鐵碳合金相圖

37/13鐵碳合金相圖非合金鋼[(GB/T13304-91)，將鋼分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三大類]和鑄碳相圖及其應用方面的一些問題。鐵碳合金含碳量超過6。69％，脆性很大，沒有實用價值，所以本章討論的鐵碳相圖,實際鐵碳合金含碳量超過6。69％，脆性很大，沒有實用價值，所以本章討論的鐵碳相圖,實際3333⑴純鐵Fe是過渡族元素,1個大氣壓下的熔點為1538℃,20℃時的密度為kgm即：工業(yè)純鐵的力學性能大致如下：抗拉強度＝180~230MPa,屈服強度＝100~170MPa,伸長率170MPa,伸長率6=30~50%，硬度為50~80HBS?？梢?純鐵強度低,硬度低，塑性好,很少做結構材料，由于有高的磁導率，主要作為電工材料用于各種鐵芯。FeCFeC體結構十分復雜，通常稱滲碳體,可用33符號Cm表示。FeC具有很高的硬度但很脆，硬度約為950~1050HV,抗拉強度3=30MPa，伸長率6=0。b3.1．2基本相3種間隙固溶體相：⑴高溫鐵素體3碳溶于6—Fe的間隙固溶體，體心立方晶格，用符號6表示。的固溶度極小，室溫時約為0。0008%,600℃時約為0.0057％,在727℃時溶碳量最大，約為0.0218%，但也不大,在后續(xù)的計算中，如果無特殊要求可忽略不計.力學性能與工業(yè)相當。⑶奧氏體碳溶于y-Fe的間隙固溶體,面心立方晶格，用符號y或A表示。奧氏體3.2Fe-FeC相圖3338/133圖3.1及表3.1中代表符號屬通用，一般不隨意改變。3符號符號溫度(℃)含碳量[%(質量)]含義純鐵的熔點0。534.306。696．69096。6900.770。0057(0．0008)包晶轉變時液態(tài)合金的成分共晶點3FeFeC的成分3碳在δ—Fe中的最大溶解度FeC的成分3Fe共析點600℃(或室溫)時碳在α-Fe中的最大溶解度1495114814957271394ABCEFGHJKNP0039/13AA33．2．2.1三個重要的特性點⑴J點為包晶點合金在平衡結晶過程中冷卻到1495℃時。B點成分的L與H點成三相共存,三相共存,反應式為：L+6A或.LBHJ0.53合金在平衡結晶過程中冷卻到0.091148℃時。17C點成分的L發(fā)生共晶反eC33A+FeC。3A+FeC或L存，反應式為:LCE34.32.113共晶反應的產物是A與FeC的共晶混合物，稱萊氏體,用符號Le表示,所以共晶反應式也可表達為:也可表達為:L34.34.3萊氏體組織中的滲碳體稱為共晶滲碳體.在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是塊狀或粒狀A(727℃時轉變?yōu)橹楣怏w)分布在滲碳體基體上。⑶S點為共析點合金在平衡結晶過程中冷卻到727℃時S點成分的A發(fā)生共析反PFFeC.共析反應在恒溫下進行，反應過程中A、F、FeC三相共33F+FeC3F+FeC或ASP30.770.02183共析反應的產物是鐵素體與滲碳體的共析混合物,稱珠光體，用符號P表示，因而共析反應可簡單表示為：AP0.770.77P中的滲碳體稱為共析滲碳體。在顯微鏡下P的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數很高時，可清楚看到相間分布的滲碳體片(窄條)與鐵素體片(寬條).P的強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間,其機械性能如下：抗拉強度()770MPa延伸率(6)20~35％b沖擊韌性(a)30~40J/cm2硬度(HB)180kgf/mm2bk3．2.2.2相圖中的特性線⑴水平線HJB為包晶反應線。碳含量0.09~0.53％的鐵碳含金在平衡結晶過程中均發(fā)生包晶反應.⑵水平線ECF為共晶反應線.碳含量在2。11~6．69%之間的鐵碳合金,在平衡結晶過程中均發(fā)生共晶反應.⑶水平線PSK為共析反應線。碳含量0.0218~6.69％之間的鐵碳合金，在平衡結晶過程中均發(fā)生共析反應。PSK線在熱處理中亦稱A線.1⑷線是合金冷卻時自A中開始析出F的臨界溫度線，通常稱A線。3⑸ES線是碳在A中的固溶線,通常稱A線。由于在1148℃時A中溶碳量最大可達2。11％，而在727℃時僅為0．77％，因此碳含量大于0.77％的鐵碳合金自1148℃冷至eC3II⑹PQ線是碳在F中的固溶線。在727℃時F中溶碳量最大可達0。0218％,室溫時僅C33III3III臨界溫度線。FeC數量極少,往往可以忽略.下面分析鐵碳合金平衡結晶過程時,均忽略這一析出過3III程.程40/133。3典型鐵碳合金的平衡結晶過程根據Fe-FeC相圖，鐵碳含金可分為三類：下面分別對以上七種典型鐵碳含金的結晶過程進行分析。以含碳0。01％的鐵碳合金為例,其冷卻曲線(如圖3。2)和平衡結晶過程如下.點始，從A中析出F。F在A晶界處生核并長大，至6點時A全部轉變?yōu)镕。在6—7點間F冷卻不變。在7—83III3.3.2共析鋼點間，從F晶界析出FeC。因此合金的室溫平衡組織為F＋3IIIFeC量極少，呈小白片狀分布于F晶界處。若忽略FeC，則3III3IIILAA冷卻不變.至3點時，A發(fā)生共析反應生成P。從3′繼續(xù)冷卻至4點,P皆不發(fā)生轉變。因此共析鋼的室溫平衡組織全部為P,P呈層片狀。共析鋼的室溫組織組成物也全部是P，而組成相為F和FeC,它們的相對質量為：341/136.6933．3。3亞共析鋼合金冷卻時，從1點起自L中結晶出6，至2點時，L成分變?yōu)?.53％C，6變?yōu)?.09％C,發(fā)生包晶反應生成A,反應結束后尚有多余的L。2′點以下，自L中不斷結晶出中36.69342/13所以亞共析鋼的含碳量可由其室溫平衡組織來估算。即根據P的含量可求出鋼的含碳量用對應的面積百分數來估算.圖3。5過共析鋼結晶過程示意圖3.3。4過共析鋼合金冷卻時，從1點起自L中結晶出A,至2點全部結晶完了.在2-3點間A冷卻不變，3II3II0．77％，4－4′發(fā)生共析反應轉變?yōu)镻，而FeC不變化.在4′—5點間冷卻時組織3IIP3II3II.33II33。3。5共晶白口鑄鐵LLeAFeC′-2點間，33II3II33II33II43/133II33成(見圖3．12)。共晶白口鑄鐵的組織組成物全為Le′,而組成相還是F和FeC,它們的相對重量可用3杠桿定律求出。3．3．6亞共晶白口鑄鐵為含2.11%),發(fā)生共晶反應轉變?yōu)長e,而A不參與反應。在2′－3點間繼續(xù)冷卻時,初生3II3II的成分均變?yōu)?.77％,初生A發(fā)生共析反應轉變?yōu)镻；高溫萊氏體Le也轉變?yōu)榈蜏厝R氏體3IIFeC分布在粗大塊狀P的周圍,Le′則由條狀或粒狀P和FeC基體組成。3II333II對質量可以兩次利用杠桿定律求出。先求合金鋼冷卻到2點溫度時初生A和L的相對質量：A%=A%=4.32.114.3L通過共晶反應全部轉變?yōu)長e,并隨后轉變?yōu)榈蜏厝R氏體Le′，所以Le′%=Le％.3＝L％=41％.4.3再求3點溫度時(共析轉變前)由初生A析出的FeC及共析成分的A的相對質2.113II0.77由于A發(fā)生共析反應轉變?yōu)镻,所以P的相對質量就是46％。3。3．73。3．7過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵的結晶過程與亞共晶白口鑄鐵大同小異，唯一的區(qū)別是:其先析出相是FeCA且因為沒有先析出A，進而其室溫組織中除Le′中的P3I3I3圖3.圖3.8,可見隨著含碳量增加，室溫3III3II3II3I組成相的相對含量及組織形態(tài)的變化，會對鐵碳合金性能產生很大影響.3.4。2碳鋼的機械性能與碳含量的關系對圖3。8進行分析，得知鐵碳合金的含碳量：小于0.0218％時組織全部為F;等于0.77%時全部為P;9％時全部為FeC；在它們之間的組3織則為相應組織的混合物。利用杠桿定律對其質量分數計算可得如圖3。9所示的含碳量與組織(F、P、鐵碳含金中FeC是極脆的相,3/133．4含碳量與鐵碳合金平衡組織、機械性能的關系333F含量下降，由100％按直線關系變至0(含6．69%C時)；FeC含量相應增加,由0按3直線關系變至100％(含6。69％C時)。改變含碳量，不僅引起組成相的質量分數變化,而且產生不同結晶過程，從而導致組成相的形態(tài)、分布變化，也即改變了鐵碳合金的組織.由3II3I→HB織中組圖3。8標注組織分區(qū)的Fe-FeC合金相3圖成相或組織組成物的硬度和相對數量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小.隨碳含量的增加，由于硬度高的FeC增多，硬度低3約80HB增大到全部為FeC時的約800HB。3有關。組織越細密，則強度值越高。F的強度較低。所以亞共；但當碳含量超過共析成分之后，由于強度很低的FeC沿晶界析出，合金強度的增高變3II3IILe時，由于合金基體都為脆性很高的FeC，強度變化不大且值很低,趨近于3FeC的強度(約20~30345/13不能為合金的塑性作出貢獻，合金的塑性全部由F提供，所以隨碳含量的增大，F量不斷減少時，合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時，塑性就降到近于零值了.見圖3.10。333.5Fe—FeC相圖的應用和局限性333的制訂兩個方面。3.5。1。1在鋼鐵材料選用方面的應用FeFeC表明的某些成分—組織-性能的規(guī)律,為鋼鐵材料選用提供了根據；3零件需要強度、塑性及韌性都較好的材料,應選用碳含量適中的中碳鋼；⑷各種工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選用含碳量高的鋼種；⑸純鐵的強度低，不宜用做結構材料,但由于其導磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用,例如做電磁鐵的鐵芯等；⑹白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造,但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復雜的鑄件,例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。3。5。1。2在鑄造工藝方面的應用根據Fe－FeC相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50~1030℃。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好。它們的凝固溫度區(qū)間最小,因而流動性好,分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產上總是選在共晶成分附近.在鑄鋼生產中,碳含量規(guī)定在0.15~0．6％之間,因為這個范圍內鋼的結晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。3。5。1.3在熱鍛、熱軋工藝方面的應用鋼處于馬氏體狀態(tài)時強度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內進行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100~200℃范圍內。溫度高時，鋼的變形抗力過燒).終鍛、終軋溫度不能過低，以免鋼材因塑性差而發(fā)生鍛裂或軋裂.亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上一點，避免變形時出現大量鐵素體，形成帶狀組織而使韌性降低.過共析鋼變形終止溫度應控制在PSK線以上一點，以便把呈網狀析出的二次滲碳體打碎。終止溫度不能太高，否則再結晶后奧氏體晶粒粗大,使熱加工后的組織也粗大。一般始鍛溫度為1150~1250℃,終鍛溫度為750~850℃.3.5．1.4在熱處理工藝方面的應用3火、淬火的加熱溫度都是依據Fe-FeC相圖確定的。這將在下一章中詳細闡述。3333⑴Fe-FeC相圖反映的是平衡相,而不是組織。相圖能給出平衡條件下的相、相的成分3和各相的相對質量，但不能給出相的形狀、大小和空間相互配置的關系。⑵Fe-FeC相圖346/13只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài).實際生產中應用的鋼和鑄鐵,除了鐵和碳以外,往往含FeFeC件下鐵碳合金中相的狀態(tài)。相3常常不能用相圖來分析問題。3.6碳鋼及其常存雜質碳鋼被廣泛使用在工農業(yè)生產中。它們不僅價格低廉、容易加工,而且在一般情況下能滿足使用性能的要求。為了掌握碳鋼的正確選擇和合理使用、必須熟悉它的牌號和用途.鐵、硅鐵)加入而殘留在鋼中的,其余的元素則是從原料或大氣中帶入鋼中而冶煉時不能清除盡的有害雜質。它們對鋼的性能有一定影響。3.6。1.1錳和硅的影響2中的S形成MnS而大大減輕S的有害作用.這些反應產物大部分進入爐渣，小部分殘留鋼中成為非金屬夾雜。鋼中含Mn量約為0。25~0．80%。鋼中含Si量約為0。03~0。40％。脫氧劑中的Si與Mn總會有一部分溶于鋼液，凝固后溶于鐵素體，產生固溶強化作用。中有益元素。3。6。1。2其它雜質的影響硫化物共晶的鋼材進行熱壓力加工(加熱溫度一般在1150~1250℃之間),分布在晶界處的共晶體處于熔融狀態(tài)，一經軋制或鍛打，鋼材就會沿晶界開裂。這種現象稱為鋼的熱脆。FeO，還會形成(Fe+FeO+FeS)三相共晶體,熔點更低 易發(fā)生熱裂。PP在鐵中固溶度較大,鋼中的P一般都固溶于鐵中。P溶人鐵素體后，有較之其他元素更強的固溶強化能力,尤其是較高的含P量，使鋼顯著提高強度、硬度的同時,很低,脆性很大，這種現象通常稱為鋼的冷脆。在一定條件下S、P也被用于提高鋼的切削加工性能.炮彈鋼中加入較多的P，可使炮彈爆炸時產生更多彈片,使之有更大的殺傷力.P與Cu共存可以提高鋼的抗大氣腐蝕能力.⑶O、H、N的影響O在鋼中溶解度很小，幾乎全部以氧化物夾雜形式存在,如232韌性、疲勞強度等危害很大。H在鋼中含量盡管很少，但溶解于固態(tài)鋼中時，劇烈地降低鋼的塑、韌性,增大鋼的脆性,這種現象稱為氫脆。47/13少量N存在于鋼中，會起強化作用。N的有害作用表現為造成低碳鋼的時效現象，即含N的低碳鋼自高溫快速冷卻或冷加工變形后,隨時間的延長，鋼的強度、硬度上升,塑、3。6．2非合金鋼(碳鋼)的分類根據GB/T13304-91第一部分:鋼按化學成分分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼.其中非合金鋼即為原國標中的碳鋼。下面將原碳鋼分類方法及新國標非合金鋼的分類分列如下：3。6.2.1碳鋼分類方法碳鋼主要有下列幾種分類方法:|碳素工具鋼-用于制造各種工具(如刃具、量具、模具等)(平爐鋼(用平爐冶煉)⑷按鋼的冶煉方法分〈轉爐鋼(用轉爐冶煉)〈酸性轉爐鋼-冶煉時造酸性渣⑷按鋼的冶煉方法分〈轉爐鋼(用轉爐冶煉)〈酸性轉爐鋼-冶煉時造酸性渣電爐鋼|頂吹轉爐鋼-冶煉時吹氧3．6。2.2非合金鋼的分類方法非合金鋼主要按主要質量等級和主要性能或使用特性分類。⑴按主要質量等級分為:①普通質量非合金鋼普通質量非合金鋼是指不規(guī)定生產過程中需要特別控制質量要求的并應同時滿足四種條件的所有鋼種(條件見GB/T13304—91).普通質量非合金鋼主要包括：一般用途碳素結構鋼(如GB700規(guī)定的A、B級鋼)、碳素鋼筋鋼(如GB13031規(guī)定的Q235鋼)、鐵道用一般碳素鋼(如GB11264、GB11265、GB2826規(guī)定的輕軌和墊板用碳素鋼)及一般鋼板樁型鋼。②優(yōu)質非合金鋼優(yōu)質非合金鋼是指除普通質量非合金鋼和特殊質量非合金鋼以外的非合金鋼，在生產過程中需要特別控制質量(例如控制晶粒度,降低硫、磷含量，改善表面質量或增加工藝控制等)，以達到比普通質量非合金鋼特殊的質量要求(例如良好的抗脆優(yōu)質非合金鋼(見GB/T13304-91)主要包括：機械結構用優(yōu)質碳素鋼、工程結構用碳及優(yōu)質鑄造碳素鋼等。③特殊質量非合金鋼特殊質量非合金鋼是指在生產過程中需要特別嚴格控制質量和性能(例如,控制淬透性和純潔度)的非合金鋼,另外應符合GB/T13304-91規(guī)定的條件的非合金鋼(包括易切削鋼和工具鋼)。48/13碳素彈簧鋼、特殊盤條鋼及鋼絲、特殊易切削鋼、碳素工具鋼和中空鋼、電磁純鐵、原料純鐵等.⑵按主要性能及使用特性分類非合金鋼按其基本性能及使用特性等主要特性分類如下:最低強度為主要特性的非合金鋼,例如造船、壓力容器、管道等用的結構鋼。③以限制碳含金易切削鋼.⑤非合金工具鋼。⑥具有專門規(guī)定磁性或電性能的非合金鋼，例如無硅磁性薄3.6.3碳鋼的牌號及用途下面按用途及質量介紹碳鋼的牌號及用途。3.6.3.1普通碳素結構鋼普通碳素結構鋼簡稱普碳鋼.國家標準GB700將其分為甲類鋼、乙類鋼和特類鋼三類。其中以甲類鋼為最常用。大，則屈服強度()和抗拉強度()越大，延伸率(6)越小.甲類鋼的機械性能及冷彎sb試驗要求見GB700.A1,A2,A3鋼塑性好,有一定的強度，通常軋制成鋼板、鋼筋、鋼管等，可用于橋梁、建筑物等構件，也可用作普通螺釘、螺帽、鉚釘等。A4,A5強度較高，甲類鋼一般情況下在熱軋狀態(tài)使用,不再進行熱處理。但對某些零件,也可進行正火、調碳含量越高,見GB700。適當的熱處理提高其性能。⑶特類鋼(或C類鋼)按機械性能及化學成分供應。鋼號為C2、C3,C4，C5等四種.特類鋼使用較少，在性能要求較高的場合，通常選用優(yōu)質碳素鋼。甲4(A4)表示平爐甲類4號普碳鋼；乙堿3(BJ3)表示堿性轉爐乙類3號普碳鋼;鋼在冶煉時根據其脫氧程度不同，可分為沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼。脫氧不完全的鋼稱沸騰鋼,在鋼號后標注“F"；脫氧較完全的鋼稱鎮(zhèn)靜鋼，鋼號后不加標注。例如A4F為沸騰鋼.3。6．3．2