第三章-鐵碳合金相圖和碳鋼

第三章鐵碳合金相圖第一節(jié)純鐵、鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)及其性能第二節(jié)Fe-Fe3C相圖第三節(jié)含碳量對碳鋼組織與性能的影響、碳鋼第一節(jié)鐵碳合金的組元及基本相一、純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(重結(jié)晶)純鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好，一般不用于結(jié)構(gòu)件。Fe是元素周期表中第26號元素，相對分子質(zhì)量56、熔點(diǎn)1538℃。磁性轉(zhuǎn)變：770°C以上無磁性770°C以下有磁性觀察純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化：770無鐵磁性鐵磁性1394°C912°C

δ-Feγ-Feα-Fe所謂同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，是指金屬在結(jié)晶成固態(tài)之后繼續(xù)冷卻的過程中晶格類型隨溫度下降而發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，又稱重結(jié)晶。觀察純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化：磁性轉(zhuǎn)變：770°C以上無磁性，770°C以下有磁性1538℃平臺是鐵的結(jié)晶溫度。結(jié)晶后是體心立方晶格Fe。1394℃平臺是Fe在固態(tài)下第一次同素異晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降腇e。912℃平臺是Fe的第二次同素異晶轉(zhuǎn)變。變成體心立方的Fe

。770℃時(shí)出現(xiàn)第四個(gè)平臺。這個(gè)平臺對應(yīng)的溫度稱為居里點(diǎn)。它不是同素異晶轉(zhuǎn)變，因?yàn)闆]有晶格類型的變化。只是Fe原子的外層電子排列的變化引起Fe的磁性狀態(tài)的改變。使Fe由順磁性變成鐵磁性，使透磁率增加數(shù)萬倍。晶格類型雖然仍是體心立方，但是晶格常數(shù)減小了。由0.293nm變成0.233nm。這種具有鐵磁性的體心立方晶格的鐵稱為Fe。關(guān)于純鐵冷卻曲線的總結(jié)二、鐵碳合金中的基本相Fe和CL相（液相）：液態(tài)下無限互溶、成分均勻固溶體相：C溶于Fe中形成F、A等金屬化合物相：Fe與C化合形成Fe3C鐵碳合金中的組元：Fe、C鐵與碳相互作用形成的主要組織有以下幾種：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體1）鐵素體定義：碳溶于a-Fe中形成的間隙固溶體,以F或α表示；性能：鐵素體的塑性、韌性很好（δ=30～50%、aKU=160～200J／cm2），但強(qiáng)度、硬度較低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度為50～80HBS)。其力學(xué)性能幾乎與純鐵相同。結(jié)構(gòu)：體心立方結(jié)構(gòu)。成分：鐵素體的溶碳能力很低，室溫時(shí)溶解度Wc≤0.0008％≈0，最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。組織：鐵素體的組織為多邊形晶粒。結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)鐵素體

2）奧氏體:定義：碳溶于

-Fe中的間隙固溶體；用A或表示。

結(jié)構(gòu)：面心立方晶格，成分：溶碳能力比鐵素體大，在727℃時(shí)，wc＝0.77％，最大溶解度在1148℃時(shí)，wc≈2.11％。性能：奧氏體常存在于727℃以上，是鐵碳合金中重要的高溫相，強(qiáng)度和硬度不高，但塑性和韌性很好(σb≈400MPa、δ≈40～50%、硬度為160～200HBS)，易鍛壓成形。鋼材熱加工都在區(qū)進(jìn)行。組織：為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體3）滲碳體（Fe3C）定義：鐵與碳形成的金屬化合物，是鋼鐵中的強(qiáng)化相，高溫下可分解，F(xiàn)e3C→3Fe+C(石墨)

。成分與性能：滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%，熔點(diǎn)為1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韌性極低(δ≈0、aKU≈0)，脆性大。滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，其數(shù)量、形狀、大小及分布狀況對鋼的性能影響很大。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。結(jié)構(gòu)4)珠光體

(P)珠光體(pearlite)是由鐵素體和滲碳體組成的多相組織，用符號P表示。珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.77%，由于珠光體組織是由軟的鐵素體和硬的滲碳體組成，因此，它的性能介于鐵素體和滲碳體之間，即具有較高的強(qiáng)度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度適中（180HBS）。5)萊氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的液態(tài)鐵碳合金冷卻到1148℃時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的多相組織稱為萊氏體(ledeburite)，用符號Ld表示。在727℃以下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為變態(tài)萊氏體，用符號Ld′表示。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性很差。第二節(jié)鐵碳合金相圖鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：

Fe3C、

Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。一、Fe-Fe3C相圖的建立1.配制不同成分的鐵碳合金，加熱后緩慢地冷卻，記錄數(shù)據(jù)，繪制它們的冷卻曲線（時(shí)間、溫度）；2.從冷卻曲線上找出臨界點(diǎn)，并畫到成分—溫度坐標(biāo)中；3.相同意義的點(diǎn)連接起來。三種恒溫轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變:成分為H點(diǎn)的δ固相，與它周圍成分為B點(diǎn)的液相L，在一定的溫度時(shí)，δ固相與L液相相互作用轉(zhuǎn)變成成分是J點(diǎn)的另一新相γ固溶體，這一轉(zhuǎn)變叫包晶轉(zhuǎn)變或包晶反應(yīng)。即HJB---包晶轉(zhuǎn)變線.

簡化Fe-Fe3C相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)Fe-Fe3C相圖的分析提綱五個(gè)重要的成份點(diǎn):P、S、E、C、F。四條重要的線:ECF、ES、GS、PSK。三個(gè)重要轉(zhuǎn)變:包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。兩個(gè)重要溫度:1148℃、727℃。1.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB

+H

AJ1495℃2.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃3.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃二、鐵碳合金狀態(tài)圖的分析1.特性點(diǎn)?????LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

(3)鋼、鐵分界點(diǎn)E（2.11%C）

(1)共晶點(diǎn)C

1148℃,4.3%C共晶成分反應(yīng)式：Lc→(AE+Fe3C)共晶體，即高溫萊氏體Ld;(2)共析點(diǎn)S

727℃0.77%C共析成分反應(yīng)式:As→(Fp+Fe3C共析)共析體，即珠光體;⒉特征線⑴

液相線—ABCD，固相線—AHJECFD⑵三條水平線：LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

727℃⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3

線。HN,JN—δ?

固溶體轉(zhuǎn)變線，ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

⑶三個(gè)三相區(qū)：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線

⒊相區(qū)⑴五個(gè)單相區(qū)：

L、、、、Fe3C

⑵七個(gè)兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C

Fe-Fe3C相圖的總結(jié)㈠相圖中的主要點(diǎn)相圖中各個(gè)點(diǎn)的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度值及各個(gè)點(diǎn)的含義，見表4.1。㈡相圖中的主要相變線ABCD線為液相線。溫度高于此線鐵碳合金均是液相。其中，AB線是L→δ開始線，BC是L→A開始線，CD是L→Fe3C開始線。從液相直接結(jié)晶出來的Fe3C稱為一次滲碳體，標(biāo)記為Fe3CⅠ。AHJECD線為固相線。溫度降到次線之下鐵碳合金全部都結(jié)晶成固相。HJB線為包晶線。當(dāng)溫度達(dá)到這條線（1495℃）時(shí)wc=0.09％～0.53％的鐵碳合金均有包晶轉(zhuǎn)變。即H成分的δ固溶體（δH）和B成分的液相（LB）在1495℃時(shí)共同結(jié)晶成J成分的奧氏體（AJ）。表達(dá)式為δH+LB→AJ。ECF線是共晶線。當(dāng)溫度達(dá)到這條線（1148℃）時(shí)，此線下2.11％＜wc＜6.69％的鐵碳合金均有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。PSK線是共析線，代號為A1。當(dāng)溫度到達(dá)這條線（727℃）時(shí)此線下0.02％wc6.69％的鐵碳合金均會有共析轉(zhuǎn)變發(fā)生.ES線為固溶線,也稱溶解度線,代號為Acm.它是奧氏體中碳的溶解度隨溫度變化曲線.當(dāng)溫度降到此線,奧氏體中多余的碳以滲碳體的形式析出。從奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體。記為Fe3CⅡ。Fe-Fe3C相圖的總結(jié)PQ線也是固溶線。它是鐵素體中碳的溶解度隨溫度變化的曲線。當(dāng)溫度降到此線,鐵素體中多余的線也以滲碳體形式析出。從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體。記為Fe3CⅢ.GS線是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線，也是鐵素向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線。代號為A3。GP線是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線,也是鐵素向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始線。實(shí)際上相圖中的這些線都是各個(gè)化學(xué)成分的合金隨溫度變化發(fā)生各種相轉(zhuǎn)變的溫度點(diǎn)(相變點(diǎn))的分類集合。Fe-Fe3C相圖的總結(jié)共晶產(chǎn)物是與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體，用Le表示。為蜂窩狀，以Fe3C為基，性能硬而脆。共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。其組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布，性能介于兩相之間。PSK線又稱A1`線。注意

還要指出的是：一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳以及珠光體和萊氏體中的滲碳體，它們本身并無本質(zhì)區(qū)別，都具有相同的化學(xué)成分、晶格結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。只是出處不同，并由此造成其形態(tài)、大小以及在合金中的分布等情況有所不同。因此，對合金的性能也有不同的影響。但是，滲碳體的形態(tài)、大小、分布不是一成不變的，可以通過有關(guān)的熱處理或鍛造等方法來改變。按需要來控制調(diào)整滲碳體對鐵碳合金性能的影響。Fe-Fe3C相圖的總結(jié)鐵碳合金分類

（1）

工業(yè)純鐵<0.0218%C

亞共析鋼<0.77%C

（2）碳鋼

共析鋼0.77%C

過共析鋼>0.77%C

亞共晶白口鑄鐵<4.3%C（3）白口鑄鐵

共晶白口鑄鐵4.3%C

過共晶白口鑄鐵>4.3%C

三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程

1．工業(yè)純鐵（C%≤0.0218%）相組成物：F+Fe3C

C%>0.0008%;FC%<0.0008%相相對量：F%=

FeC%=

組織組成物：F和Fe3CIIIL--->L+A--->A--->A+F--->F+Fe3CIII3Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。室溫下Fe3CⅢ的最大量為:2．共析鋼C%=0.77%

L--->L+A--->A--->A+P--->P相組成物：F和Fe3C

F%=Fe3C%=組織組成物：

P珠光體11珠光體共析鋼的結(jié)晶過程室溫組織為：P（F+Fe3C）3．亞共析鋼

0.0218%<C%<0.77%L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F相組成物：F，F(xiàn)e3C

45鋼金相F%=Fe3C%=含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C

范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。P%=F%=11亞共析鋼的

結(jié)晶過程L→L+A→A→A+F先共析AS(0.77%C)→P室溫組織為：P+F

4．過共析鋼L--->L+A--->A--->A+Fe3CII--->A+P+Fe3CII--->P+Fe3CIIT12鋼金相相組成物：F，F(xiàn)e3CF%=

Fe3C%=

組織組成物：P，F(xiàn)e3CII

組織相對量：Fe3CII%=

P%=

含1.4%C鋼的組織11過共析鋼的結(jié)晶過程含1.4%C鋼的組織室溫組織：P+Fe3CⅡ5．共晶白口鐵（C%=4.3%）L--->L+Le--->Le(A+Fe3C共晶)--->Le(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->Le’(P+Fe3CII+Fe3C)共晶白口鐵金相相組成物：F，F(xiàn)e3C

F%=

Fe3C%=組織組成物：Le'

6．亞共晶白口鑄鐵2.11%<C%<4.3%

亞共晶白口鐵金相

相組成物：F，F(xiàn)e3C相相對量：F%=

Fe3C%=

組織組成物：P，Le’，F(xiàn)e3CII11亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程室溫組織為P+Fe3CⅡ+Le’。7．過共晶白口鑄鐵

過共晶白口鐵金相

相組成物：F，F(xiàn)e3CF%=

Fe3C%=

組織組成物：Le’，F(xiàn)e3C

Fe3C%=

Le’%=Lc%=

11過共晶白口鐵的結(jié)晶過程室溫組織為：Fe3CⅠ+Le‘Le‘（P+Fe3C共晶+Fe3CⅡ）復(fù)習(xí)小結(jié)：標(biāo)注組織的鐵碳相圖11一、含碳量對碳鋼室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：

鋼鐵素體亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對量%相組成物相對量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體第三節(jié)含碳量對碳鋼組織與性能的影響隨含碳量增加，組織中Fe3C不僅數(shù)量增加，而且形態(tài)也在變化，由分布在

基體內(nèi)(P中Fe3C)變?yōu)榉植荚贏晶界上(Fe3CⅡ)，最后形成萊氏體時(shí)，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)。

11二、含碳量對力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時(shí)，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Le’,合金太脆.3、含碳量對工藝性能的影響⑴切削性能：中碳鋼比較合適。⑵可鍛性能：低碳鋼比高碳鋼好。⑶鑄造性能：共晶成分附近的合金鑄造性能好。⑷焊接性能：低碳鋼好于高碳鋼。⑸熱處理性能：第六章介紹。焊縫組織鑄造三、含碳量對工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼合適②可鍛性能:低碳鋼好③焊接性能:低碳鋼好④鑄造性能:共晶合金好⑤熱處理性能:第四章介紹鑄造焊縫組織模鍛切削加工的基本形式車刨鉆銑磨四、鐵碳合金相圖的應(yīng)用1.選材料方面的應(yīng)用；

2.制定熱加工工藝方面的應(yīng)用在鑄造生產(chǎn)方面，根據(jù)相圖可以確定鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度。在鍛造生產(chǎn)方面，可確定始鍛、終鍛溫度。在焊接方面，可分析碳鋼的焊接組織。對熱處理來說，可確定加熱范圍。一、鋼中的常存雜質(zhì)Mn、Si，S、P；第四節(jié)碳鋼1、有害元素S、P

→壓力加工時(shí)熔化→導(dǎo)致鋼沿晶界開裂—“熱脆”。鋼中要限硫含量：≤0.05%。利用：Mn與S形成MnS(1620℃）,粒狀分布在晶內(nèi)，以利于斷屑。

合金晶界的低熔點(diǎn)硫化物共晶S：煉鋼時(shí)由生鐵和燃料帶入。在F中的溶解度極小，在鋼的晶界處形成低熔點(diǎn)（989）共晶體FeSP：由生鐵帶入。全部溶于F中，使鋼的強(qiáng)度硬度升高，而塑性、韌性顯著下降。特別是使鋼在比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因磷高產(chǎn)生冷脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中

低溫時(shí)脆性急劇增加，稱為冷脆性。因此鋼中要限制磷的含量：≤0.045%P多，脆性大，可制造炮彈、改善切削加工性能。

Mn:隨脫氧劑加入。大部分溶于鐵素體中，具有固溶強(qiáng)化效果，少部分形成合金滲碳體；錳與硫化合成MnS，減輕了硫的有害作用。碳鋼中<0.8%，合金鋼中1.0%-1.2%。

Si:隨脫氧劑加入,有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用；可增加鋼液流動性。碳鋼中<0.4%2、有益元素Mn、Si3、氣體元素①N：室溫下N在鐵素體中溶解度很低，鋼中過飽和N在常溫放置過程中以FeN、Fe4N形式析出使鋼變脆,稱時(shí)效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除時(shí)效傾向。②O：氧在鋼中以氧化物的形式存在，其與基體結(jié)合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源.鋼中TiN夾雜鋼中氧化物夾雜③H：常溫下氫在鋼中的溶解度也很低。當(dāng)氫在鋼中以原子態(tài)溶解時(shí)，降低韌性，引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點(diǎn)或發(fā)裂。鋼中白點(diǎn)鋼的氫脆斷口二、鋼的分類工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分:碳素鋼合金鋼低碳鋼≤0.25%C中碳鋼0.25~0.60%C高碳鋼≥0.60%C高合金鋼合金元素≥10%低合金鋼合金元素≤5%中合金鋼合金元素5~10%1．按鋼中碳的含量分類根據(jù)鋼中含碳量的不同，可分為：（1）低碳鋼(low-carbonsteel)

wc≤0.25%；（2）中碳鋼(middle-carbonsteel)0.25%＜wc≤0.6%；（3）高碳鋼(high-carbonsteel)

wc＞0.6%。碳鋼常用的分類方法2．按鋼的質(zhì)量分類根據(jù)鋼中有害雜質(zhì)硫、磷含量的多少，可分為：（1）普通質(zhì)量鋼鋼中硫、磷含量較高(ws≤0.050%，wp

≤0.045%)；（2）優(yōu)質(zhì)鋼鋼中硫、磷含量較低(ws≤0.035%，wp

≤0.035%)；（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼鋼中硫、磷含量很低(ws≤0.020%,wp≤0.030%)。3．按鋼的用途分類根據(jù)鋼的用途不同，可分為：（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)。（2）碳素工具鋼主要用于制造各種刃具、量具和模具。（3）碳素鑄鋼主要用于制作形狀復(fù)雜，難以用