的基础知识，为后续学习奠定基础0102铁的基本性质化学反应特性铁的基本性质物理性质•银白色金属，具有金属光泽•密度为

7.86g/cm³，属于重金属•熔点1535℃，沸点2750℃•良好的导电性、导热性和延展性•铁是铁磁性元素，能被磁铁吸引自然存在形式•自然界中铁主要以化合态存在•常见矿物赤铁矿（Fe₂O₃）•黄铁矿（FeS₂）•磁铁矿（Fe₃O₄）纯铁样品，展示其银白色金属光泽铁的化合价与常见化合物铁的主要化合价常见铁化合物铁主要有+2价和+3价两种状态•氧化铁（Fe₂O₃）赤褐色，用于颜料和抛光剂•二价铁（Fe²⁺）浅绿色，较不稳定，易被氧化•氢氧化铁（FeOH₃）红褐色胶状沉淀•三价铁（Fe³⁺）黄褐色，较稳定•铁碳化物（Fe₃C）渗碳体，硬质相•硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）浅绿色晶体Fe³⁺的检验方法加入硫氰化钾（KSCN）溶液Fe³⁺+SCN⁻→[FeSCN]²⁺生成血红色络合物，是Fe³⁺的特征反应铁的化学反应特性与非金属单质反应置换反应•与氯气反应2Fe+3Cl₂→2FeCl₃活泼金属置换出不活泼金属•与氧气反应3Fe+2O₂→Fe₃O₄Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu•与硫反应Fe+S→FeS与酸反应•与稀酸反应产生氢气Fe+2H⁺→Fe²⁺+H₂↑•与浓硫酸Fe+2H₂SO₄浓→FeSO₄+SO₂↑+2H₂O•与浓硝酸钝化铁表面形成致密氧化层高炉炼铁工艺原料准备铁矿石（Fe₂O₃）、焦炭（C）和石灰石（CaCO₃）通过上料系统进入高炉顶部还原反应碳在高温下氧化生成CO，CO作为还原剂将铁从氧化物中还原出来Fe₂O₃+3CO→2Fe+3CO₂生铁形成还原出的铁与碳结合形成含碳4-5%的生铁，熔融状态流入铁水罐第二章铁碳相图与显微组织铁碳相图是理解铁碳合金组织和性能的基础本章将详细介绍铁碳合金的分类、铁碳相图的关键点以及各种微观组织的形成与性质，帮助学生建立微观结构与宏观性能的联系铁碳合金的组成分类铸铁•含碳量

2.14%~

6.7%•含碳量高，硬度大钢•脆性较大，不易锻造•含碳量

0.008%~

2.14%•通常含有较多硅等元素•主要是铁和碳的合金工业纯铁•具有良好的塑性和韧性•可热处理强化•含碳量

0.008%•软而有韧性•导电性、导热性好•强度低，易加工铁碳相图关键点123共析点共晶点包晶点•碳含量

0.76%•碳含量

4.3%•碳含量

0.51%•温度727℃•温度1147℃•温度1495℃•相变γ奥氏体→α铁素体+•相变液态→γ奥氏体+Fe₃C渗碳•相变液态+δ-铁→γ-铁Fe₃C渗碳体体•对钢的性能影响较小•形成珠光体组织•形成莱氏体组织这些关键点代表了铁碳合金在不同温度和成分下的平衡状态，是理解铁碳合金组织演变的基础根据相图可以预测各种铁碳合金的微观组织和性能特点铁的三种晶体结构及其稳定温度范围α-铁（铁素体）γ-铁（奥氏体）•体心立方结构（BCC）•面心立方结构（FCC）•室温~912℃稳定•912℃~1394℃稳定•具有铁磁性（768℃）•非磁性•最大溶碳量仅

0.022%•最大溶碳量

2.14%•软而有韧性•塑性好，可固溶大量碳δ-铁•体心立方结构（BCC）•1394℃~1535℃稳定•非磁性•最大溶碳量

0.09%•高温存在，实际应用少₃（渗碳体）结构与性质Fe C结构特点•正交晶系，复杂的晶体结构•碳含量高达

6.67%（质量分数）•碳原子占据铁原子之间的间隙位置•铁原子和碳原子排列有序性能特点•硬度高（约800HV），远高于纯铁•极为脆硬，几乎没有塑性•熔点约1250℃•是铁碳合金中重要的强化相•在钢中形成片状或球状分布渗碳体（Fe₃C）的晶体结构模型，展示了铁原子和碳原子的空间排布珠光体的显微结构珠光体的形成当含碳

0.76%的奥氏体冷却至727℃以下时，发生共析转变γ奥氏体→α铁素体+Fe₃C渗碳体•铁素体与渗碳体交替生长•形成特征性的层片状结构•层间距决定珠光体的性能性能特点•硬度约220HB，介于铁素体与渗碳体之间•综合了铁素体的韧性和渗碳体的硬度•是中碳钢中最常见的组织铁碳相图详解相区标识重要转变线相图应用•A区α+Fe₃C（铁素体+渗碳体）•A₁（PSK线，727℃）共析转变•预测平衡状态下的组织构成•G区γ（奥氏体）•A₃（GS线）γ→α+γ转变起始•确定热处理温度范围•D区δ（δ-铁）•A₃₂（SE线）γ→γ+Fe₃C转变起始•计算相比例和组分含量•L区液相•Acm（ES线）γ→γ+Fe₃C转变终止•指导合金设计和工艺优化•C区γ+Fe₃C（奥氏体+渗碳体）奥氏体与马氏体转变奥氏体特性•面心立方结构（FCC），原子排列紧密•可溶解大量碳原子（最高

2.14%）•高温稳定相，912℃~1394℃•非磁性，塑性和韧性优良•在合金元素（如Ni、Mn）作用下可在室温稳定存在马氏体转变•无扩散剪切型相变，发生极快•碳原子被困在晶格中，造成畸变•形成体心四方（BCT）结构•硬度极高（可达65HRC），但脆性大左奥氏体多边形晶粒；右马氏体针状或板条状结构•是钢淬火硬化的关键组织铁碳合金的微观组织演变液态铁碳合金高温下铁和碳完全溶解，形成均匀液态奥氏体（γ相）冷却至固相线以下，形成面心立方结构的奥氏体，碳原子溶于间隙相变转化根据碳含量不同，进一步冷却时奥氏体发生不同转变•欠共析钢（

0.76%C）先析出初生铁素体，剩余奥氏体转变为珠光体•共析钢（

0.76%C）直接转变为珠光体•过共析钢（

0.76%C）先析出次生渗碳体，剩余奥氏体转变为珠光体最终组织常温下的平衡组织为铁素体和渗碳体的混合物，比例随碳含量变化材料性能与显微组织的关系碳含量对性能的影响各相组织对性能的贡献铁素体（α相）软而有韧性，提供良好的塑性变形能力和冲击韧性渗碳体（Fe₃C）硬而脆，提高材料的硬度和耐磨性，但降低韧性珠光体碳含量%硬度HB延伸率%兼具一定强度和韧性的复合组织，性能平衡马氏体高硬度、高强度，但韧性差，需回火改善综合性能第三章铁碳合金的应用与热处理铁碳合金通过不同的成分设计和热处理工艺，可以获得多种性能组合，满足各种工业应用需求本章将介绍碳素钢和铸铁的分类及应用，以及通过热处理调控材料性能的方法碳素钢分类及应用低碳钢

0.25%C中碳钢

0.25%-

0.65%C高碳钢

0.6%-

1.0%C•主要组织铁素体+少量珠光体•主要组织铁素体+珠光体•主要组织珠光体+少量渗碳体•特点塑性好，韧性高，易加工•特点强度和韧性平衡•特点硬度高，耐磨性好•强度较低，硬度150HB•硬度150-230HB•韧性较差，硬度230HB•应用建筑用钢筋、汽车车身•应用机械零件、轴类、齿轮•应用刀具、弹簧、量具•代表钢种Q

235、08Al、SPCC•代表钢种45钢、40Cr、SCM440•代表钢种T

8、60Si2Mn、SK5合金钢与高合金钢主要合金元素及其作用不锈钢锰Mn提高强度和硬度，改善淬透性，脱氧和固硫应用高强度结构钢，耐磨钢铬Cr提高硬度、强度和耐磨性，提高耐腐蚀性，改善淬透性应用不锈钢，轴承钢，工具钢镍Ni提高韧性和塑性，改善低温性能，稳定奥氏体应用不锈钢，低温钢钼Mo提高高温强度，防止回火脆性，细化晶粒应用高温钢，工具钢•含铬≥12%，形成钝化膜•耐腐蚀性强•主要类型•铁素体不锈钢

（430）•奥氏体不锈钢（

304、316）•马氏体不锈钢

（420）铸铁的特点与用途灰铸铁球墨铸铁•含碳量

3.0%-

3.7%•含碳量

3.2%-

3.8%•石墨呈片状分布•石墨呈球状分布•特点减震性好，切削性好•特点强度高，韧性好•导热性好，价格低廉•综合性能接近钢•应用发动机缸体、底座、管道•应用曲轴、齿轮、阀门白铸铁•含碳量

2.5%-

3.5%•碳以渗碳体形式存在•特点硬度极高，耐磨性好•脆性大，难加工•应用破碎机锤头、磨球铸铁中石墨的形态和分布对材料性能有决定性影响通过控制成分和冷却速度，可调控石墨形态，获得不同性能的铸铁钢的热处理工艺1退火加热至临界温度以上，保温后缓慢冷却•目的降低硬度，提高塑性，消除内应力•组织铁素体+珠光体•应用机械加工前的预处理2正火加热至Ac3以上，保温后空冷•目的细化晶粒，均匀组织，改善切削性能•组织索氏体或细珠光体•应用大型铸锻件，中碳钢的预处理3淬火加热至临界温度以上，保温后快速冷却（水、油、盐浴）•目的获得高硬度和高强度•组织马氏体•应用刀具、模具、轴承等高硬度零件4回火淬火后再加热至临界温度以下（150℃-650℃），保温后冷却•目的降低脆性，调整强韧性配合，消除内应力•组织回火马氏体或回火屈氏体•应用各种淬火后的调质处理表面硬化技术及应用感应加热表面淬火•原理利用高频电流快速加热表面•特点硬化层深度可控，变形小•应用齿轮、轴类、导轨•硬化层深度

0.8-3mm渗碳•原理低碳钢在高温碳势环境中吸收碳•特点表面高碳，心部韧性好•应用齿轮、凸轮、轴承感应加热表面淬火设备工作场景•硬化层深度

0.5-

2.0mm氮化•原理钢表面吸收氮形成硬质氮化物•特点高硬度，高耐磨性，耐蚀性好•应用模具、精密零件•硬化层深度

0.2-

0.6mm表面硬化技术通过提高零件表面硬度，同时保持心部韧性，显著提高零件的疲劳强度和耐磨性，延长使用寿命热处理设备与显微组织变化热处理设备显微组织演变•电阻炉温度均匀稳定，用于退火、正火01•井式炉适合长形零件热处理原始状态•盐浴炉热传导快，温度均匀，适合等温淬火多为铁素体+珠光体混合组织•真空炉防止氧化，适合高合金钢和特殊钢•感应加热设备加热速度快，节能，适合局部02加热奥氏体化加热至临界温度以上，形成均匀奥氏体03冷却转变根据冷却速度形成不同组织珠光体、贝氏体或马氏体04回火演变马氏体分解为回火马氏体，析出细小碳化物铁碳合金的现代工业应用案例汽车制造中的高强度钢板建筑结构用钢的安全性提升刀具行业的高碳钢应用现代汽车广泛采用先进高强度钢现代高层建筑和桥梁采用高强度低合金高碳工具钢如W18Cr4V、9CrWMn等，（AHSS），如双相钢（DP钢）、相变钢（HSLA），如Q

345、Q420等通过通过合理热处理工艺，获得高硬度（60-诱导塑性钢（TRIP钢）等这些钢种强微合金化（添加Nb、V、Ti）提高强度65HRC）和良好耐磨性现代刀具还采度可达600-1500MPa，同时保持良好成和韧性，特别是改善抗震性能用表面涂层技术，如TiN、TiAlN等，进形性一步提高耐磨性和使用寿命应用超高层建筑、大跨度桥梁、抗震应用车身结构件、安全件，实现轻量结构，提高结构安全可靠性应用切削工具、模具、冷作工具，大化同时提高碰撞安全性减重15-25%，幅提高生产效率提高燃油经济性铁碳合金的环保与回收利用废钢回收与循环利用•钢铁是回收率最高的工业材料，可达98%•废钢回收流程收集→分选→破碎→冶炼•每回收1吨废钢可节约•

1.4吨铁矿石•

0.7吨煤•减少86%水污染•减少76%空气污染•中国年废钢回收量超过2亿吨，但回收率仍有提升空间绿色炼钢技术•氢基直接还原（H-DRI）用氢气代替碳作还原剂•电弧炉（EAF）以废钢为原料，能耗低，污染少•近净成形技术减少机加工废料产生工业废建筑废汽车废家电废其他钢钢钢钢•中国碳达峰、碳中和背景下钢铁行业绿色转型课堂实验设计建议123铁粉与氧气反应观察铁与稀盐酸反应实验显微镜下珠光体观察•实验目的观察铁的氧化反应•实验目的观察铁与酸的反应•实验目的了解钢的微观组织•实验材料铁粉、氧气发生装置、燃烧匙•实验材料铁钉、稀盐酸、试管•实验材料45钢试样、金相显微镜、研磨抛光设备、腐蚀液•实验步骤•实验步骤•实验步骤

1.取少量铁粉于燃烧匙中

1.将铁钉放入试管

1.试样研磨抛光

2.用酒精灯加热至红热

2.加入适量稀盐酸

3.迅速插入盛有氧气的集气瓶中

3.观察反应现象

2.4%硝酸酒精溶液腐蚀20秒

3.显微镜观察记录•观察现象铁粉在氧气中剧烈燃烧，发出明亮•观察现象生成氢气气泡，溶液逐渐变为浅绿的火花色•观察重点珠光体的层片状结构，铁素体与渗碳体的分布•化学方程式3Fe+2O₂→Fe₃O₄•化学方程式Fe+2HCl→FeCl₂+H₂↑学习总结关键知识点回顾铁碳合金的组成与结构理解铁的晶体结构（α、γ、δ）及碳在铁中的存在形式，掌握铁碳相图的关键点和相区微观组织与性能关系铁素体、渗碳体、奥氏体、珠光体等基本组织对材料性能的影响，组织与性能密切相关热处理原理与工艺热处理是调控铁碳合金性能的关键技术，通过控制加热和冷却过程改变微观组织学习方法建议结合实验观察、显微组织分析和工业应用案例，加深对理论知识的理能力培养目标解和应用能力•掌握铁碳合金的基本知识和理论•理解材料组织结构与性能的关系•具备选择合适材料的能力•了解热处理工艺对性能的影响•认识铁碳合金在现代工业中的重要地位复习与思考题为什么铁的不同晶体结构溶碳能力不马氏体的形成条件及其性能特点？同？马氏体形成条件奥氏体快速冷却（淬火），冷却这与晶体结构中的间隙大小有关γ-铁为FCC结速度必须大于临界冷却速度，抑制碳原子扩散，形构，八面体间隙较大，可容纳更多碳原子，最高可成过饱和固溶体达

2.14%；而α-铁和δ-铁为BCC结构，间隙较小，性能特点硬度极高（可达65HRC），强度大，溶碳能力有限但韧性差，脆性大，内应力高具有针状或板条状此外，碳原子嵌入晶格会导致晶格畸变，FCC结构组织，为体心四方（BCT）结构的畸变能较小，因此溶碳能力更强合金元素如何影响钢的性能？合金元素通过多种机制影响钢的性能•固溶强化合金元素溶入铁素体，提高强度•碳化物形成形成稳定碳化物，提高硬度和耐磨性•改变相变温度如Ni降低相变点，Cr提高相变点•影响淬透性如Mn、Cr、Mo提高淬透性•特殊性能如Cr提高耐腐蚀性，Ni提高韧性参考资料教材与专著在线学习资源•《人教版化学必修第一册》铁及其化合物章节•哔哩哔哩材料科学与工程系列视频•《材料科学与工程导论》William D.Callister著•中国大学MOOC金属材料学课程•《钢铁材料学》崔忠圻主编，冶金工业出版社•科学网材料科学频道•《热处理原理与工艺》徐祖耀主编，机械工业出版社•DoITPoMS Universityof Cambridge•《金相学与热处理》李魁盛主编，机械工业出版社学术资源•NPTEL IITKharagpur铁碳系统课程讲义•中国钢铁工业协会技术资料库•ASM HandbookVolume1:Properties andSelection:Irons,Steels,and High-Performance Alloys•Material Scienceand Engineering:An Introduction10th Edition谢谢聆听！欢迎提问与讨论基础知识实验探究铁的性质与化学反应铁的化学反应实验铁碳相图关键点微观组织观察组织与性能关系热处理实验发展趋势工业应用新型高性能钢各类钢种选择绿色冶金技术热处理工艺设计回收再利用现代工业案例。