船舶工程材料第四章鐵碳合金

1、第四章第四章 鐵碳合金鐵碳合金2 鋼鋼和鑄鐵鑄鐵都是鐵碳合金（普通碳素鋼和普通鑄鐵）或是在鐵碳合金的基礎(chǔ)上加入合金元素的合金（合金鋼和合金鑄鐵）。 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖反應(yīng)了平衡條件下鐵碳合金的成分成分、溫度、和組織溫度、和組織之間的關(guān)系。 為什么是“Fe- Fe3C”相圖，而不是“Fe-C”相圖？ Fe- Fe3C的組元：純鐵、滲碳體。它們的特性是什么？ 引引 言言3 第一節(jié)第一節(jié) 鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 純鐵是鐵碳合金的組元之一，工業(yè)純鐵的純度為純鐵是鐵碳合金的組元之一，工業(yè)純鐵的純度為99.8%99.9%，其性能塑性好，強(qiáng)度、硬度低，只能利用，其性能塑性好，強(qiáng)度、硬度低

2、，只能利用它的磁性制造儀器儀表中的鐵芯。鐵是過(guò)渡族元素，熔點(diǎn)它的磁性制造儀器儀表中的鐵芯。鐵是過(guò)渡族元素，熔點(diǎn)為為1538，密度為，密度為7.87gcm3。 固態(tài)純鐵具有二種晶格：固態(tài)純鐵具有二種晶格：912以下和以下和13941538之間的體心立方晶格的之間的體心立方晶格的-Fe和和-Fe，912一1394 之間的面心立方晶格的-Fe。 鐵碳合金組織中組成物：鐵素體、奧氏體、珠光體、萊氏鐵素體、奧氏體、珠光體、萊氏體、滲碳體。體、滲碳體。4一、鐵素體一、鐵素體 碳溶于碳溶于- -FeFe中的間隙固溶體稱(chēng)為鐵素體（又稱(chēng)固溶中的間隙固溶體稱(chēng)為鐵素體（又稱(chēng)固溶體）。用符號(hào)體）。用符號(hào)F F或或表示

3、。它仍保持表示。它仍保持- -FeFe的的體心體心立方晶格立方晶格: : （1)1)- -FeFe中碳的溶解度很小，在室溫時(shí)僅為中碳的溶解度很小，在室溫時(shí)僅為0.0008%0.0008%，727727CC時(shí)達(dá)到最大為時(shí)達(dá)到最大為0.0218%0.0218%; ; (2) (2) 性能與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度和性能與純鐵相似，具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度和硬度較低；硬度較低； (3) (3)組織為均勻明亮的多邊形晶粒。組織為均勻明亮的多邊形晶粒。5鐵素體鐵素體- -FeFe的顯微組織如圖所示的顯微組織如圖所示6二、奧氏體二、奧氏體A 碳溶于碳溶于- -FeFe中形成的間隙固溶體稱(chēng)奧氏

4、體，又稱(chēng)固溶體，中形成的間隙固溶體稱(chēng)奧氏體，又稱(chēng)固溶體，用符號(hào)用符號(hào)A A或或表示。奧氏體仍保持表示。奧氏體仍保持-Fe-Fe鐵的面心立方晶格：鐵的面心立方晶格： （1 1）在）在727727CC時(shí)的溶解度為時(shí)的溶解度為0.77%0.77%，在，在11481148CC時(shí)達(dá)最大為時(shí)達(dá)最大為2.11%2.11%； （2 2）奧氏體存在于奧氏體存在于727727CC以上的高溫，具有很好的塑性，以上的高溫，具有很好的塑性，適于鍛造，絕大多數(shù)鋼材鍛造前都要加熱到奧氏體狀態(tài)。強(qiáng)適于鍛造，絕大多數(shù)鋼材鍛造前都要加熱到奧氏體狀態(tài)。強(qiáng)度和硬度不高。度和硬度不高。 7奧氏體奧氏體- -FeFe的顯微組織如圖所示的

5、顯微組織如圖所示8三、滲碳體三、滲碳體Fe3C 鐵碳合金中鐵碳合金中多余的碳與鐵按一定比例化合成金屬化合物，多余的碳與鐵按一定比例化合成金屬化合物，稱(chēng)為滲碳體，用分子式稱(chēng)為滲碳體，用分子式FeFe3 3C C表示表示： （1 1）含碳量為含碳量為6 669%69%，具有復(fù)雜斜方晶格，具有復(fù)雜斜方晶格； （2 2）具有金屬特性具有金屬特性( (有金屬光澤和導(dǎo)電性等有金屬光澤和導(dǎo)電性等) )，熔點(diǎn)高，熔點(diǎn)高(1227)(1227)，硬度高，脆性大，強(qiáng)度低，不能單獨(dú)使用，硬度高，脆性大，強(qiáng)度低，不能單獨(dú)使用 ； （3 3）有）有粗大片狀、沿晶界呈網(wǎng)狀粗大片狀、沿晶界呈網(wǎng)狀或或細(xì)小片狀或粒狀細(xì)小片狀或

6、粒狀形態(tài)；形態(tài)； （4 4）亞穩(wěn)定組織，一定條件亞穩(wěn)定組織，一定條件下發(fā)生：下發(fā)生：33Fe CFeC 9四、珠光體四、珠光體P 珠光體是共析產(chǎn)物，是在珠光體是共析產(chǎn)物，是在727727CC含碳量為含碳量為0.77%0.77%的奧氏的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所生成的體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所生成的鐵素體鐵素體和和滲碳體滲碳體的機(jī)械混合物，的機(jī)械混合物，用符號(hào)用符號(hào)P P表示表示： （1 1）在低倍顯微鏡下呈片狀或暗黑色，在高倍放大下，在低倍顯微鏡下呈片狀或暗黑色，在高倍放大下，為在鐵素體基體上分布層片狀滲碳體為在鐵素體基體上分布層片狀滲碳體； （2 2）強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度在鐵素體和滲碳體之強(qiáng)度較高，塑

7、性、韌性和硬度在鐵素體和滲碳體之間間。10珠光體珠光體P的顯微組織如圖所示的顯微組織如圖所示11五、萊氏體五、萊氏體 萊氏體是碳萊氏體是碳c c=4.3%=4.3%的液態(tài)鐵碳合金在的液態(tài)鐵碳合金在1148C1148C時(shí)發(fā)生的共時(shí)發(fā)生的共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，是奧氏體奧氏體和和滲碳體滲碳體的機(jī)械混合物，的機(jī)械混合物，用用L Ld d表示，表示，也叫高溫萊氏體：也叫高溫萊氏體： （1 1）在）在1148C1148C存在時(shí)存在時(shí)滲碳體基體滲碳體基體上分布著上分布著短棒狀或粒狀短棒狀或粒狀?yuàn)W氏體奧氏體，組織細(xì)密，性能硬、脆，稱(chēng)為高溫萊氏體；室溫下，組織細(xì)密，性能硬、脆，稱(chēng)為高溫萊氏體；室溫下，其為

8、滲碳體基體上分布著其為滲碳體基體上分布著珠光體珠光體，稱(chēng)為，稱(chēng)為低溫萊氏體或變態(tài)萊低溫萊氏體或變態(tài)萊氏體，用符號(hào)氏體，用符號(hào)LLd d表示表示。 （2 2）萊氏體硬而脆，是白口鑄鐵的基本組織。）萊氏體硬而脆，是白口鑄鐵的基本組織。12 在鐵碳合金五種基本組織中，在鐵碳合金五種基本組織中，F(xiàn) F、A A、FeFe3 3C C都是都是單相單相組織，是基本相；而組織，是基本相；而P P、L Ld d是是由基本相組成的由基本相組成的二相二相組織。組織。 小 結(jié)13第二節(jié)第二節(jié) Fe-Fe3C（鐵碳合金）相圖分析（鐵碳合金）相圖分析 相圖建立是通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的。Fe-Fe3C相圖（一定要默記、（一定要默記

9、、 默畫(huà)）默畫(huà)）14PSECGQAFKD0.0008FAA+FL+ALL+Fe3CA+Fe3CII727C1148C碳鋼鑄鐵0.02180.772.114.36.69F+Fe3C C（%）簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖FeFe3C溫度15一、一、 Fe-Fe3C相圖中的特性點(diǎn)及其意義相圖中的特性點(diǎn)及其意義A純鐵的熔點(diǎn)純鐵的熔點(diǎn)(1538，c=0%)；D滲碳體的熔點(diǎn)滲碳體的熔點(diǎn)(理論計(jì)算值理論計(jì)算值1227， c=6.69%)；C共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)(1148， c=4.3)；E溫度為溫度為1148， c=2.11，表示碳在，表示碳在-Fe中的最大溶解中的最大溶解度；度；G純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，在純鐵的同素異

10、構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，在912時(shí)，時(shí)，-Fe -Fe；S共析點(diǎn)。共析點(diǎn)。溫度為溫度為727， c=0.77，在該溫度時(shí)，奧氏在該溫度時(shí)，奧氏體同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，即珠光體。這體同時(shí)析出鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，即珠光體。這一過(guò)程即共析反應(yīng)一過(guò)程即共析反應(yīng).16二、二、Fe-Fe3C相圖中主要特性線及其意義相圖中主要特性線及其意義 在簡(jiǎn)化的在簡(jiǎn)化的Fe-Fe3C相圖中有相圖中有六條重要的特性線：六條重要的特性線：1）共晶轉(zhuǎn)變線共晶轉(zhuǎn)變線，即，即ECF水平線水平線（1148），液態(tài)合金冷卻到該線），液態(tài)合金冷卻到該線時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，產(chǎn)生萊氏體時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，產(chǎn)生萊氏體Ld。2）共析轉(zhuǎn)變線，共

11、析轉(zhuǎn)變線，即即PSK水平線，又稱(chēng)水平線，又稱(chēng)A1線線（727），產(chǎn)生珠光），產(chǎn)生珠光體體P。3）ES固溶線固溶線，即碳在奧氏體中的溶解度曲線，即碳在奧氏體中的溶解度曲線，又稱(chēng)又稱(chēng)Acm線。線。4）PQ固溶線固溶線，即碳在鐵素體中的溶解度曲線。，即碳在鐵素體中的溶解度曲線。5）GS線，線，又稱(chēng)又稱(chēng)A3線線，是冷卻時(shí)高溫下的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開(kāi)，是冷卻時(shí)高溫下的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開(kāi)始線，隨著溫度的降低，從奧氏體中析出鐵素體，始線，隨著溫度的降低，從奧氏體中析出鐵素體，GS為發(fā)生同為發(fā)生同素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變線素異構(gòu)的轉(zhuǎn)變線。176 6）GPGP線線，也是發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的線也是發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的線，是

12、冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)，是冷卻時(shí)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線。變?yōu)殍F素體的終了線。ABCDABCD液相線液相線。該線以上全部為液態(tài)金屬，用符號(hào)。該線以上全部為液態(tài)金屬，用符號(hào)L L表示。表示。AECFAECF固相線固相線，該線以下全部為固態(tài)。，該線以下全部為固態(tài)。 根據(jù)上述各主要特性點(diǎn)、線意義的分析，可以填寫(xiě)出根據(jù)上述各主要特性點(diǎn)、線意義的分析，可以填寫(xiě)出鐵碳合金狀態(tài)圖中各區(qū)域的組織。鐵碳合金狀態(tài)圖中各區(qū)域的組織。18三、相圖中的相區(qū)三、相圖中的相區(qū)三個(gè)單相區(qū)：L、A、F；五個(gè)兩相區(qū)：L+A、L+Fe3C、A+ Fe3C、F+A、F+ Fe3C兩個(gè)三相共存區(qū)：ECF、PSK上的L+A+ Fe3C、A+F

13、+ Fe3C。注意區(qū)分注意區(qū)分相組成物相組成物和和組織組成物組織組成物19四、鐵碳合金的分類(lèi)四、鐵碳合金的分類(lèi)可分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三大類(lèi)可分為工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵三大類(lèi)。熟記組織成分熟記組織成分 （1 1）工業(yè)純鐵：工業(yè)純鐵：小于0.0218的鐵碳合金。 （2 2）碳鋼：碳鋼：為0.02182.11的鐵碳合金，根據(jù)其室溫組織的特點(diǎn)，又可以S點(diǎn)為界分為三類(lèi)： 共析鋼為0.77；亞共析鋼為0.021 80.77；過(guò)共析鋼為0.772.11。（3 3）白口鑄鐵：）白口鑄鐵：2.116.69的鐵碳合金。根據(jù)白口鑄鐵的特點(diǎn)，也可以C點(diǎn)為界分為三類(lèi)。 共晶白口鑄鐵為4.30； 亞共晶白口鑄鐵

14、為2.114.30； 過(guò)共晶白口鑄鐵為4.306.69。 20第三節(jié)第三節(jié) 典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程 從簡(jiǎn)化的從簡(jiǎn)化的FeFeFeFe3 3c c相圖中選擇典相圖中選擇典型合金，分析其型合金，分析其結(jié)晶過(guò)程和高溫結(jié)晶過(guò)程和高溫下的顯微組織，下的顯微組織，以便更深入了解以便更深入了解鐵碳合金的形成鐵碳合金的形成規(guī)律。規(guī)律。21一、共析鋼（一、共析鋼（ ） 0.77%c 相圖相圖中合金中合金是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%的共析鋼。共的共析鋼。共析鋼的結(jié)晶過(guò)程可以用下式表示析鋼的結(jié)晶過(guò)程可以用下式表示：)(727(727727330008. 077. 0030218.

15、 077. 0077. 00277. 02177. 0共析溶解度降低共析共析轉(zhuǎn)變不變勻晶轉(zhuǎn)變室溫）CFeCFeFPCCFeFPCACtALttLFA22 用杠桿定理可以求出珠光體中的用杠桿定理可以求出珠光體中的F F與與FeFe3 3C C相相對(duì)含量對(duì)含量( (略去室溫鐵素體的含量略去室溫鐵素體的含量) )： 所以 77. 0)77. 069. 6(cmFQQ1cmFQQ%49.8869. 677. 069. 6FQ%59.111FcmQQ23共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖滲碳體鐵素體24 二、亞共析鋼（二、亞共析鋼（ ）0.0218%0.77%c 以以c c =0.45% =0

16、.45% 的的4545鋼為例，亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程可以用鋼為例，亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程可以用下式表示：下式表示： 合合金金IIII的為亞共析鋼。其結(jié)晶過(guò)程如圖的為亞共析鋼。其結(jié)晶過(guò)程如圖4-74-7所示：所示：CFeFPPFCtAFCttAttALttLFA30008. 077. 0077. 00218. 00477. 00218. 004345. 0322145. 072772772745. 0溶解度降低共析轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變不變勻晶轉(zhuǎn)變室溫25亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程示意圖鐵素體鐵素體(白色不規(guī)則多邊形晶粒)亞共析鋼亞共析鋼珠光體珠光體(暗黑色團(tuán))26 依據(jù)杠桿定理可以計(jì)算出依據(jù)

17、杠桿定理可以計(jì)算出 c =0.45%的亞共析的亞共析鋼中，鋼中，F(xiàn)與與P的相對(duì)含量：的相對(duì)含量： 還可以計(jì)算出還可以計(jì)算出 c =0.45%的亞共析鋼中，的亞共析鋼中，F(xiàn)與與 的相對(duì)含量：的相對(duì)含量：%56.41%10077. 045. 077. 0FQ%44.581FPQQ%27.92%10069. 645. 069. 6FQ%37. 61FcmQQCFe327三、過(guò)共析鋼三、過(guò)共析鋼（ ）0.77%2.11%c 合金含量合金含量IIIIII為過(guò)共析鋼。過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程為過(guò)共析鋼。過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程可以用下式表示（以可以用下式表示（以c c=0.90%=0.90%為例）：為例）：CFePC

18、tCFePCtCFeACttAttALttLFAA377. 004377. 004377. 004332219 . 07277277279 . 09 . 0溶解度降低共析轉(zhuǎn)變?nèi)芙舛茸兓蛔儎蚓мD(zhuǎn)變室溫28過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼珠光體(暗黑色球團(tuán))FeFe3 3C C(白色網(wǎng)狀)29四、共晶的白口鑄鐵四、共晶的白口鑄鐵（c=4.3%）合金合金為共晶的白口鑄鐵。為共晶的白口鑄鐵。含碳量為含碳量為4.3%的鐵碳合金的鐵碳合金(共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵) 的結(jié)晶過(guò)程如下的結(jié)晶過(guò)程如下:)()330008. 07273377. 07273377. 07271148311. 211483 . 4000共析室溫溶

19、解度降低共晶共析轉(zhuǎn)變共晶溶解度變化共晶共晶轉(zhuǎn)變（CFeCFeFLCFeCFePLCFeCFeALCFeALLdCFdCdCCAdCoo30共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程31滲碳體珠光體共晶白口鐵共晶白口鐵的顯微組織，的顯微組織，在在白色白色的的滲滲碳體基體碳體基體上上分布著分布著黑色黑色的的珠光體珠光體。 32 圖圖4-54-5相圖中的合金相圖中的合金表示亞共晶白口鑄鐵。其結(jié)晶表示亞共晶白口鑄鐵。其結(jié)晶過(guò)程可用下式表示（以過(guò)程可用下式表示（以c c =3.0% =3.0%為例）：為例）： 五、亞共晶白口鑄鐵（五、亞共晶白口鑄鐵（2.11%2.11%c c4.3%4.3%）dCFd

20、CdCCAdCttLCFePLCFePLCFeALAALLoo室溫溶解度變化共析轉(zhuǎn)變?nèi)芙舛茸兓簿мD(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變377. 0727377. 0727377. 0727114811. 2114811. 23 . 40 . 30002133亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程亞共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程34亞共晶白口鑄鐵：亞共晶白口鑄鐵：含碳量小于含碳量小于4.3%4.3%的鐵碳合的鐵碳合金金。珠光體低溫萊氏體35六、過(guò)共晶白口鑄鐵六、過(guò)共晶白口鑄鐵（4.3% 4.3% c c 6.69%6.69%） 合金合金表示過(guò)共晶白口鑄鐵。過(guò)共晶白口鑄表示過(guò)共晶白口鑄鐵。過(guò)共晶白口鑄鐵可用下式表示其結(jié)晶過(guò)程（以鐵可用下式表示

21、其結(jié)晶過(guò)程（以c c =5.0% =5.0%為例）：為例）：IdCFIdCIdCCAdCIttCFeLCFeLCFeLCFeLCFeLLoo37273727372711483114833 . 40 . 500021室溫溶解度變化共析轉(zhuǎn)變?nèi)芙舛茸兓簿мD(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變36過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程過(guò)共晶白口鑄鐵的結(jié)晶過(guò)程37 過(guò)共晶白口鑄過(guò)共晶白口鑄鐵：鐵：含碳量大含碳量大于于4.3%的鐵碳的鐵碳合金。合金。FeFe3 3C C低溫萊氏體38第四節(jié)第四節(jié) Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用 一、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響一、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響 鐵碳合金的兩組元鐵碳合金的兩組元FeFe是和是

22、和FeFe3 3C C，各種不同成分的鐵碳合金的，各種不同成分的鐵碳合金的室溫平衡組織都是由室溫平衡組織都是由鐵素體鐵素體和各種形態(tài)的和各種形態(tài)的滲碳體滲碳體組成。組成。 39二、二、c c對(duì)鐵碳合金機(jī)械性能的影對(duì)鐵碳合金機(jī)械性能的影響響40三、三、Fe-Fe3C相圖在生產(chǎn)中的應(yīng)用相圖在生產(chǎn)中的應(yīng)用一、在選材方面的應(yīng)用一、在選材方面的應(yīng)用 鐵碳合金狀態(tài)圖提示了合金的組織隨成分變化的鐵碳合金狀態(tài)圖提示了合金的組織隨成分變化的規(guī)律：規(guī)律： 1)工程構(gòu)件如工程構(gòu)件如船體、橋梁船體、橋梁及及建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)所需的各種所需的各種型鋼要求塑性、韌性好，應(yīng)采用低碳鋼型鋼要求塑性、韌性好，應(yīng)采用低碳鋼c 0.

23、25。 2)各種機(jī)器零件如：船用各種機(jī)器零件如：船用柴油機(jī)的曲軸、連桿，柴油機(jī)的曲軸、連桿，機(jī)床上的齒輪、軸類(lèi)零件機(jī)床上的齒輪、軸類(lèi)零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)采用中碳鋼較好的材料，應(yīng)采用中碳鋼(0.25 c 0.6)。41歸納理解歸納理解 （1 1）工程結(jié)構(gòu)件材料，應(yīng)選工程結(jié)構(gòu)件材料，應(yīng)選含碳量較低含碳量較低（小于（小于0.25%0.25%）的鋼，以保證其塑性、冷變形和焊接性能。）的鋼，以保證其塑性、冷變形和焊接性能。 （2 2）一般的機(jī)器零件應(yīng)選一般的機(jī)器零件應(yīng)選含碳量中等含碳量中等的（的（0.25% 0.25% 0.6% 0.6%）的鋼，以保證其一定的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)）的鋼，以保證其一定的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)又具有一定的塑性和韌性，即綜合機(jī)械性能較好的又具有一定的塑性和韌性，即綜合機(jī)械性能較好的材料。材料。 （3 3）對(duì)于精密偶件和各種刃具、模具、量具和彈對(duì)于精密偶件和各種