第4章 铁碳合金

第四章铁碳合金钢铁是以铁、碳为基本组元的复杂合金。铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物第一节铁碳合金的基本组织1.纯铁金属在固体下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。下图-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

b

=180~230MPa，s=100~170MPa，=30~50%，硬度为50~80HBS。可见纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，有高的磁导率，一般作为电工材料用作铁芯。2.渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构的间隙化合物，可用符号Cm表示。其硬度很高800HB，b=30MPa塑性和韧性很差，δ、Ak≈零，脆性很大。3、铁素体（F或α）

铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。4、奥氏体（A或γ）

奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%；727℃时为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。5.珠光体（P）

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，有珍珠光泽。是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。6.莱氏体（Ld或Ld'）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。第二节相图分析SPKGNAJBECFDQHALL+AL+Fe3CA＋FA+Fe3CF+Fe3CFLL+AAL+Fe3CF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdP+

Fe3CⅡ+L’dP+

Fe3CⅡF+PFe3C+LdFe3C+L’dL+δδδ+AH第二节铁碳合金相图（0.53）（0.17）（0.09）一、主要特性点（P18）LL+AAL+Fe3CF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdP+

Fe3CⅡ+L’dP+

Fe3CⅡF+PFe3C+LdFe3C+L’dL+δδδ+AHA点G点Q点D点纯铁的熔点，温度1538℃纯铁的同素异晶转变点，912℃600℃时,碳在α-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%渗碳体熔点,温度1227℃,Wc=6.69%LL+AAL+Fe3CF+AA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdP+

Fe3CⅡ+L’dP+

Fe3CⅡF+PFe3C+LdFe3C+L’dL+δδδ+AHC点E点S点P点共晶点，温度1148℃，Wc=4.3%，共晶反应共析点，温度727℃，Wc=0.77%，共析反应：碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃,Wc=0.0218%碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃，Wc=2.11%二、特性线

ACD线AECF线ECF线液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。共晶线，Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线1148℃时，均发生共晶转变，生成莱氏体。ES线GS线PSK线碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（WC＝2.11％），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出Fe3CⅡ。奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线,通常称为A3线。共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度727℃时，将发生共析转变生成珠光体P，WC＞0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。AcmA3A1※以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却过程中的相变。若是加热过程，则相反。

GP线PQ线0＜Wc＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时,Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600℃时，Wc=0.0057%。在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CⅢ）的形式析出。一般忽略Fe3CⅢ。L＋AL+Fe3CA+Fe3CA＋FF+Fe3C三、相区

单相区F、A、L和Fe3C四个两相区三相区ECF共晶线上L、A、Fe3CPSK共析线上A、F、Fe3C四、铁碳合金的分类亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁——Wc<

0.02%——0.0218%<

Wc

<0.77%

——Wc=0.77%——0.77%<

Wc

<

2.11%——2.11%<

Wc

<

4.3%——Wc=4.3%——4.3%<

Wc

<6.69%碳钢白口铸铁工业纯铁铁碳合金分类§2铁碳合金相图分析共析钢平衡结晶过程分析亚共析钢平衡结晶过程分析过共析钢平衡结晶过程分析亚共晶铸铁平衡结晶过程分析过共晶铸铁平衡结晶过程分析共析钢平衡结晶过程分析：

共析钢P×500L→L+A→A→P727℃下P中两相相对含量室温下P中两相相对含量共析钢从727℃降到室温，溶C量减少，以Fe3CⅢ析出所以Fe3C增多，而F量减少共析钢金相组织图FFe3C亚共析钢平衡结晶过程分析：

L→L+A→A→A+F→

P+F亚共析钢αＰ含碳量越多，P越多40%C室温时P、F相对含量：两相平衡时杠杆定律应用室温组织组成物：P、F0.770.020.45室温相组成物：F、Fe3CAFA+F过共析钢平衡结晶过程分析L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→

P+Fe3CⅡ过共析钢×500Fe3CⅡＰ1.2%C室温时P、Fe3CⅡ相对含量：杠杆定律应用1.20.77A+Fe3CⅡ2.11室温组织组成物：P、Fe3CⅡ室温相组成物：F、Fe3C1亚共析钢与过共析钢组织比较铁碳合金组织特征(a)0.01%C铁素体500×(c).0.77%C珠光体

500×(b)0.45%C铁素体+珠光体

500×d).1.2%C

珠光体+二次渗碳体

500×图4-11共晶铸铁平衡结晶过程分析平衡结晶过程分析PFe3C共晶铸铁室温时相和组织组成物的相对含量相组成物：组织组成物：从两相的含量可知，渗碳体是基体。故共晶铸铁性能硬而脆Ld′=100%亚共晶铸铁平衡结晶过程分析室温平衡组织：P+Fe3CⅡ+Ld′1234PFe3CⅡLd’亚共晶白口铁组织金相图室温下亚共晶铸铁相和组织组成物的相对含量相组成物的计算（含碳量3.0）组织组成物的计算P+Fe3CⅡ+Ld′过共晶铸铁平衡结晶过程分析室温平衡组织：

Fe3CI+Ld‘（P+Fe3CⅡ+Fe3C）Fe3CⅠFe3C+Fe3CⅡP过共晶白口铁组织金相图室温下过共晶铸铁相和组织组成物的相对含量含碳量5.0。相组成物含量组织组成物含量（Ld′、Fe3C）五种渗碳体Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ、Fe3C共晶（莱氏体中的渗碳体）、Fe3C共析（珠光体中的渗碳体），本质并无区别（成分、结构及本身性质均相同，属于同一种相）只是由于来源和形态不同，属于不同的组织组成物。它们对铁碳合金的性能将具有不同的影响FeFe3C

T°ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%C(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)§3铁碳合金的成分、组织与性能间的关系一、碳的质量分数对平衡组织的影响随着含碳量的增加，铁碳合金的室温组织变化顺序为:F→F+P→P→P+Fe3CⅡ

→P+Fe3CⅡ+Ld’→Ld’→Ld’+Fe3CⅠ在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳大多以Fe3C形式存在。硬度高800HBS，极脆，塑性几乎为0。碳的质量分数增高时，组织中不仅渗碳体的数量增加，而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。如：珠光体中渗碳体由层状分布在铁素体基体内；Fe3CⅡ中呈网状分布在晶界上；在莱氏体中：渗碳体已作为基体出现。在铁碳合金中，渗碳体一般可看作是一种强化相。

基体是铁素体，随着渗碳体数量的增加，其强度和硬度升高，而塑性与韧性相应降低。当二、碳的质量分数对力学性能的影响硬而脆的渗碳体以网状分布在晶界，特别是作为基体出现时，将使铁碳合金的塑性、韧性大大下降。含碳量对45退火钢力学性能的影响纯铁：塑性好、韧性很好，而强度和硬度很低。亚共析碳钢：随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度呈直线上升，而塑性、韧性不断下降。过共析碳钢：当钢中WC>0.9%时，脆性的二次渗碳体数量也相应增加，形成网状分布，使其脆性增加，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降。白口铸铁：特硬特脆，难以切削加工，因此很少应用。但它耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸铁的毛坯。为选材提供成分依据若零件要求塑性、韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢（0.10~0.25%);若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.25~0.60%C);若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%).白铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具有很高的抗磨损能力，可应用于少数耐磨而不受冲击的零件，如：轧辊和球磨机的铁球等。§4相图的实际应用

推测合金铸造性能共晶成分的合金，其凝固温度间隔最小（为零），故流动性好，分散缩孔较小，有可能得到致密的铸件。在铸造生产中的应用确定浇注温度对于给定成分的铁碳合金，通过相图找到其熔点，确定合适的浇注温度。T浇=液相线以上50~100℃锻造中的应用钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体（强度低、塑性好）的温度范围内进行，才能有较好的塑性。始锻温度：固相线以下100~200℃终锻温度：一般高于再结晶温度焊接中的应用：焊接时在不同加热区域会获得不同的高温组织，随后的冷却也就可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。切削加工中的应用：生产中最常用的办法之一是通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切削加工性得到改善，其依据也是铁碳相图。§5碳钢1、生铁的冶炼原料：铁矿石燃料：焦炭熔剂：石灰石设备：高炉2、钢的冶炼原料：生铁、废钢燃料：焦炭熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂设备：电弧炉钢铁材料的生产过程生铁的冶炼钢的冶炼设备：三相电弧炉钢中的元素钢中除Fe、C两种基本的组成元素外，杂质元素：因冶炼原因，钢中不可避免存在的元素合金元素：为提高钢的性能，冶炼时有目的加入钢中的元素。都会对钢的组织和性能带来影响一、杂质元素对钢性能的影响

常见杂质元素：Si、Mn、P、S及非金属夹杂物及氢、氮、氧等气体。

Si

Mn

有很强的固溶强化作用,脱氧能力强。能消除FeO；溶于F中，提高钢强度、硬度和弹性，但使塑性韧性降低。含量＜0.35%.脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。Mn溶于F中，形成置换固溶体；溶入FeC3形成合金FeC3；能增加珠光体相对含量，使之细化，使钢强度提高。钢中含量通常＜0.8%.有益元素S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。热脆:S不溶于Fe,形成FeS,Fe与FeS形成低熔点共晶体,分布于钢的A晶界上,当钢材加热到1000~1200℃进行压力加工时,由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加工过程中沿着晶粒边界开裂,表现出极大的脆性.3、非金属夹杂物降低力学性能（塑性、韧性、疲劳强度），产生裂纹。氢脆

消除方法:在钢中加入锰铁提高含锰量Mn+S→MnS熔点高,高温时具有一定塑性,避免热脆有害元素:有害元素:

P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差。冷脆P容易在A晶界处偏聚，含量低时以固溶体存在，含量高时以Fe3P形式存在。

大量实验证明，晶界处P的偏析和Fe3P的存在使钢室温下的塑性韧性急剧下降,并使钢在服役时脆性转化温度升高,钢性变脆,这种现象低温时表现尤其突出.P使钢产生偏析并难用热处理方法去除.普通钢Wp≤0.045%,优质钢Wp≤0.035%,高级优钢Wp≤0.030%,特级优质钢Wp≤0.025%,Titanic沉没原因：Titanic—钢板韧性很差。冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。按碳的质量分数分类:

碳素钢:Ws≤0.055%，Wp≤0.045%优质碳素钢:Ws、Wp≤0.035%高级优质碳素钢:Ws≤0.030%，Wp≤0.030%特级优质碳素钢：Ws≤0.020%，Wp≤0.025%二、碳钢的分类：低碳钢:Wc≤0.25%中碳钢:0.25%≤Wc≤0.6%高碳钢:Wc>0.6%按钢的质量分类:按钢的用途分类:碳素结构钢碳素工具钢用于制造各种机械零件、工程构件。一般为低、中碳钢。用于制造各种工具。一般为高碳钢。如：铁道、桥梁、各类建筑工程。中小齿轮、轴类、活塞销按冶炼方法分类是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量（FeO)较高，注入锭模后发生碳—氧反应，析出大量的CO气体，引起钢液表面沸腾，故称为沸腾钢。镇静钢沸腾钢是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不发生碳—氧反应而处于镇静状态。特点：成材率低，成本高，但成分偏析小，钢质均匀，组织致密，强度较高。按钢的化学成分分类

非合金钢（碳素钢）低合金钢：合金元素总量小于3.5%的合金钢中合金钢：合金含量在3.5-10%之间；高合金钢：合金含量大于10%。

三、碳素钢的牌号1、碳素结构钢：国家标准中由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。

Q+数字，如Q235表示屈服点是235MPa；Q235-A·F,表示屈服点为235的A级沸腾钢,z、TZ可以省去。：两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数，如20钢表示平均含碳量为0.20%，15Mn表示钢材中的含锰量比较高0.7~1.0%。优质碳素结构