鐵碳合金相圖及碳素鋼2

優(yōu)選鐵碳合金相圖及碳素鋼ppt目前一頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)第一節(jié)鐵碳合金中的相與基本組織一、 Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變及晶格結(jié)構(gòu)

Fe是元素周期表中第26號元素，相對分子質(zhì)量56、體積質(zhì)量7.8/cm3、熔點(diǎn)1538℃。Fe具有同素異晶轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。所謂同素異晶轉(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。同素異晶轉(zhuǎn)變也是通過成核長大的過程來完成原子重新排列的，也是一種結(jié)晶過程，也有結(jié)晶潛熱產(chǎn)生。但是，它是在固態(tài)下進(jìn)行的晶格類型的轉(zhuǎn)變，有別于液態(tài)金屬的凝固結(jié)晶，也有別于變形金屬再固態(tài)下的再結(jié)晶。因此，同素異晶轉(zhuǎn)變也被稱為重結(jié)晶，是一種固態(tài)相變。由于晶格類型不同，其原子排列的致密度也不同。因此，在同素異晶轉(zhuǎn)變時，會引起宏觀體積的變化和內(nèi)應(yīng)力的增加。由于同素異晶轉(zhuǎn)變時也有潛熱釋放，所以，在金屬冷卻曲線上也會以一個平臺形式表現(xiàn)出來。只是比結(jié)晶平臺小些。圖5-1是鐵的冷卻曲線。目前二頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

從冷卻曲線上可見到第一個1538℃的平臺是鐵的結(jié)晶溫度。結(jié)晶后是體心立方晶格Fe。當(dāng)溫度降到1394℃出現(xiàn)第二個平臺。這是Fe在固態(tài)下第一次同素異晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變成為面心立方的Fe。當(dāng)繼續(xù)冷卻到912℃時出現(xiàn)第三個平臺，這是Fe的第二次同素異晶轉(zhuǎn)變。變成體心立方的Fe。當(dāng)繼續(xù)冷卻到769℃時出現(xiàn)第四個平臺。這個平臺對應(yīng)的溫度稱為居里點(diǎn)。它不是同素異晶轉(zhuǎn)變，因為沒有晶格類型的變化。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。在不是專門研究材料磁性時，同時體心立方結(jié)構(gòu)的Fe和Fe可不加以區(qū)分統(tǒng)稱為Fe。我們在這里主要是討論鐵碳合金的力學(xué)性能，可以不必區(qū)分Fe和Fe。認(rèn)為912℃的同素異晶轉(zhuǎn)變是由Fe轉(zhuǎn)變成Fe。鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變可簡單的記作：

Fe←→Fe←→Fe。正因為Fe具有這種同素異晶轉(zhuǎn)變才使得鋼也存在多種固體相變。這正是鋼可以進(jìn)行各種熱處理的基礎(chǔ)。目前三頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)二、鐵碳合金中的相鐵碳合金的組元Fe與C相互作用可以形成幾種很重要的相。碳在Fe-C合金中的存在形式主要有三種：固溶到鐵晶格間隙中的固溶碳、與Fe形成間隙化合物的化合碳、游離在Fe-C合金中的游離碳。鐵與碳相互作用形成的主要相有以下幾種：

1.鐵素體：鐵素體是碳原子固溶到-Fe中形成的間隙固溶體。代號為F或。雖然Fe的體心立方晶格總空隙度較大（32％），但是每個具體的空隙直徑都不大，僅有0.072nm，遠(yuǎn)小于碳原子的直徑（0.154nm）。所以，碳在-Fe中的溶解度很小。室溫時溶解度Wc≤0.0008％≈0。最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。碳原子在Fe晶格間隙中的可能位置見圖5-2。鐵素體是一種強(qiáng)度不高但是塑性很好的相，見表5-1。鐵素體是鋼鐵材料在室溫室時的重要相，常作為基體相存在。目前四頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

2.奧氏體：它是碳原子固溶到Fe中所形成的間隙固溶體。代號為A或。它存于727℃以上。面心立方的Fe雖然總間隙為26％，小于Fe。但是，具體間隙的直徑卻較大，最大的直徑是0.104nm近于碳原子直徑。所以碳原子在Fe中的溶解度大于在-Fe中的溶解度。在727℃時，wc＝0.77％最大溶解度在1148℃時，wc≈2.11％。碳原子在Fe晶格間隙中的可能位置，見圖5-3。奧氏體是一種強(qiáng)度不高塑性很好的高溫相。是熱變形加工所需要的相。一般情況奧氏體不存在于室溫。

目前五頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)3.滲碳體它是鐵與碳形成的間隙化合物。分子式是Fe3C。其晶體結(jié)構(gòu)見圖2-16。有固定的Wc＝6.69％，熔點(diǎn)為1227℃?？梢暈槭且环N組元。滲碳體是具有高硬度、高脆性、低強(qiáng)度和低塑性的相見表5-1。滲碳體也是鋼鐵材料在室溫下的重要相。常作為鋼的第二相彌散強(qiáng)化的強(qiáng)化相。4.石墨它是Fe-C合金中游離存在的碳，代號G。它以簡單六方晶格結(jié)構(gòu)存在。強(qiáng)度、塑性、硬度都很低。在鋼中通常是不允許它存在。否則會降低鋼的力學(xué)性能。但是在鑄鐵材料中為了增加鑄鐵的切削加工性和降低鑄鐵的脆性并能保證一定的強(qiáng)度和韌性，常采用一些工藝措施使大多數(shù)的化合碳轉(zhuǎn)變成游離碳的石墨。使鑄鐵由白口變成灰口，成為有用的工程材料（詳見鑄鐵一章）。目前六頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

還有，在1394℃以上有一個δ鐵素體相。它是碳固溶到δFe中形成的一種間隙固溶體高溫相，在1495℃時有最大的溶解度為Wc≈0.09％。但是在我們所討論的范圍內(nèi)一般用不到這個相。此外，鐵碳合金在液態(tài)時成為液相，代號是L。上述這些相，在Fe-C合金中的顯微組織中均被稱為相組成物。在室溫下，鐵碳合金中最重要的相是鐵素體和滲碳體。它們在鋼鐵材料中既可一獨(dú)立存在，也可以以機(jī)械混合物形式組成一些基本組織。目前七頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)三、鐵碳合金中的基本組織

在鐵碳合金中，當(dāng)wc=0.77％，溫度在727℃時，會產(chǎn)生共析轉(zhuǎn)變。所共析轉(zhuǎn)變是指在某一恒定溫度時，一定成分的固相又重新結(jié)晶成兩個不同的機(jī)械混合物。這種兩相的機(jī)械混合物稱為共析體。鐵碳合金中的共析轉(zhuǎn)變是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％的奧氏體在727℃時發(fā)生重結(jié)晶，形成鐵素體和滲碳體的兩相機(jī)械混合物。這種機(jī)械混合物的共析體命名為珠光體。代號為P鐵碳合金中的共析轉(zhuǎn)變可以表示為A0.77←→（F+Fe3C）≡P。珠光體和滲碳體以相間片層形式機(jī)械混合在一起，見圖5-7。其力學(xué)性能見表5-1。目前八頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)當(dāng)wc=4.3％，溫度為1148℃時鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。L4.3←→（A+Fe3C）≡Ld即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3％鐵碳合金液相結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了奧氏體和滲碳體機(jī)械混合物的共晶體。這個共晶體命名為高溫萊氏體，代號為Ld。高溫萊氏體是存在于727℃以上的一種基本組織。在727℃以下高溫萊氏體中的奧氏體又發(fā)生共析轉(zhuǎn)變變成珠光體。這是的萊氏體就變成由P和Fe3C組成。成為低溫萊氏體，低溫萊氏體是鐵碳合金在室溫下的另一個基本組織。另外，各個相若是獨(dú)立存在于鐵碳合金中，也都可以看作是單相的基本組織。這些基本組織均被稱為鐵碳合金顯微組織的組織組成物。目前九頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)第二節(jié) 鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖對于了解鋼鐵材料平衡狀態(tài)下的組織和性能有重要意義。對于制定鋼鐵材料的鑄、鍛、焊及熱處理等工藝有直接的指導(dǎo)意義。一、Fe-C相圖與Fe-Fe3C相圖鐵和碳兩個組元不僅能形成各種固溶體相而且可以產(chǎn)生一系列的化合物。如，F(xiàn)e3C、Fe2C、FeC等。這樣一來，F(xiàn)e-C二元合金相圖就可以看成是由Fe-Fe3C；Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四個二元相圖組成，見圖5-4。但是對于wc＞6.69％的鐵碳合金，因其力學(xué)性能很差，在機(jī)械工程中沒有使用價值。因此，F(xiàn)e-C合金相圖實(shí)際上只有Fe-Fe3C相圖是我們討論的對象，見圖5-5。Fe-Fe3C相圖對于了解碳素鋼和白口鑄鐵及工業(yè)純鐵的顯微組織與溫度關(guān)系是很直觀的。目前十頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)二、對Fe-Fe3C相圖的分析㈠相圖中的主要點(diǎn)相圖中各個點(diǎn)的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度值及各個點(diǎn)的含義，見表5-2。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。AHJECF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。目前十一頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)HJB線為包晶線。當(dāng)溫度達(dá)到這條線（1495℃）時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，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。目前十二頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)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。目前十三頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

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。目前十四頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)（三）Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)單相區(qū)有五個：L、δ、A、F、Fe3C。具體位置見圖5-5。其中，F(xiàn)e3C相區(qū)因Fe3C有固定的化學(xué)成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一條垂線DFKL。雙相區(qū)有七個：δ+L、δ+A、A+L、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C。具體位置見圖5-5。三相共存區(qū)有三個，是三條水平線：L+δ+A(包晶線)、L+A+Fe3C(共晶線)、A+F+Fe3C（共析線）。

目前十五頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程（一）Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的分類按合金中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金可分為三大類：1. 工業(yè)純鐵它是wc≤0.02%的鐵碳合金。2. 碳素鋼它是0.02%＜wc≤2.11%的鐵碳合金。按起室溫下先微組織的不同又分為三種：共析鋼：wc=0.77%

亞共析鋼：0.02%＜wc＜0.77%

過共析鋼：0.77%＜wc≤2.11%3.白口鑄鐵它是2.11%＜wc＜6.69%的鐵碳合金。按其室溫下顯微組織的不同又分為三種：共晶白口鑄鐵：wc=4.3%

亞共晶白口鑄鐵：2.11%＜wc＜4.3%

過共晶白口鑄鐵：4.3%＜wc＜6.69%目前十六頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)（二）典型合金的相變過程在圖5-5中標(biāo)有①②……⑦七條垂直的點(diǎn)劃線，分別是工業(yè)純鐵、碳素鋼、白口鑄鐵三類鐵碳合金中七個典型合金所在的位置。1.工業(yè)純鐵在平衡狀態(tài)下的相變過程合金①是工業(yè)純鐵中有代表性的合金。它是一種固溶體合金。圖5-6a是該合金的相變過程的圖示。從圖5-5相圖上可見：在1點(diǎn)以上均勻的液相（L）。1～2點(diǎn)是該合金結(jié)晶溫度區(qū)別，δ與L兩相共存，先形成δ相的晶核，后長大成為δ固溶體晶粒，到2點(diǎn)結(jié)晶終了，全部液相都結(jié)晶成δ固溶體。在2～3點(diǎn)之間是δ固溶體單相區(qū)，沒有相變，僅是δ相簡單的冷卻。3～4點(diǎn)間δ與A兩相共存，即冷到3點(diǎn)以下時在δ相晶界處先形成奧氏體（A）晶核，后長大成奧氏體晶粒，直到4點(diǎn)δ相全部轉(zhuǎn)變成奧氏體相。目前十七頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

在4～5點(diǎn)之間時奧氏體單相區(qū)，沒有相變，僅是A的簡單的冷卻。5～6點(diǎn)之間A與F兩相共存，即冷到5點(diǎn)以下時在奧氏體相的晶界處又形成鐵素體（F）晶核，然后長大成F晶粒，直到6點(diǎn)A全部轉(zhuǎn)不變成F。6～7點(diǎn)之間時鐵素體（F）的單相區(qū)，沒有相變，僅是F的簡單冷卻。7點(diǎn)以下直到室溫是F和Fe3CⅢ的兩相共存區(qū)。即當(dāng)冷卻到7點(diǎn)以下時，F(xiàn)的溶解度小于F中的實(shí)際碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，多余的碳以三次滲碳體的形式從F中析出，通常分布在F晶界處。隨著溫度的下降鐵素體的溶解度也下降，析出的Fe3CⅢ也增加。直到室溫，最后形成F+Fe3CⅢ的顯微組織。圖5-6b是它的金相照片。從上所述可知工業(yè)純鐵緩慢冷卻的相變過程可以簡單地示意為：L→δ→A→F→F+Fe3CⅢ。室溫時工業(yè)純鐵顯微組織的相組成物與組織組成物都是鐵素體和滲碳體。目前十八頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)2.共析鋼在平衡態(tài)下的相變過程

圖5-5中合金②的wc=0.77%，是共析成分的鐵碳合金——共析鋼。其相變過程見圖5-7a

從圖5－5相圖上可看到：在1點(diǎn)以上合金處于均勻的液相狀態(tài)。在1～2點(diǎn)之間是它的結(jié)晶溫度區(qū)間，是液相與奧氏體相的兩相共存區(qū)。即當(dāng)冷到1點(diǎn)以下從液相（L）中產(chǎn)生奧氏體（A）相晶核并長大，冷卻直到2點(diǎn)時，全部液相都結(jié)晶成奧氏體。2～3點(diǎn)之間是奧氏體單相區(qū)，這個溫度區(qū)間沒有相變，只是A的簡單冷卻。當(dāng)冷到3點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。As←→P(FP+Fe3C)。奧氏體相變成F和Fe3C的兩相機(jī)械混合物的珠光體（P）。珠光體中的F和Fe3C分別被稱為共析鐵素體和共析滲碳體。其形態(tài)一般情況下是片層狀分布。片層位向基本相同的區(qū)域稱為一個珠光體團(tuán)。它不是晶粒，珠光體團(tuán)的邊界也不能稱作晶界。珠光體中F和Fe3C兩相各占的百分?jǐn)?shù)可以用杠桿定理算出。在727C共折轉(zhuǎn)變剛完成時，F(xiàn)的wc=0.2%。所以

QF=(6.69-0.77)/(6.69-0.02)≈88.8%QFe3C

=(0.77–0.02)/(6.69-0.02)≈11.2%目前十九頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

隨著溫度下降直到室溫、雖然珠光體的形貌沒有什么變化、但是其內(nèi)部的F由于對碳的溶解度的下降，將析出Fe3CⅢ。不過，F(xiàn)e3CⅢ并不獨(dú)立于珠光體之外，而是與珠光體內(nèi)的Fe3C混在一起。因此，冷卻到室溫時，珠光體內(nèi)的F和Fe3C的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)也要發(fā)生變化。這也可以用杠桿定理計算出來。室溫時F的wc=0，而Fe3C的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不隨溫度而變。所以，室溫時珠光體內(nèi)F和Fe3C的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是：

QF=(6.69-0.77)/(6.69-0)≈88.5%QFe3C

=1-QF≈11.5%

可見，珠光體中的滲碳體增加了0.3%。這個數(shù)值與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的工業(yè)純鐵在室溫時的Fe3C含量相同。共析鋼的相變過程可簡單的示意為：

L→A→P(F十Fe3C)。室溫時共析鋼顯微組織的相組成物是F和Fe3C，組織組成物是P。圖5-7b是其金相照片。目前二十頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)3.亞共析鋼在平衡態(tài)下的相變過程

圖5-5中合金③是wc=0.45%的亞共析鋼。其相變過程見圖5-8a

從圖5-5相圖L可看到：在1點(diǎn)以上，合金處于均勻的液相狀態(tài)。在1～3點(diǎn)之間是它的結(jié)晶溫度區(qū)間。其中1～2點(diǎn)之間是L、兩相共存區(qū)。即合金液相冷卻到1點(diǎn)以下，L相按勻晶轉(zhuǎn)變方式先形成相晶核，然后長大。到2點(diǎn)時仍有部分L相存在。剩余L相的wc=0.53%。已生成的相的wc=0.09%。這時相與包圍它的液相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：0.09+L0.53——→A0.17。包晶轉(zhuǎn)變之后仍剩有部分液相。因此，在2～3點(diǎn)之間是A、L兩相共存區(qū)。在這個溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度下降、剩下的液相按勻晶轉(zhuǎn)變的方式逐漸結(jié)晶成A，直到3點(diǎn)剩余液相也全部轉(zhuǎn)變成A，與先前包晶轉(zhuǎn)變的A混合在一起。在3～4點(diǎn)之間是單相A簡單冷卻，沒有相變。當(dāng)冷到4點(diǎn)以下。在A的晶界上形成F晶核并逐漸長大。這些F稱為先共析鐵素體。1495C目前二十一頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)在4～5點(diǎn)之間是先共析F和A共存的兩相區(qū)。隨溫度下降先共析F相的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，剩余的A相的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，并且剩余A中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿GS線逐漸增加。當(dāng)溫度降到5點(diǎn)（727C）時剩余奧氏體的Wc＝0.77%，達(dá)到了共折成分。于是，這些剩余的奧氏體就發(fā)生了恒溫（727C）的共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成珠光體。這時合金③顯微組織是先共析FP十P。在溫度降到5點(diǎn)之下直到室溫，由于碳在F中的溶解度逐漸下降則先共析F中多余的碳以Fe3CⅢ形式析出。因此，在室溫下合金③的顯微組織是F+Fe3CⅢ+P。但是Fe3CⅢ的含量很少，可以忽略不計。因此，合金③所代表的亞共析鋼在室溫時的顯微組織可近似的看作是F十P，見圖5-8b。若Wc＝0.45%則F與P在室溫下的相對質(zhì)量白分?jǐn)?shù)可用杠桿定理來計算

QF=(0.77–0.45)/(0.77-0)≈42%QP

=(0.45–0)/(0.77-0)≈58%目前二十二頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

對于亞共析鋼在室溫時的組織組成物F和P兩者的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是隨具體合金的wc變化而變化的。隨wc增加QP也增加。在光學(xué)顯微鏡下F是白色的，P是黑色的，因此可觀察到F和P各占截面積的比例。由于Fe3C、F、P的體積質(zhì)量都很相近，因此截面比可視為質(zhì)量比。這樣，通過光學(xué)顯微鏡觀察估計出某一鐵碳合金中的P所占比例，就可用杠桿定理估算出該合金的wc。對于亞共析鋼其計算可以簡化為wc≈0.77%×QP。(因為在室溫下F中的wc≈0)。目前二十三頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

4.過共析鋼在平衡態(tài)下的相變過程圖5-5中合金④是wc=1.2%的過共析鋼。其相變過程的圖示，見圖5-9a

當(dāng)溫度在1點(diǎn)以上合金④是均勻的液相狀態(tài)。在1～2點(diǎn)之間是該合金的結(jié)晶溫度區(qū)間，是A和L兩相共存區(qū)。即當(dāng)溫度降到1點(diǎn)以下從L相中按成核長大方式結(jié)晶出A相，當(dāng)溫度降到2點(diǎn)則L相全部結(jié)晶成單相A。2～3點(diǎn)之間A單相區(qū)只有A的簡單冷卻，無相變。3～4點(diǎn)之間是A和Fe3CⅡ的兩相區(qū)。即溫度降到3點(diǎn)以下，由于碳在奧氏作中的溶解度下降，因而從奧氏體中以二次滲碳體（Fe3CⅡ）的形式析出多余的碳。這種滲碳體也稱先共析滲碳體。隨溫度下降Fe3CⅡ的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)逐漸增加，而A的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)逐漸減少，并且二次滲碳體沿著A的晶界呈網(wǎng)狀分布。與此同時A中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿ES線也不斷的減少。當(dāng)溫度降到4點(diǎn)（727C）時A的Wc≈0.77%。于是A就發(fā)生恒溫的共析轉(zhuǎn)變。全部A轉(zhuǎn)變成P。目前二十四頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

這時合金④的顯微組織是P+網(wǎng)狀Fe3CⅡ；直到室溫這個顯微組織保持不變，見圖5-9b若合金④的wc＝1.2%則合金④中的Fe3CⅡ在室溫時的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以用杠桿定理計算

QFe3CⅡ=(1.2–0.77)/(6.69-0.77)≈7.3%

在過共析鋼中Fe3CⅡ的相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨鋼中wc的增加而增加,過共析鋼中最高碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wc＝2.11%，與此相對應(yīng)的Fe3CⅡ最大相對質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可用杠桿定理算出

QFe3CⅡ=(2.11–0.77)/(6.69-0.77)≈22.6%目前二十五頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)5.共晶白口鑄鐵平衡態(tài)下的相變過程

圖5-5中合金⑤是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為共晶成分（wc=4.3%）的共晶鐵碳合金，其相變過程圖示，見圖5-10a

從相圖上可看到當(dāng)溫度在1點(diǎn)(1148C）之上是均勻的液相(L)狀態(tài)，當(dāng)溫度降到1點(diǎn)之后發(fā)生恒溫共晶轉(zhuǎn)變。即L4.3←→(A2.11+Fe3C)≡Ld。液相全部以共晶轉(zhuǎn)變的方式結(jié)晶成高溫萊氏體（Ld）。組成高溫萊氏體的奧氏體和滲碳體分別被稱為共晶奧氏體和共晶滲碳體。共晶奧氏體通常以樹枝狀分布在共晶滲碳體的基體上。但當(dāng)溫度降到1點(diǎn)以下，隨溫度的下降，碳在奧氏體中溶解度的下降，Ld中的共晶奧氏體也同樣會析出Fe3CⅡ，并與Ld中作為基體的共晶滲碳體混成一體。在1～2點(diǎn)之間合金⑤的顯微組織是Ld。當(dāng)Ld中的共晶奧氏體析出Fe3CⅡ，時其本身的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不斷下降，當(dāng)溫度降到2點(diǎn)（727℃）時共晶奧氏體的wc＝0.77%，隨即發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，共晶奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，從2點(diǎn)直到室溫，合金⑤的顯微組織是在滲碳體的基體上分布著樹枝狀的珠光體。這種顯微組織稱為低溫萊氏體，也稱為變態(tài)萊氏體，符號是Ld，見圖5－10b。1148C目前二十六頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

6.亞共晶白口鐵平衡態(tài)下相變過程

圖5-5中合金⑥是一種亞共晶白口鑄鐵。其相變過程，見圖5-11a

從Fe－Fe3C相圖上可見，當(dāng)溫度高于1點(diǎn)時合金⑥處于均勻的液相（L）狀態(tài)。在1～2之間是合金⑤的結(jié)晶溫度區(qū)間。是L和A兩相共存區(qū)。即當(dāng)溫度降到1點(diǎn)以下液相中先以成核長大方式產(chǎn)生A相，稱為先共晶奧氏體。隨溫度下降，先共晶奧氏體相的比例增加，L相比例減少。但是剩余液相的wc沿BC線增加，當(dāng)溫度降到2點(diǎn)（1148C)時剩余液相的wc＝4.3%。于是剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變生成高溫萊氏體（Ld），當(dāng)溫度低于2點(diǎn)（1148C）后先共晶奧氏體由于對碳溶解度的下降開始析出Fe3CⅡ。并使先共晶奧氏體的wc下降。在2～3點(diǎn)之間合金⑥的顯微組織是A+Fe3CⅡ+Ld，當(dāng)溫度降到3點(diǎn)（727C）時先共晶奧氏體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到0.77%，于是先共晶奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成為珠光體，而高溫萊氏體（Ld）也轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體（Ld`），因此，自3點(diǎn)以下直到室溫合金⑥的顯微組織是P+Fe3CⅡ+Ld`。見圖5-11b并且隨著亞共晶白口鑄鐵的wc增加，P和Fe3CⅡ所占比例減少。直到wc=4.3成為共晶白口鑄鐵時，P和Fe3CⅡ所占比例為0。目前二十七頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)7.過共晶白口鑄鐵在平衡態(tài)下的相變過程

圖5-5中合金⑦是一種過共晶白口鑄鐵。其相變過程見圖5-12a

從Fe－Fe3C相圖上可見，當(dāng)溫度高于1點(diǎn)時合金⑦處于均勻的液相(L)狀態(tài)。在1～2點(diǎn)之間是合金⑦的結(jié)晶溫度區(qū)間，是L和Fe3CⅠ兩相共存區(qū)。即當(dāng)溫度降到1點(diǎn)以下時，液相中以成核長大方式產(chǎn)生一次滲碳體相（Fe3CⅠ），稱為先共晶滲碳體。隨著溫度的下降，F(xiàn)e3CⅠ不斷增加，而剩余的液相不斷減少，而且其wc也沿著DC線不斷降低。當(dāng)溫度降到2點(diǎn)（1148C）時剩余液相的。wc也降到4.3%。于是剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成高溫榮氏作（Ld）。2～3點(diǎn)之間的顯微組織是先共晶滲碳體和高溫萊氏體（Fe3CⅠ+Ld）。當(dāng)溫度降到3點(diǎn)時Ld中的奧氏體變成珠光體。于是高溫萊氏體變成低溫萊氏體（Ld`）。從3點(diǎn)直到室溫合金⑦的顯微組織是Fe3CⅠ+Ld`，見圖5-12b。并且隨著過共晶白口鑄鐵中wc的增加，F(xiàn)e3CⅠ所占的比例也增加。當(dāng)wc時，QLd`=0,QFe3CⅠ=100%。目前二十八頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)四、按組織組成物分區(qū)的Fe-Fe3C相圖

根據(jù)以上七個典型合金的相變過程的分析可以把Fe-Fe3C鄉(xiāng)土中的各個相去進(jìn)一步細(xì)分成按組織組成物分區(qū)的相區(qū)，見圖5-13目前二十九頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)

五、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鐵碳合金組織與性能的影響從圖5-5和圖5-13中可以看出，在室溫時隨著鐵碳合金中wc的增加，合金中的相組成物質(zhì)雖然都是F和Fe3C這兩個相。但是，其相對的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)卻是逐漸變化的。鐵碳合金在室溫時顯微組織的組織組成物也隨著wc從0增加到6.69%而發(fā)生一系列變化，F(xiàn)→F+Fe3CⅢ→P+F+Fe3CⅢ→P→P+Fe3CⅡ→Ld`+P+Fe3CⅡ→Ld`→Ld`+Fe3CⅠ→Fe3CⅠ,見圖5-14

在室溫下，由于鐵碳合金的顯微組織隨wc的變化而變化，所以，它的力學(xué)性能也要隨wc變化而變化，見圖5-15。目前三十頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)六、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖給出了碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鋼的組織與性能之間的關(guān)系。這便于根據(jù)零件所需的使用性能來合理選用適當(dāng)碳含量的鋼。顯然相圖可與指導(dǎo)我們對鋼材的合理選用。

Fe-Fe3C相圖還給出了各種鐵碳合金的溫度與組織之間的關(guān)系。這對指導(dǎo)鑄、鍛、熱處理工藝有直接意義。

1.在鑄造方面的應(yīng)用根據(jù)相圖上的液相線可以確定鑄件的合理澆注溫度。一般選在液相線之上50℃～100℃。

2.在鍛造方面的應(yīng)用從F-Fe3C相圖上可知，當(dāng)把鋼加熱到A3和Acm線之上都會變成單相奧氏體。奧氏體狀態(tài)的剛塑性好、強(qiáng)度較低，很適用于大變形量的熱變形加工。從工藝角度考慮既要易于變形加工又要避免晶粒粗大、過熱和嚴(yán)重氧化。所以，鍛造和熱軋的開始溫度一般選在固相線以下200℃。

3.在熱處理方面的應(yīng)用F-Fe3C相圖中的A1、A2、A3、Acm三條相變現(xiàn)實(shí)確定碳素鋼熱處理工加熱溫度的依據(jù)。目前三十一頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)第三節(jié)碳素鋼在Fe-Fe3C相圖中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02％～2.11％范圍內(nèi)的鐵碳合金屬于非合金鋼，稱為碳素鋼。其價格低廉、工藝性好，具有一定使用性能，能滿足許多場合的需要。因而在機(jī)械制造及其它一些工程中得到廣泛使用。一、 鋼中的常存雜質(zhì)對鋼性能的影響鋼在冶煉過程中不可避免地存有雜質(zhì)。雜質(zhì)是指一些不作為合金元素的各種元素的統(tǒng)稱。對鋼性能影響較大的雜質(zhì)有Si、Mn、S、P和氧、氮、氫等。其中前四種稱為常存雜質(zhì)，是生產(chǎn)中需要經(jīng)常檢查的雜質(zhì)。目前三十二頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)1.

Mn的影響對于碳素鋼錳屬于雜質(zhì)，錳是煉鋼時用錳鐵給鋼液脫氧后而殘余在鋼中的元素。Mn有較強(qiáng)的脫氧能力，清除FeO可改善鋼的品質(zhì)，降低鋼的脆性。錳還可以與鋼中有害雜質(zhì)碳形成MnS，降低S對鋼的危害，提高熱變形加工的工藝性。錳大部分溶于F，形成含錳的鐵素體，使鋼強(qiáng)化。也能部分溶于滲碳體。但是錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會相圖中共析點(diǎn)向左下方移動使鋼的過熱敏感性增加易使晶粒粗大?？偟恼f來錳對鋼是有益的。在一般碳素鋼中把錳控制在0.25％～0.8％范圍內(nèi)。對于某些碳素鋼為提高其性能將雜質(zhì)錳的含量控制在0.7％～1.2％，稱為錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的碳素鋼。2. 硅的影響硅主要來自原料生鐵和硅鐵脫氧劑。硅比錳的脫氧能力強(qiáng)，可使鋼液中FeO變成爐渣脫離鋼液，提高鋼的品質(zhì)。硅能溶與鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度、硬度、但會降低鋼的塑性和韌性。硅能夠使Fe3C穩(wěn)定性下降，促進(jìn)Fe3C分解生成石墨。若鋼中出現(xiàn)石墨會鋼的韌性嚴(yán)重下降，產(chǎn)生所謂的"黑脆"。所以，雜質(zhì)硅在碳素鋼中一般控制在0.17％～0.37％范圍內(nèi)。特殊需要可至0.03％。

目前三十三頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)3. 硫的影響

雜質(zhì)硫主要來源于礦石和燃料。S幾乎不溶于鐵，而于鐵形成FeS化合物作為夾雜物存留鋼中。FeS熔點(diǎn)為1190℃。而FeS有能于Fe形成共晶體，其熔點(diǎn)僅是985℃，見圖5-16。由于（F+FeS）共晶體的熔點(diǎn)低于鋼的熱變形加工溫度（1000℃~1200℃），易使鋼在熱變形加工中開裂。使鋼的"熱脆"性增加。除特殊需要（如提高切削工藝性）外，鋼中的S含量不大于0.05％。前文已說過錳的存在可使硫形成MnS。它的熔點(diǎn)可高達(dá)1620℃。從而可消除由S引起鋼的熱脆性。MnS在鑄態(tài)鋼中是呈粒狀分布于鐵素體晶粒內(nèi)或晶界上。由于MnS有一定的塑性，在軋時被軋成條狀，但是若含量較大，它會引起軋鋼中F和P呈帶狀分布，見圖5-17。這種帶狀組織會使熱軋也出現(xiàn)個向異性。用有帶狀組織的鋼材加工成的零件雖然切削工藝很好，但是，若進(jìn)行淬火處理易引起工件開裂。因此鋼中的硫含量愈少，鋼的品質(zhì)愈好。硫的含量常被用作衡量鋼材質(zhì)量等級的指標(biāo)之一。目前三十四頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)4. 磷的影響磷主要是礦石帶到鋼中的。磷可以固溶到鐵素體中提高鋼在室溫時的強(qiáng)度。但是，磷也易與鐵形成極脆的化合物Fe3P。使鋼的塑性和韌性顯著下降。并且隨著鋼所處的溫度愈低脆性愈嚴(yán)重。磷會引起鋼的"冷脆"。另外，磷也降低鋼的可焊性。磷的有益的一面是能增加鋼的耐大氣腐蝕的能力，也能提高鋼的切削工藝性。但是，若無特殊需要鋼中的磷含量最多不超過0.045％。磷也是衡量鋼材品質(zhì)的指標(biāo)之一。5. 氧的影響鋼液中免不了和大氣接觸，另外，在煉鋼工藝中有氧化過程以降低鋼中的碳含量。因此，鋼總會有一定的氧。為此在熔煉的后期應(yīng)加脫氧劑造渣除氧。主要脫氧劑有錳鐵、硅鐵、鋁等。除氧后，鋼中仍會有一些氧的化合物以夾雜形式存在于鋼中，也有極少量氧固溶到F中。主要氧化物有Fe3O4、FeO、MnO、Mn3O4、SiO2、Al2O3等。鋼中氧化物及其它化合物夾雜的存在會降低鋼中的力學(xué)性能，尤其是會嚴(yán)重降低鋼的疲勞強(qiáng)度。因此，鋼的品質(zhì)檢測中規(guī)定了夾雜物的控制級別，一般小于3級。雜質(zhì)氧對鋼無益，愈少愈好。目前三十五頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)6. 氮的影響

氮雜質(zhì)主要來源于鋼液與大氣的接觸。氮在鐵素體中的最大溶解度為0.1％（590℃）。室溫下溶解度極小，近于零。若鋼由高溫快冷到室溫時，氮使鐵素體處于過飽和狀態(tài)。如果在200℃~250℃加熱，氮會以氮化物形式析出，可增加鋼的強(qiáng)度、硬度、，但是也降低鋼的塑性和韌性，使鋼變脆。因200℃~250℃加熱會使鋼表面氧化成藍(lán)色。所以，稱為"藍(lán)脆"。7.氫的影響

氫雜質(zhì)也主要來自大氣。鋼中含有少量的氫就會使鋼的脆性顯著增加，對此現(xiàn)象稱為氫脆。另外，當(dāng)鋼進(jìn)行熱軋或鍛造時，若工藝不當(dāng)，氫雜質(zhì)可能引起“白點(diǎn)”缺陷。白點(diǎn)會使鋼的力學(xué)性能嚴(yán)重降低，甚至引起鋼材開裂報廢。對于大直含鉻、鉬的合金鋼更易產(chǎn)生白點(diǎn)。為了保證鋼在使用中不出問題，鋼材生產(chǎn)廠都嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)控制雜質(zhì)含量和夾雜物的等級。用戶也需對進(jìn)廠鋼材進(jìn)行必要的化學(xué)成分及雜質(zhì)的化學(xué)分析；對組織和缺陷及夾雜物作金相檢查；對力學(xué)性能作材料力學(xué)試驗。目前三十六頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途

為了滿足使用的需要，碳素鋼有許多品種，為了生產(chǎn)、使用和管理必須對碳素鋼進(jìn)行分類并確定鋼的牌號。㈠碳素鋼的分類分類的方法很多，常見的方法有以下幾種：⒈按鋼中碳含量的多少分，可分為：⑴低碳鋼wc≤0.25％⑵中碳鋼0.25％＜wc≤0.6％⑶高碳鋼wc＞0.6％⒉按鋼的質(zhì)量分，可分為：⑴普通鋼ws≤0.05％，wp≤0.045％⑵優(yōu)質(zhì)鋼ws≤0.035％，wp≤0.035％⑶高級優(yōu)質(zhì)鋼ws≤0.02％，wp≤0.03％目前三十七頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)⒊按鋼的用途分，主要有：⑴碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88）見表5-3。⑵優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB699-88）見表5-4。⑶碳素工具鋼（GB1298-86）見表5-5。⑷一般工程用鑄造碳素鋼件（GB11352-89）見表5-6。⒋按煉鋼時的脫氧程度分，可分為：⑴沸騰鋼是脫氧不徹底的鋼，代號F。⑵鎮(zhèn)靜鋼是脫氧徹底的鋼，代號Z。⑶半鎮(zhèn)靜鋼是脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號為b。⑷特殊鎮(zhèn)靜鋼進(jìn)行脫氧的鋼，代號為TZ。目前三十八頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)㈡碳素鋼的鋼號和命名方法和主要用途⒈碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼主要用于各類工程，應(yīng)用量很大。對這類鋼通常是熱軋后空冷供貨。用戶一般不需要再進(jìn)行熱處理而是直接使用。所以，這類鋼的鋼號主要是以其力學(xué)性能中的屈服點(diǎn)來命名。具體命名方法如下：標(biāo)志符號Q+最小σs值—等級符號+脫氧程度符號。這類鋼的標(biāo)志符號Q來源于屈服點(diǎn)的漢語拼音字頭Q。等級符號是指這類鋼所獨(dú)用的質(zhì)量等級符號。也是按S、P雜質(zhì)多少來分。以A、B、C、D四個符號代表四個等級。其中：

A級ws≤0.05％，wp≤0.045％

B級ws≤0.045％，wp≤0.045％

C級ws≤0.04％，wp≤0.04％

D級ws≤0.035％，wp≤0.035％目前三十九頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)這類鋼中質(zhì)量等級最高級（D級），達(dá)到了碳素結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)質(zhì)級。其余A、B、C三個等級均屬于普通級范圍。從這類鋼的鋼號中，人們可以直接知道鋼的最低屈服點(diǎn)，質(zhì)量等級和脫氧程度，用起來很方便。例如，Q235-AF，此鋼σs≥235Mpa，質(zhì)量等級為A級（S、P雜質(zhì)含量較多），脫氧不充分的沸騰鋼。這類鋼中共分五個強(qiáng)度等級，見表5-3。這類鋼適用于一般工程結(jié)構(gòu)所需的熱軋鋼板、鋼帶、鋼管、盤條、型鋼、棒鋼等，可供焊接、鉚接、栓接等構(gòu)件使用。其中:Q195、Q215-A、Q215-B碳的含量較低、塑性好、強(qiáng)度低。一般用于螺釘、螺母、墊片、鋼窗等強(qiáng)度要求不高的工件。

Q235-A、Q255-A可用于農(nóng)機(jī)具中不太重要的工件。如拉桿、小軸、鏈等。也可常用建筑鋼筋、鋼板、型鋼等。

Q235-B、Q255-B可作為建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接構(gòu)件。在機(jī)械中可用作一般的轉(zhuǎn)動軸、吊鉤、自行車架等。

Q235-C、Q235-D質(zhì)量較好，可作一些較重要的焊接構(gòu)件及機(jī)件。

Q255、Q275強(qiáng)度較高，可作摩擦離合器、剎車鋼帶等。目前四十頁\總數(shù)六十九頁\編于六點(diǎn)2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼中磷、硫等有害雜質(zhì)含量較低，夾雜物也少，化學(xué)成分控制較嚴(yán)格，質(zhì)量較好。常用于較為重要的機(jī)件?？梢酝ㄟ^各種熱處理調(diào)整零件的力學(xué)性能。出廠狀態(tài)可以是熱軋后空冷，也可以是退火、正火等狀態(tài)。隨用戶需要而定。這類鋼的鋼號很簡單，如，45表示該鋼的wc=0.45％，即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為萬分之四十五。這類鋼中有三個鋼號是沸騰鋼，其鋼號尾部標(biāo)有F。如08F。這類鋼中有些是錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超出一般規(guī)定的錳雜質(zhì)含量。其鋼號尾部標(biāo)有元素符號Mn。如65Mn。這類鋼仍屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，不要誤認(rèn)為是合金鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼總共有31