第五章铁碳合金相图和碳钢

第五章铁碳合金相图和碳钢第一节相结构第二节Fe-Fe3C相图分析第三节碳钢第一节纯铁、铁碳合金的相结构及其性能一、纯铁及其同素异构转变二、Fe-Fe3C合金的相结构及其性能一、纯铁及其同素异构转变

许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。纯铁的同素异构转变可概括如下：

δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccbccfcc二、Fe-Fe3C合金的相结构及其性能1.铁碳合金的组元⑴Fe铁是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是7.87g/cm3。⑵Fe3C是一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称为渗碳体。含碳量6.69%，硬度很高，强度低，塑性韧性很差。理论熔化温度1227℃。是介稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的石墨C。2.铁碳合金中的相⑴液相L：铁与碳的液溶体。⑵δ相：高温铁素体，是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394℃以上存在。⑶α相：铁素体，是碳在α-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。碳的固溶度极小。强度低、硬度低、塑性好。⑷γ相：奥氏体，是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148℃时为2.11%。强度较低，硬度不高，易于塑性变形。⑸Fe3C相:渗碳体，是一个金属化合物，根据其生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。

3.铁碳合金的基本组织

在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：奥氏体（A）珠光体（P）铁素体（F）莱氏体（Ld、L′d）渗碳体（Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ

）(1).铁素体（F）——C溶于-Fe形成的固溶体相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。组织：称为铁素体，用符号F表示。含碳量：0--0.0218%(727℃)0--0.0008%(室温)温度范围：<912℃力学性能：强度、硬度低；塑性好。2.奥氏体（A）——C溶于-Fe形成的固溶体相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号γ表示。组织：称为奥氏体，用符号A表示。含碳量：0--2.11%(1148℃)温度范围：727℃--1394℃力学性能：强度、硬度低；塑性好。

含碳量为6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韧性几乎为零。

主要作为铁碳合金中的强化相存在。3.渗碳体（Fe3C）——间隙化合物4.珠光体（P）——F和Fe3C形成的机械混合物GPQSECJNBDFK+Fe3C0.77相：+Fe3C两种相组成组织：珠光体，用符号P表示含碳量：0.77%(称为共析钢)温度范围：<727℃SP（P+Fe3C）727℃⇌力学性能：强度、硬度较高；塑性较好。5.莱氏体（Ld或L’d）—A（P）和Fe3C形成的机械混合物GPQSECJNBDFK+Fe3C1148℃727℃4.3相：γ（）+Fe3C两种相。组织：高温莱氏体或低温莱氏体，用符号Ld或L’d表示。含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁)温度范围：1148℃--727℃，<727℃LCLd（

E+Fe3C）1148℃⇌室温组织:L’d(P+Fe3CⅡ+Fe3C）

铁碳合金相图是表示在缓慢冷却的条件下，表明铁碳合金成分、温度、组织变化规律的简明图解，它也是选择材料和制定有关热处理工艺时的重要依据。第二节铁碳合金相图包晶转变匀晶转变共晶转变共析转变1.铁碳相图中三种基本的转变在1495℃发生包晶转变1495℃LB+HγJ在1148℃发生共晶转变1148℃LCγE+Fe3C

在727℃发生共析转变

727℃γSP+Fe3C一、铁碳合金相图的特征点、特征线2.特性点共晶点：LC1148℃Ld(A+Fe3C)共析点：AS727℃P(FP+Fe3C)纯铁的同素异构转变点：α-Fe912℃γ-Feδ-Feγ-Fe1394℃3.特性线简化的Fe-Fe3C相图中的特性线特性线含义ACD液相线AECF固相线GSA3线，冷却时不同含量的A中结晶F的开始线ESAcm线，碳在A中的固溶线ECF共晶线PSK共析线ECF:共晶线，发生共晶转变。1148℃LC(AE+Fe3C)PSK:共析线，发生共析转变。AS727℃(FP+Fe3C)A1:PSK,共析转变线。A3:GS,奥氏体和铁素体相互转变线。Acm:ES,碳在奥氏体中的溶解度曲线。CD:析出一次渗碳体，由L析出Fe3CⅠ。ES:析出二次渗碳体，由A析出Fe3CⅡ。PQ:析出三次渗碳体，由F析出Fe3CⅢ。五个重要的成份点:P、S、E、C、K。

四条重要的线:EF、ES、GS、FK。两个重要转变:共晶转变、共析转变。

两个重要温度:1148℃、727℃。二、典型铁碳合金结晶过程分析

铁碳合金分类工业纯铁：Wc≤0.0218%钢：Wc=0.0218-2.11%亚共析钢0.0218-0.77%共析钢0.77%过共析钢0.77-2.11%白口铸铁：Wc=2.11-6.69%亚共晶白口铸铁2.11-4.3%共晶白口铸铁4.3%过共晶白口铸铁4.3-6.69%三、铁碳合金相图的应用1.在选材方面的应用

相图表明了钢铁材料成分、组织的变化规律，据此可判断出力学性能变化特点，从而为选材提供了可靠的依据。

例如：要求塑性、韧性好、焊接性能良好的材料，应选低碳钢；而要求硬度高、耐磨性好的各种工具钢，应选用含碳量较高的钢。

例如：用于建筑结构的各种钢需要塑性、韧性好的材料，应选用Wc﹤0.25%的钢材。机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=0.30%-0.55%范围内的钢材。而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=0.70%-1.2%范围内的高碳钢。2.在铸造方面的应用

从铁碳合金相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。根据铁碳合金相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50-100℃，铸钢（Wc=0.15%-0.6%）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。3.在铸造方面的应用

由铁碳相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。因此，钢材的锻造、轧制等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。第三节碳钢钢：以铁为主要元素，碳的质量分数Wc﹤2.11%并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。非合金钢低合金钢合金钢

在铁碳合金相图中，处于P和E点之间成分（0.0218%---2.11%）的合金称为碳素钢。

新的钢分类中已经用“非合金钢”一词取代“碳素钢”，但由于许多技术标准是在新的《钢分类》标准实施之前制订的，所以，为便于衔接和过渡，非合金钢的介绍仍按原常规分类进行。一、含碳量对钢组织和力学性能的影响1.含碳量对钢组织的影响2.含碳量对力学性能的影响

随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降，这是由于组织中渗碳体量不断增多，铁素体量不断减少的缘故。

工业上使用的钢含碳量一般不超过1.4%；而含碳量超过2.11%的白口铸铁，组织中大量渗碳体的存在，使性能硬而脆，难以切削加工，一般以铸态使用。二、杂质元素对碳钢性能的影响

实际使用的非合金钢并不是单纯的铁碳合金，由于冶炼时所用原料以及冶炼工艺方法等影响，钢中总不免有少量其他元素存在，如硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等，这些并非有意加入或保留的元素一般作为杂质看待。它们的存在对钢的性能有较大的影响。1.锰（Mn）来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。含量：0.25%—0.80%影响：溶于铁素体，形成置换固溶体，使铁素体强化；溶于渗碳体，形成合金渗碳体，提高硬度；形成MnS，减轻硫的有害作用。2.硅（Si）来自炼钢生铁及脱氧剂硅铁。含量：0.10%—0.40%影响：溶于铁素体，使铁素体强化；形成FeO，改善钢质。3.硫（S）来自生铁，炼钢未消除。影响：形成FeS,提高钢的脆性；FeS和Fe形成低熔点的共晶体，产生热脆现象。可提高钢的含锰量，形成MnS,避免热脆现象。4.磷（P）来自生铁，炼钢未消除。影响：溶于铁素体，强化铁素体；会产生冷脆现象；三、碳钢的分类三、常用碳钢碳素结构钢Wc=0.09%--0.33%WMn=0.37%--0.65%Ws≤0.035--0.05%Wp≤0.035%--0.045%Wsi=0.30%化学成分：牌号：屈服点的字母屈服点数值质量等级符号脱氧方法QMPaABCDFb

2.优质碳素结构钢化学成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤