第四章铁碳合金

1、第四章第四章 铁碳合金铁碳合金( Iron Carbon Phase Diagram )本章主要内容本章主要内容Fe C 相图的基础知识。相图的基础知识。形成形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结相图组元和基本组织的结构与性能。构与性能。Fe - Fe3C 相图的建立与分析。相图的建立与分析。碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。影响。Fe - Fe3C 相图的应用。相图的应用。铁碳合金的生产及分类。铁碳合金的生产及分类。第一节第一节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相1.铁与碳可以形成铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化等

2、一系列化 合物。合物。2.稳定的化合物可以作为一个独立的组元。稳定的化合物可以作为一个独立的组元。3.铁碳合金相图的基本组元是铁和渗碳体铁碳合金相图的基本组元是铁和渗碳体。基本知识：基本知识：4.铁碳合金相图的基本相是铁素体、奥氏体和渗铁碳合金相图的基本相是铁素体、奥氏体和渗碳体碳体。Fe Fe C C 二元相图二元相图Fe3C Fe2CFeC温度FeC(6.69%C)一、铁碳合金的基本组元一、铁碳合金的基本组元（一）纯铁（一）纯铁 ( ferrite )( ferrite )纯铁（纯铁（pure ironpure iron）：）：wFe99.8%99.8%，原子序数，原子序数2626，原，原

3、子相对质量子相对质量55.8555.85，纯铁的熔点，纯铁的熔点15381538，汽化点，汽化点27382738，密度，密度7.87g/7.87g/。纯 铁 固 态 下 具 有纯 铁 固 态 下 具 有 同 素 异 构 转 变 （同 素 异 构 转 变 （ a l l o t r o p i c transformation）：912912以下为体心立方以下为体心立方(bcc)(bcc)结构，结构，912912到到13941394之间为面心立方之间为面心立方(fcc)(fcc)结构结构, 1394, 1394到熔点之间为体心立方到熔点之间为体心立方(bcc)(bcc)结构。结构。纯铁具有磁性转

4、变（纯铁具有磁性转变（768768磁性转变、磁性转变、magnetic transformation）。纯铁强度低，塑性好。纯铁强度低，塑性好( (软软) )，很少，很少用于结构材料，主要利用用于结构材料，主要利用铁磁性（铁磁性（ferromagnetism）。纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的显微组织纯铁的显微组织（二）渗碳体（二）渗碳体（Cementite）渗碳体渗碳体是是FeFeC C合金中碳以化合物合金中碳以化合物(Fe(Fe3 3C)C)形式形式出现的。它具有复杂的晶格出现的。它具有复杂的晶格( (正交晶系正交晶系) )。每一。每一个个C C原子周围有六个

5、原子周围有六个FeFe原子，构成一个八面体，原子，构成一个八面体，而每个而每个FeFe原子属于两个八面体共有，原子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1Fe:C=3:1。FeFe3 3C C熔点为熔点为12271227，FeFe3 3C C是一种亚稳化合物，是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：的自由碳：FeFe3 3C3Fe+C(C3Fe+C(石墨石墨) )。这一过程对。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以FeFeFeFe3 3C C相图又叫介稳定系相图，相图又叫介稳定系相图，FeFeC

6、 C相图又叫稳定相图又叫稳定系相图，若把系相图，若把FeFeFeFe3 3C C相图与相图与FeFeC C相图画在相图画在同一图上，称为同一图上，称为FeFeC C合金双重相图。两相图合金双重相图。两相图各有不同适用范围。各有不同适用范围。渗碳体的晶格渗碳体的晶格Fe-CFe-C合金双重相图合金双重相图（二）渗碳体（二）渗碳体（Cementite）FeFe3 3C C在在230230以下具有铁磁性，常用以下具有铁磁性，常用A A0 0表示这个表示这个临界点。临界点。FeFe3 3C C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆条状。渗碳体硬而脆(

7、HB800)(HB800)，塑性极低，延，塑性极低，延伸率接近于伸率接近于0 0。它是钢铁材料中的主要强化相。它是钢铁材料中的主要强化相。FeFe3 3C C中碳和中碳和FeFe可以被其它元素替代形成以可以被其它元素替代形成以FeFe3 3C C为基的固溶体。为基的固溶体。FeFe被被CrCr、MnMn等原子金属置换，等原子金属置换，形成以形成以FeFe3 3C C为基的固溶体，称为合金渗碳体。为基的固溶体，称为合金渗碳体。二、铁碳合金的基本相二、铁碳合金的基本相 在铁碳相图中，在铁碳相图中，FeFeFe3CFe3C在不同条件下，有在不同条件下，有五个五个基本相：基本相： L L相、相、相、相

8、、相、相、相、相、FeFe3 3C C相相1.1.液相液相(L)(L) Fe Fe与与C C在高温下形成的液体溶液。在高温下形成的液体溶液。(ABCD(ABCD线以上线以上) )2.2.相相 高温铁素体（高温铁素体（high temperature ferrite） C C在在FeFe的间隙固溶体。在的间隙固溶体。在14951495时最大溶解时最大溶解量可达量可达0.09%0.09%，为，为bccbcc结构。结构。3.3.渗碳体（渗碳体（Fe3 3C，cementite） 前面已讨论过前面已讨论过4.4.铁素体（铁素体（） 铁素体（铁素体（Ferrite, 或或F）是碳溶）是碳溶 于于Fe中形

9、成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。C 原子溶于八面体间隙。单相原子溶于八面体间隙。单相相相 在在CPQ以左部分。铁素体的含碳以左部分。铁素体的含碳 量非常低，在量非常低，在727727时时C在在Fe 中最大溶解量为中最大溶解量为0.0218%0.0218%，室温下含碳量仅为，室温下含碳量仅为0.005%0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度，所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50 (HB50 80)80)低，塑性低，塑性( (延伸率延伸率为为30%30%50%)50%)高。铁素高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有形。是铁磁

10、性，具有bccbcc结构。结构。铁素体组织金相图铁素体组织金相图5.5.奥氏体（奥氏体（）奥氏体奥氏体(Austenite(Austenite，或或A)A)是是C C 溶解于溶解于-FeFe形成的间隙固溶体。形成的间隙固溶体。 具有具有fccfcc结构结构, ,可以溶解较多的可以溶解较多的 碳，碳，11481148时最大溶碳量时最大溶碳量2.11%2.11%， 到到727727时含碳量降到时含碳量降到0.8%0.8%。碳。碳 原子存在于面心立方晶格中正八原子存在于面心立方晶格中正八 面体的中心。单相面体的中心。单相区存在于区存在于NJBESGN区域内区域内（72772714591459）。奥氏

11、体的硬度）。奥氏体的硬度(HB170(HB170220)220)较低，塑性较低，塑性( (延伸率延伸率为为40%40%50%)50%)高。高。是是顺顺磁性（磁性（paramagnetism），晶粒呈平直多边形。，晶粒呈平直多边形。奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织三、铁碳合金的基本组织三、铁碳合金的基本组织铁素体（铁素体（）奥氏体（奥氏体（）渗碳体（渗碳体（Fe3 3C、Cm）珠光体珠光体 ( P ) Pearite莱氏体莱氏体 ( Ld ) Ledeburite 变态莱氏体变态莱氏体 ( Ld ) 铁素体组织金相图铁素体组织金相图奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图

12、渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图珠光体珠光体组织金相图组织金相图铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体莱氏体组织金相图组织金相图奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。第二节第二节 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图分析相图分析一一.Fe - Fe.Fe - Fe3 3C C 相图的建立相图的建立 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LL+L+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T(+Fe3C)LdLd+Fe3C+Ld+Fe3C+ Fe3C(

13、+ Fe3C)PP+0.77%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 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LL+L+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T(+Fe3C)LdLd+Fe3C+Ld+Fe3C+ Fe3C(+ Fe3C)PP+0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK二、二、Fe-FeFe-Fe3 3C C 相图的分析相图的分析六个重要的成份点六个重要的成份点: P、S、E、C、K、J。六条重要的线六条重要的线: GS

14、、ES、PQ、 HJB、ECF、PSK。三个重要转变三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、包晶转变、共晶转变、 共析转变。共析转变。二个重要温度二个重要温度: 1148 、727 。1. 1.相图中的点、线、区及其含义相图中的点、线、区及其含义FeTFe3CACDEFGSPQKBJHN相图中的点相图中的点 Fe FeFeFe3 3C C相图中的各特性点相图中的各特性点A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q所对应的温度、成所对应的温度、成分和意义：分和意义：FeFeFeFe3 3C C相图中的线相图中的线 Fe FeFeFe3 3C C相图中有一些特性线，它相图中有一些特性线，它们

15、是由不同成分合金具有相同意义的点们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。有三条水平恒温转变线，连接起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线（水平）和三条重要的二条磁性转变线（水平）和三条重要的相界线。相界线。A.A.三条水平恒温转变线三条水平恒温转变线包晶线：包晶线：HJBHJB线（线（14591459），J J为包晶点，为包晶点，wC=0.09=0.090.53%0.53%的的FeFeC C合金缓冷到合金缓冷到HJBHJB线均发生线均发生包晶反应。包晶反应。共晶线：共晶线：ECFECF水平线（水平线（11481148），C C点为共晶点，点为共晶点， wC=2.11=2.116.6

16、9%6.69%的的FeFeC C合金缓冷到合金缓冷到EFCEFC线均发生线均发生共晶反应共晶反应, ,转变产物为转变产物为和和FeFe3 3C C组成的共晶混合物组成的共晶混合物称为称为莱氏体（莱氏体（ledeburiteledeburite），用），用LdLd表示。表示。共析线：共析线：PSKPSK水平线（水平线（727727），S S点为共析点。凡点为共析点。凡wC0.0218%0.0218%的的Fe-CFe-C合金冷却到合金冷却到PSKPSK线均发生共析反线均发生共析反应，转变产物为应，转变产物为和和FeFe3 3C C组成的机械混合物称为组成的机械混合物称为珠光体（珠光体（pearli

17、tepearlite），用），用P P表示。共析转变温度常表示。共析转变温度常用用A A1 1表示。表示。1.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB + H J14953.共析转变反应式共析转变反应式:S (P + Fe3C ) P 7272.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC (E + Fe3C ) Ld 1148B. B. 两条磁性转变线两条磁性转变线230230为水平线为为水平线为FeFe3 3C C的磁性转变线的磁性转变线，230230以以上上FeFe3 3C C无磁性，无磁性，230230以下为铁磁性。常用以下为铁磁性。常用A A0 0表表示示770770为为的铁磁性转变线的铁磁性转变线

18、。770770以上无铁磁以上无铁磁性，性，770770以下为铁磁体。常用以下为铁磁体。常用A A2 2表示，又称表示，又称居里点。居里点。C.C.几条重要的相界线几条重要的相界线( (固态转变线固态转变线) ) GS GS线：线：中开始析出中开始析出或或全部溶入全部溶入( (升温时升温时)的转变线。的转变线。常用常用A A3 3表示。因这条线在共析转变线表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析以上，故又称为先共析相开始析出线。常称为相开始析出线。常称为A A3 3线或线或A A3 3温度。温度。 ESES线：线：C C在在中溶解度曲线。中溶解度曲线。常用常用A Acmcm表示，称为表示，

19、称为A Acmcm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出温度。低于此温度，溶解度降低，将析出FeFe3 3C C。为了区别自液为了区别自液(CD(CD线线) )态合金中直接析出的一次态合金中直接析出的一次FeFe3 3C C（FeFe3 3C C），将），将中析出的中析出的FeFe3 3C C称为二次称为二次FeFe3 3C C（FeFe3 3C C）。）。 PQPQ线：线：C C在在中溶解度曲线。中溶解度曲线。在在727727时，时，C C在在中的最大溶解度中的最大溶解度0.0218%0.0218%，但温度下降，但温度下降，C C在中溶在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次解度下降，会析

20、出少量的渗碳体，称为三次FeFe3 3C C（FeFe3 3C C），以区别于沿），以区别于沿CDCD线和线和ESES线析出的线析出的FeFe3 3C C。FeFeFeFe3 3C C相图中的区相图中的区 5个单相区：个单相区：L、 、 Fe3C 7个两相区：个两相区：L+、L+、L+ Fe3C、+、+ Fe3C、+、+ Fe3C 3个三相共存区：个三相共存区：L+ Fe3C（ECF线）、线）、L+（HJB线）、线）、+ Fe3C（PSK线）线）三、三、 FeFeC C合金分类合金分类 Fe Fe、C C合金通常按其含碳量合金通常按其含碳量(Wc)(Wc)及其室温平及其室温平衡组织分为三大类：

21、工业纯铁（衡组织分为三大类：工业纯铁（pure ironpure iron）、碳）、碳钢（钢（carbon steelcarbon steel）、铸铁（）、铸铁（cast ironcast iron）。）。 工业纯铁工业纯铁高温组织为单相的高温组织为单相的，具有很好的塑性。因而，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。可以进行锻造、轧制等压力加工。 液态合金结晶时发生共晶反应，液态时有良液态合金结晶时发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以但因共晶产物是以FeFe3 3C C为基的莱氏体组织，所以为基

22、的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻断。它们的断口呈银白色，性能很脆，不能锻断。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。故称为白口铸铁。白口铸铁白口铸铁 显微组织为固溶体。显微组织为固溶体。钢钢四、典型铁碳合金的结晶过程分析四、典型铁碳合金的结晶过程分析工业纯铁工业纯铁 ( ingot iron, pure ironpure iron )共析钢共析钢 ( eutectoid steel )亚共析钢亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )过共析钢过共析钢 ( hypereutectoid steel )共晶白口铁共晶白口铁 ( eutectoid white iron )亚共晶白口铁亚

23、共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )过共晶白口铁过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )1.1.工业纯铁工业纯铁 ( Wc 0.0218% )( Wc 0.0218% )工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图工业纯铁室温组织图（工业纯铁室温组织图（200200）2. 2. 共析钢共析钢 ( Wc = 0.77% )( Wc = 0.77% )共析钢组织金相图共析钢组织金相图共析钢的室温组织共析钢的室温组织共析钢的室温组织共析钢的室温组织3.3.亚共析钢亚共析钢 ( Wc = 0.45% )( Wc = 0.45% )亚共析钢组织金相图亚

24、共析钢组织金相图亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织（亚共析钢的室温组织（200200）4.4.过共析钢过共析钢 ( Wc = 1.2% )( Wc = 1.2% )过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图过共析钢的室温组织过共析钢的室温组织过共析钢的室温组织（过共析钢的室温组织（500500）5.5.共晶白口铁共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )( Wc = 4.3% )共晶白口铁组织金相图共晶白口铁组织金相图共晶白口铸铁组织图（共晶白口铸铁组织图（200200）6.6.亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )( Wc = 3.0% )亚共晶白口铁组织金相图亚共晶

25、白口铁组织金相图亚共晶白口铸铁组织图（亚共晶白口铸铁组织图（200200）7.7.过共晶白口铁过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )( Wc = 5.0% )过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铸铁组织图（过共晶白口铸铁组织图（200200）注意区别组织中的渗碳体注意区别组织中的渗碳体一次渗碳体一次渗碳体 FeFe3 3C C：共晶渗碳体共晶渗碳体 FeFe3 3C C：二次渗碳体二次渗碳体 FeFe3 3C C：共析渗碳体共析渗碳体 FeFe3 3C C：二次渗碳体二次渗碳体 FeFe3 3C C： 组织组成物组织组成物: ; Fe3C ; P相组成物相组成物:P = 1

26、 W Fe3C = 1 - W = 6.42%0.02180.450.776.69钢的组成物的计算42.77%100%0.02180.770.450.7757.23%100%0.02180.770.02180.45P93.58%100%0.02186.690.456.69第四节第四节 碳的质量分数对铁碳碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响合金组织、性能的影响 碳的质量分数对碳的质量分数对平衡组织平衡组织的影响。的影响。碳的质量分数对碳的质量分数对力学性能力学性能的影响。的影响。碳的质量分数对碳的质量分数对工艺性能工艺性能的影响。的影响。一一. .碳的质量分数对平衡组织的影响碳的质量分数对平衡

27、组织的影响随着含碳量的增加随着含碳量的增加, Fe, FeC C合金的组织发生下列变化：合金的组织发生下列变化：+Fe+Fe3 3C C+PPP+Fe+PPP+Fe3 3C CFeFe3 3C C+L+Ld d+PL+PLd d FeFe3 3C C+L+Ld d，称为，称为组织组成物组织组成物所有所有Fe-FeFe-Fe3 3C C合金的室温组织都是由铁素体合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体和渗碳体FeFe3 3C C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-FeFe-Fe3 3C C合金的合金的相组成物相组成物。随着随着WcWc的增加，的增加，FeFeC

28、 C合金中合金中的量逐渐减少，的量逐渐减少，FeFe3 3C C的的量逐渐增多，其变化呈线性关系。并且随含碳量增加，量逐渐增多，其变化呈线性关系。并且随含碳量增加，FeFe3 3C C形态也发生变化，由片状及球状形式分布在形态也发生变化，由片状及球状形式分布在基基本内本内(P)(P)，FeFe3 3C C进一步成网状分布在晶界上，当进一步成网状分布在晶界上，当L Ld d形形成时，成时，FeFe3 3C C又成为基体。又成为基体。为软韧相，为软韧相，FeFe3 3C C为硬脆相，故为硬脆相，故FeFeC C合金的力学性能合金的力学性能取决于取决于和和FeFe3 3C C两相的相对量及它们的相互

29、分布特征。两相的相对量及它们的相互分布特征。珠光体的强度比珠光体的强度比高，比高，比FeFe3 3C C低，而低，而P P的韧性和塑性比的韧性和塑性比低，比低，比FeFe3 3C C高，而且高，而且P P的强度随的强度随P P片间距的减小而增片间距的减小而增大。在钢中大。在钢中FeFe3 3C C是一种强化相，随钢中是一种强化相，随钢中WcWc的增加使的增加使Fe-Fe-C C合金强度升高，当合金强度升高，当WcWc超过超过0.77%0.77%后，先共析后，先共析消失而消失而FeFe3 3C C出现，合金强度增加变缓；当出现，合金强度增加变缓；当WcWc达到达到0.90%0.90%时，时，由于

30、由于FeFe3 3C C沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降，沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降，当达到当达到2.11%2.11%时，出现时，出现L Ld d，强度降到最低。钢的塑性完，强度降到最低。钢的塑性完全由全由来提供，来提供，WcWc的增加使的增加使减少，塑性和韧性显著减少，塑性和韧性显著下降，当基体为下降，当基体为FeFe3 3C C后，塑性就接近于后，塑性就接近于0 0。为保证钢有。为保证钢有足够的强度和适当的韧性配合，其足够的强度和适当的韧性配合，其WcWc一般不超过一般不超过1.31.31.4%1.4%。对于白口铸铁，组织中存在大量的对于白口铸铁，组织中存在大量的L Ld

31、 d，而，而L Ld d是以是以FeFe3 3C C为基的硬脆组织，因此白口铸铁具有很大的脆性。但为基的硬脆组织，因此白口铸铁具有很大的脆性。但由于大量由于大量FeFe3 3C C存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。二二. .碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对力学性能的影响三三. .碳的质量分数对工艺性能的影响碳的质量分数对工艺性能的影响对对铸造性能铸造性能的影响。的影响。对对锻造性能锻造性能的影响。的影响。对对焊接性能焊接性能的影响。的影响。对对切削加工性能切削加工性能的影响。的影响。 第五节第五节 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的应用相图的应

32、用选择材料方面的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用一一. .选择材料方面的应用选择材料方面的应用1.1.分析零件的工作条件分析零件的工作条件, , 根据铁碳合金根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。行选择材料。2.2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律，确定选定材料的工作范的变化规律，确定选定材料的工作范 围。围。二二. .制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用第六节第六节 钢中的杂质元素钢中的杂质元素及钢锭组织及钢锭组织一、钢中的杂质元素及其影响一、钢中的杂质元素及其影响 Mn 脱氧、去硫脱氧、去硫, ,提高钢的强度和硬提高钢的强度和硬度。度。 Si 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,能脱氧。能脱氧。1.1.有益元素有益元素2.2.有害元素有害元素 P P 有很强的固溶强化作用，但剧烈降低钢有很强的固溶强化作用，但剧烈降低钢的韧性，尤其是低温韧性差的韧性，尤其是低温韧性差 ( ( 冷脆冷脆 ) )。 可以降低铁素体韧性用来提高钢的切削加可以降低铁素体韧性用来提高钢