第四章铁碳合金

第四章铁碳合金第1页，共50页，2023年，2月20日，星期三§4-1铁碳合金的组元及基本相

一.纯铁的同素异构转变

同一种元素金属发生晶体结构的转变的现象称为同素异构转变铁具有三种同素异晶状态，即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe正是由于铁具有这种同素异构转变的性质才使我们对铁合金进行各中热处理以获得各种性能成为可能。第2页，共50页，2023年，2月20日，星期三碳钢及铸铁是使用最为广泛的金属材料。它们的基本组成是Fe+C。然而，C含量大于5%以上的Fe-C合金，其性能很脆，基本失去了其使用性能。所以，我们通常研究的铁碳合金都是含碳量小于6.69%的合金，所研究的铁碳相图指的是Fe-Fe3C。在这一节中我们就来研究Fe-Fe3C相图。Fe-Fe3C相图是我们研究和使用钢铁材料，制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因的依据，因此，要学好这门课就必须掌握Fe-Fe3C相图。第3页，共50页，2023年，2月20日，星期三二.Fe-Fe3C相图中的基本组织

1.铁素体：碳原子溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格，通常用“F”（或α）表示。铁素体的最大溶碳量仅为0.0218%(在温度为727℃时)，在室温下的溶碳能力更低，一般在0.008%以下。铁素体的性能与纯铁基本相同，塑韧性较好，硬度较低。居里点也是770℃。2.奥氏体：碳原子溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号A或γ表示。奥氏体的最大溶碳量为2.11%(在温度为1148℃时)，奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。第4页，共50页，2023年，2月20日，星期三3.渗碳体：铁与碳形成的间隙化合物，其含碳量为6.69%，称为渗碳体，可用符号Cem或Fe3C表示，是铁碳合金中重要的基本相，属于正交晶系。渗碳体具有很高的硬度，约为800HB，但塑性很差，伸长率接近于零。渗碳体于低温下具有一定的铁磁性，但是在230℃以上，铁磁性就消失了，所以230℃是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为l227℃。4.珠光体：F与Fe3C组成的机械混合物。通常用“P”表示。含碳为0.77%的层片状产物。5.莱氏体：高温莱氏体(727℃以上)：A＋Fe3C的机械混合物室温莱氏体(727℃以下)

：P＋Fe3C的机械混合物用Ld表示，含碳量为4.3%用Ld’表示，含碳量为4.3%第5页，共50页，2023年，2月20日，星期三§4-2Fe-Fe3C相图第6页，共50页，2023年，2月20日，星期三主要点的含义A点：1538℃0%C纯铁的熔点N点：1394℃0%Cδ-Fe→γ-Fe同素异构转变点G点：912℃0%Cγ-Fe→α-Fe同素异构转变点J点：1495℃0.17%C包晶点LB+δH=AJC点：1148℃4.3%C共晶点Lc=AE+Fe3CS点：727℃0.77%C共析点AS=FP+Fe3CH点：1495℃0.09%C碳在δ-Fe中最大溶解度E点：1148℃2.11%C碳在γ-Fe中最大溶解度P点：727℃0.0218%C碳在α-Fe中最大溶解度第7页，共50页，2023年，2月20日，星期三主要线的含义液相线：ABCD；AB:L→δ，BC:L→γ，CD：L→Fe3C固相线：AHJECF；AH：δ相结晶完了；HJ：包晶线部分；JE：γ相结晶完了；ECF：共晶反应线包晶转变线：HJB；在1495℃的恒温下，含碳量为0.53%的液相与含碳量为0.09%的δ铁素体发生包晶反应，形成含碳量为0.17%的奥氏体共晶转变线：ECF；在1148℃的恒温下，由含碳量为4.3%的液相转变为含碳量为2.11%的奥氏体和含碳量为6.69%的渗碳体组成的混合物（莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量？）共析转变线：PSK；在727℃恒温下，由含碳量为0.77%的奥氏体转变为含碳量为0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物（铁素体和渗碳体的含量？）固态转变线：GS线、ES线、PQ线磁性转变线：MO——铁素体的磁性转变线过230℃的虚线——渗碳体的磁性转变线

第8页，共50页，2023年，2月20日，星期三主要相区的含义五个单相区：ABCD以上——液相区(L)AHNA——δ固溶体区(δ)NJESGN——奥氏体区(γ)GPQG——铁素体区(α)DFKL——渗碳体区(Fe3C或Cem)七个两相区：ABJHA——液相＋δ固溶体区(L＋δ)JBCEJ——液相＋奥氏体区(L＋γ)DCFD——液相＋渗碳体区(L＋Fe3C)HJNH——δ固溶体＋奥氏体区(δ＋γ)GSPG——铁素体＋奥氏体区(α＋γ)ECFKSE——奥氏体＋渗碳体(γ＋Fe3C)第9页，共50页，2023年，2月20日，星期三§4-3铁碳合金平衡结晶过程及组织

铁碳合金工业纯铁(C<0.0218%)

碳钢(C：0.0218%-2.11%)铸铁(C>2.11%)共析钢(C=0.77%)亚共析钢(C：0.0218%-0.77%)过共析钢(C:0.77%-2.11%)共晶白口铸铁(C=4.30%)亚共晶白口铸铁(C：2.11%-4.30%)过共晶白口铸铁(C：4.30%-6.69%)第10页，共50页，2023年，2月20日，星期三第11页，共50页，2023年，2月20日，星期三一.工业纯铁

（相图）第12页，共50页，2023年，2月20日，星期三在室温下，析出三次渗碳体量最多的是含碳量为0.0218%的铁碳合金，其含量可用杠杆定律求出wα＝0.0218/6.69×100%＝0.33%而含量为0.01%的工业纯铁室温下三次渗碳体量为wFeC3III＝0.01/6.69×100%＝0.1494%第13页，共50页，2023年，2月20日，星期三相转变过程组织转变过程LL+AP

二.共析钢（相图）

第14页，共50页，2023年，2月20日，星期三第15页，共50页，2023年，2月20日，星期三三.亚共析钢（相图）

组织转变L－……－AF+AF+P

第16页，共50页，2023年，2月20日，星期三第17页，共50页，2023年，2月20日，星期三(a)含碳量0.20%

(b)含碳量0.40%

(c)含碳量0.60%

组织组成物的相对含量：先共析铁素体：wα＝(0.77−0.40)/(0.77−0.0218)×100%＝49.5%珠光体：wp＝1−49.5%＝50.5%相组成物的相对含量：wα＝(6.69−0.40)/(6.69−0.0218)×100%＝94.3%wFe3C＝1−94.3%＝5.7%第18页，共50页，2023年，2月20日，星期三四.过共析钢（相图）组织转变：LL＋AAA＋Fe3CIIP＋Fe3CII第19页，共50页，2023年，2月20日，星期三第20页，共50页，2023年，2月20日，星期三五.共晶白口铸铁（相图）

组织转变L(L＋Ld)LdL’d第21页，共50页，2023年，2月20日，星期三共晶白口铸铁的室温组织第22页，共50页，2023年，2月20日，星期三六.亚共晶白口铸铁（相图）

组织转变

LL＋AA＋LdA＋Fe3CII＋LdP＋Fe3CII＋L’d

第23页，共50页，2023年，2月20日，星期三第24页，共50页，2023年，2月20日，星期三该白口铸铁的组织组成物中，初晶奥氏体的含量为wγ＝(4.3−3.0)/(4.3−2.11)×100%＝59.4%莱氏体含量为wLd＝(3.0−2.11)/(4.3−2.11)×100%＝40.6%从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体含量为wFeC3II＝(2.11−0.77)/(6.69-0.77)×59.4%＝13.4%第25页，共50页，2023年，2月20日，星期三七.过共晶白口铸铁（相图）

组织转变LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+L’d

第26页，共50页，2023年，2月20日，星期三第27页，共50页，2023年，2月20日，星期三该白口铸铁的组织组成物中，先共晶渗碳体的含量为wFeC＝(5.0−4.3)/(6.69−4.3)×100%＝29.3%莱氏体的含量为wLd＝(6.69−5.0)/(6.69−4.3)×100%＝70.7%该白口铸铁的相组成物的相对含量。其中铁素体的相对含量为wα＝(6.69−5.0)/(6.69−0.0218)=×100%＝25.3%渗碳体的相对含量为wFe3C＝(5.0−0.0218)/(6.69−0.0218)×100%＝74.7%第28页，共50页，2023年，2月20日，星期三§4-4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

Fe3C的形式：一次渗碳体Fe3CI；

二次渗碳体Fe3CII；三次渗碳体Fe3CIII；共析渗碳体；(珠光体)共晶渗碳体(莱氏体中)第29页，共50页，2023年，2月20日，星期三随着含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序为

α→α+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld'→Ld'→Ld'+Fe3CⅠ第30页，共50页，2023年，2月20日，星期三+三次渗碳体＋Fe3CⅢ第31页，共50页，2023年，2月20日，星期三(二)对机械性能的影响珠光体铁素体

渗碳体塑性和韧性好强度和硬度很低硬脆相以细片状分散地分布在铁素体的基体上强化作用

较高强度和硬度塑性较差力学抗拉强度σb：1000MPa屈服强度σS

：600MPa伸长率δ：10%断面收缩率ψ：12%-15%硬度(HB)：241HB

性能第32页，共50页，2023年，2月20日，星期三在白口铸铁中，由于含有大量渗碳体，故脆性很大，强度很低。渗碳体的硬度很高，但是极脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性变形主要由铁素体来提供。

在亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体逐渐增多，强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。当含碳量达到0.77%时，其性能就是珠光体的性能。在过共析钢中，含碳量在接近l%时其强度达到最高值，含碳量继续增加，强度下降。第33页，共50页，2023年，2月20日，星期三(三)对工艺性能的影响1.切削加工性能钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低碳钢中的铁素体较多，塑性韧性好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，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，切削性能也差。中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性也比较适中，其切削加工性能较好。一般情况下，钢的硬度大致为250HB时切削加工性能较好。钢的导热性对切削加工性能具有很大的影响。具有奥氏体组织的钢导热性低，切削热很少为工件所吸收，而基本上集中在切削刃附近，因而使刃具的切削刃变热，降低了刀具使用寿命。第34页，共50页，2023年，2月20日，星期三钢的晶粒尺寸的大小并不显著影响硬度。但粗晶粒钢的韧性较差，切屑易断，因而切削性能较好。珠光体中的渗碳体组织同样影响切削加工性，亚共析钢的组织是铁素体+片状珠光体，具有较好的切削加工性能，若过共析钢的组织为片状珠光体+二次渗碳体，则其加工性能很差，若其组织是由粒状珠光体组成的，则可改善切削加工性能。2.可锻性钢的锻造性能首先与含碳量有关，随着含碳量的增加逐渐变差。奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形。钢加热到高温可获得单相奥氏体组织，具有良好的锻造性能。因此钢材的始锻温度一般在固相线以下100℃～200℃范围内。终锻温度不能过低，以免因温度过低而使塑性变差，产生裂纹。一般对亚共析钢终锻温度控制在GS线以上较近处，对过共析钢控制在PSK线以上,有利于打碎网状二次渗碳体。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，其锻造性能很差。不能通过锻造进行变形。第35页，共50页，2023年，2月20日，星期三3.铸造性金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。1)流动性

流动性是指液态金属充满铸型的能力。流动性主要受化学成分和浇注温度的影响。在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的结晶温度范围增大，流动性应该变差。但是，随着含碳量的增加，液相线温度降低，因而，当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其液相线温度与钢液温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性有利。所以钢液的流动性随含碳量的提高而提高。浇注温度越高，流动性越好。当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好。铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高，结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含碳量的提高，流动性变差。

第36页，共50页，2023年，2月20日，星期三2)收缩性

铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。金属从浇注温度冷却到室温要经历3个互相联系的收缩阶段。①液态收缩：从浇注温度到开始凝固(液相线温度)这一温度范围内的收缩为液态收缩。②凝固收缩：从凝固开始到凝固终止(固相线温度)这一温度范围内的收缩称凝固收缩。③固态收缩：从凝固终了到冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。

液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，其收缩量用体积分数表示，称为体收缩。它们是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也是体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，其收缩量通常用长度百分数表示，称为线收缩。它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。第37页，共50页，2023年，2月20日，星期三影响碳钢收缩性的主要因素是化学成分和浇注温度等。对于化学成分一定的钢，浇注温度越高，则液态收缩越大；当浇注温度一定时，随着含碳量的增加，钢液温度与液相线温度之差增加，体积收缩增大。同样，含碳量增加，其凝固温度范围变宽，凝固收缩增大。wC（%）0.100.350.751.0钢的体积收缩率%(自1600℃冷至20℃)10.711.812.914.03)枝晶偏析:固相线和液相线的垂直距离越大，枝晶偏析越严重。铸铁的成分越靠近共晶点，偏析越小；相反，越远离共晶点，则枝晶偏析越严重。随着含碳量的增加，钢的体收缩不断增大。与此相反，钢的固态收缩则是随着含碳量的增加，其固态收缩不断减小，尤其是共析转变前的线收缩减少得更为显著。

第38页，共50页，2023年，2月20日，星期三(四)Fe-Fe3C相图的应用1.在选材方面的应用

1）需要良好塑性、韧性的压力容器等时，应选用含碳量为0.10～0.25%；2）需要综合机械性能好的结构钢时，应选用含碳量为0.25～0.50%；3）需要弹性好的弹簧钢时，应选用含碳量为0.50～0.70%；4）需要高强度和足够硬度的工磨具钢时，应选用含碳量为0.70～0.90%；5）需要高硬度高和耐磨性好的刃具钢时，应选用含碳量为1.00～1.3%。白口铸铁具有很高的硬度和脆性，抗磨损能力也很好，可用来制造需要耐磨而不受冲击载荷的工件。如拨丝模、球磨机的铁球等。另外，白口铸铁也是可锻铸铁的原料。第39页，共50页，2023年，2月20日，星期三2.在热加工方面的应用

Fe-Fe3C相图给出了不同成分的铁碳合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律，这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据。1）相图给出了不同成分的钢和铸铁的熔点，这就为拟定铸造工艺提供了基本数据，可以确定合适的浇注温度。2）由相图可知，纯铁、共晶和接近于共晶成分的铁碳合金，具有较好的铸造性能，因此这些合金在铸造生产中得到了广泛的应用。3）钢处于奥氏体状态时，强度低、塑性好，便于塑性变形。因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态。一般始锻温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内，而终锻温度则选择在略高于临界点处。4）热处理一般要加热到奥氏体状态，对于亚共析钢加热到GS线以上，共析、过共析钢加热到PSK线以上。第40页，共50页，2023年，2月20日，星期三3.应用铁碳合金相图应注意的问题①铁碳相图不能表示快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律。②可参考铁碳相图来分析快速冷却和加热的问题，但还应借助于其他理论知识。③相图可以表示铁碳合金可能进行的相变，但不能看出相变过程所经过的时间。相图反映的是平衡相的概念，而不是组织的概念。④铁碳合金相图是用极纯的Fe和C配制的合金测定的，而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素。其中某些元素对临界点和相的成分都可能有很大的影响，此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究。第41页，共50页，2023年，2月20日，星期三§4-5钢中的杂质元素及钢锭组织

一.锰和硅的影响

①Mn、Si是炼钢中必须加入的脱氧剂，用以去除钢液中的氧。它还可：Mn（Si）＋FeO→MnO（SiO2）+Fe，Mn＋S→MnS，排入炉渣中,去处S。②当锰、硅部分溶入钢液中，冷却至室温后即溶入铁素体中提高铁素体的强度；溶入渗碳体中形成合金渗碳体(Fe，Mn)3C使强度提高。故Mn、Si对钢的机械性能有良好的影响。可提高钢的强度和硬度，当含Mn量不高时(wMn<0.8%)，可略有提高或不降低钢的塑韧性。Si含量小于0.5%时，它也是钢中的有益元素，可显著提高钢的强度和硬度；但含量过高，将使钢的塑韧性下降。第42页，共50页，2023年，2月20日，星期三二.有害杂质S、P的影响磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使性能恶化－－冷脆性。硫：S在钢中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988℃，在此温度以上工作和锻造时因晶界熔化而开列－－热脆性。适量的S可改善钢的切削性能。

碳钢根据S、P含量可分为三类：普通碳素钢(wS＜0.055%、wP＜0.045%)优质碳素钢(wS＜0.040%、wP＜0.040%)高级优质碳素钢(wS＜0.030%、wP＜0.035%)第43页，共50页，2023年，2月20日，星期三三.脱氧的影响

钢的生产是向铁中加入O2，使C及杂质氧化。按脱氧完全与否可将钢分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。①沸腾钢(F)即脱氧不完全的钢，如果脱氧不完全就会产生FeO,而FeO与C反应析出大量的一氧化碳气体，引起钢液的沸腾，产生蜂窝状的缩孔，且心部C、S、P偏析严重，但表面较纯净。所以性能较差，但成材率较高，较便宜。②镇静钢(z)Mn+FeO→MnO+FeSi+FeO→SiO2+FeAl+FeO→Al2O3+Fe生成的MnO、SiO2、Al2O3排在炉渣中，没有气体，偏析较少，集中缩孔，性能较好，但利用率低，成本高。③半镇静钢(b)介于上述两种钢之间。第44页，共50页，2023年，2月20日，星期三2、钢的冶炼过程对性能的影响第四节碳钢1.钢锭中的组织缺陷缩孔：大多材料凝固后体积收缩留下的空腔。力图让缩孔集中在冒口，可切去。

疏松：微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间凝固的封闭而得不到液体补充而留下得缺陷。轧制可减小或消除其部分不利的影响。气孔：凝固中未排出在凝固体而形成的缺陷。气体的来源析出和反应型。夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等。成分偏析：成分不均匀叫做偏析。有宏观偏析和微观偏析第45页，共50页，2023年，2月20日，星期三2、钢的冶炼过程对性能的影响第四节碳钢2.常存元素对性能的影响磷：P可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使性能恶化－－冷脆性。硫：S在钢中生成的FeS和Fe的共晶熔点仅988℃，在此温度以上工作和锻造时因晶界熔化而开列－－热脆性。适量的S可改善钢的切削性能。硅：Si溶入铁素体，可提高强度和硬度。锰：Mn与S、C的结合力比Fe强，可生成MnS，塑性和熔点比FeS高，消除S的不利影响，但MnS会降低疲劳强度和断裂韧性，所以依然要控制含硫量。Si、Mn含量以自然出现为原则，人为专门加入组成合金钢。

第46页，共50页，2023年，2月20日，星期三附件：碳钢的分类按含碳量分：低碳钢WC

0.25％ 中碳钢0.25％<WC

0.6％ 高碳钢WC>0.6％按质量用途分：普碳钢普通碳素结