材料科學(xué)導(dǎo)論-第7章3

Fe-Fe3C相圖

A：1538、0%C：1148、4.30%E：1148、2.11%F：1148、6.69%G：912、0%J：1495、0.17%N：1394、0%P：727、0.02%S：727、0.77%Q：600、0.0057%重要點(diǎn)溫度、碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.鐵碳合金的組元

(1)Fe

鐵是過(guò)渡族元素,熔點(diǎn)為1538℃。密度是7.87g/cm3。純鐵從液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)后,繼續(xù)冷卻到1394℃及912℃時(shí),先后發(fā)生兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。純鐵的機(jī)械性能：強(qiáng)度低、硬度低、塑性好?？估瓘?qiáng)度σb180MPa～230MPa屈服強(qiáng)度σ0.2100MPa～170MPa

延伸率δ30%～50%

斷面收縮率ψ70%～80%

沖擊韌度ak1.6×106J/m2～2×106J/m2

硬度50HB～80HB

(2)Fe3CFe3C是Fe與C的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物,通常稱為滲碳體,用Cm表示。

滲碳體的機(jī)械性能特點(diǎn)是硬而脆。

800HB00030MPa硬度沖擊韌度ak

斷面收縮率Ψ

延伸率δ抗拉強(qiáng)度極限σb

2.鐵碳合金中的相

(1)液相L

液相L是鐵與碳的液溶體。

(2)δ相δ相又稱高溫鐵素體,是碳在δ-Fe中的間隙固溶體,呈體心立方晶格,在1394℃以上存在。F或α表示,是碳在α-Fe中的間隙固溶體,體心立方晶格，碳的固溶度極小,室溫時(shí)約為0.0008%。在727℃時(shí)溶碳量最大（0.0218%）。鐵素體性能是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。機(jī)械性能與純鐵大致相同。(3)α相α相也稱鐵素體,用γ相常稱奧氏體,用符號(hào)A或γ表示,是碳在γ-Fe中的間隙固溶體,面心立方晶格，碳的固溶度較大,在1148℃時(shí)溶碳量最大達(dá)2.11%。奧氏體的強(qiáng)度較低,硬度不高,易于塑性變形。(4)γ相

(5)Fe3C相

Fe3C相是Fe與C的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物,性能特點(diǎn)是硬而脆。

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(duì)鐵碳合金的機(jī)械性能有很大影響。

3.相圖中重要的點(diǎn)和線

(1)重要的點(diǎn)

●J點(diǎn)（包晶點(diǎn)）

●C點(diǎn)（共晶點(diǎn)）

共晶反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行,反應(yīng)過(guò)程中L、A、Fe3C三相共存，三相成分一定。

共晶反應(yīng)產(chǎn)物是奧氏體與滲碳體的混和物,稱萊氏體（Le）。其中的滲碳體稱共晶滲碳體。顯微鏡下萊氏體形態(tài)：

塊狀或粒狀A(yù)(727℃時(shí)轉(zhuǎn)變成珠光體)分布在滲碳體基體上。

●S點(diǎn)（共析點(diǎn)）

共析反應(yīng)在恒溫下進(jìn)行,反應(yīng)過(guò)程中,A、F、Fe3C三相共存，三相成分一定。

共析反應(yīng)的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物,稱珠光體,以符號(hào)P表示。

珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。

珠光體形態(tài)：顯微鏡下珠光體的形態(tài)呈層片狀。相間分布滲碳體片與鐵素體片。

珠光體性能：強(qiáng)度較高,塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。珠光體機(jī)械性能抗拉強(qiáng)度極限/σb沖擊韌性ak

延伸率δ硬度

770MPa3×105J/m2～

4×105J/m2

20%～35%180HB

●E點(diǎn)

1148℃，2.11%C碳在γ-Fe中的最大溶解度●P點(diǎn)

727℃，0.0218%C碳在α-Fe中的最大溶解度

●B點(diǎn)

1495℃,0.53%C包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分

●水平線HJB:包晶反應(yīng)線

發(fā)生包晶反應(yīng)?！袼骄€ECF:共晶反應(yīng)線

發(fā)生共晶反應(yīng)?！袼骄€PSK:共析反應(yīng)線發(fā)生共析反應(yīng)。亦稱A1線。(2)Fe-Fe3C相圖中重要的線●GS線

A中開(kāi)始析出F臨界溫度線,稱A3線。●ES線

碳在A中的固溶線，叫Acm線。從A中析出Fe3C，叫二次滲碳體(Fe3CII)。亦是A中開(kāi)始析出Fe3CII的臨界溫度線?！馪Q線

是碳在F中固溶線。是F中開(kāi)始析出Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少,往往予以忽略。二、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程

根據(jù)Fe-Fe3C相圖,鐵碳合金可分為3類7種：

(1)工業(yè)純鐵[w(C)≤0.0218%]

(2)鋼[0.0218%<w(C)≤2.11%]

亞共析鋼0.0218%<w(C)<0.77%共析鋼w(C)=0.77%過(guò)共析鋼0.77%<w(C)≤2.11%

(3)白口鑄鐵[2.11%<w(C)<6.69%]亞共晶白口鑄鐵2.11%<w(C)<4.3%共晶白口鑄鐵w(C)=4.3%過(guò)共晶白口鑄鐵4.3%<w(C)<6.69%幾種碳鋼的鋼號(hào)和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

類型亞共析鋼

共析鋼過(guò)共析鋼鋼號(hào)

204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.200.450.600.801.001.20典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置1.工業(yè)純鐵平衡結(jié)晶過(guò)程

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%1點(diǎn)以上液相L1～2點(diǎn)

L+δ

2～3點(diǎn)

δ3～4點(diǎn)

δ+A4～5點(diǎn)

A5～6點(diǎn)

A+F6～7點(diǎn)

F7～8點(diǎn)

F晶界析出Fe3CIII

室溫平衡組織為F+Fe3CIII純鐵的室溫平衡組織

F呈白色塊狀;Fe3CIII量極少,呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略Fe3CIII,則組織全為F。室溫平衡組織:

F+Fe3CIII2.共析鋼平衡結(jié)晶過(guò)程

☆老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%1～2點(diǎn)

L+A2～3點(diǎn)

A3～3'點(diǎn)

A→P

3'～4點(diǎn)

P

共析鋼的室溫平衡組織為:

P

共析鋼的室溫組織共析鋼的室溫組織組成物全部是P。

組成相為F和Fe3C,它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

P(層片狀)3.亞共析鋼平衡結(jié)晶過(guò)程

以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鐵碳合金為例1～2點(diǎn)

L+δ。2～2'點(diǎn)L+δ→A反應(yīng)結(jié)束還有L2'～3點(diǎn)

L+A3～4點(diǎn)

A4～5點(diǎn)

A+F5～5'點(diǎn)

A→PF不變化

5'～6點(diǎn)

P+F40鋼的室溫平衡組織F呈白色塊狀;P呈層片狀,放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.6%的亞共析鋼,室溫平衡組織中的F呈白色網(wǎng)狀,包圍在P周圍。

含0.4%C的亞共析鋼組織組成物為F和P。

室溫平衡組織:

F+P含0.4%C的亞共析鋼組織組成物為F和P。鋼的組成相為F和Fe3C：亞共析鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算

如果忽略F中的碳含量，則P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w(P)=w(C)/0.77%亞共析鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)估算：

w(C)=w(P)×0.77%式中,w(C)表示鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù),

w(P)表示鋼中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

由于P和F的密度相近,鋼中P和F的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可用顯微鏡下觀察到的P和F的面積百分?jǐn)?shù)來(lái)估算。

4.過(guò)共析鋼平衡結(jié)晶過(guò)程

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%1～2點(diǎn)

L+A2～3點(diǎn)

A3～4點(diǎn)A→Fe3CII,Fe3CII呈網(wǎng)狀分布在A晶界上。

4～4‘點(diǎn)

A→P，F(xiàn)e3CII不變化。4'～5點(diǎn)

P+Fe3CII

T12鋼的室溫平衡組織Fe3CII呈網(wǎng)狀分布在層片狀P周圍。

含1.2%C的過(guò)共析鋼的組成相為F和Fe3C

組織組成物為Fe3CII和P：P+Fe3CII此時(shí)的萊氏體由A+Fe3CII+Fe3C組成。2～2'點(diǎn)

A→P，高溫萊氏體Le轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體

Le'(P+Fe3CII+Fe3C)。2'～3點(diǎn)

Le'5.共晶白口鑄鐵平衡結(jié)晶過(guò)程

1～1'點(diǎn)

L→Le即L→(A+Fe3C)。1'～2點(diǎn)

Le中的A析出Fe3CII。共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織Le'由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。共晶白口鑄鐵的組織組成物：全為L(zhǎng)e',

組成相：F和Fe3C。

室溫平衡組織:

Le'2'～3點(diǎn)

A晶界析出Fe3CII

組織為A+Fe3CII+Le'3～3'點(diǎn)

A→P;高溫萊氏體Le轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le'。3'～4點(diǎn)

P+Fe3CII+Le'6.亞共晶白口鑄鐵平衡結(jié)晶過(guò)程

w（C）3%1～2點(diǎn)

L+A。2～2'點(diǎn)

L→Le,共晶反應(yīng)結(jié)束時(shí):A+Le網(wǎng)狀Fe3CII分布在粗大塊狀P的周圍,Le‘由條狀或粒狀P和Fe3C基體組成。亞共晶白口鑄鐵的組成相為F和Fe3C;

組織組成物:P、Fe3CII、Le'。

亞共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織室溫平衡組織:

P+Fe3CII+Le'7.過(guò)共晶白口鑄鐵平衡結(jié)晶過(guò)程

共析溫度時(shí)高溫萊氏體Le轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏厝R氏體Le'。得到Fe3CI+Le'

合金先從L中結(jié)晶出Fe3CI。然后L發(fā)生共晶反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e。Fe3CI呈長(zhǎng)條狀Le'由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。過(guò)共晶白口鑄鐵的室溫平衡組織室溫平衡組織：

Fe3CI+Le'三、鐵碳合金的成分—組織—性能關(guān)系

1.碳含量與組成相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系鐵碳合金（除純鐵）在室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成,兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由杠桿定律確定。隨碳含量的增加,F的量逐漸變少,Fe3C的量則逐漸增多。2.碳含量與組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

室溫下,隨碳含量增大,組織按下列順序變化：

F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le'、Le'、Le'+Fe3CI、Fe3C

組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用杠桿定律求出。

3.鐵碳合金的性能與碳含量之間關(guān)系

（1）硬度碳含量增加,Fe3C增多,F減少,合金的硬度呈直線關(guān)系增大,由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時(shí)的約800HB。

（2）強(qiáng)度

碳含量增加,亞共析鋼強(qiáng)度增加。超過(guò)共析成分后,Fe3CII沿晶界出現(xiàn),強(qiáng)度增高變慢。到約0.9%C時(shí),Fe3CII沿晶界形成完整的網(wǎng),強(qiáng)度降低。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)到2.11%后出現(xiàn)Le',強(qiáng)度降到很低。（3）塑性

鐵碳合金中Fe3C是極脆的相。隨碳含量的增大,合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時(shí),塑性近于零值。亞共析鋼的性能估算硬度≈80×w（F）+180×w（P）

(HB)

或硬度≈80×w（F）+800×w（Fe3C）(HB)

強(qiáng)度(σb)≈230×w（F）+770×w（P）(MPa)延伸率(δ)≈50×w（F）+20×w（P）(%)

式中的數(shù)字相應(yīng)為F、P或Fe3C的大概硬度、強(qiáng)度和延伸率;

w（F）、w（P）、w（Fe3C）為組織中F、P或Fe3C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

四、Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用

在生產(chǎn)中具有巨大的實(shí)際意義,主要應(yīng)用:鋼鐵材料的選用加工工藝的制訂

1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用

Fe-Fe3C相圖所表明的成分-組織-性能的規(guī)律,為鋼鐵材料的選用提供了根據(jù)。

●純鐵

強(qiáng)度低,不宜用做結(jié)構(gòu)材料,但由于其導(dǎo)磁率高,矯頑力低,可作軟磁材料使用,例如做電磁鐵的鐵芯等。●鋼建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料,選用碳含量較低的鋼材。

機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料,應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。

工具要用硬度高和耐磨性好的材料,則選碳含量高的鋼種?！癜卓阼T鐵

硬度高、脆性大，不能切削加工，不能鍛造，但耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件。如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。

2.在鑄造工藝方面的應(yīng)用

根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定合金澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50℃～100℃。純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好,凝固溫度區(qū)間最小,流動(dòng)性好,分散縮孔少,可以獲得致密的鑄件。鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。

鑄鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15-0.