第四章铁碳相图

第四章铁碳合金生产中常用的碳钢和铸铁都是在铁中加入一定比例的碳形成的,因此,碳和铁是组成钢铁材料的最基本组元.我们可以从碳和铁入手,研究铁碳组元各自的性质及交互作用,从而更好掌握钢铁材料的性能.铁与碳可以形成一系列化合物：Fe3C,Fe2C,FeC.钢的含碳量≤2.11%；铸铁含碳量≤5%,因此,在研究铁碳合金时,仅研究Fe-Fe3C(Wc=6.69%)部分,所以,我们讨论的铁碳合金相图实际上就是Fe-Fe3C相图.§1铁碳合金的组元及基本相一、纯铁基本性质:元素周期表中第26个元素,原子量56,属过渡族,熔点1538℃,2738℃气化、常温密度7.87g/m3.同素异构转变:

实验证明，纯铁在固态冷却时有同素异构转变。同素异晶转变：同一元素在固态下随温度而发生的晶体结构的变化.也称同素异晶转变

(磁性转变)A2转变铁的居里点A4转变A3转变A4点A3点纯铁的性能：工业纯铁含铁99.8-99.9%，0.1-0.2%的杂质，主要为碳.机械性能：抗拉强度176-274MN/m2，屈服强度98-166MN/m2,延伸率30-50%，断面收缩率:70-80%，冲击韧性:160-200J/cm2，硬度:50-80HB室温下,强度低,塑韧性好,很少用作结构材料用途:利用其铁磁性作为各种仪器仪表的铁芯二、钢中常见相铁素体：碳溶于α－Fe中的间隙固溶体，具bcc结构，用符号F或α表示.

性质:与纯铁相近,居里点也是770℃.碳在其中最大固溶度为0.0218%(727℃),室温为0.008%以下.

奥氏体:碳溶于γ

－Fe中的间隙固溶体，具有fcc结构，用A或γ表示.奥氏体中碳的最大溶解度为2.11%(1148℃)

性质:塑性好，具有顺磁性铁素体:碳溶于-Fe中的间隙固溶体，具有bcc结构，用表示，其最大溶解度0.09%(1495℃).

铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69%，用Fe3C

或Cm表示，具有复杂晶体结构，属于正交晶系.

性质:硬度高HB800

，熔点1227℃。

塑性差,室温下,铁碳合金中碳以Fe3C形式存在

在一定条件下：

Fe3C→3Fe+C(石墨)

2、渗碳体:

§2Fe-Fe3C相图前面所学的二元合金相图是研究在缓慢冷却条件下,合金中相与组织、温度、成分间的关系。Fe-Fe3C相图同样，它是研究缓慢冷却条件下铁碳合金组织、温度、成分等之间的关系，由此确定合理的热加工工艺，达到工业上需要的性能。1.相图中的相区

单相区（5个）L、δ、

γ、α、Fe3C

两相区：7个

L＋δ、

δ

＋

γ、L＋

γ、L＋Fe3C、

γ

＋Fe3C、

α

＋γ、α

＋Fe3C

三相区：3个

L＋δ＋

γ、

L＋

γ

＋Fe3C

、γ

＋α

＋Fe3C2、相图中的特征线

液相线:ABCD，固相线:AHJECF，等温线.

等温线：HJB包晶线:14950CLB＋δHγJ产物：奥氏体ECF共晶线:11480CLC

（γE＋Fe3C）产物：莱氏体LdPSK共析线:7270Cγs

（

αP＋Fe3C）产物：珠光体P

ES线：C在奥氏体中的溶解度曲线，也叫Acm线。当温度降低碰到此线时，将从奥氏体中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）

GS线：冷却时，从奥氏体中析出铁素体的开始线或加热时，铁素体溶入奥氏体的终了线，称A3线。

PQ线：C在铁素体中的溶解度曲线。冷却时碰到PQ线，从α－Fe中将析出Fe3C，称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。

三条特性曲线：§3典型合金的结晶过程：铁碳合金工业纯铁＜0.0218%C钢亚共析钢0.0218-0.77%C共析钢0.77%C过共析钢0.77－2.11%C白口生铁亚共晶生铁2.11-4.3%C共晶生铁4.3%C过共晶生铁4.3－6.69%C平衡结晶过程：1）工业纯铁：0.01%C1点以上：液相的冷却1点：从L相中开始结晶出δ1-2：L

δ2-3：δ

相的冷却3-4：δ

γ4-5：

γ

相的冷却5-6：γ

α

6-7：α

相的冷却7以下：α

Fe3CⅢ）室温组织：α

＋Fe3CⅢ）2）共析钢：0.77%C1点以上：液相的冷却1点:从L相中开始结晶出γ

1-2：L

γ2点：全部形成γ2-3：γ

相的冷却3点：发生共析反应γs

αP＋Fe3C，珠光体P3以下：α

Fe3CⅢ室温组织：P

（α

＋Fe3C）3）亚共析钢：0.4%C1点以上：液相的冷却1点：开始结晶出δ1-2：L

δ2点：LB＋δHγJ发生包晶反应，形成奥氏体。液相过剩2-3：Lγ3-4：γ

相的冷却4-5：γ

α

5点：发生共析反应γs

αP＋Fe3C珠光体P5以下：α

Fe3CⅢ室温组织：

α

＋P计算0.40%C钢的相对量：组织组成物：2)相组成物：4）过共析钢1点以上：液相的冷却

1-2：Lγ2点：全部形成γ2-3：γ

相的冷却

3-4：γFe3CⅡFe3CⅡ沿γ

晶界呈网状分布。

4点：发生共析反应

γs

αP＋Fe3C，形成P室温组织：P＋Fe3CⅡ

5）共晶白口铁：4.3%1点以上：液相的冷却。1点：Lc

（γ＋Fe3C）称为莱氏体，Ld。1-2点：γFe3CⅡ，沿γ

晶界呈网状分布。2点：发生共析反应。γs

αP＋Fe3C形成P室温组织：变态莱氏体Ld’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ

）6）亚共晶白口铁1点以上：液相的冷却1-2点：Lγ2点：LC（γ＋Fe3C）Ld2-3：γ

Fe3CⅡ3点：发生共析反应。

γs

αP＋Fe3C形成P室温组织：P+Fe3CⅡ

＋Ld’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ

）7）过共晶白口铁1点以上：液相的冷却。1-2点：LFe3CⅠ

粗大白色条状2点：LC

γ＋Fe3C，

Ld2-3：γFe3CⅡ3点：发生共析反应

γs

αP＋Fe3C，形成P室温组织：Fe3CⅠ

＋Ld’（P+Fe3C＋Fe3CⅡ

）

Fe3C小结：

析出线来源形态Fe3CⅠCDL粗大白色条状Fe3CⅡES

γ

网状分布于晶界Fe3CⅢPQα

薄片状Fe3C共析S

γ层片状Fe3C共析C

L基体

标注组织的铁碳相图

§4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响一.对平衡组织的影响随着含碳量增加，铁碳合的组织变化如下：F+Fe3CⅢ（工业纯铁）→F+P（亚共析钢）→P（共析钢）→P+Fe3CⅡ（过共析钢）

→P+(Fe3CⅡ)+Ld’（亚共晶白口铁）→Ld’（共晶白口铁）→Ld’+Fe3CⅠ（过共晶白口铁）2.11％形态从上面的分析可以看出：铁碳合金中，随着含碳量的增加，不仅组织中的渗碳体的相对重量增加，而且渗碳体的形态和分布也有变化：

当WC＜0.0218%时,Fe3CⅢ是从基体相铁素体的晶界上呈片状微量析出。当WC=0.0218~0.77%时，钢发生了共析转变，生成了珠光体，P中的Fe3C是以片状形态分布，并且其数量随着含碳量的增加而增加。当WC=0.77%时，组织完全为P。当WC=0.77~2.11%时,除了有P外，还出现了Fe3CⅡ，它是以网状沿A晶界析出的。当WC=2.11~4.3%时,钢会发生了共晶转变,有莱氏体析出(在莱氏体中共晶渗碳体是连续的相)并且其数量随着含碳量的增加而增加。当WC=4.3%时，全部是莱氏体组织。当WC＞4.3%时，会从液相中直接析出粗大长条状的Fe3CⅠ。综上所述：同一种组成相，如果形成条件改变，尽管本质相同，也可形成形态不同的组织，从而影响性能；。二.对机械性能的影响由图可知：在亚共析钢中，随着含碳量的增加，P的数量增加，所以强度、硬度增加，但塑性、韧性有所下降。当WC=0.77%时，此时的铁碳合金的性能即为P的性能。在过共析钢中，WC=1.0%时，σb为最大，当含碳量再增加，σb将会减小。（因为Fe3CⅡ

在含碳量大于1%时，于晶界形成了连续的网，使钢的脆性大大增加，从而使强度下降）在白口铁中，由于含有大量的渗碳体，并且是以渗碳体为基，所以，硬度极高，而强度很低。5.铁碳合金的塑性由F来提供，随着含碳量的增加，F在减少，所以塑性下降。当组织中出现以渗碳体为基的莱氏体时，塑性大大下降以至于为0。6.冲击韧性对组织十分敏感，当含碳量增加时，则脆性的渗碳体必定增加，Ak将下降，尤其在出现网状的渗碳体时，Ak将显著下降。7.随着含碳量的增加，硬度增加。综上所述：为了保证工业使用的铁碳合金具有足够的强度的同时，并具有一定的塑韧性，铁碳合金的含碳量一般不超过1.3%三.对工艺性能的影响1、切削加工性能

低碳钢中铁素体较多，塑性、韧性好，容易粘刀，而且切屑不易折断，因此，切削加工性能不好。高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削加工性能也不好。中碳钢硬度和塑性比较适中，切削加工性较好。一般，钢的硬度为250HB时，具有合适的加工性能。还与导热性、晶粒大小、珠光体形态等有关。

2、可锻性

可锻性是指金属在压力加工时,能改变形状而不产生断裂的能力。低碳钢的可锻性较好，随含碳量的增加，可锻性变差。奥氏体具有良好的塑性，把钢加热到高温奥氏体状态，具有良好的可锻性。因此，对材料进行大量变形时，大多都在奥氏体相区。开锻温度不能过高，以免发生氧化；终锻温度不能太低，否则塑性变差，易产生裂纹。白口铸铁可锻性很差。第四节钢中的杂质元素及钢锭组织1、钢中常存杂质对碳钢性能的影响：Mn的影响：Mn是炼钢中必须加入的脱氧剂；用于除去溶于钢液中的氧，将FeO还原为Fe，形成MnO；Mn可用于除S，与钢液中的S结合为MnS，减轻S的危害；Mn大部分溶于F中，形成置换固溶体，强化F，一部分则溶于Fe3C中，形成（Fe,Mn)3C；同时，Mn还能增加珠光体的相对含量。这些都使钢的强度增加；

Si的影响

Si是炼钢中必须加入的脱氧剂；用于除去溶于钢液中的氧，将FeO还原为Fe，形成SiO2；Si也溶于F之中，起强化作用，但含量较高时，会使塑韧性下降，所以含量一般为小于0.5%。

S的影响：

S是有害杂质，炼钢时由矿石、燃料带到钢中，它的最大危害是产生热脆,避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制：

普通碳钢：含硫量≤0.055%

优质碳钢：含硫量≤0.040%

高级优质碳钢：含硫量≤0.030%P的影响：P也是有害杂质，P可以完全溶入F中，使F的强度、硬度提高，但却剧烈的降低钢的韧性，尤其是低温韧性，叫做冷脆。偏析严重，但可提高切削加工性能。为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格控制：普通碳钢：含硫量≤0.045%

优质碳钢：含硫量≤0.040%

高级优质碳钢：含硫量≤0.035%Ｎ的影响：有害的方面：淬火时效：含氮较高的钢淬火后，在室温下长期放置或稍加热，会使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，此现象叫做淬火时效；应变时效：含氮的低碳钢材经冷塑性变形后，放置一段时间，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降，此现象叫做应变时效；原因：析出氮化铁。解决：钢中加入足够数量的Al，形成AlN。H的影响：

来源：含水的炉料、炉气等。氢脆：在低于强度极限的情况下，突然断裂。白点：钢材内部产生大量的细微裂纹缺陷，断面上为光滑的银白色斑点，酸洗的横断面上为发丝状裂纹。钢的塑、韧性降低。氧及其它非金属夹杂物的影响：2、碳钢的分类：按含碳量分：按钢的质量分：按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢；低碳钢：≤0.25％Ｃ；中碳钢：0.30～0.55％Ｃ；高碳钢：≥0.60％Ｃ普通碳素钢：Ｓ≤0.055％、Ｐ≤0.045％；优质碳素钢：Ｓ≤0.040％、Ｐ≤0.040％；高级优质钢：Ｓ≤0.030％、Ｐ≤0.035％；3、碳钢的编号：碳素结构钢：采用国标GB700－88；Ｑ195；优质碳素结构钢：

45钢：以0.01％Ｃ为单位；碳素工具钢：Ｔ10：以0.1％Ｃ为单位；思考题：1、名词解释：铁