山东大学《材料科学基础》讲义第6章 铁碳相图及铁碳合金

1、第6章 铁碳相图及铁碳合金1 铁碳相图一、铁碳合金的基本相与显微组织1铁素体：C在-Fe中形成的间隙固溶体（最大溶解度为0.0218%（wt），通常用或F表示。 C在-Fe中形成的间隙固溶体（最大溶解度为0.09%（wt）也称为铁素体（高温铁素体），用表示。2奥氏体：C在-Fe中形成的间隙固溶体（最大溶解度为2.11%（wt），通常用或A表示。3渗碳体：即Fe3C，是一种间隙化合物。碳含量为6.69%（wt）。硬而脆。 渗碳体是一个亚稳定相，如果在高温长时间加热，就要分解为奥氏体和石墨。但是在钢中，当碳从铁基固溶体(奥氏体或铁素体)中析出时，通常都是以渗碳体的形式析出，而不是石墨。这是由于渗碳

2、体的形成需要碳原子进行扩散的距离要比形成石墨时的短得多，因此它的形成也快得多。渗碳体一旦形成，在较低温度下，它的分解速率是很慢的，因此，多数情况下，我们只需考虑铁碳亚稳定系，即Fe-Fe3C系。但是应当注意到，溶碳体分解的快慢与钢中是否含有其它元素有着密切的关系。二、Fe-Fe3C相图分析（一）三个转变Fe-Fe3C相图比较复杂，可根据三条水平线将其分解成3个基本相图：最上面为包晶相图；中间为共晶相图；最下面为共析相图。（二）三条特性曲线1GS线：奥氏体开始析出铁素体的转变曲线。也称为先共析铁素体开始析出曲线。习惯上称为A3线，或称A3温度。2ES线：C在奥氏体中的溶解度曲线。温度低于此线时，

3、要从奥氏体中析出次生渗碳体，因此又称为次生渗碳体开始析出线。习惯上称为Acm线，或称Acm温度。3PQ线：C在铁素体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，要从铁素体中析出三次渗碳体，因此又称为三次渗碳体开始析出线。（三）特性点（见书P152153表4-2）（四）十五个主要相区五个单相区：L、Fe3C；三个三相区：L+、L+ Fe3C、+ Fe3C；七个双相区：L+、L+、L+ Fe3C、+、+ Fe3C、+、+ Fe3C三、碳钢的分类与编号（一）钢和铸铁钢（或碳钢）：含碳量小于2.11%，或称为不发生共晶转变的铁碳合金。铸铁（白口铸铁）：含碳量大于2.11%，或称为发生共晶转变的铁碳合金。（二）

4、碳钢的分类及编号1分类：2编号：1)碳素工具钢：主要用于各类工程，应用量大。其编号主要以其力学性能中的屈服点来命名（标志符号Q+最小s-等级符号+脱氧程度符号，如：Q235-AF）。2）优质碳素结构钢：常用于较为重要的机件，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。其编号是以钢的碳的质量分数的万分数值来命名，为二位数，如45钢。这类钢中有三个钢号为沸腾钢，在其钢号尾部标有F，如08F。3）碳素工具钢：这类钢是含碳量在0.65%1.35%的碳素钢，主要用于制作各种小型工具。分优质级（wS0.03%，wP0.035%）和高级优质级（wS0.02%，wP0.035%）两大类。其命名方法是：标志号T碳的质

5、量分数的千分数值，如T10。4）一般工程用铸造碳素钢：用于制造形状复杂的零件。其命名方法为：标志号ZG+最低s值-最低b值，如：ZG340-640。四、铁碳合金的平衡结晶、组织及力学性能（一）平衡结晶过程分别以碳含量为0.01%（工业纯铁）、0.4%（亚共析钢）、0.77%（共析钢）、1.2%（过共析钢）、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁为例进行说明。（二）铁碳合金的组织及力学性能 2 铁碳相图分析及铸铁一、Fe-C相图分析及铸铁（一）Fe-C相图分析 与Fe-Fe3C类似。（二）铸铁铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。工业上常用铸铁的碳质量分数在2.11%4.5%之间，此

6、外，还含有其它化学元素，如Si、Al、Mn、S、P、Mo、Cr等。铸铁与钢的主要区别在于两点：一是碳含量和Si含量较高，并且碳多以石墨形式存在；二是S、P杂质多。二、铸铁的石墨化石墨化铁碳合金冷却或加热时石墨的形成过程。分为以下三个阶段：第一阶段：从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨；以及通过过共晶反应形成共晶石墨；或在冷却过程中由一次渗碳体与共晶渗碳体于共晶温度以上的高温分解而形成石墨。中间阶段：从初生奥氏体中直接析出二次石墨；或在通过共晶温度与共析温度区间时，渗碳体直接发生分解形成石墨。第二阶段：从共析转变过程中形成共析石墨；或通过共析温度及其以下温度区间时，渗碳体发生分解而形成石墨。三

7、、常用铸铁的组织与性能常用铸铁有：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。1灰铸铁：其基体组织有三种类型，即F基体、F+P基体和P基体。其石墨的形态、多少、分布和基体组织状态，主要取决于石墨化程度，即取决于铸铁的化学成分和铸件的冷却速度。由于有片状割裂基体的连续性，因此，灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和弹性模量远比相应基体的钢低。同时P基体的灰铸铁比其它两种基体的强度、硬度和耐磨性都高。但，灰铸铁的铸造性能、减摩性能、减振性能、切削加工性能等比较好。2可锻铸铁：是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而得到的具有团絮状石墨的一种铸铁。分为黑心可锻铸铁（F铸铁可锻）、P可锻铸铁及白心可锻铸铁。F铸铁可

8、锻的组织为F+团絮状石墨，其强度不高，但塑性和韧性较好；P可锻铸铁为P+团絮状石墨，其塑性和韧性不如黑心可锻铸铁，但强度、硬度和耐磨性较好。白心可锻铸铁为渗碳体+团絮状石墨。3球墨铸铁：是向一定成分的铁液中加入适量使石墨球化的球化剂和促进石墨化的孕育剂。在铸态下，其基体往往是有不同数量的F、P，甚至是自由渗碳体同时存在的组织，经热处理后得到工业上常用的F球墨铸铁、P球墨铸铁F+P球墨铸铁和B球墨铸铁。球墨铸铁由于是由基体和球状石墨组成，因此其抗拉强度、塑性和韧性与相应组织的铸钢相似，而且其强度、塑性和韧性与石墨球的大小、分布有着密切关系。此外，其铸造性能、减摩性、切削加工性等也近似于灰铸铁。但球墨铸铁的熔炼工艺和铸造工艺都比灰铸铁要求高。4蠕墨铸铁：是在一定成分的铁液中加入适量使石墨成蠕虫状的蠕化剂和孕育剂而获得的。其石墨形状介于片状和球状之间，因此其性能兼备灰铸铁和球墨铸铁的某些优点，可用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素