第4章 鐵碳合金

第四章鐵碳合金鋼鐵是以鐵、碳為基本組元的復雜合金。鐵與碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物第一節(jié)鐵碳合金的基本組織1.純鐵金屬在固體下由一種晶格類型轉變?yōu)榱硪环N晶格類型的變化稱為同素異構轉變。由同素異構轉變所得的不同晶格類型的晶體稱為同素異構體。鐵是典型的具有同素異構轉變特性的金屬。下圖-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

b

=180~230MPa，s=100~170MPa，=30~50%，硬度為50~80HBS?？梢娂冭F強度低，硬度低，塑性好，很少做結構材料，有高的磁導率，一般作為電工材料用作鐵芯。2.滲碳體（Fe3C）滲碳體是鐵與碳形成的金屬化合物，碳含量是6.69％，具有復雜的晶體結構的間隙化合物，可用符號Cm表示。其硬度很高800HB，b=30MPa塑性和韌性很差，δ、Ak≈零，脆性很大。3、鐵素體（F或α）

鐵素體是碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃時0.0218%；室溫時為0.0008%,幾乎為零。其強度和硬度很低，塑性、韌性好。顯微組織是明亮的多邊形晶粒。4、奧氏體（A或γ）

奧氏體是碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量較高，1148℃時2.11%；727℃時為0.77%。其強度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。其晶粒呈多邊形，晶界較鐵素體平直。5.珠光體（P）

珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，有珍珠光澤。是奧氏體冷卻時，在727℃恒溫下發(fā)生共析轉變的產物。顯微組織是鐵素體與滲碳體片層狀交替排列。性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，有一定的塑性。6.萊氏體（Ld或Ld'）萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。是在1148℃恒溫下發(fā)生共晶轉變的產物，平均碳含量4.3%。第二節(jié)相圖分析SPKGNAJBECFDQHALL+AL+Fe3CA＋FA+Fe3CF+Fe3CFLL+AAL+Fe3CF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdP+

Fe3CⅡ+L’dP+

Fe3CⅡF+PFe3C+LdFe3C+L’dL+δδδ+AH第二節(jié)鐵碳合金相圖（0.53）（0.17）（0.09）一、主要特性點（P18）LL+AAL+Fe3CF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdP+

Fe3CⅡ+L’dP+

Fe3CⅡF+PFe3C+LdFe3C+L’dL+δδδ+AHA點G點Q點D點純鐵的熔點，溫度1538℃純鐵的同素異晶轉變點，912℃600℃時,碳在α-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%滲碳體熔點,溫度1227℃,Wc=6.69%LL+AAL+Fe3CF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdP+

Fe3CⅡ+L’dP+

Fe3CⅡF+PFe3C+LdFe3C+L’dL+δδδ+AHC點E點S點P點共晶點，溫度1148℃，Wc=4.3%，共晶反應共析點，溫度727℃，Wc=0.77%，共析反應：碳在α-Fe中的最大溶解度,溫度727℃,Wc=0.0218%碳在γ-Fe中的最大溶解度,溫度1148℃，Wc=2.11%二、特性線

ACD線AECF線ECF線液相線，由各成分合金開始結晶溫度點所組成的線，鐵碳合金在此線以上處于液相。固相線，由各成分合金結晶結束溫度點所組成的線。在此線以下，合金完成結晶，全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。共晶線，Wc＞2.11%的鐵碳合金，緩冷至該線1148℃時，均發(fā)生共晶轉變，生成萊氏體。ES線GS線PSK線碳在奧氏體中的溶解度曲線，通常稱為Acm線。碳在奧氏體中最大溶解度是E點（WC＝2.11％），隨著溫度的降低，碳在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出Fe3CⅡ。奧氏體冷卻時開始向鐵素體轉變的溫度線,通常稱為A3線。共析線，通常稱為A1線。奧氏體冷卻到共析線溫度727℃時，將發(fā)生共析轉變生成珠光體P，WC＞0.0218%的鐵碳合金均會發(fā)生共析轉變。AcmA3A1※以上各特性線的含義，均是指合金緩慢冷卻過程中的相變。若是加熱過程，則相反。

GP線PQ線0＜Wc＜0.0218%的鐵碳合金，緩冷時，由奧氏體中析出鐵素體的終了線。碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727℃時,Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600℃時，Wc=0.0057%。在727℃緩冷時，鐵素體隨著溫度降低，溶碳量減少，鐵素體中多余的碳將以滲碳體（三次滲碳體Fe3CⅢ）的形式析出。一般忽略Fe3CⅢ。L＋AL+Fe3CA+Fe3CA＋FF+Fe3C三、相區(qū)

單相區(qū)F、A、L和Fe3C四個兩相區(qū)三相區(qū)ECF共晶線上L、A、Fe3CPSK共析線上A、F、Fe3C四、鐵碳合金的分類亞共析鋼共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵——Wc<

0.02%——0.0218%<

Wc

<0.77%

——Wc=0.77%——0.77%<

Wc

<

2.11%——2.11%<

Wc

<

4.3%——Wc=4.3%——4.3%<

Wc

<6.69%碳鋼白口鑄鐵工業(yè)純鐵鐵碳合金分類§2鐵碳合金相圖分析共析鋼平衡結晶過程分析亞共析鋼平衡結晶過程分析過共析鋼平衡結晶過程分析亞共晶鑄鐵平衡結晶過程分析過共晶鑄鐵平衡結晶過程分析共析鋼平衡結晶過程分析：

共析鋼P×500L→L+A→A→P727℃下P中兩相相對含量室溫下P中兩相相對含量共析鋼從727℃降到室溫，溶C量減少，以Fe3CⅢ析出所以Fe3C增多，而F量減少共析鋼金相組織圖FFe3C亞共析鋼平衡結晶過程分析：

L→L+A→A→A+F→

P+F亞共析鋼αＰ含碳量越多，P越多40%C室溫時P、F相對含量：兩相平衡時杠桿定律應用室溫組織組成物：P、F0.770.020.45室溫相組成物：F、Fe3CAFA+F過共析鋼平衡結晶過程分析L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→

P+Fe3CⅡ過共析鋼×500Fe3CⅡＰ1.2%C室溫時P、Fe3CⅡ相對含量：杠桿定律應用1.20.77A+Fe3CⅡ2.11室溫組織組成物：P、Fe3CⅡ室溫相組成物：F、Fe3C1亞共析鋼與過共析鋼組織比較鐵碳合金組織特征(a)0.01%C鐵素體500×(c).0.77%C珠光體

500×(b)0.45%C鐵素體+珠光體

500×d).1.2%C

珠光體+二次滲碳體

500×圖4-11共晶鑄鐵平衡結晶過程分析平衡結晶過程分析PFe3C共晶鑄鐵室溫時相和組織組成物的相對含量相組成物：組織組成物：從兩相的含量可知，滲碳體是基體。故共晶鑄鐵性能硬而脆Ld′=100%亞共晶鑄鐵平衡結晶過程分析室溫平衡組織：P+Fe3CⅡ+Ld′1234PFe3CⅡLd’亞共晶白口鐵組織金相圖室溫下亞共晶鑄鐵相和組織組成物的相對含量相組成物的計算（含碳量3.0）組織組成物的計算P+Fe3CⅡ+Ld′過共晶鑄鐵平衡結晶過程分析室溫平衡組織：

Fe3CI+Ld‘（P+Fe3CⅡ+Fe3C）Fe3CⅠFe3C+Fe3CⅡP過共晶白口鐵組織金相圖室溫下過共晶鑄鐵相和組織組成物的相對含量含碳量5.0。相組成物含量組織組成物含量（Ld′、Fe3C）五種滲碳體Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fe3C共晶（萊氏體中的滲碳體）、Fe3C共析（珠光體中的滲碳體），本質并無區(qū)別（成分、結構及本身性質均相同，屬于同一種相）只是由于來源和形態(tài)不同，屬于不同的組織組成物。它們對鐵碳合金的性能將具有不同的影響FeFe3C

T°ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%C(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)§3鐵碳合金的成分、組織與性能間的關系一、碳的質量分數對平衡組織的影響隨著含碳量的增加，鐵碳合金的室溫組織變化順序為:F→F+P→P→P+Fe3CⅡ

→P+Fe3CⅡ+Ld’→Ld’→Ld’+Fe3CⅠ在室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金中的碳大多以Fe3C形式存在。硬度高800HBS，極脆，塑性幾乎為0。碳的質量分數增高時，組織中不僅滲碳體的數量增加，而且滲碳體的大小、形態(tài)和分布情況也隨著發(fā)生變化。如：珠光體中滲碳體由層狀分布在鐵素體基體內；Fe3CⅡ中呈網狀分布在晶界上；在萊氏體中：滲碳體已作為基體出現。在鐵碳合金中，滲碳體一般可看作是一種強化相。

基體是鐵素體，隨著滲碳體數量的增加，其強度和硬度升高，而塑性與韌性相應降低。當二、碳的質量分數對力學性能的影響硬而脆的滲碳體以網狀分布在晶界，特別是作為基體出現時，將使鐵碳合金的塑性、韌性大大下降。含碳量對45退火鋼力學性能的影響純鐵：塑性好、韌性很好，而強度和硬度很低。亞共析碳鋼：隨著碳的質量分數的增加，鋼的強度和硬度呈直線上升，而塑性、韌性不斷下降。過共析碳鋼：當鋼中WC>0.9%時，脆性的二次滲碳體數量也相應增加，形成網狀分布，使其脆性增加，不僅使鋼的塑性、韌性進一步下降，而且強度也明顯下降。白口鑄鐵：特硬特脆，難以切削加工，因此很少應用。但它耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于耐磨、不受沖擊、形狀復雜的鑄件。此外，還用作生產可鍛鑄鐵的毛坯。為選材提供成分依據若零件要求塑性、韌性好，如建筑結構和容器等，應選用低碳鋼（0.10~0.25%);若零件要求強度、塑性、韌性都較好，如軸等，應選用中碳鋼（0.25~0.60%C);若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，應選用高碳鋼（0.6~1.3%).白鐵具有很高的硬度和脆性，應用很少，但因其具有很高的抗磨損能力，可應用于少數耐磨而不受沖擊的零件，如：軋輥和球磨機的鐵球等?！?相圖的實際應用

推測合金鑄造性能共晶成分的合金，其凝固溫度間隔最小（為零），故流動性好，分散縮孔較小，有可能得到致密的鑄件。在鑄造生產中的應用確定澆注溫度對于給定成分的鐵碳合金，通過相圖找到其熔點，確定合適的澆注溫度。T澆=液相線以上50~100℃鍛造中的應用鋼材的鍛造或軋制應選擇在具有單相奧氏體（強度低、塑性好）的溫度范圍內進行，才能有較好的塑性。始鍛溫度：固相線以下100~200℃終鍛溫度：一般高于再結晶溫度焊接中的應用：焊接時在不同加熱區(qū)域會獲得不同的高溫組織，隨后的冷卻也就可能出現不同組織與性能，這就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善。切削加工中的應用：生產中最常用的辦法之一是通過適當的熱處理工藝，改變材料的金相組織，使材料的切削加工性得到改善，其依據也是鐵碳相圖?！?碳鋼1、生鐵的冶煉原料：鐵礦石燃料：焦炭熔劑：石灰石設備：高爐2、鋼的冶煉原料：生鐵、廢鋼燃料：焦炭熔劑：石灰石；氧化劑，脫氧劑設備：電弧爐鋼鐵材料的生產過程生鐵的冶煉鋼的冶煉設備：三相電弧爐鋼中的元素鋼中除Fe、C兩種基本的組成元素外，雜質元素：因冶煉原因，鋼中不可避免存在的元素合金元素：為提高鋼的性能，冶煉時有目的加入鋼中的元素。都會對鋼的組織和性能帶來影響一、雜質元素對鋼性能的影響

常見雜質元素：Si、Mn、P、S及非金屬夾雜物及氫、氮、氧等氣體。

Si

Mn

有很強的固溶強化作用,脫氧能力強。能消除FeO；溶于F中，提高鋼強度、硬度和彈性，但使塑性韌性降低。含量＜0.35%.脫氧、去硫,提高鋼的強度和硬度。Mn溶于F中，形成置換固溶體；溶入FeC3形成合金FeC3；能增加珠光體相對含量，使之細化，使鋼強度提高。鋼中含量通常＜0.8%.有益元素S—能引起鋼在熱加工時或高溫工作下開裂(熱裂)。熱脆:S不溶于Fe,形成FeS,Fe與FeS形成低熔點共晶體,分布于鋼的A晶界上,當鋼材加熱到1000~1200℃進行壓力加工時,由于低熔點共晶體熔化而使鋼在熱加工過程中沿著晶粒邊界開裂,表現出極大的脆性.3、非金屬夾雜物降低力學性能（塑性、韌性、疲勞強度），產生裂紋。氫脆

消除方法:在鋼中加入錳鐵提高含錳量Mn+S→MnS熔點高,高溫時具有一定塑性,避免熱脆有害元素:有害元素:

P—有很強的固溶強化作用,低溫韌性差。冷脆P容易在A晶界處偏聚，含量低時以固溶體存在，含量高時以Fe3P形式存在。

大量實驗證明，晶界處P的偏析和Fe3P的存在使鋼室溫下的塑性韌性急劇下降,并使鋼在服役時脆性轉化溫度升高,鋼性變脆,這種現象低溫時表現尤其突出.P使鋼產生偏析并難用熱處理方法去除.普通鋼Wp≤0.045%,優(yōu)質鋼Wp≤0.035%,高級優(yōu)鋼Wp≤0.030%,特級優(yōu)質鋼Wp≤0.025%,Titanic沉沒原因：Titanic—鋼板韌性很差。沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。按碳的質量分數分類:

碳素鋼:Ws≤0.055%，Wp≤0.045%優(yōu)質碳素鋼:Ws、Wp≤0.035%高級優(yōu)質碳素鋼:Ws≤0.030%，Wp≤0.030%特級優(yōu)質碳素鋼：Ws≤0.020%，Wp≤0.025%二、碳鋼的分類：低碳鋼:Wc≤0.25%中碳鋼:0.25%≤Wc≤0.6%高碳鋼:Wc>0.6%按鋼的質量分類:按鋼的用途分類:碳素結構鋼碳素工具鋼用于制造各種機械零件、工程構件。一般為低、中碳鋼。用于制造各種工具。一般為高碳鋼。如：鐵道、橋梁、各類建筑工程。中小齒輪、軸類、活塞銷按冶煉方法分類是在冶煉后期將鋼液用少量錳鐵輕度脫氧，鋼液氧含量（FeO)較高，注入錠模后發(fā)生碳—氧反應，析出大量的CO氣體，引起鋼液表面沸騰，故稱為沸騰鋼。鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼是鋼液在澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進行充分脫氧，注入模子后，鋼液不發(fā)生碳—氧反應而處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)。特點：成材率低，成本高，但成分偏析小，鋼質均勻，組織致密，強度較高。按鋼的化學成分分類

非合金鋼（碳素鋼）低合金鋼：合金元素總量小于3.5%的合金鋼中合金鋼：合金含量在3.5-10%之間；高合金鋼：合金含量大于10%。

三、碳素鋼的牌號1、碳素結構鋼：國家標準中由代表屈服點的字母、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法符號等4個部分按順序組成。

Q+數字，如Q235表示屈服點是235MPa；Q235-A·F,表示屈服點為235的A級沸騰鋼,z、TZ可以省去。：兩位數字表示鋼材中的平均含碳量的萬分數，如20鋼表示平均含碳量為0.20%，15Mn表示鋼材中的含錳量比較高0.7~1.0%。優(yōu)質碳素結構