材料科学基础——铁碳相图

1、材料科学基础Fundamentals of Materials Science第四章 Fe-Fe3C相图Fe-Fe3Cphase diagram 4.1 铁碳合金组元性质4.2 Fe-Fe3C相图分析 4.3 铁碳合金平衡结晶过程 4.4 Fe-Fe3C相图的应用 4.5 碳钢 Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C) 渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却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，铁碳相图有两类： 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是06.69 液体、固溶体和石墨之间的稳

2、定平衡，其中C含量的范围是0100。 123456ABCDEFGHNJPMOSKQ15381394115411489107707387272301493LCm L+Cm CmFeFe3C+ L4.1 铁碳合金中的组元及相 纯铁（iron）1394153810006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe力学性能力学性能：b176274MPa 0.298166MPa 3050，7080 HB5080 aK1.52MNm/m2应应 用用：主要应用于电子材料，作为铁芯。碳在-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，简称为铁 素 体

3、 ( ) ； 最 大 溶 碳 量 为 7 2 7 时 的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/2 、硬度80HB 。 碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，()，最大溶碳量为1495时的0.09。铁素体（Ferrite）n碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148时的wc=2.11；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：b400MPa、40%50%、170220HB。n奥氏体主要存在于727以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态

4、下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(b)30MPa、伸长率()0、冲击韧度(k)0。珠光体（Pearlite）nFFe3C的一种机械混合物，用符号P表示，其组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好。莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由AFe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了

5、渗碳体特点，硬而脆。4.2 Fe - Fe3C 相图分析FeTFe3C Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )符 号温 度/ （C）/%说 明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点D12276.69

6、渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶反应生成的渗碳体G9120-Fe向-Fe转变温度（A3）H14950.09碳在-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69共析反应生成的渗碳体M7700纯铁的磁性转变点N13940-Fe向-Fe的转变温度（A4）O7700.5（C）0.5合金的磁性转变温度P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）Q6000.0057600时碳在-Fe中的溶解度液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，和Fe3C七个两相区：L ，L ，L Fe3C， ， ， Fe3C， Fe3C

7、两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB包晶转变线 ECF共晶转变线 PSK共析转变线1.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB + H AJ14953.共析转变反应式共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P 7272.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC ( AE + Fe3C ) Ld 11484.3 典型铁碳合金的平衡凝固工业纯铁(iron)：C%0.0218%钢(steel)：C%：0.02182.11%，又分为：共析钢(eutectoid steel)： C%： 0.77%亚共析钢(hypeutectoid steel) ： C%： 0

8、.02180.77%过共析钢(hypereutectoid steel) ： C%： 0.772.11%铸铁(cast iron)： C%： 2.116.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutectic cast iron)： C%： 4.30%亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.114.30%过共晶铸铁(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.306.69%1. 工业纯铁 ( Wc 0.0218% )纯铁组织金相图2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )共析钢组织金相图相组成：+Fe3C组织组成：

9、P%8869. 677. 069. 6%12%881%CFe3 共析钢 ( Wc = 0.77% )3. 亚共析钢 ( Wc = 0.45% ) 亚共析钢组织金相图组织组成： +P%6 .4177. 045. 077. 0%4 .58%6 .411%P亚共析钢 ( Wc = 0.45% )%3 .9369. 645. 069. 6%7 . 6%3 .931%CFe3相组成： +Fe3Cn a)含碳量0.20 b)含碳量0.40c)含碳量0.60abc4. 过共析钢 ( Wc = 1.2% ) 过共析钢组织金相图组织组成： Fe3C+P%26. 777. 069. 677. 02 . 1%CFe

10、3%74.92%26. 71%P过共析钢 ( Wc = 1.2% )%1 .8269. 62 . 169. 6%9 .17%1 .821%CFe3相组成： +Fe3Ca) 硝酸酒精浸蚀 b) 苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体 黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体 浅白色为珠光体5. 共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% ) 共晶白口铸铁组织金相图组织组成： Fe3C+PLd%5 .1577. 069. 677. 03 . 4%CFe3%5 .84%5 .151%P共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )%7 .3569. 63 . 469. 6%3 .64%7 .351%CFe3相组成： +

11、Fe3C6. 亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% ) 亚共晶白口铸铁组织金相图组织组成： Fe3C+P+Ld？亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )%2 .5569. 60 . 369. 6%8 .44%2 .551%CFe3相组成： +Fe3C7. 过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% ) 过共晶白口铸铁组织金相图组织组成： Fe3C+Ld%3 .293 . 469. 63 . 40 . 5%CFe3%7 .70%3 .291%Ld过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )%3 .2569. 60 . 569. 6%7 .74%3 .251%CFe3相组成： +Fe3C 总结：从F

12、e-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有、Fe3C、P、 Fe3C、Fe3C 和Ld。Ld碳含量相组成组织组成工业纯铁0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77% F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3C Fe3C+P+Ld共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld补充：Fe-石墨相图AGNQG 123456BCDEFHJPMOSK153813941

13、15411489107707387272301493LG GDCEFSKP02510152025与Fe-Fe3C相图的不同之处：1）液相线：ABCD 固相线：AHJECF2）在Fe-Fe3C相图中所有析出渗碳体的线、点，在Fe-石墨相图中除位置除有所改变外，都是析出石墨： CD线析出初次石墨 ES线析出二次石墨 ECF线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏体与片状石墨组成的团状组织。 1. 共析组织是由铁素体和石墨组成的，石墨呈点状分布在铁素体基体上。各类铁碳合金中的石墨形态 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长。最终得到片状石墨加铁素体组织。 石墨可有两

14、种形态： A型型 石墨无方向性均匀分布 B型型 石墨呈片状与点状聚集成的菊花状分布A 型型B 型型a. 共晶成分铁-石墨相图凝固如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较多的先共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体石墨共晶只能在枝晶间生长。此时石墨呈D型型分布。b. 亚共晶成分铁-石墨相图凝固D 型型石墨在枝晶间呈点片状分布过共晶成分的铁碳合金凝固后组织中含有初次石墨 C型：型：初次石墨呈粗大的片状 F型：型：初次石墨呈星状分布C 型型F 型型c. 过共晶成分铁-石墨相图凝固浇铸前在液体里加入镁或稀土元素并加入少量硅：石墨呈球状球墨铸铁d. 进行变质处理含碳量小于2.11的合金在一般情况下都是按照亚稳系

15、统转变的。含碳量高于2.11的合金，在实际生产中是把成分控制在共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝固与转变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统转变得到珠光体。 L2.08A4.250.68A0.0218FFeG共晶共晶G二次二次G共析共析G三次三次第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名 称程 度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行FG充分进行充分进行部分进行FPG充分进行充分进行不进行PG麻口铸铁部分进行部分进行不进行LdPG白口铸铁不进行不进行不进行 Ld PFe3C碳含量相组成组织组成工业纯铁0.0218%

16、F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77% F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3C Fe3C+P+Ld共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名 称程 度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行FG充分进行充分进行部分进行FPG充分进行充分进行不进行PG麻口铸铁部分进行部分进行不进行LdPG白口铸铁不进行不进行不进行 Ld PFe3C4.4 Fe-Fe3C相图的应用1. 碳对平衡组织

17、的影响00.02180.772.114.350%100%FCmCmLdC%P室温组织组成相对 量图表0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相组成相对量图表2. 碳对力学性能的影响3. 碳对可锻性能的影响钢的可锻性首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低，以免塑性变差。4. 碳对流动性的影响两个主要影响因素：化学成分和浇铸温度化学成分：C的影响最大。C量增加，结晶温度增大，流动性应该变差。但是，随C量增加，液相线温度降低。因此，同样浇铸温度下，

18、含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利。铸铁液相线较低，流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO。降低钢种脆性，提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为 非金属夹杂物。1. Mn的影响4.5 碳钢4.5.1 钢中常见杂质元素残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。是钢中的有益元素。钢中Si含量通常小于0.5%，脱氧时进入，形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物。Si同样可以溶于奥

19、氏体或铁素体中，起固溶强化作用。含量不超过1时，不降低钢的塑性和韧性。所以，认为认为Si是钢中的有益元素。是钢中的有益元素。2. Si的影响冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾钢。硅钢中的Si提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效。S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeS。FeS与铁形成熔点为989的（FeFeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间。（FeFeS）共晶体的量很少，几乎都是离异共

20、晶。网状FeS对钢的力学性能损害极大。3. S的影响如果钢中存在（FeFeS）共晶体，在加热到11501200之间时，会成为液体 。变形过程中会开裂，称这种现象为热脆或红热脆或红脆脆。如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（FeFeOFeS)三相共晶体，其危害更大。 所以，S是一种有害元素是一种有害元素。普通质量钢中其含量0.055；优质钢中其含量在0.040以下；高级优质钢则0.030；要求更高时，甚至限制其含量0.020。 高硫钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗粘结（咬和）的优良性能，它可以广泛应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件，高硫合金钢取代低硫合金钢，并

21、具有长的使用寿命。 4. P的影响 由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大，因此P在Fe中具有很强的偏析倾向。 在铁基合金中，P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力，但在P含量较高时，它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。 P会降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度，提高钢的冷脆。 P还会使钢发生蓝脆现象。蓝脆就是指钢在加热到150300时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象。这是因为在空气中加热到150300时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。蓝脆一般是有害的。 因此，在含量较高时，在含量较高时，P是一种有害元素是一种有害元素。一般情况下，普通钢的P含量限制在0.045以下；优质钢在0.04

22、以下；高级优质钢在0.035以下。高P钢也可被利用： 1）在炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片，杀伤更多的敌人； 2）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的表面光洁度； 3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性。2022-3-15/2022-3-15高强深冲钢及P的作用 随着汽车工业的快速发展和节约能源、减轻汽车自重的需要，高强度深冲钢成为研发热点。 目前日本开发的含P深冲钢： 屈服强度：235MPa 抗拉强度：390MPa高强度钢板在不同强化机制下抗拉强度和延伸率的关系2022-3-15/2022-3-15固溶强化元素对钢屈服强度影响2022-3-15/

23、2022-3-15研究表明，要获得综合性能优良的含P高强IF钢，需要从微合金化、超低碳、钢质纯净及热轧、冷轧和退火工艺等方面控制，以获得强的111/ND有利织构及较均匀的铁素体晶粒。含P高强度钢有：低碳含P钢板和超低碳含P钢板（含P高强度IF钢）平炉钢：0.0010.008纯氧顶吹转炉钢：0.0030.006电炉钢：0.0080.03。5. N的影响 含有N的低碳钢在冷塑性变形后，性能将随时间变化，即强度、硬度增高，塑性、韧性降低。这种现象叫做应变时效应变时效。H溶入钢中使钢的塑性和韧性降低氢脆。H由原子态变为分子态，体积膨胀形成裂纹白点。6. H的影响白点对钢的性能影响：使钢的力学性能大大下降，造成工件开裂、破坏或使用中严重失效，故在任何情况下，凡有白点的钢材或工件都被禁止使用。平炉钢：0.020.03电炉钢：0.010.02侧吹碱性转炉钢：0.040.07。700时，铁能溶氧0.008500 以下降至0.0