材料科學基礎-鐵碳相圖

材料科學基礎——鐵碳相圖第1頁/共97頁Fe3CFe2CFeC溫度FeC(6.69%C)第2頁/共97頁第3頁/共97頁滲碳體是個亞穩(wěn)定的相，石墨才是穩(wěn)定的相。但石墨的表面能很大，只有在極緩慢冷卻或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，鐵碳相圖有兩類：

Ⅰ

液體、固溶體和滲碳體之間亞穩(wěn)平衡，是緊靠鐵端部分，其中C含量的范圍是0～6.69％

Ⅱ

液體、固溶體和石墨之間的穩(wěn)定平衡，其中C含量的范圍是0～100％。

第4頁/共97頁123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L第5頁/共97頁4.1鐵碳合金中的組元及相

純鐵（iron）1394℃1538℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe第6頁/共97頁力學性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％

HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2應用：主要應用于電子材料，作為鐵芯。第7頁/共97頁碳在α-Fe中的間隙固溶體稱為α鐵素體，簡稱為鐵素體(Ｆ)；最大溶碳量為727℃時的wc=0.0218%，最小為室溫時的wc=0.0008%；性能為：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的間隙固溶體稱為δ鐵素體，(δ)，最大溶碳量為1495℃時的0.09％。鐵素體（Ferrite）第8頁/共97頁碳在γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體(A)，最高溶碳量為1148℃時的wc=2.11％；奧氏體具有高塑性、低硬度和強度，其力學性能為：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奧氏體主要存在于727℃以上的高溫范圍內(nèi)，利用這一特性，工程上常將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)下進行塑性成形。奧氏體（Austenite）第9頁/共97頁滲碳體（Cementite）滲碳體是指晶體點陣為復雜正交點陣，化學式近似于Fe3C的一種間隙式化合物，用符號Fe3C表示，其含碳量為wc=6.69%，滲碳體具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力學性能指標大致為：硬度800HB、抗拉強度(σb)30MPa、伸長率(δ)~0、沖擊韌度(αk)~0。第10頁/共97頁珠光體（Pearlite）F＋Fe3C的一種機械

混合物，用符號P表

示，其組織為層片狀

結構，綜合了鐵素體

和滲碳體優(yōu)點，其綜

合力學性能好。第11頁/共97頁萊氏體（Ledeburite）萊氏體是由A＋Fe3C組成的一種機械混合物，用符號Ld表示，其組織結構為滲碳體基體上分布的奧氏體，主要體現(xiàn)了滲碳體特點，硬而脆。第12頁/共97頁4.2Fe-Fe3C

相圖分析FeT°Fe3C第13頁/共97頁

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)第14頁/共97頁第15頁/共97頁符號溫度/℃

ω（C）/%說明A1538℃0純鐵的熔點B1495℃0.53包晶轉變時液態(tài)合金的成分C1148℃4.30共晶點D1227℃6.69滲碳體的熔點E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反應生成的滲碳體G912℃0α-Fe向γ-Fe轉變溫度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度第16頁/共97頁J1495℃0.17包晶點K727℃6.69共析反應生成的滲碳體M770℃0純鐵的磁性轉變點N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的轉變溫度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性轉變溫度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析點（A1）Q600℃0.0057600℃時碳在α-Fe中的溶解度第17頁/共97頁第18頁/共97頁液相線：ABCD固相線：AHJECF五個單相區(qū)：L，δ，γ，α和Fe3C七個兩相區(qū)：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ

，

α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C兩條磁性轉變線：MO（鐵素體的）及過230℃的虛線（滲碳體的）三條水平相變線：HJB——包晶轉變線

ECF——共晶轉變線

PSK——共析轉變線第19頁/共97頁1.包晶轉變反應式:LB

+H

AJ1495℃3.共析轉變反應式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶轉變反應式:LC

(

AE

+Fe3C)Ld

1148℃第20頁/共97頁4.3典型鐵碳合金的平衡凝固第21頁/共97頁工業(yè)純鐵(iron)：C%<0.0218%鋼(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分為：共析鋼(eutectoidsteel)：C%：0.77%亞共析鋼(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%過共析鋼(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%鑄鐵(castiron)：

C%：2.11～6.69%，有較好的鑄造性能、質脆，不能鍛造。又分為：共晶鑄鐵(eutecticcastiron)：

C%：4.30%亞共晶鑄鐵(hypoeutecticcastiron)：

C%：2.11～4.30%過共晶鑄鐵(hypereutecticcastiron)：

C%：4.30～6.69%第22頁/共97頁1.工業(yè)純鐵(Wc<0.0218%)第23頁/共97頁純鐵組織金相圖第24頁/共97頁2.共析鋼

(Wc=0.77%)第25頁/共97頁共析鋼組織金相圖第26頁/共97頁相組成：α+Fe3C組織組成：P

共析鋼

(Wc=0.77%)第27頁/共97頁3.亞共析鋼(Wc=0.45%)第28頁/共97頁亞共析鋼組織金相圖第29頁/共97頁組織組成：α

+P亞共析鋼(Wc=0.45%)相組成：α

+Fe3C第30頁/共97頁

a)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc第31頁/共97頁4.過共析鋼(Wc=1.2%)第32頁/共97頁過共析鋼組織金相圖第33頁/共97頁組織組成：Fe3C+P過共析鋼(Wc=1.2%)相組成：α

+Fe3C第34頁/共97頁a)硝酸酒精浸蝕b)苦味酸鈉的浸蝕白色網(wǎng)狀相為二次滲碳體黑色網(wǎng)狀為二次滲碳體暗黑色為珠光體淺白色為殊光體第35頁/共97頁5.共晶白口鑄鐵(Wc=4.3%)第36頁/共97頁共晶白口鑄鐵組織金相圖第37頁/共97頁組織組成：Fe3C+P——Ld‘共晶白口鑄鐵(Wc=4.3%)相組成：α

+Fe3C第38頁/共97頁第39頁/共97頁6.亞共晶白口鑄鐵(Wc=3.0%)第40頁/共97頁亞共晶白口鑄鐵組織金相圖第41頁/共97頁組織組成：Fe3C+P+Ld’——？亞共晶白口鑄鐵(Wc=3.0%)相組成：α

+Fe3C第42頁/共97頁第43頁/共97頁7.過共晶白口鑄鐵(Wc=5.0%)第44頁/共97頁過共晶白口鑄鐵組織金相圖第45頁/共97頁組織組成：Fe3C+Ld‘過共晶白口鑄鐵(Wc=5.0%)相組成：α

+Fe3C第46頁/共97頁第47頁/共97頁

總結：從Fe-Fe3C相圖可知，鐵碳合金室溫下的相組成物都是鐵素體和滲碳體，并且隨含碳量的增加，滲碳量不斷增多。而室溫組織組成物卻有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ

和Ld’。第48頁/共97頁第49頁/共97頁第50頁/共97頁第51頁/共97頁碳含量相組成組織組成工業(yè)純鐵<0.0218%F+Fe3CF亞共析鋼0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析鋼0.77%F+Fe3CP過共析鋼0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亞共晶鑄鐵2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶鑄鐵4.30%F+Fe3CLd’過共晶鑄鐵4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’第52頁/共97頁補充：Fe-石墨相圖AGNQαG

123456BCDEFHJPMOSK1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγγ＋G

α＋G02510152025第53頁/共97頁與Fe-Fe3C相圖的不同之處：1）液相線：ABCD’

固相線：AHJE’C’F’2）在Fe-Fe3C相圖中所有析出滲碳體的線、點，在Fe-石墨相圖中除位置除有所改變外，都是析出石墨：

C’D’線析出初次石墨

E’S’線析出二次石墨

E’C’F’線通過共晶轉變形成的共晶體是奧氏體與片狀石墨組成的團狀組織。第54頁/共97頁

1.共析組織是由鐵素體和石墨組成的，石墨呈點狀分布在鐵素體基體上。各類鐵碳合金中的石墨形態(tài)

2.碳含量大于2.08%的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附在共晶石墨上生長。最終得到片狀石墨加鐵素體組織。第55頁/共97頁石墨可有兩種形態(tài)：

A型石墨無方向性均勻分布

B型石墨呈片狀與點狀聚集成的菊花狀分布A型B型a.共晶成分鐵-石墨相圖凝固第56頁/共97頁如果碳含量偏低，則在共晶轉變之前有較多的先共晶奧氏體呈樹枝狀析出，此時奧氏體—石墨共晶只能在枝晶間生長。此時石墨呈D型分布。b.亞共晶成分鐵-石墨相圖凝固D型石墨在枝晶間呈點片狀分布第57頁/共97頁過共晶成分的鐵碳合金凝固后組織中含有初次石墨

C型：初次石墨呈粗大的片狀

F型：初次石墨呈星狀分布C型F型c.過共晶成分鐵-石墨相圖凝固第58頁/共97頁澆鑄前在液體里加入鎂或稀土元素并加入少量硅：石墨呈球狀——球墨鑄鐵d.進行變質處理第59頁/共97頁含碳量小于2.11％的合金在一般情況下都是按照亞穩(wěn)系統(tǒng)轉變的。含碳量高于2.11％的合金，在實際生產(chǎn)中是把成分控制在共晶或亞共晶范圍內(nèi)，在高溫區(qū)，按穩(wěn)定系統(tǒng)凝固與轉變，得到共晶與二次石墨；在低溫區(qū)，按亞穩(wěn)系統(tǒng)轉變得到珠光體。

L2.08A4.250.68A0.0218Fα－FeG共晶G二次G共析G三次第一階段第二階段第三階段第60頁/共97頁鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得的組織名稱程度第一階段第二階段第三階段顯微組織灰口鑄鐵充分進行充分進行充分進行F＋G充分進行充分進行部分進行F＋P＋G充分進行充分進行不進行P＋G麻口鑄鐵部分進行部分進行不進行Ld’＋P＋G白口鑄鐵不進行不進行不進行

Ld’＋P＋Fe3C第61頁/共97頁碳含量相組成組織組成工業(yè)純鐵<0.0218%F+Fe3CF亞共析鋼0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析鋼0.77%F+Fe3CP過共析鋼0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亞共晶鑄鐵2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶鑄鐵4.30%F+Fe3CLd’過共晶鑄鐵4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’第62頁/共97頁鑄鐵經(jīng)不同程度石墨化后所得的組織名稱程度第一階段第二階段第三階段顯微組織灰口鑄鐵充分進行充分進行充分進行F＋G充分進行充分進行部分進行F＋P＋G充分進行充分進行不進行P＋G麻口鑄鐵部分進行部分進行不進行Ld’＋P＋G白口鑄鐵不進行不進行不進行

Ld’＋P＋Fe3C第63頁/共97頁4.4Fe-Fe3C相圖的應用1.碳對平衡組織的影響00.02180.772.114.350%100%FCmⅡCmⅠC%P室溫組織組成相對量圖表第64頁/共97頁0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相組成相對量圖表第65頁/共97頁2.碳對力學性能的影響第66頁/共97頁3.碳對可鍛性能的影響鋼的可鍛性首先與含碳量有關。低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加，可鍛性逐漸變差。奧氏體具有良好的可鍛性，易于塑性變形。因此鋼材的始鍛或始軋溫度一般選在單相奧氏體區(qū)。終鍛溫度不能過低，以免塑性變差。第67頁/共97頁4.碳對流動性的影響兩個主要影響因素：化學成分和澆鑄溫度化學成分：C的影響最大。C量增加，結晶溫度增大，流動性應該變差。但是，隨C量增加，液相線溫度降低。因此，同樣澆鑄溫度下，含C量高的鋼過熱度大，對鋼液的流動性有利。鑄鐵液相線較低，流動性比鋼好。共晶成分鑄鐵流動性最好。第68頁/共97頁煉鋼脫氧時，Mn可把FeO還原成鐵，并形成MnO。降低鋼種脆性，提高強度和硬度。Mn還可與鋼液中的S形成MnS（熔點：1600oC），一定程度上消除S的影響。這些反應產(chǎn)物大部分進入爐渣，小部分殘留在鋼中成為非金屬夾雜物。1.Mn的影響4.5碳鋼4.5.1鋼中常見雜質元素第69頁/共97頁殘余的Mn，凝固后溶于奧氏體或鐵素體中，起固溶強化作用。還可溶于滲碳體，形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C。是鋼中的有益元素。第70頁/共97頁鋼中Si含量通常小于0.5%，脫氧時進入，形成SiO2進入爐渣或者成為非金屬夾雜物。Si同樣可以溶于奧氏體或鐵素體中，起固溶強化作用。含量不超過1％時，不降低鋼的塑性和韌性。所以，認為Si是鋼中的有益元素。2.Si的影響第71頁/共97頁冷鐓件和冷沖壓件的鋼材，因Si對鐵素體的強化作用，使鋼的彈性極限升高，以至在加工過程中造成模具的磨損過大，動力消耗過大，因此冷鐓件和冷沖壓件常常采用含Si很低，不脫氧的沸騰鋼。第72頁/共97頁硅鋼中的Si提高鐵的電阻率和最大磁導率，降低矯頑力、鐵芯損耗和磁時效。第73頁/共97頁S可溶于液態(tài)鐵中，但在固態(tài)鐵中的溶解度極小，并可與鐵形成FeS。FeS與γ鐵形成熔點為989℃的（Fe＋FeS）的共晶體，這種共晶體將在鋼液凝固后期凝固，并存在于奧氏體枝晶間。（Fe＋FeS）共晶體的量很少，幾乎都是離異共晶。網(wǎng)狀FeS對鋼的力學性能損害極大。3.S的影響第74頁/共97頁如果鋼中存在（Fe＋FeS）共晶體，在加熱到1150～1200℃之間時，會成為液體。變形過程中會開裂，稱這種現(xiàn)象為熱脆或紅脆。如果鋼液脫氧不良，含較多FeO，還會形成熔點更低的（Fe＋FeO＋FeS)三相共晶體，其危害更大。第75頁/共97頁所以，S是一種有害元素。普通質量鋼中其含量≤0.055％；優(yōu)質鋼中其含量在0.040％以下；高級優(yōu)質鋼則≤0.030％；要求更高時，甚至限制其含量≤0.020％。

高硫鋼具有耐高溫、自潤滑、耐磨損、抗粘結（咬和）的優(yōu)良性能，它可以廣泛應用于鋼鐵、機械、礦山、油田、港口、汽車、農(nóng)用車、結構件，高硫合金鋼取代低硫合金鋼，并具有長的使用壽命。第76頁/共97頁4.P的影響由于Fe-P相圖中液相線和固相線距離很大，因此P在Fe中具有很強的偏析傾向。在鐵基合金中，P對鐵素體較之其它元素具有更強的固溶強化能力，但在P含量較高時，它會劇烈地降低鋼的塑性和韌性。第77頁/共97頁P會降低鋼的沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉化溫度，提高鋼的冷脆。P還會使鋼發(fā)生藍脆現(xiàn)象。藍脆就是指鋼在加熱到150～300℃時，產(chǎn)生硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。這是因為在空氣中加熱到150～300℃時，由于氧化作用，鋼的表面呈現(xiàn)藍色。藍脆一般是有害的。因此，在含量較高時，P是一種有害元素。一般情況下，普通鋼的P含量限制在0.045％以下；優(yōu)質鋼在0.04％以下；高級優(yōu)質鋼在0.035％以下。第78頁/共97頁高P鋼也可被利用：

1）在炮彈鋼中加入較多的P，可使炮彈在爆炸時產(chǎn)生更多的彈片，殺傷更多的敵人；

2）在易削鋼中使鐵素體適當脆化，提高切削加工零件的表面光潔度；

3）P和Cu一起加入鋼中，可以提高鋼在大氣中的抗蝕性。第79頁/共97頁2023/4/14/07:32:51高強深沖鋼及P的作用

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)約能源、減輕汽車自重的需要，高強度深沖鋼成為研發(fā)熱點。

目前日本開發(fā)的含P深沖鋼：屈服強度：235MPa抗拉強度：390MPa第80頁/共97頁高強度鋼板在不同強化機制下抗拉強度和延伸率的關系第81頁/共97頁2023/4/14/07:32:51固溶強化元素對鋼屈服強度影響第82頁/共97頁2023/4/14/07:32:51研究表明，要獲得綜合性能優(yōu)良的含P高強IF鋼，需要從微合金化、超低碳、鋼質純凈及熱軋、冷軋和退火工藝等方面控制，以獲得強的｛111}//ND有利織構及較均勻的鐵素體晶粒。含P高強度鋼有：低碳含P鋼板和超低碳含P鋼板（含P高強度IF鋼）第83頁/共97頁平爐鋼：0.001～0.008％純氧頂吹轉爐鋼：0.003～0.006％電爐鋼：0.008～0.03％。5.N的影響

含有N的低碳鋼在冷塑性變形后，性能將隨時間變化，即強度、硬度增高，塑性、韌性降低。這種現(xiàn)象叫做應變時效。第84頁/共97頁H溶入鋼中使鋼的塑性和韌性降低——氫脆。H由原子態(tài)變?yōu)榉肿討B(tài)，體積膨脹形成裂紋——白點。6.H的影響白點對鋼的性能影響：使鋼的力學性能大大下降，造成工件開裂、破壞或使用中嚴重失效，故在任何情況下，凡有白點的鋼材或工件都被禁止使用。第85頁/共97頁第86頁/共97頁平爐鋼：0.02～0.03％電爐鋼：0.01～0.02％側吹堿性轉爐鋼：0.04～0.07％。700℃時，α鐵能溶氧0.008％500℃以下降至<0.001％。常見的氧化物有Al2O3、