5鐵-碳合金相圖

第三節(jié)鐵-碳合金相圖鋼鐵材料是現(xiàn)代制造業(yè)中使用最廣泛的金屬材料。純鐵的塑性很好，但強(qiáng)度、硬度較低，所以，很少用它制造機(jī)械零件。當(dāng)往鐵中加入少量碳后，則組織和性能就發(fā)生了顯著的變化。在鐵碳合金中，鐵和碳互相結(jié)合的方式是:在液態(tài)時，鐵和碳以無限互溶；在固態(tài)時，鐵和碳互相結(jié)合的方式有兩種，一種是碳溶于鐵中形成固溶體，一種是碳與鐵形成金屬化合物。此外，還可以由固溶體和金屬化合物組成機(jī)械混合物。鐵碳相圖對正確選擇和使用材料、制訂合理的材料成型工藝等都具有重要的指導(dǎo)意義。鐵碳合金狀態(tài)圖在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用是很廣泛的，它不僅可作為選材的依據(jù)，還是制定鑄造、壓力加工和熱處理等加工工藝的重要依據(jù)。

5鐵-碳合金相圖純鐵的冷卻曲線1394℃1534℃10006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-

Fe5鐵-碳合金相圖一、鐵碳合金的基本相

Fe和Fe3C是組成Fe-Fe3C相圖的兩個基本組元。由于鐵與碳之間的相互作用不同，使鐵碳合金固態(tài)下的相結(jié)構(gòu)也有固溶體和金屬化合物兩類。屬于固溶體相有鐵素體與奧氏體，屬于金屬化合物相的有滲碳體。1．鐵素體-碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，以符號F表示。純鐵在912t以下為具有體心立方晶格的α-Fe。由于α-Fe是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，它的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727℃時溶碳量最大可達(dá)0．0218％。隨著溫度的下降，鐵素體的溶碳量逐漸減小，在室溫時溶碳量幾乎等于零。因此其性能幾乎和純鐵相同，即鐵素體的強(qiáng)度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。其數(shù)值見表2-3。鐵素體在770℃C以下具有鐵磁性，而在770℃C以上則失去鐵磁性。表2-3鐵素體的性能5鐵-碳合金相圖2．奧氏體-碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，以符號A表示。

γ-Fe是面心立方晶格結(jié)構(gòu)，由于它的晶格間的最大空隙要比α-Fe大，所以溶碳能力比較大。γ-Fe在1148℃時溶碳量最大可達(dá)2．11％，隨著溫度的下降，溶碳量逐漸減少，在727℃時溶碳量最低為0．77％。奧氏體的性能與其溶碳量及晶粒大小有關(guān)，一般奧氏體的抗拉強(qiáng)度：σb=400Mpa,硬度為170—220HBS，伸長率δ為40％～50％，易于鍛壓成形。由于碳的大量溶入，使奧氏體具有一定的強(qiáng)度和硬度，但因它是單一固溶體，所以塑性很好。鋼在鍛造或軋制時加熱到高溫，其目的就是使其組織轉(zhuǎn)變成奧氏體，以降低鋼的強(qiáng)度和硬度，提高塑性，而易于加工成形。

奧氏體為非鐵磁性相組織。5鐵-碳合金相圖

奧氏體組織金相圖5鐵-碳合金相圖3滲碳體-是一種具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物

分子式為Fe3C(圖2-16),沒有同素異晶轉(zhuǎn)變;滲碳體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6．69％；溶點(diǎn)為1227℃左右。Fe3C有磁性轉(zhuǎn)變，它在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230℃以上則失去鐵磁性。Fe3C的硬度很高(~800HBW)，而塑性和沖擊韌度幾乎等于零，脆性極大。滲碳體的顯微組織形態(tài)很多，在鋼和鑄鐵中與其他相共存時呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。滲碳體是碳鋼中主要的強(qiáng)化相，它的形狀與分布對鋼的性能有很大的影響。Fe3c是一種亞穩(wěn)定相，在一定條件下會發(fā)生分解。5鐵-碳合金相圖滲碳體組織金相圖5鐵-碳合金相圖4.珠光體P--鐵素體和滲碳體組成的兩相機(jī)械混合物。力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，具有良好的力學(xué)性能(σb≈750MPa，硬度為180HBS，δ≈20％)。5鐵-碳合金相圖5.萊氏體Ld--奧氏體和滲碳體組成的兩相機(jī)械混合物。它存在于高溫區(qū)(727—1148℃)，在727℃以下時變成滲碳體和珠光體的混合物，稱為低溫萊氏體，用符號L‘d表示。由于萊氏體中含有大量的滲碳體，所以塑性、韌性很差，是硬而脆的組織。5鐵-碳合金相圖二、鐵一碳合金相圖

鐵和碳是鋼鐵中兩個最基本的元素，故稱為鐵碳合金。在鐵碳合金中，鐵與碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，而穩(wěn)定的化合物可以作為一個獨(dú)立的組元。因此一般所說的鐵碳合金相圖，實(shí)際上是指鐵一滲碳體(Fe—Fe3C)相圖，如圖2-20所示為簡化圖。(掌握背熟)

純鐵的晶體結(jié)構(gòu)：1538OC以上（L），1538OC—1394OC（體心立方δFe）,1394OC-912OC(面心立方γFe),912OC以下體心立方α-Fe。5鐵-碳合金相圖特性點(diǎn)溫度℃含碳量%含義ACDEFGKPSQ1538114712271147114791272772772760004.306.672.066.6706.670.020.770.006純鐵的熔點(diǎn)共晶點(diǎn)滲碳體的熔點(diǎn)碳在

γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)滲碳體的成分α-

Fe與

γ-Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)滲碳體的成分碳在α-

Fe中的最大溶解度點(diǎn)共析點(diǎn)600℃時碳在α

-Fe中的最大溶解度1、相圖分析

（1）鐵碳合金狀態(tài)圖中的各特性點(diǎn)列表5鐵-碳合金相圖（2）相圖中的特征線圖3-13Fe-Fe3C相圖主要由包晶、共晶和共析三個恒溫轉(zhuǎn)變組成。1)ACD線為液相線，AECF線為固相線。2)在ECF水平線(1148℃)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變LC?γE+Fe3C，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，即萊氏體。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2．11％～6．69％的鐵碳合金都發(fā)生這種轉(zhuǎn)變。3)在PSK水平線(727℃)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變γS?αP+Fe3C

，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，即珠光體。所有碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0．02％的鐵碳合金都發(fā)生這個轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變溫度常標(biāo)為A1溫度。5鐵-碳合金相圖Fe-Fe3C相圖中三條重要的固態(tài)轉(zhuǎn)變線

1)GS線——奧氏體中開始析出鐵素體或鐵素體全部溶入奧氏體的轉(zhuǎn)變線，常稱此溫度為A3溫度。2)ES線——碳在奧氏體中的溶解限度線。此溫度常稱ACM溫度。低于此溫度時，奧氏體中將析出滲碳體，稱為二次滲碳體Fe3CII，以區(qū)別于從液體中經(jīng)CD線析出的一次滲碳體Fe3C。3)PQ線——碳在鐵素體中的溶解度線。在727℃，碳在鐵素體中的最大溶解度為0．0218％，因此，鐵素體從727℃冷卻下來時，也將析出滲碳體，稱為三次滲碳體Fe3CIII。5鐵-碳合金相圖2、典型鐵碳合金結(jié)晶過程

（1）鐵碳合金分類

鐵碳合金狀態(tài)圖上的各種合金，按其含碳量和常溫組織的不同，一般可分為下列三類

：

1）工業(yè)純鐵(<0.02％C)：

常溫組織為F。

2）鋼(0.008－2.06％C)

其中又分為：

亞共析鋼(0.008～<0.8％C)

常溫組織為F+P

；

共析鋼(0.8％C)

常溫組織為P；

過共析鋼(>0.8％～2.06％C)常溫組織為P+Fe3CII

。3）生鐵(>2.06～6.67％C)

其中又分為：

亞共晶白口鐵(>2.06～<4.3％C)

常溫組織為P+Fe3Cll+L’i＋

(P+Fe3CII+Fe3C)

共晶白口鐵(4.3％C)

常溫組織為以(P+Fe3CIl+Fe3C)；

過共晶白口鐵(>4.3~6.67％C)常溫組織為L’i＋(P+Fe3CII+Fe3C)+Fe3CI。5鐵-碳合金相圖（２）幾種典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析鐵碳合金狀態(tài)圖上幾種典型合金的位置

①5鐵-碳合金相圖②共析鋼的結(jié)晶過程含碳量為0.77％的鐵碳合金(圖3-14中合金②)的結(jié)晶過程

該合金在1點(diǎn)以上溫度時，全部為成分均勻的液體，緩慢冷卻，溫度降到1點(diǎn)后，開始從液體中結(jié)晶出奧氏體，溫度繼續(xù)下降，奧氏體量不斷增加，直至2點(diǎn)，液體全部結(jié)晶成奧氏體，2點(diǎn)以下到S點(diǎn)以上為奧氏體的冷卻，沒有組織變化，當(dāng)溫度下降到S點(diǎn)(727℃)時，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，全部轉(zhuǎn)變成珠光體，3點(diǎn)以下至室溫，組織基本上不再變化，而僅為珠光體的冷卻。這種含碳量為0.77的鐵碳合金叫共析鋼，共析鋼的常溫組織為珠光體。其組織轉(zhuǎn)變過程如圖所示。組織特征圖圖組織轉(zhuǎn)變過程5鐵-碳合金相圖

共析鋼組織金相圖5鐵-碳合金相圖③亞共析鋼的結(jié)晶過程分析含碳量為0.008～<0.77％的鐵碳合金③的結(jié)晶過程

開始階段合金的結(jié)晶過程與合金2)類似，當(dāng)冷卻到3點(diǎn)(即GS線上的點(diǎn))時，便從均勻的奧氏體中開始析出鐵素體，隨著溫度的下降，鐵素體量逐漸增多，未轉(zhuǎn)變的奧氏體中的含碳量沿GS線逐漸增加，即趨近于s點(diǎn)的成分，當(dāng)溫度降至4點(diǎn)(727℃)時，組織中剩余的奧氏體的含碳量增至O.77％，因此發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，4點(diǎn)以下再繼續(xù)冷卻，組織基本上不再變化。這種含碳量<0.77％的鐵碳合金叫亞共析鋼，所有亞共析鋼常溫時的組織都是由鐵素體和珠光體組成，不過因含碳量的不同兩者的相對量不同，含碳量愈高，組織中的珠光體量愈多，而鐵素體量愈少。亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變?nèi)缦聢D。亞共析鋼組織轉(zhuǎn)變過程5鐵-碳合金相圖例C0.4%亞共析鋼室溫下相的相對重量百分比為：C0.4%亞共析鋼室溫下組織組成物的相對重量百分比為：S’5鐵-碳合金相圖亞共析鋼組織金相圖5鐵-碳合金相圖亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C

范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織5鐵-碳合金相圖④過共析鋼的結(jié)晶過程分析鐵碳合金④的結(jié)晶開始階段合金Ⅲ的結(jié)晶過程與合金2、3類似，當(dāng)合金冷到2點(diǎn)以下，便為單一的奧氏體，2點(diǎn)以下到3點(diǎn)以上為奧氏體的冷卻，溫度降到3點(diǎn)(即ES線上的點(diǎn))時，由于溫度下降奧氏體的溶碳能力降低，便開始沿奧氏體晶界析出二次滲碳體，溫度繼續(xù)下降，在二次滲碳體不斷析出的同時，剩余的奧氏體的含碳量沿ES線逐漸減少，溫度降到4點(diǎn)(727℃)時，組織中剩余的奧氏體的含碳量已降至0.77％，因而發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，共析反應(yīng)結(jié)束后，合金由珠光體和二次滲碳體組成，4點(diǎn)以下再繼續(xù)冷卻，組織基本上不再變化。這種含碳量>O.77～2.06％的鐵碳合金叫過共析鋼，所有過共析鋼常溫時的組織都是由珠光體和二次滲碳體組成。組織轉(zhuǎn)變?nèi)缦聢D。過共析鋼組織轉(zhuǎn)變5鐵-碳合金相圖

過共析鋼組織金相圖5鐵-碳合金相圖⑤共晶白口鐵的結(jié)晶過程分析含碳量為4.3％的鐵碳合金⑤在C點(diǎn)以上是液體，溫度降到C點(diǎn)(1147℃)時，在恒溫下發(fā)生共晶反應(yīng)，全部液體均轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體，在繼續(xù)冷卻的過程中，萊氏體內(nèi)奧氏體的含碳量沿ES線逐漸減少的同時，不斷析出二次滲碳體.冷卻到PSK線上2點(diǎn)(727℃)時，組織中剩余的奧氏體的含碳量已降到0.77％，因而發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成珠光體。室溫時的組織為珠光體、二次滲碳體和共晶滲碳體，稱為低溫或變態(tài)萊氏體。將這種含碳量為4.3%的鐵碳合金叫做共晶白口鐵。常溫組織為變態(tài)萊氏體，可表示為Le‘(P+Fe3C+Fe3C)。共晶生鐵的組織轉(zhuǎn)變?nèi)缦聢D。共晶生鐵的組織轉(zhuǎn)變共晶白口鐵的室溫組織5鐵-碳合金相圖

共晶白口鐵組織金相圖5鐵-碳合金相圖⑥亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程分析

圖3-14中的合金⑥是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11％-4.3％的亞共晶白口鐵。當(dāng)亞共晶白口鐵冷卻到l點(diǎn)溫度時，開始從液相中結(jié)晶出奧氏體。隨著溫度的下降，奧氏體量不斷增加，其成分沿固相線AE變化，而剩余液相量逐漸減少，其成分沿液相線AC變化。當(dāng)冷卻到與共晶線ECF相交于2點(diǎn)溫度時，已結(jié)晶的奧氏體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11％，液相的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)正好為共晶成分(WC=4.3％)，因此，剩余的液相就發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體。在2到3點(diǎn)之間冷卻時，與共晶白口鐵相同，奧氏體中不斷析出二次滲碳體。到3點(diǎn)溫度，奧氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)正好是0.77％，故發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成珠光體。亞共晶白口鐵的室溫組織為珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體。圖3-19為其室溫顯微組織。5鐵-碳合金相圖

亞共晶白口鐵組織金相圖5鐵-碳合金相圖⑦過共晶白口鐵的結(jié)晶過程分析

圖3-14中的合金⑦是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.3％~6.69％C的過共晶白口鐵。冷卻到1點(diǎn)溫度時，液相中開始結(jié)晶出一次滲碳體。隨著溫度的下降，結(jié)晶出的滲碳體量不斷增加，剩余的液相量逐漸減少，其成分沿液相線DC變化。當(dāng)冷卻到與共晶線ECF相交于2點(diǎn)的溫度時，液相的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)正好為共晶成分，因此，剩余的液相就發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體。在2到3點(diǎn)間冷卻時，奧氏體中同樣要析出二次滲碳體，并在3點(diǎn)的溫度，奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變形成珠光體。過共晶白口鑄鐵的室溫組織為一次滲碳體和低溫萊氏體，如圖3-20。過共晶白口鑄鐵的室溫組織5鐵-碳合金相圖

過共晶白口鐵組織金相圖5鐵-碳合金相圖第四節(jié)鐵碳合金成分、組織和性能關(guān)系及相圖的應(yīng)用⒈含碳量對室溫平衡組織的影響（圖3-22）

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：

鋼鐵素體

亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對量%相組成物相對量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體5鐵-碳合金相圖2．碳含量對力學(xué)性能的影響

圖3-23為碳含量對碳鋼的力學(xué)性能的影響。當(dāng)鋼的碳含量小于0.9％時，隨著鋼中碳含量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度直線上升，而塑性、韌性不斷降低；當(dāng)鋼中碳含量大于0.9％時，因網(wǎng)狀滲碳體的存在，不僅使鋼的塑性、韌性進(jìn)一步降低，而且強(qiáng)度也明顯下降。為了保證工業(yè)上使用的鋼具有足夠的強(qiáng)度，并具有一定的塑性和韌性，鋼中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都不超過1.3％~1.4％。碳含量大于2.11％的白口鐵中存在較多的滲碳體，在性能上顯得特別硬而脆，難以切削加工，因此在機(jī)械制造業(yè)中很少應(yīng)用。圖3-23鋼的成分對組織、力學(xué)性能的影響5鐵-碳合金相圖3．在選材方面的應(yīng)用

(熟練掌握)

Fe-Fe3C相圖總結(jié)了鐵碳合金的組織、性能隨成分變化的規(guī)律，因此在選擇材料時，F(xiàn)e-Fe3C相圖就成為很重要的工具。例如，一般機(jī)械零件和建筑結(jié)構(gòu)主要選用低碳鋼和中碳鋼制造。如果需要塑性、韌性好的材料，就應(yīng)選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．25％的低碳鋼；若需要強(qiáng)度、塑性及韌性都好的材料，應(yīng)選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3％~0.55％的中碳鋼；而一般彈簧應(yīng)選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6％~0.85％的鋼。對于各種工具，主要選用高碳鋼來制造，其中需要具有足夠的硬度和一定的韌性的沖壓工具，可選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7％~0.9％的鋼制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和測量工具，一般可選用碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0％~1.3％的鋼制造。白口鐵中都存在萊氏體組織，具有很高的硬度和脆性，既難以切削