鐵碳合金金屬工藝學(xué)降溫曲線大工

鐵碳合金及鐵碳相圖一.鐵碳合金的基本相及組織

鋼鐵是鐵基合金（黑色金屬）的總稱。鐵和碳是鋼鐵材料兩個最基本的組元。碳的質(zhì)量分數(shù)0.0218%<Wc<2.11%稱為鋼，2.11%<Wc<6.69%稱為鐵或鑄鐵。不特意加入合金元素的鋼稱為碳素鋼（簡稱碳鋼），而特意加入一種或數(shù)種一定量合金元素的鋼稱為合金鋼。鋼鐵材料是目前乃至今后很長一段時間內(nèi)人類社會中最為重要的金屬材料。為了熟悉并合理利用鋼鐵材料，應(yīng)了解鐵與碳的相互作用，認識鐵碳合金的本質(zhì)及其成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。(一)什么叫相、組織元(組元):組成合金的元素或穩(wěn)定化合物，如合金中的Fe3C相：合金組織中，凡化學(xué)成分、晶格構(gòu)造和物理性能相同的均勻組成部分，如鐵碳合金中固溶體、金屬化合物、機械混合物組織：泛指用金相觀察方法看到的由形態(tài)、尺寸不同和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。1.固溶體固溶體：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相，如鐵素體、奧氏體。solutionstrengthening：溶質(zhì)原子的溶入，引起固溶體晶格發(fā)生畸變，從而使合金變形阻力增大，提高了合金的強度和硬度。置換式固溶體間隙式固溶體2.金屬化合物；3.機械混合物2.

金屬化合物：合金組元之間相互發(fā)生作用而形成具有金屬特性的一種新相，其晶格類型、性能完全不同于任一組元，可作分子式表示，如滲碳體Fe3C,特點：硬度高、塑性和韌性幾乎為零，脆性大。3.機械混合物：合金中的一類復(fù)相混合物組織，其性能介于組成相性能之間，如鋼、鑄鐵、鋁合金等。(二)純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變(二次結(jié)晶、重結(jié)晶)δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccfccbcc固態(tài)鐵隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。該特性是鋼鐵材料通過熱處理獲得多種組織結(jié)構(gòu)與性能的理論依據(jù)。組織應(yīng)力的產(chǎn)生同素異晶轉(zhuǎn)變是在固態(tài)下原子重新排列的過程，也是結(jié)晶過程，遵循結(jié)晶規(guī)律，發(fā)生過冷現(xiàn)象，產(chǎn)生結(jié)晶熱效應(yīng)。該轉(zhuǎn)變因原子排列結(jié)構(gòu)變化而導(dǎo)致排列密度-金屬體積的變化。因晶粒體積發(fā)生變化使金屬內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力成為組織應(yīng)力。Fe2CFeCFe3C6.69%C所研究的Fe-Fe3C相圖的位置FeCC%T鐵碳合金的組元⑴Fe

鐵是過渡族元素，熔點為1538℃，密度是7.87g/cm3。⑵Fe3C

是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常稱滲碳體。含碳量6.69%，硬度很高，強度低，塑性韌性很差。理論熔化溫度1227℃。是價穩(wěn)定化合物，條件適當(dāng)時，會分解成單質(zhì)狀態(tài)的石墨C。

碳質(zhì)量分數(shù)超過6.69%的鐵碳合金脆性很大，沒有使用價值,所以有使用意義并被深入研究的只有Fe-Fe3C這一部分。（三）基本相及其性能1.基本相液相L鐵素體:碳溶于α-Fe中的間隙固溶體(高溫鐵素體):碳溶于δ-Fe中的間隙固溶體奧氏體:碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體滲碳體:具有復(fù)雜晶格的間隙化合物，F(xiàn)e3C三次滲碳體鐵素體奧氏體2.性能鐵素體:體心立方晶格，雖其總空隙度較大(32%),但每個具體空隙直徑都不大,僅0.072nm,遠小于碳原子的直徑(0.154nm),其原子間空隙很小,溶碳能力極差。因此,室溫性能與純鐵相似，強度、硬度不高，但塑性和韌性較好，適于塑性成型。代號為F或

2.性能(2)奧氏體：代號為A或，面心立方晶格，其雖總間隙為26％<

Fe。但具體間隙直徑較大，最大直徑0.104nm近于碳原子直徑。所以碳原子在

Fe中溶解度大于在

-Fe中的溶解度。碳原子在

Fe晶格間隙中的可能位置。奧氏體是一種強度不高塑性很好的高溫相。是熱變形加工所需相。一般情況奧氏體不存在于室溫。

2.性能(3)滲碳體:其有固定的成分Wc＝6.69％，熔點為1227℃,可視為是一種組元。具有高硬度、高脆性、低強度和低塑性的相。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化的強化相。石墨是Fe-C中游離碳，代號G，簡單六方晶格結(jié)構(gòu)。強度、塑性、硬度都很低。在鋼中通常不允許它存在。小測試下列說法正確的是：

A.鐵素體是碳溶解于α-Fe中形成的固溶體，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)；C.奧氏體是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶體，具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)。B.滲碳體是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶體，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)；太棒了！太棒了！下次努力！鐵碳相圖是研究鋼和鑄鐵的基礎(chǔ)，對于鋼鐵材料的應(yīng)用以及熱加工和熱處理工藝的制訂也具有重要的指導(dǎo)意義。鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等,有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為Fe-Fe3C相圖,此時相圖的組元為Fe和Fe3C。二鐵碳相圖Wc（%）Feδ1.鐵碳合金中的相

⑴液相L

鐵與碳的液溶體。⑵δ相是碳在δ—Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格，在1394℃以上存在，1495℃時溶碳量為0.09%。⑶α相是碳在α—Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。其中碳的固溶度室溫時約為0.0008%，600℃時為0.0057%，在727℃時為0.0218%。其性能特點是強度低、硬度低、塑性好⑷γ相是碳在γ—Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148℃時為2.11%。其性能特點是強度較低，硬度不高，易于塑性變形⑸Fe3C相是一個金屬化合物（又稱滲碳體），根據(jù)其生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。γαγ+Lδ+Lδ+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3Cα+γFe3C6.69L2.鐵碳相圖分析包晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變(1)包晶、勻晶轉(zhuǎn)變包晶轉(zhuǎn)變:已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變。應(yīng)用：軟基體上分布硬質(zhì)點組織或晶粒細化，如鋁合金中添加少量的鈦（TiAl3)L+δ

→γ(A)勻晶轉(zhuǎn)變:從液相結(jié)晶出單相固溶體的結(jié)晶過程。L→L+γ→γ

共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的固相同時轉(zhuǎn)變成兩種成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的液相同時轉(zhuǎn)變成兩種成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。γβα共析轉(zhuǎn)變：γ

→α+β轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共析組織Lβα共晶轉(zhuǎn)變：L→α+β轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：共晶組織(2)共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別(3)標(biāo)準鐵碳相圖點、線及區(qū)域分析Fe-Fe3C相圖分析圖鐵碳相圖符號溫度/℃含碳量/%含義A15380純鐵的熔點

B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時液態(tài)合金的成分

C11484.3共晶點D12276.69Fe3C的熔點

E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度

F11486.69Fe3C的成分

G9120α與γ同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點表鐵碳相圖中的特征點符號溫度/℃含碳量/%含義H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點K11486.69Fe3C的成分N13940γ與δ同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點Q室溫0.0008室溫下碳在α-Fe中的溶解度表鐵碳相圖中的特征點（續(xù)）特性線含義

ABCD鐵碳合金的液相線AHJECF鐵碳合金的固相線HJBLB+δ→γJECFLC→γE+Fe3C共晶轉(zhuǎn)變線GS奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線ES碳在奧氏體中的溶解度線PSKγs→αp+Fe3C共析轉(zhuǎn)變線PQ碳在鐵素體中的溶解度線表鐵碳相圖中的特征線a.恒溫轉(zhuǎn)變線HJB含碳量在0.09%~0.53%之間的合金冷卻到1495℃時，均要發(fā)生包晶反應(yīng)，形成奧氏體。

含碳量為0.17%的鐵碳合金，在包晶反應(yīng)終了時，δ相與液相同時耗盡，變?yōu)閱蜗鄪W氏體。含碳量為0.09~0.17%的鐵碳合金，在包晶反應(yīng)終了時，有多余的δ，隨后通過同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。含碳量為0.17~0.53%的鐵碳合金，在包晶反應(yīng)終了時，有多余的液相，隨后冷卻過程中勻晶過程成為奧氏體。鐵碳相圖中恒溫轉(zhuǎn)變線b.恒溫轉(zhuǎn)變線ECF

萊氏體（又稱高溫萊氏體）共晶反應(yīng)的產(chǎn)物(奧氏體和滲碳體)，用符號“Ld”表示。變態(tài)萊氏體（又稱低溫萊氏體）是由珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體組成，用符號“Ld?”表示。圖

共晶白口鑄鐵平衡組織c.恒溫轉(zhuǎn)變線PSK珠光體是鐵素體和滲碳體兩相的混合物，是共析反應(yīng)的產(chǎn)物，用符號“P”表示。珠光體是一種雙相組織。一般情況下，兩相呈層片狀分布，強度較高、硬度適中、有一定塑性。圖共析鋼的室溫組織

ES、PQ、GS線ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。含碳量大于0.77%的合金，從1148℃冷到727℃的過程中，將自奧氏體中析出滲碳體，這種滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII)。PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。鐵碳合金由727℃冷卻到室溫的過程中，鐵素體中會有滲碳體析出，這種滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。GS線是冷卻過程中，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線；或者說是加熱過程中，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線（具有同素異晶轉(zhuǎn)變的純金屬，其固溶體也具有同素異晶轉(zhuǎn)變，但其轉(zhuǎn)變溫度有變化）。簡化后的Fe-Fe3C相圖鐵碳相圖的簡化典型鐵碳合金的平衡凝固鐵碳相圖各區(qū)域（1）共析鋼各區(qū)域反應(yīng)及微觀形貌

共析鋼凝固過程示意圖圖共析鋼的室溫組織共析鋼：室溫下是片狀的鐵素體與滲碳體組成的珠光體組織。（2）亞共析鋼亞共析鋼凝固過程示意圖

20、45和60鋼的室溫組織

亞共析鋼：室溫下組織是由鐵素體與珠光體組成。（3）過共析鋼過共析鋼凝固過程示意圖

過共析鋼光學(xué)顯微組織照片

過共析鋼：室溫下組織是網(wǎng)狀的二次滲碳體與珠光體組成（4）共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵的凝固過程示意圖

圖

共晶白口鑄鐵的光學(xué)顯微組織照片共晶白口鐵：低溫萊氏體，其組織由珠光體、二次滲碳體與共晶滲碳體組成（5）亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵的凝固過程示意圖

亞共晶白口鑄鐵的光學(xué)顯微組織照片亞共晶白口鐵：組織是由珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體（6）過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵的凝固過程示意圖

過共晶白口鑄鐵的光學(xué)顯微組織照片過共晶白口鐵：低溫萊氏體與條狀的一次滲碳體組成三.碳和雜質(zhì)元素對碳鋼組織和性能的影響含碳量與Fe-Fe3C合金相組成物相對量、組織組成物相對量的關(guān)系

1.碳的影響含碳量對碳鋼機械性能的影響在C%<1%時，隨含碳量的增加鋼的強度、硬度增加，但塑性、韌性降低；當(dāng)C%>1%后，隨含碳量的增加，鋼的硬度增加，但強度、塑性、韌性降低，這是因為Fe3CⅡ成連續(xù)網(wǎng)狀分布，進一步破壞了鐵素體基體之間的連接作用所造成。思考題1.如何用簡單的方法鑒別低碳鋼和鑄鐵?2.鋼鉚釘為什么一般用低碳鋼制成?3.大家唱的“比鐵還硬,比鋼還強”能不能改成“比鋼還硬,比鐵還強”?錳在鋼中的存在也屬于有益元素，它與氧有較強的親合力，具有較好的脫氧能力，在煉鋼時作為脫氧劑加入。另外錳與硫的親合力很強，在鋼液中與硫形成MnS，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影響。鋼中的含錳量一般為0.25~0.80%，它一部分溶入鐵素體起到固溶強化作用，提高鐵素體的強度，錳還可溶入滲碳體形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C，使鋼具有較高的強度；另一部分錳與硫形成MnS，與氧形成MnO，這些非金屬夾雜物大部分進入爐渣。2.錳的影響硅在鋼中的存在屬于有益元素，由于它與氧有很大的親合力，具有很好地脫氧能力。在煉鋼時作為脫氧劑加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2,硅與氧化鐵反應(yīng)生成二氧化硅（SiO2）非金屬夾雜物，一般大部分進入爐渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以夾雜物形式存在于鋼中，將影響鋼的性能。碳鋼中的含硅量一般Si%≤0.4%，它大部分溶入鐵素體，起固溶強化作用，提高鐵素體的強度，而使鋼具有較高的強度。3.硅的影響硫在鋼中是有害的雜質(zhì)。液態(tài)時Fe、S能夠互溶，固態(tài)時Fe幾乎不溶解硫，而與硫形成熔點為1190℃的化合物FeS。形成的共晶體（r-Fe+FeS）分布在r-Fe晶界處。若將含有硫化鐵共晶體的鋼加熱到軋制、鍛造溫度時，共晶體熔化，進行軋制或鍛造時，鋼將沿晶界開裂，這種現(xiàn)象稱為鋼的“熱脆”或“紅脆”。4.硫的影響圖Fe-S相圖磷在鋼中的存在一般屬于有害元素。在1049℃時，磷在Fe中的最大溶解度可達2.55%，在室溫時溶解度仍在1%左右，因此磷具有較高的固溶強化作用，使鋼的強度、硬度顯著提高，但也使鋼的塑性，韌性劇烈降低，特別是使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇升高，這種現(xiàn)象稱為冷脆。5.磷的影響圖Fe-P相圖6.氮的影響圖Fe-N相圖氮在鋼中的存在一般認為是有害元素。N在γ中的最大溶解度在850℃為2.8%N，在α中的最大溶解度在590℃約為0.1%N