第3章鐵碳合金

1、 鐵碳合金鐵碳合金俗稱鋼鐵材料，是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)俗稱鋼鐵材料，是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的合金。用最廣泛的合金。 含碳量為含碳量為0.0218% 2.110.0218% 2.11的稱為鋼。的稱為鋼。 含碳量為含碳量為2.11% 6.69%2.11% 6.69%的稱為鑄鐵的稱為鑄鐵。第第3 3章章 鐵碳合金鐵碳合金3.1.1純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變:金屬在晶態(tài)時(shí)，晶格類型隨溫度改變的現(xiàn)象為金屬在晶態(tài)時(shí)，晶格類型隨溫度改變的現(xiàn)象為同素異晶轉(zhuǎn)變同素異晶轉(zhuǎn)變3.1 3.1 鐵碳合金基本相鐵碳合金基本相1394 C912 C體心立方體心立方面心立方面心立方體心立方體心立方 - Fe - Fe -

2、Fe 純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線13941538 液體液體10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線770不同晶格原子密排程度不同，同素異晶轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致金屬體積發(fā)生變化 1、鐵素體、鐵素體F 碳溶入體心立方晶格碳溶入體心立方晶格 -Fe-Fe中形中形成的間隙固溶體為鐵素體成的間隙固溶體為鐵素體, , 用符號(hào)用符號(hào)F F表表示。示。 鐵素體的間隙小溶碳能力很鐵素體的間隙小溶碳能力很低低,727,727時(shí)最大為時(shí)最大為0.0218%0.0218%，600600下下僅為僅為0.006%

3、0.006%。 鐵素體的力學(xué)性能性能與純鐵鐵素體的力學(xué)性能性能與純鐵相似。相似。即硬度低，塑性、韌性好。即硬度低，塑性、韌性好。 3.1.23.1.2鐵碳合金的三種基本相鐵碳合金的三種基本相鐵素體鐵素體 2、奧氏體奧氏體A A 碳溶入面心立方晶格碳溶入面心立方晶格-Fe-Fe中形成的固溶體稱奧氏體。中形成的固溶體稱奧氏體。用用A A表示。保持了面心立方晶表示。保持了面心立方晶格的晶體結(jié)構(gòu)。間隙大溶碳格的晶體結(jié)構(gòu)。間隙大溶碳能力比鐵素體大，能力比鐵素體大，11481148時(shí)時(shí)最大為最大為2.11%2.11%，727727時(shí)為時(shí)為0.77。 強(qiáng)度低，塑性、韌性好。強(qiáng)度低，塑性、韌性好。奧氏體奧氏體

4、 3 3、滲碳體、滲碳體FeFe3 3C C 鐵與炭形成具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的鐵與炭形成具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的金屬化合物為滲碳體。金屬化合物為滲碳體。 含碳含碳6.69%, 6.69%, 用用FeFe3 3C C表示。表示。 Fe Fe3 3C C硬度高、塑性、韌性幾乎為零。硬度高、塑性、韌性幾乎為零。 主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。 另外兩種混合物：珠光體P：鐵素體F+滲碳體FeFe3 3C C萊氏體Ld：奧氏體A+碳體FeFe3 3C C鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體3.2 3.2 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖簡(jiǎn)化后的Fe- Fe3C 狀態(tài)圖鐵碳合金

5、相圖是平衡條件下（加熱或冷卻過程均極其緩慢），表示鐵碳合金的成分、溫度和組織三者關(guān)系的圖形。只研究含碳量06.69，含碳量過大的合金無使用價(jià)值。3.2.1 Fe- Fe3.2.1 Fe- Fe3 3C C 相圖概述相圖概述Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖縱坐標(biāo)：溫度相圖縱坐標(biāo)：溫度 橫坐標(biāo)：成分橫坐標(biāo)：成分1、 Fe-Fe3CFe-Fe3C相圖相圖特性點(diǎn)符號(hào)符號(hào)T/T/C/% C/% 說明說明A A153815380 0純鐵的熔點(diǎn)純鐵的熔點(diǎn)C C114811484.34.3共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)(Lc Ld(A(Lc Ld(AE E+FeC+FeC）D D122712276.696.69滲碳體的熔點(diǎn)滲碳

6、體的熔點(diǎn)E E114811482.112.11碳在碳在A A中的最大溶解度，鋼與鐵的分界點(diǎn)中的最大溶解度，鋼與鐵的分界點(diǎn)F F114811486.696.69滲碳體的成分滲碳體的成分G G9129120 0純鐵純鐵-Fe-Fe和和-Fe-Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度K K7277276.696.69滲碳體的成分滲碳體的成分P P7277270.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析點(diǎn)共析點(diǎn)As P(Fp+Fe3C)As P(Fp+Fe3C)Q Q6000.0060.006碳在碳在-Fe-Fe的溶解度的溶解度 2、特

7、性線、特性線 ACD 液相線，線上均為液態(tài)液相線，線上均為液態(tài)L AECF固相線，又稱固相線，又稱A4線。此線以下均為固態(tài)。線。此線以下均為固態(tài)。 AE-此線以下為單相奧氏體。此線以下為單相奧氏體。 ECF 共晶線共晶線 液相液相LC（AE+Fe3C）共晶產(chǎn)物共晶產(chǎn)物稱作稱作萊氏萊氏體體，用，用Ld表示；表示； AA+Fe3C奧氏體冷卻過程中析出二次滲碳體。奧氏體冷卻過程中析出二次滲碳體。 ES 碳在碳在A中的固溶線，又稱中的固溶線，又稱Acm線。隨溫度降低奧氏體溶碳線。隨溫度降低奧氏體溶碳量降低量降低2.11%0.77%，析出二次滲碳體，析出二次滲碳體 GSA與與F固溶體轉(zhuǎn)變線固溶體轉(zhuǎn)變線,

8、 GS又稱又稱A3線。線。 PSK 共析線共析線 AS（FP+ Fe3C）共析產(chǎn)物共析產(chǎn)物稱作稱作珠光體珠光體，用，用P表示。表示。 PQ 碳在碳在F中的固溶線。中的固溶線。3 3、兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變：、兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變： （1 1）共析轉(zhuǎn)變）共析轉(zhuǎn)變 鐵碳合金中奧氏體慢冷至鐵碳合金中奧氏體慢冷至727727溫度的溫度的S S點(diǎn)時(shí)，發(fā)點(diǎn)時(shí)，發(fā)生恒溫共析轉(zhuǎn)變，即奧氏體（生恒溫共析轉(zhuǎn)變，即奧氏體（W WC C=0.77%=0.77%）同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F）同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體素體F F（W WC C=0.0218%=0.0218%）和滲碳體）和滲碳體Fe3CFe3C（W WC C=6.69%=6.69%），其轉(zhuǎn)），其轉(zhuǎn)

9、變式為：變式為： )(3)727(1CFFPAPCAS (2(2）共晶轉(zhuǎn)變）共晶轉(zhuǎn)變 鐵碳合金慢冷至鐵碳合金慢冷至11481148溫度的溫度的C C點(diǎn)時(shí)，發(fā)生恒溫共晶轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，發(fā)生恒溫共晶轉(zhuǎn)變，即液相鐵碳合金（變，即液相鐵碳合金（W WC C=4.3%=4.3%）同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體）同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體A AE E（W WC C=2.11%=2.11%）和滲碳體）和滲碳體Fe3CFe3C（W WC C=6.69%=6.69%），其轉(zhuǎn)變式為），其轉(zhuǎn)變式為: :)(31148CFALdLECC 珠光體珠光體 P萊氏體萊氏體Ld4.鐵碳鐵碳Fe-C 合金分類合金分類工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 C % 0.0218 %

10、 C % 0.0218 %鋼鋼 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 %亞共析鋼亞共析鋼 WcWc 0.77 %0.77 %共析鋼共析鋼 WcWc 0.77 % 0.77 % 過共析鋼過共析鋼 WcWc 0.77 %0.77 %白口鑄鐵白口鑄鐵 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 %6.69 %亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 WcWc 4.3 % 4.3 % 共晶白口鐵共晶白口鐵 WcWc 4.3 % 4.3 % 過共晶白口鐵過共晶白口鐵 WcWc 4.3 %4.3 %幾種幾種常見常見碳鋼碳鋼3.2.2 3.2.2 典型典型鐵碳合金的結(jié)晶與組織轉(zhuǎn)

11、變分析鐵碳合金的結(jié)晶與組織轉(zhuǎn)變分析1.碳鋼的結(jié)晶與組織轉(zhuǎn)變碳鋼的結(jié)晶與組織轉(zhuǎn)變分析分析(1).(1).共析鋼的組織轉(zhuǎn)變共析鋼的組織轉(zhuǎn)變過程過程合金為共析鋼，自液相1點(diǎn)冷卻至2點(diǎn)間結(jié)晶出奧氏體A,冷卻到S點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A生成珠光體P。 ASFP+Fe3C珠光體在光鏡下呈片狀。強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C 和 F 之間。過程：過程：合金合金 L+A L+A A AP P（2)2)亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變過程過程 亞共析鋼冷卻在 4 點(diǎn)以前通過勻晶結(jié)晶全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體A。到4點(diǎn)，由A 中析出鐵素體F 。繼續(xù)冷卻鐵素體增多到5點(diǎn)，A成分沿GS線變到S點(diǎn)，剩余A發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光

12、體。 亞共析鋼的室溫組織為F+P。在0.02180.77%C 范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加，而鐵素體的量相應(yīng)減少。過程：過程：合金合金 L+AL+AA A A+FA+FP+FP+F(3)(3)過共析鋼結(jié)晶過程過共析鋼結(jié)晶過程 合金在12點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)锳，沿ES線冷卻到3點(diǎn)，A開始析出Fe3C，并沿晶界呈網(wǎng)狀分布。繼續(xù)冷卻到4點(diǎn)A1溫度時(shí)不斷增加Fe3C，A成分沿ES線變化到S點(diǎn)成分，剩余A共析轉(zhuǎn)變?yōu)镻。 過共析鋼室溫組織為P+Fe3C，F(xiàn)e3C量隨含碳量而增加。過程：過程：合金合金 L+AL+AA A A+A+Fe3CP+P+Fe3C2.2.白口鑄鐵結(jié)晶過程白口鑄鐵結(jié)晶過程 1) 1)共晶白口

13、鑄鐵共晶白口鑄鐵： 液態(tài)合金冷卻至C點(diǎn)1148-共晶結(jié)晶萊氏體Ld(A+共晶共晶Fe3C）冷卻至727-A沿ES線變化析出Fe3C，A共析生成P，還有 共晶共晶Fe3C 合金合金 11481148 LdLd（共晶共晶Fe3C+A）727LdLd（共晶共晶Fe3C+P+P+Fe3C） Ld-Ld-萊氏體萊氏體LdLd-低溫低溫萊萊氏體氏體 2) 2)亞共晶白口鑄鐵：亞共晶白口鑄鐵：液態(tài)合金轉(zhuǎn)變與上述相同，只是共晶線以上生成的部分奧氏體A不斷析出Fe3C，最后剩余的A轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏wP室溫組織：P+Fe3C+Ld P+Fe3C+Ld 3)3)過共晶白口鑄鐵：過共晶白口鑄鐵：多出了最先結(jié)晶出的條狀初次滲

14、碳體室溫組織：Fe3CFe3C+Ld+Ld三種在組織性能：均為硬而脆。1.1.碳鋼合金的成分與平衡組織、力學(xué)性能的關(guān)系碳鋼合金的成分與平衡組織、力學(xué)性能的關(guān)系（1 1）碳鋼的組織組成物的性能特點(diǎn)）碳鋼的組織組成物的性能特點(diǎn)平衡組織：鐵素體、珠光體和滲碳體性能關(guān)系見表3.3 表3.3鐵素體、珠光體和滲碳體的主要力學(xué)性能3.2.33.2.3碳鋼的性能及合金相圖的應(yīng)用碳鋼的性能及合金相圖的應(yīng)用組成物組成物b/MPaHBSx100k/J.cm2鐵素體1502308040200珠光體80021010201020滲碳體80000b抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率k沖擊韌性HBS布氏硬度 亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)硬度升高，塑韌性降低。 過共析鋼組織中有珠光體二次滲碳體含碳量為1.0%時(shí),組織大部分