第四章鐵碳相圖

第四章鐵碳合金生產(chǎn)中常用的碳鋼和鑄鐵都是在鐵中加入一定比例的碳形成的,因此,碳和鐵是組成鋼鐵材料的最基本組元.我們可以從碳和鐵入手,研究鐵碳組元各自的性質(zhì)及交互作用,從而更好掌握鋼鐵材料的性能.鐵與碳可以形成一系列化合物：Fe3C,Fe2C,FeC.鋼的含碳量≤2.11%；鑄鐵含碳量≤5%,因此,在研究鐵碳合金時(shí),僅研究Fe-Fe3C(Wc=6.69%)部分,所以,我們討論的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe-Fe3C相圖.§1鐵碳合金的組元及基本相一、純鐵基本性質(zhì):元素周期表中第26個(gè)元素,原子量56,屬過(guò)渡族,熔點(diǎn)1538℃,2738℃氣化、常溫密度7.87g/m3.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變:

實(shí)驗(yàn)證明，純鐵在固態(tài)冷卻時(shí)有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變：同一元素在固態(tài)下隨溫度而發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)的變化.也稱同素異晶轉(zhuǎn)變

(磁性轉(zhuǎn)變)A2轉(zhuǎn)變鐵的居里點(diǎn)A4轉(zhuǎn)變A3轉(zhuǎn)變A4點(diǎn)A3點(diǎn)純鐵的性能：工業(yè)純鐵含鐵99.8-99.9%，0.1-0.2%的雜質(zhì)，主要為碳.機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度176-274MN/m2，屈服強(qiáng)度98-166MN/m2,延伸率30-50%，斷面收縮率:70-80%，沖擊韌性:160-200J/cm2，硬度:50-80HB室溫下,強(qiáng)度低,塑韌性好,很少用作結(jié)構(gòu)材料用途:利用其鐵磁性作為各種儀器儀表的鐵芯二、鋼中常見(jiàn)相鐵素體：碳溶于α－Fe中的間隙固溶體，具bcc結(jié)構(gòu)，用符號(hào)F或α表示.

性質(zhì):與純鐵相近,居里點(diǎn)也是770℃.碳在其中最大固溶度為0.0218%(727℃),室溫為0.008%以下.

奧氏體:碳溶于γ

－Fe中的間隙固溶體，具有fcc結(jié)構(gòu)，用A或γ表示.奧氏體中碳的最大溶解度為2.11%(1148℃)

性質(zhì):塑性好，具有順磁性鐵素體:碳溶于-Fe中的間隙固溶體，具有bcc結(jié)構(gòu)，用表示，其最大溶解度0.09%(1495℃).

鐵與碳形成的間隙化合物，含碳量為6.69%，用Fe3C

或Cm表示，具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系.

性質(zhì):硬度高HB800

，熔點(diǎn)1227℃。

塑性差,室溫下,鐵碳合金中碳以Fe3C形式存在

在一定條件下：

Fe3C→3Fe+C(石墨)

2、滲碳體:

§2Fe-Fe3C相圖前面所學(xué)的二元合金相圖是研究在緩慢冷卻條件下,合金中相與組織、溫度、成分間的關(guān)系。Fe-Fe3C相圖同樣，它是研究緩慢冷卻條件下鐵碳合金組織、溫度、成分等之間的關(guān)系，由此確定合理的熱加工工藝，達(dá)到工業(yè)上需要的性能。1.相圖中的相區(qū)

單相區(qū)（5個(gè)）L、δ、

γ、α、Fe3C

兩相區(qū)：7個(gè)

L＋δ、

δ

＋

γ、L＋

γ、L＋Fe3C、

γ

＋Fe3C、

α

＋γ、α

＋Fe3C

三相區(qū)：3個(gè)

L＋δ＋

γ、

L＋

γ

＋Fe3C

、γ

＋α

＋Fe3C2、相圖中的特征線

液相線:ABCD，固相線:AHJECF，等溫線.

等溫線：HJB包晶線:14950CLB＋δHγJ產(chǎn)物：奧氏體ECF共晶線:11480CLC

（γE＋Fe3C）產(chǎn)物：萊氏體LdPSK共析線:7270Cγs

（

αP＋Fe3C）產(chǎn)物：珠光體P

ES線：C在奧氏體中的溶解度曲線，也叫Acm線。當(dāng)溫度降低碰到此線時(shí)，將從奧氏體中析出二次滲碳體（Fe3CⅡ）

GS線：冷卻時(shí)，從奧氏體中析出鐵素體的開(kāi)始線或加熱時(shí)，鐵素體溶入奧氏體的終了線，稱A3線。

PQ線：C在鐵素體中的溶解度曲線。冷卻時(shí)碰到PQ線，從α－Fe中將析出Fe3C，稱為三次滲碳體（Fe3CⅢ）。

三條特性曲線：§3典型合金的結(jié)晶過(guò)程：鐵碳合金工業(yè)純鐵＜0.0218%C鋼亞共析鋼0.0218-0.77%C共析鋼0.77%C過(guò)共析鋼0.77－2.11%C白口生鐵亞共晶生鐵2.11-4.3%C共晶生鐵4.3%C過(guò)共晶生鐵4.3－6.69%C平衡結(jié)晶過(guò)程：1）工業(yè)純鐵：0.01%C1點(diǎn)以上：液相的冷卻1點(diǎn)：從L相中開(kāi)始結(jié)晶出δ1-2：L

δ2-3：δ

相的冷卻3-4：δ

γ4-5：

γ

相的冷卻5-6：γ

α

6-7：α

相的冷卻7以下：α

Fe3CⅢ）室溫組織：α

＋Fe3CⅢ）2）共析鋼：0.77%C1點(diǎn)以上：液相的冷卻1點(diǎn):從L相中開(kāi)始結(jié)晶出γ

1-2：L

γ2點(diǎn)：全部形成γ2-3：γ

相的冷卻3點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)γs

αP＋Fe3C，珠光體P3以下：α

Fe3CⅢ室溫組織：P

（α

＋Fe3C）3）亞共析鋼：0.4%C1點(diǎn)以上：液相的冷卻1點(diǎn)：開(kāi)始結(jié)晶出δ1-2：L

δ2點(diǎn)：LB＋δHγJ發(fā)生包晶反應(yīng)，形成奧氏體。液相過(guò)剩2-3：Lγ3-4：γ

相的冷卻4-5：γ

α

5點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)γs

αP＋Fe3C珠光體P5以下：α

Fe3CⅢ室溫組織：

α

＋P計(jì)算0.40%C鋼的相對(duì)量：組織組成物：2)相組成物：4）過(guò)共析鋼1點(diǎn)以上：液相的冷卻

1-2：Lγ2點(diǎn)：全部形成γ2-3：γ

相的冷卻

3-4：γFe3CⅡFe3CⅡ沿γ

晶界呈網(wǎng)狀分布。

4點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)

γs

αP＋Fe3C，形成P室溫組織：P＋Fe3CⅡ

5）共晶白口鐵：4.3%1點(diǎn)以上：液相的冷卻。1點(diǎn)：Lc

（γ＋Fe3C）稱為萊氏體，Ld。1-2點(diǎn)：γFe3CⅡ，沿γ

晶界呈網(wǎng)狀分布。2點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)。γs

αP＋Fe3C形成P室溫組織：變態(tài)萊氏體Ld’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ

）6）亞共晶白口鐵1點(diǎn)以上：液相的冷卻1-2點(diǎn)：Lγ2點(diǎn)：LC（γ＋Fe3C）Ld2-3：γ

Fe3CⅡ3點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)。

γs

αP＋Fe3C形成P室溫組織：P+Fe3CⅡ

＋Ld’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ

）7）過(guò)共晶白口鐵1點(diǎn)以上：液相的冷卻。1-2點(diǎn)：LFe3CⅠ

粗大白色條狀2點(diǎn)：LC

γ＋Fe3C，

Ld2-3：γFe3CⅡ3點(diǎn)：發(fā)生共析反應(yīng)

γs

αP＋Fe3C，形成P室溫組織：Fe3CⅠ

＋Ld’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ

）

Fe3C小結(jié)：

析出線來(lái)源形態(tài)Fe3CⅠCDL粗大白色條狀Fe3CⅡES

γ

網(wǎng)狀分布于晶界Fe3CⅢPQα

薄片狀Fe3C共析S

γ層片狀Fe3C共析C

L基體

標(biāo)注組織的鐵碳相圖

§4含碳量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響一.對(duì)平衡組織的影響隨著含碳量增加，鐵碳合的組織變化如下：F+Fe3CⅢ（工業(yè)純鐵）→F+P（亞共析鋼）→P（共析鋼）→P+Fe3CⅡ（過(guò)共析鋼）

→P+(Fe3CⅡ)+Ld’（亞共晶白口鐵）→Ld’（共晶白口鐵）→Ld’+Fe3CⅠ（過(guò)共晶白口鐵）2.11％形態(tài)從上面的分析可以看出：鐵碳合金中，隨著含碳量的增加，不僅組織中的滲碳體的相對(duì)重量增加，而且滲碳體的形態(tài)和分布也有變化：

當(dāng)WC＜0.0218%時(shí),Fe3CⅢ是從基體相鐵素體的晶界上呈片狀微量析出。當(dāng)WC=0.0218~0.77%時(shí)，鋼發(fā)生了共析轉(zhuǎn)變，生成了珠光體，P中的Fe3C是以片狀形態(tài)分布，并且其數(shù)量隨著含碳量的增加而增加。當(dāng)WC=0.77%時(shí)，組織完全為P。當(dāng)WC=0.77~2.11%時(shí),除了有P外，還出現(xiàn)了Fe3CⅡ，它是以網(wǎng)狀沿A晶界析出的。當(dāng)WC=2.11~4.3%時(shí),鋼會(huì)發(fā)生了共晶轉(zhuǎn)變,有萊氏體析出(在萊氏體中共晶滲碳體是連續(xù)的相)并且其數(shù)量隨著含碳量的增加而增加。當(dāng)WC=4.3%時(shí)，全部是萊氏體組織。當(dāng)WC＞4.3%時(shí)，會(huì)從液相中直接析出粗大長(zhǎng)條狀的Fe3CⅠ。綜上所述：同一種組成相，如果形成條件改變，盡管本質(zhì)相同，也可形成形態(tài)不同的組織，從而影響性能；。二.對(duì)機(jī)械性能的影響由圖可知：在亞共析鋼中，隨著含碳量的增加，P的數(shù)量增加，所以強(qiáng)度、硬度增加，但塑性、韌性有所下降。當(dāng)WC=0.77%時(shí)，此時(shí)的鐵碳合金的性能即為P的性能。在過(guò)共析鋼中，WC=1.0%時(shí)，σb為最大，當(dāng)含碳量再增加，σb將會(huì)減小。（因?yàn)镕e3CⅡ

在含碳量大于1%時(shí)，于晶界形成了連續(xù)的網(wǎng)，使鋼的脆性大大增加，從而使強(qiáng)度下降）在白口鐵中，由于含有大量的滲碳體，并且是以滲碳體為基，所以，硬度極高，而強(qiáng)度很低。5.鐵碳合金的塑性由F來(lái)提供，隨著含碳量的增加，F(xiàn)在減少，所以塑性下降。當(dāng)組織中出現(xiàn)以滲碳體為基的萊氏體時(shí)，塑性大大下降以至于為0。6.沖擊韌性對(duì)組織十分敏感，當(dāng)含碳量增加時(shí)，則脆性的滲碳體必定增加，Ak將下降，尤其在出現(xiàn)網(wǎng)狀的滲碳體時(shí)，Ak將顯著下降。7.隨著含碳量的增加，硬度增加。綜上所述：為了保證工業(yè)使用的鐵碳合金具有足夠的強(qiáng)度的同時(shí)，并具有一定的塑韌性，鐵碳合金的含碳量一般不超過(guò)1.3%三.對(duì)工藝性能的影響1、切削加工性能

低碳鋼中鐵素體較多，塑性、韌性好，容易粘刀，而且切屑不易折斷，因此，切削加工性能不好。高碳鋼中滲碳體多，硬度較高，嚴(yán)重磨損刀具，切削加工性能也不好。中碳鋼硬度和塑性比較適中，切削加工性較好。一般，鋼的硬度為250HB時(shí)，具有合適的加工性能。還與導(dǎo)熱性、晶粒大小、珠光體形態(tài)等有關(guān)。

2、可鍛性

可鍛性是指金屬在壓力加工時(shí),能改變形狀而不產(chǎn)生斷裂的能力。低碳鋼的可鍛性較好，隨含碳量的增加，可鍛性變差。奧氏體具有良好的塑性，把鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)，具有良好的可鍛性。因此，對(duì)材料進(jìn)行大量變形時(shí)，大多都在奧氏體相區(qū)。開(kāi)鍛溫度不能過(guò)高，以免發(fā)生氧化；終鍛溫度不能太低，否則塑性變差，易產(chǎn)生裂紋。白口鑄鐵可鍛性很差。第四節(jié)鋼中的雜質(zhì)元素及鋼錠組織1、鋼中常存雜質(zhì)對(duì)碳鋼性能的影響：Mn的影響：Mn是煉鋼中必須加入的脫氧劑；用于除去溶于鋼液中的氧，將FeO還原為Fe，形成MnO；Mn可用于除S，與鋼液中的S結(jié)合為MnS，減輕S的危害；Mn大部分溶于F中，形成置換固溶體，強(qiáng)化F，一部分則溶于Fe3C中，形成（Fe,Mn)3C；同時(shí)，Mn還能增加珠光體的相對(duì)含量。這些都使鋼的強(qiáng)度增加；

Si的影響

Si是煉鋼中必須加入的脫氧劑；用于除去溶于鋼液中的氧，將FeO還原為Fe，形成SiO2；Si也溶于F之中，起強(qiáng)化作用，但含量較高時(shí)，會(huì)使塑韌性下降，所以含量一般為小于0.5%。

S的影響：

S是有害雜質(zhì)，煉鋼時(shí)由礦石、燃料帶到鋼中，它的最大危害是產(chǎn)生熱脆,避免熱脆，鋼中的含硫量必須嚴(yán)格控制：

普通碳鋼：含硫量≤0.055%

優(yōu)質(zhì)碳鋼：含硫量≤0.040%

高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼：含硫量≤0.030%P的影響：P也是有害雜質(zhì)，P可以完全溶入F中，使F的強(qiáng)度、硬度提高，但卻劇烈的降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，叫做冷脆。偏析嚴(yán)重，但可提高切削加工性能。為避免冷脆，鋼中的含磷量必須嚴(yán)格控制：普通碳鋼：含硫量≤0.045%

優(yōu)質(zhì)碳鋼：含硫量≤0.040%

高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼：含硫量≤0.035%Ｎ的影響：有害的方面：淬火時(shí)效：含氮較高的鋼淬火后，在室溫下長(zhǎng)期放置或稍加熱，會(huì)使鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，此現(xiàn)象叫做淬火時(shí)效；應(yīng)變時(shí)效：含氮的低碳鋼材經(jīng)冷塑性變形后，放置一段時(shí)間，其強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，此現(xiàn)象叫做應(yīng)變時(shí)效；原因：析出氮化鐵。解決：鋼中加入足夠數(shù)量的Al，形成AlN。H的影響：

來(lái)源：含水的爐料、爐氣等。氫脆：在低于強(qiáng)度極限的情況下，突然斷裂。白點(diǎn)：鋼材內(nèi)部產(chǎn)生大量的細(xì)微裂紋缺陷，斷面上為光滑的銀白色斑點(diǎn)，酸洗的橫斷面上為發(fā)絲狀裂紋。鋼的塑、韌性降低。氧及其它非金屬夾雜物的影響：2、碳鋼的分類：按含碳量分：按鋼的質(zhì)量分：按用途分：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼；低碳鋼：≤0.25％Ｃ；中碳鋼：0.30～0.55％Ｃ；高碳鋼：≥0.60％Ｃ普通碳素鋼：Ｓ≤0.055％、Ｐ≤0.045％；優(yōu)質(zhì)碳素鋼：Ｓ≤0.040％、Ｐ≤0.040％；高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：Ｓ≤0.030％、Ｐ≤0.035％；3、碳鋼的編號(hào)：碳素結(jié)構(gòu)鋼：采用國(guó)標(biāo)GB700－88；Ｑ195；優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：

45鋼：以0.01％Ｃ為單位；碳素工具鋼：Ｔ10：以0.1％Ｃ為單位；思考題：1、名詞解釋：鐵