第三章-铁碳合金相图和碳钢

第三章铁碳合金相图第一节纯铁、铁碳合金的组织结构及其性能第二节Fe-Fe3C相图第三节含碳量对碳钢组织与性能的影响、碳钢第一节铁碳合金的组元及基本相一、纯铁及其同素异构转变(重结晶)纯铁的力学性能特点：强度、硬度低，塑性、韧性好，一般不用于结构件。Fe是元素周期表中第26号元素，相对分子质量56、熔点1538℃。磁性转变：770°C以上无磁性770°C以下有磁性观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：770无铁磁性铁磁性1394°C912°C

δ-Feγ-Feα-Fe所谓同素异构转变，是指金属在结晶成固态之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象，也称同素异构转变，又称重结晶。观察纯铁的冷却曲线及晶体结构变化：磁性转变：770°C以上无磁性，770°C以下有磁性1538℃平台是铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。1394℃平台是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变为面心立方的Fe。912℃平台是Fe的第二次同素异晶转变。变成体心立方的Fe

。770℃时出现第四个平台。这个平台对应的温度称为居里点。它不是同素异晶转变，因为没有晶格类型的变化。只是Fe原子的外层电子排列的变化引起Fe的磁性状态的改变。使Fe由顺磁性变成铁磁性，使透磁率增加数万倍。晶格类型虽然仍是体心立方，但是晶格常数减小了。由0.293nm变成0.233nm。这种具有铁磁性的体心立方晶格的铁称为Fe。关于纯铁冷却曲线的总结二、铁碳合金中的基本相Fe和CL相（液相）：液态下无限互溶、成分均匀固溶体相：C溶于Fe中形成F、A等金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C铁碳合金中的组元：Fe、C铁与碳相互作用形成的主要组织有以下几种：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体1）铁素体定义：碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示；性能：铁素体的塑性、韧性很好（δ=30～50%、aKU=160～200J／cm2），但强度、硬度较低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。其力学性能几乎与纯铁相同。结构：体心立方结构。成分：铁素体的溶碳能力很低，室温时溶解度Wc≤0.0008％≈0，最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。组织：铁素体的组织为多边形晶粒。结构体心立方结构铁素体

2）奥氏体:定义：碳溶于

-Fe中的间隙固溶体；用A或表示。

结构：面心立方晶格，成分：溶碳能力比铁素体大，在727℃时，wc＝0.77％，最大溶解度在1148℃时，wc≈2.11％。性能：奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(σb≈400MPa、δ≈40～50%、硬度为160～200HBS)，易锻压成形。钢材热加工都在区进行。组织：为不规则多面体晶粒，晶界较直。结构面心立方结构奥氏体3）渗碳体（Fe3C）定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化相，高温下可分解，Fe3C→3Fe+C(石墨)

。成分与性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、aKU≈0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。结构4)珠光体

(P)珠光体(pearlite)是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度适中（180HBS）。5)莱氏体碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体(ledeburite)，用符号Ld表示。在727℃以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。第二节铁碳合金相图铁和碳可形成一系列稳定化合物：

Fe3C、

Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。一、Fe-Fe3C相图的建立1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）；2.从冷却曲线上找出临界点，并画到成分—温度坐标中；3.相同意义的点连接起来。三种恒温转变包晶转变:成分为H点的δ固相，与它周围成分为B点的液相L，在一定的温度时，δ固相与L液相相互作用转变成成分是J点的另一新相γ固溶体，这一转变叫包晶转变或包晶反应。即HJB---包晶转变线.

简化Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)Fe-Fe3C相图的分析提纲五个重要的成份点:P、S、E、C、F。四条重要的线:ECF、ES、GS、PSK。三个重要转变:包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。两个重要温度:1148℃、727℃。1.包晶转变反应式:LB

+H

AJ1495℃2.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Le

1148℃3.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃二、铁碳合金状态图的分析1.特性点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

(3)钢、铁分界点E（2.11%C）

(1)共晶点C

1148℃,4.3%C共晶成分反应式：Lc→(AE+Fe3C)共晶体，即高温莱氏体Ld;(2)共析点S

727℃0.77%C共析成分反应式:As→(Fp+Fe3C共析)共析体，即珠光体;⒉特征线⑴

液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

727℃⑶其它相线GS,GP—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3

线。HN,JN—δ⇄

固溶体转变线，ES—碳在

-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线

⒊相区⑴五个单相区：

L、、、、Fe3C

⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C

Fe-Fe3C相图的总结㈠相图中的主要点相图中各个点的碳的质量分数、温度值及各个点的含义，见表4.1。㈡相图中的主要相变线ABCD线为液相线。温度高于此线铁碳合金均是液相。其中，AB线是L→δ开始线，BC是L→A开始线，CD是L→Fe3C开始线。从液相直接结晶出来的Fe3C称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。AHJECD线为固相线。温度降到次线之下铁碳合金全部都结晶成固相。HJB线为包晶线。当温度达到这条线（1495℃）时wc=0.09％～0.53％的铁碳合金均有包晶转变。即H成分的δ固溶体（δH）和B成分的液相（LB）在1495℃时共同结晶成J成分的奥氏体（AJ）。表达式为δH+LB→AJ。ECF线是共晶线。当温度达到这条线（1148℃）时，此线下2.11％＜wc＜6.69％的铁碳合金均有共晶转变发生。PSK线是共析线，代号为A1。当温度到达这条线（727℃）时此线下0.02％wc6.69％的铁碳合金均会有共析转变发生.ES线为固溶线,也称溶解度线,代号为Acm.它是奥氏体中碳的溶解度随温度变化曲线.当温度降到此线,奥氏体中多余的碳以渗碳体的形式析出。从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。记为Fe3CⅡ。Fe-Fe3C相图的总结PQ线也是固溶线。它是铁素体中碳的溶解度随温度变化的曲线。当温度降到此线,铁素体中多余的线也以渗碳体形式析出。从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。记为Fe3CⅢ.GS线是奥氏体向铁素体转变的开始线，也是铁素向奥氏体转变的终了线。代号为A3。GP线是奥氏体向铁素体转变的终了线,也是铁素向奥氏体转变的开始线。实际上相图中的这些线都是各个化学成分的合金随温度变化发生各种相转变的温度点(相变点)的分类集合。Fe-Fe3C相图的总结共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。共析转变的产物是

与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。PSK线又称A1`线。注意

还要指出的是：一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳以及珠光体和莱氏体中的渗碳体，它们本身并无本质区别，都具有相同的化学成分、晶格结构和性质。只是出处不同，并由此造成其形态、大小以及在合金中的分布等情况有所不同。因此，对合金的性能也有不同的影响。但是，渗碳体的形态、大小、分布不是一成不变的，可以通过有关的热处理或锻造等方法来改变。按需要来控制调整渗碳体对铁碳合金性能的影响。Fe-Fe3C相图的总结铁碳合金分类

（1）

工业纯铁<0.0218%C

亚共析钢<0.77%C

（2）碳钢

共析钢0.77%C

过共析钢>0.77%C

亚共晶白口铸铁<4.3%C（3）白口铸铁

共晶白口铸铁4.3%C

过共晶白口铸铁>4.3%C

三、典型铁碳合金的结晶过程

1．工业纯铁（C%≤0.0218%）相组成物：F+Fe3C

C%>0.0008%;FC%<0.0008%相相对量：F%=

FeC%=

组织组成物：F和Fe3CIIIL--->L+A--->A--->A+F--->F+Fe3CIII3Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ的最大量为:2．共析钢C%=0.77%

L--->L+A--->A--->A+P--->P相组成物：F和Fe3C

F%=Fe3C%=组织组成物：

P珠光体11珠光体共析钢的结晶过程室温组织为：P（F+Fe3C）3．亚共析钢

0.0218%<C%<0.77%L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F相组成物：F，Fe3C

45钢金相F%=Fe3C%=含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218~0.77%C

范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。P%=F%=11亚共析钢的

结晶过程L→L+A→A→A+F先共析AS(0.77%C)→P室温组织为：P+F

4．过共析钢L--->L+A--->A--->A+Fe3CII--->A+P+Fe3CII--->P+Fe3CIIT12钢金相相组成物：F，Fe3CF%=

Fe3C%=

组织组成物：P，Fe3CII

组织相对量：Fe3CII%=

P%=

含1.4%C钢的组织11过共析钢的结晶过程含1.4%C钢的组织室温组织：P+Fe3CⅡ5．共晶白口铁（C%=4.3%）L--->L+Le--->Le(A+Fe3C共晶)--->Le(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->Le’(P+Fe3CII+Fe3C)共晶白口铁金相相组成物：F，Fe3C

F%=

Fe3C%=组织组成物：Le'

6．亚共晶白口铸铁2.11%<C%<4.3%

亚共晶白口铁金相

相组成物：F，Fe3C相相对量：F%=

Fe3C%=

组织组成物：P，Le’，Fe3CII11亚共晶白口铁的结晶过程室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。7．过共晶白口铸铁

过共晶白口铁金相

相组成物：F，Fe3CF%=

Fe3C%=

组织组成物：Le’，Fe3C

Fe3C%=

Le’%=Lc%=

11过共晶白口铁的结晶过程室温组织为：Fe3CⅠ+Le‘Le‘（P+Fe3C共晶+Fe3CⅡ）复习小结：标注组织的铁碳相图11一、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响

含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：

钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体第三节含碳量对碳钢组织与性能的影响随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在

基体内(P中Fe3C)变为分布在A晶界上(Fe3CⅡ)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。

11二、含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le’,合金太脆.3、含碳量对工艺性能的影响⑴切削性能：中碳钢比较合适。⑵可锻性能：低碳钢比高碳钢好。⑶铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。⑷焊接性能：低碳钢好于高碳钢。⑸热处理性能：第六章介绍。焊缝组织铸造三、含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢合适②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好⑤热处理性能:第四章介绍铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨四、铁碳合金相图的应用1.选材料方面的应用；

2.制定热加工工艺方面的应用在铸造生产方面，根据相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度。在锻造生产方面，可确定始锻、终锻温度。在焊接方面，可分析碳钢的焊接组织。对热处理来说，可确定加热范围。一、钢中的常存杂质Mn、Si，S、P；第四节碳钢1、有害元素S、P

→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。钢中要限硫含量：≤0.05%。利用：Mn与S形成MnS(1620℃）,粒状分布在晶内，以利于断屑。

合金晶界的低熔点硫化物共晶S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低熔点（989）共晶体FeSP：由生铁带入。全部溶于F中，使钢的强度硬度升高，而塑性、韧性显著下降。特别是使钢在比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中

低温时脆性急剧增加，称为冷脆性。因此钢中要限制磷的含量：≤0.045%P多，脆性大，可制造炮弹、改善切削加工性能。

Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素体中，具有固溶强化效果，少部分形成合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中1.0%-1.2%。

Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强化作用；可增加钢液流动性。碳钢中<0.4%2、有益元素Mn、Si3、气体元素①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。②O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源.钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂③H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点钢的氢脆断口二、钢的分类工业用钢按化学成分分:碳素钢合金钢低碳钢≤0.25%C中碳钢0.25~0.60%C高碳钢≥0.60%C高合金钢合金元素≥10%低合金钢合金元素≤5%中合金钢合金元素5~10%1．按钢中碳的含量分类根据钢中含碳量的不同，可分为：（1）低碳钢(low-carbonsteel)

wc≤0.25%；（2）中碳钢(middle-carbonsteel)0.25%＜wc≤0.6%；（3）高碳钢(high-carbonsteel)

wc＞0.6%。碳钢常用的分类方法2．按钢的质量分类根据钢中有害杂质硫、磷含量的多少，可分为：（1）普通质量钢钢中硫、磷含量较高(ws≤0.050%，wp

≤0.045%)；（2）优质钢钢中硫、磷含量较低(ws≤0.035%，wp

≤0.035%)；（3）高级优质钢钢中硫、磷含量很低(ws≤0.020%,wp≤0.030%)。3．按钢的用途分类根据钢的用途不同，可分为：（1）碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构。（2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。（3）碳素铸钢主要用于制作形状复杂，难以用