鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織

第九章鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織本章是本課程的重點章

本章目的：

1介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；

2分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過程和其成分－組織－性能間關(guān)系。本章重點：（1）重要概念：鐵素體奧氏體珠光體萊氏體共晶滲碳體共析滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要線意義；熟記鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分－組織－性能之間的關(guān)系

一、鐵碳合金與鐵碳相圖鋼和鑄鐵是國民經(jīng)濟和國防工業(yè)生產(chǎn)中最重要的一大類金屬材料，是以鐵為基礎(chǔ)的合金。在各種鋼和鑄鐵中均含有碳。在鐵碳二元系中把碳含量小于2.11%的合金稱為鋼；碳含量大于2.11%的合金稱為鑄鐵。工業(yè)用鋼和鑄鐵中除了含有鐵、碳外，還含有其他元素。為了研究方便，可將鋼和鑄鐵看成鐵碳二元合金。

鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金——應用最廣泛的合金（碳鋼、鑄鐵）一、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與性能

1純鐵：室溫下，體心立方點陣，αFe，鐵磁性，力學性能。(P247)

純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化：

1538℃1394℃912℃

L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

bcc

fcc

bcc

體心立方點陣面心立方點陣

——純鐵在冷卻中經(jīng)歷同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變A4A3A2轉(zhuǎn)變(770℃)居里點(順磁性與鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度)——具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一鐵的點陣未發(fā)生變化，磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變相變的溫度遲滯純鐵結(jié)晶后的組織相變的溫度遲滯現(xiàn)象在非平衡的加熱和冷卻時，相變不在A3發(fā)生，加熱時在A3以上某一溫度發(fā)生，冷卻是在A3以下某一溫度發(fā)生。當加熱或冷卻的速度越大，實際發(fā)生相變的臨界點偏離A3的溫度間隔也愈大。區(qū)分非平衡加熱或冷卻時的臨界點與平衡的臨界點(A3),分別用下標c，r來標注加熱和冷卻時實際發(fā)生相變的臨界點，記作為Ac3和Ar3注意：α-Fe的磁性轉(zhuǎn)變沒有轉(zhuǎn)變溫度遲滯現(xiàn)象通過結(jié)晶形成初生的δ鐵晶粒；經(jīng)過重結(jié)晶（A4相變）后，初生δ的鐵晶粒被改造為γ鐵晶粒；經(jīng)過又一次重結(jié)晶（A3相變）后得到的室溫α鐵晶粒純鐵結(jié)晶過程對應組織變化2純鐵的顯微組織單相的α－Fe3工業(yè)純鐵的性能

強度低

硬度低

塑性好

鐵磁性4應用：儀器儀表用軟磁鐵芯

1、θ碳化物（Fe3C）是Fe與C的一種具有復雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物,通常稱為滲碳體。磁性轉(zhuǎn)變溫度（居里點）210℃

滲碳體的機械性能

抗拉強度σb

延伸率δ斷面收縮率ψ

沖擊韌度ak

硬度

30MPa

000800HBFe3C晶胞

滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài),對鐵碳合金的機械性能有很大影響.

二、鐵的碳化物

2、χ碳化物（Hagg碳化物）化學式：Fe2.2C，F(xiàn)e5C2

具有底心單斜點陣，與Mn5C2同型。居里點：247℃3、ε碳化物化學式：Fe2.4C，F(xiàn)e2~3C或FexC，亞穩(wěn)相密集六角點陣，與Ni3C同型居里點：370℃4、碳化物的穩(wěn)定性高溫：θ碳化物>χ碳化物低溫：θ碳化物<χ碳化物,可轉(zhuǎn)變,臨界溫度在230-350℃之間。

ε碳化物穩(wěn)定性最好備注：χ碳化物，ε碳化物的形成方式P250

三、鐵碳合金中的基本相和基本組織

1基本組元：Fe、C2基本相：液相、滲碳體、χ碳化物、鐵素體和奧氏體（1）鐵素體：包括α鐵素體(α或F)和δ鐵素體。δ相區(qū)：δ相為高溫鐵素體，是碳在δ-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格bcc，在1394℃以上存在，在1495℃時溶碳量最大，為0.09%.

（結(jié)合鐵碳相圖進行分析）

α相區(qū)：α相也稱鐵素體，是碳在α-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時約為0.0008%，在727℃時溶碳量最大，為0.0218%。

性能:強硬度低、塑韌性好、居里點（770℃）——

與工業(yè)純鐵相同。良好塑韌性→鋼中基體相LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDBC%FeJNFe3C1148℃727℃4.32.110.770.02186.691495℃AL+δ0.00080.530.171538℃912℃H溫度1227

℃（2）奧氏體(γ或A)

γ相區(qū)：是C在面心立方γ-Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格fcc。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148℃時溶碳量最大達2.11%。

性能:

強硬度較低；塑性較好,變形抗力較低；沖壓、彎曲等加工變形性好；順磁性。

（3）滲碳體(Fe3C)

定義：Fe與C形成的金屬化合物，含

6.69%C，屬于復雜晶系。符號：Cm

性能：強度低；硬度高；無塑性；弱的鐵磁性(<230℃)——硬、脆→鋼中強化相

滲碳體的鑒別

滲碳體硬而脆，硬度為HBW800，（相當于HRC72～75）很耐磨；無延展性，強度很低，塑性、韌性幾乎為零。滲碳體在鋼和鑄鐵中與其它相共存時，可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。

滲碳體的特點

滲碳體是鋼中主要強化相，它的形態(tài)、大小及分布對相的性能有很大影響。具有金屬特性，定義為金屬化合物。

滲碳體是一種不穩(wěn)定的相，在一定條件下，能分解而形成石墨狀的自由碳，即

Fe3C→3Fe十C（石墨）

這一分解過程對于研究鋼和鑄鐵具有重大意義。

3組織

Fe-C合金成分范圍寬，相的構(gòu)成只有三個，但是鐵碳合金的性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或以單相或以混合相存在→不同組織（1）鐵素體(F)

（2）奧氏體(A)

（3）滲碳體(Fe3C)

（4）珠光體(P)：F＋Fe3C；共析反應產(chǎn)物

（5）萊氏體(Ld)：A＋Fe3C；共晶反應產(chǎn)物

（6）變態(tài)萊氏體(Ld′)：P＋Fe3C單相組織兩相組織（又叫低溫萊氏體）Fe―Fe3C相圖分析實際組元：Fe-Fe3C鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱其為Fe-Fe3C相圖,此時相圖的組元為Fe和Fe3C.

LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDBC%FeJNFe3C鐵碳相圖中點、線、相區(qū)及其意義1148℃727℃4.32.110.770.02186.691495℃AL+δ0.00080.530.171538℃912℃H溫度1227

℃液相線：ABCD固相線：AHJECF五個單相區(qū)：ABCD以上液相區(qū)（L）AHNA—δ固溶體區(qū)（δ）NJESGN—奧氏體相區(qū)（γ或A）GPQG—鐵素體相區(qū)（α或A）DFKL—滲碳體相區(qū)（Fe3C）αAC%FeTHFe3CKLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3CCESPQGFD4.32.111148℃727℃0.770.02186.690.0008包晶線HJB

LB+δH

γJ共析線PSKγS

αP+Fe3C共晶線ECFLCγE+Fe3CB

JN1495℃L+δδ

H0.170.53萊氏體珠光體αAC%FeTHFe3CKLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3CCESPQGFD4.32.111148℃727℃0.770.02186.690.0008B

JN1495℃L+δδ

H0.170.53ES:Acm

線，從γ中析出Fe3CGS:A3線，是在冷卻過程中,由γ析出α的開始線PQ:碳在α相的溶解度曲線三條重要特征曲線αAC%FeTHFe3CKLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3CCESPQGFD4.32.111148℃727℃0.770.02186.690.0008B

JN1495℃L+δδ

H0.170.53J點―包晶點

1495℃0.17%CC點―共晶點

1148℃4.3%CS點―共析點

727℃0.77%E點―γ的最大溶碳量2.11%CP點―α的最大溶碳量0.0218%C727℃

鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織

1鐵碳合金分類LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHFe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵鋼鑄鐵按照鐵碳相圖，根據(jù)碳含量不同分為三大類：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型：（1）工業(yè)純鐵Wc＜0.0218％（2）亞共析鋼Wc=0.0218％～0.77％

（3）共析鋼Wc=0.77％（4）過共析鋼Wc=0.77％～2.11％（5）亞共晶白口鐵Wc=2.11％～4.3％（6）共晶白口鐵Wc=4.3％

（7）過共晶白口鐵Wc=4.3％～6.69％LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008合金①WC=0.01%的工業(yè)純鐵結(jié)晶過程δ常溫下的組織構(gòu)成：

F+Fe3CⅢ

(P256)12345671.工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程思考：為什么會有三次滲碳體的析出？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDAC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ合金②：共析鋼（Wc=0.77%）727℃時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

γS(αP＋Fe3C)=P常溫下的組織構(gòu)成：

PBH123不同放大倍數(shù)下P的顯微組織

計算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對含量？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02181495℃L+δ0.0086.69WF=SK/PK=[(6.69－0.77)/(6.69－0.0218)]×100%=88.7%WFe3C=1－88.7%=11.3%LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ亞共析鋼(0.4%C)常溫下的組織構(gòu)成：

F先共析＋PL→δL＋δ→γγ→αγ→α＋Fe3C12435先共析FP0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計算WC=0.4%鋼中的組織組成物WF先=[(0.77－0.40)/(0.77－0.0218)]×100%=49.5%WP=1－49.5%=50.5%

——先共析F和P的含量？0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計算相組成物WF=[(6.69－0.40)/(6.69－0.0218)]×100%=94.3%WFe3C=1－94.3%=5.7%

——鐵素體和Fe3C的含量？過共析鋼(1.0%C)L→γγγ1.0→γ0.77+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ相構(gòu)成：F+Fe3C

組織構(gòu)成：Fe3CⅡ+PFe3CⅡP1148727合金⑤共晶白口鐵

1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變

LC

γE+Fe3C萊氏體——Ld室溫組織：共析反應后：變態(tài)萊氏體—Ld′(P+Fe3C)P+Fe3CK合金⑥亞共晶白口鐵組織構(gòu)成：P+Fe3CⅡ

+Ld′2.114.30.7711487276.692.114.30.7711487276.69

合金⑦過共晶白口鐵組織構(gòu)成：

Fe3CⅠ+Ld′一次滲碳體p255區(qū)別一次滲碳體、二次滲碳體和三次滲碳體（p256）一次滲碳體：過共晶白口鑄鐵在液態(tài)結(jié)晶時，從鐵碳合金液相中析出的滲碳體，稱為一次滲碳體。一次滲碳體是從液態(tài)中析出的，長大很少受阻，所以一般比較粗大。

二次滲碳體Fe3CII

鐵碳合金冷卻時，從奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體。二次滲碳體一般沿奧氏體晶界析出，所以一般呈網(wǎng)狀分布。

三次滲碳體

鐵碳合金冷卻時，從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體。由于鐵素體溶碳量很低，析出三次滲碳體很少，往往可忽略不計。

一次滲碳體：液相中析出滲碳體：LFe3CⅠ二次滲碳體：奧氏體中析出滲碳體：rFe3CⅡ

三次滲碳體：鐵素體中析出滲碳體：αFe3CⅢ小結(jié)鐵碳合金含碳量增加，室溫下組織組成的變化工業(yè)純鐵：α+Fe3CⅢ

亞共析鋼：α+P共析鋼：P過共析鋼：Fe3CⅡ+P共晶白口鐵：Ld′亞共晶白口鐵：Fe3CⅡ+P+Ld′過共晶白口鐵：Fe3C