铁碳合金相图

37/13铁碳合金相图非合金钢[(GB/T13304-91)，将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸碳相图及其应用方面的一些问题。铁碳合金含碳量超过6。69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图,实际铁碳合金含碳量超过6。69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图,实际3333⑴纯铁Fe是过渡族元素,1个大气压下的熔点为1538℃,20℃时的密度为kgm即：工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度＝180~230MPa,屈服强度＝100~170MPa,伸长率170MPa,伸长率6=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，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。FeCFeC体结构十分复杂，通常称渗碳体,可用33符号Cm表示。FeC具有很高的硬度但很脆，硬度约为950~1050HV,抗拉强度3=30MPa，伸长率6=0。b3.1．2基本相3种间隙固溶体相：⑴高温铁素体3碳溶于6—Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号6表示。的固溶度极小，室温时约为0。0008%,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218%，但也不大,在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计.力学性能与工业相当。⑶奥氏体碳溶于y-Fe的间隙固溶体,面心立方晶格，用符号y或A表示。奥氏体3.2Fe-FeC相图3338/133图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。3符号符号温度(℃)含碳量[%(质量)]含义纯铁的熔点0。534.306。696．69096。6900.770。0057(0．0008)包晶转变时液态合金的成分共晶点3FeFeC的成分3碳在δ—Fe中的最大溶解度FeC的成分3Fe共析点600℃(或室温)时碳在α-Fe中的最大溶解度1495114814957271394ABCEFGHJKNP0039/13AA33．2．2.1三个重要的特性点⑴J点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B点成分的L与H点成三相共存,三相共存,反应式为：L+6A或.LBHJ0.53合金在平衡结晶过程中冷却到0.091148℃时。17C点成分的L发生共晶反eC33A+FeC。3A+FeC或L存，反应式为:LCE34.32.113共晶反应的产物是A与FeC的共晶混合物，称莱氏体,用符号Le表示,所以共晶反应式也可表达为:也可表达为:L34.34.3莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体.在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A(727℃时转变为珠光体)分布在渗碳体基体上。⑶S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时S点成分的A发生共析反PFFeC.共析反应在恒温下进行，反应过程中A、F、FeC三相共33F+FeC3F+FeC或ASP30.770.02183共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物,称珠光体，用符号P表示，因而共析反应可简单表示为：AP0.770.77P中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下P的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体片(宽条).P的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间,其机械性能如下：抗拉强度()770MPa延伸率(6)20~35％b冲击韧性(a)30~40J/cm2硬度(HB)180kgf/mm2bk3．2.2.2相图中的特性线⑴水平线HJB为包晶反应线。碳含量0.09~0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反应.⑵水平线ECF为共晶反应线.碳含量在2。11~6．69%之间的铁碳合金,在平衡结晶过程中均发生共晶反应.⑶水平线PSK为共析反应线。碳含量0.0218~6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线在热处理中亦称A线.1⑷线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A线。3⑸ES线是碳在A中的固溶线,通常称A线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2。11％，而在727℃时仅为0．77％，因此碳含量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至eC3II⑹PQ线是碳在F中的固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0。0218％,室温时仅C33III3III临界温度线。FeC数量极少,往往可以忽略.下面分析铁碳合金平衡结晶过程时,均忽略这一析出过3III程.程40/133。3典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Fe-FeC相图，铁碳含金可分为三类：下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。以含碳0。01％的铁碳合金为例,其冷却曲线(如图3。2)和平衡结晶过程如下.点始，从A中析出F。F在A晶界处生核并长大，至6点时A全部转变为F。在6—7点间F冷却不变。在7—83III3.3.2共析钢点间，从F晶界析出FeC。因此合金的室温平衡组织为F＋3IIIFeC量极少，呈小白片状分布于F晶界处。若忽略FeC，则3III3IIILAA冷却不变.至3点时，A发生共析反应生成P。从3′继续冷却至4点,P皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P,P呈层片状。共析钢的室温组织组成物也全部是P，而组成相为F和FeC,它们的相对质量为：341/136.6933．3。3亚共析钢合金冷却时，从1点起自L中结晶出6，至2点时，L成分变为0.53％C，6变为0.09％C,发生包晶反应生成A,反应结束后尚有多余的L。2′点以下，自L中不断结晶出中36.69342/13所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据P的含量可求出钢的含碳量用对应的面积百分数来估算.图3。5过共析钢结晶过程示意图3.3。4过共析钢合金冷却时，从1点起自L中结晶出A,至2点全部结晶完了.在2-3点间A冷却不变，3II3II0．77％，4－4′发生共析反应转变为P，而FeC不变化.在4′—5点间冷却时组织3IIP3II3II.33II33。3。5共晶白口铸铁LLeAFeC′-2点间，33II3II33II33II43/133II33成(见图3．12)。共晶白口铸铁的组织组成物全为Le′,而组成相还是F和FeC,它们的相对重量可用3杠杆定律求出。3．3．6亚共晶白口铸铁为含2.11%),发生共晶反应转变为Le,而A不参与反应。在2′－3点间继续冷却时,初生3II3II的成分均变为0.77％,初生A发生共析反应转变为P；高温莱氏体Le也转变为低温莱氏体3IIFeC分布在粗大块状P的周围,Le′则由条状或粒状P和FeC基体组成。3II333II对质量可以两次利用杠杆定律求出。先求合金钢冷却到2点温度时初生A和L的相对质量：A%=A%=4.32.114.3L通过共晶反应全部转变为Le,并随后转变为低温莱氏体Le′，所以Le′%=Le％.3＝L％=41％.4.3再求3点温度时(共析转变前)由初生A析出的FeC及共析成分的A的相对质2.113II0.77由于A发生共析反应转变为P,所以P的相对质量就是46％。3。3．73。3．7过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的区别是:其先析出相是FeCA且因为没有先析出A，进而其室温组织中除Le′中的P3I3I3图3.图3.8,可见随着含碳量增加，室温3III3II3II3I组成相的相对含量及组织形态的变化，会对铁碳合金性能产生很大影响.3.4。2碳钢的机械性能与碳含量的关系对图3。8进行分析，得知铁碳合金的含碳量：小于0.0218％时组织全部为F;等于0.77%时全部为P;9％时全部为FeC；在它们之间的组3织则为相应组织的混合物。利用杠杆定律对其质量分数计算可得如图3。9所示的含碳量与组织(F、P、铁碳含金中FeC是极脆的相,3/133．4含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系333F含量下降，由100％按直线关系变至0(含6．69%C时)；FeC含量相应增加,由0按3直线关系变至100％(含6。69％C时)。改变含碳量，不仅引起组成相的质量分数变化,而且产生不同结晶过程，从而导致组成相的形态、分布变化，也即改变了铁碳合金的组织.由3II3I→HB织中组图3。8标注组织分区的Fe-FeC合金相3图成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小.随碳含量的增加，由于硬度高的FeC增多，硬度低3约80HB增大到全部为FeC时的约800HB。3有关。组织越细密，则强度值越高。F的强度较低。所以亚共；但当碳含量超过共析成分之后，由于强度很低的FeC沿晶界析出，合金强度的增高变3II3IILe时，由于合金基体都为脆性很高的FeC，强度变化不大且值很低,趋近于3FeC的强度(约20~30345/13不能为合金的塑性作出贡献，合金的塑性全部由F提供，所以随碳含量的增大，F量不断减少时，合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时，塑性就降到近于零值了.见图3.10。333.5Fe—FeC相图的应用和局限性333的制订两个方面。3.5。1。1在钢铁材料选用方面的应用FeFeC表明的某些成分—组织-性能的规律,为钢铁材料选用提供了根据；3零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料,应选用碳含量适中的中碳钢；⑷各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种；⑸纯铁的强度低，不宜用做结构材料,但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用,例如做电磁铁的铁芯等；⑹白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造,但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件,例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。3。5。1。2在铸造工艺方面的应用根据Fe－FeC相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50~1030℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小,因而流动性好,分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近.在铸钢生产中,碳含量规定在0.15~0．6％之间,因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。3。5。1.3在热锻、热轧工艺方面的应用钢处于马氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100~200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力过烧).终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂.亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低.过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大,使热加工后的组织也粗大。一般始锻温度为1150~1250℃,终锻温度为750~850℃.3.5．1.4在热处理工艺方面的应用3火、淬火的加热温度都是依据Fe-FeC相图确定的。这将在下一章中详细阐述。3333⑴Fe-FeC相图反映的是平衡相,而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成分3和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。⑵Fe-FeC相图346/13只反映铁碳二元合金中相的平衡状态.实际生产中应用的钢和铸铁,除了铁和碳以外,往往含FeFeC件下铁碳合金中相的状态。相3常常不能用相图来分析问题。3.6碳钢及其常存杂质碳钢被广泛使用在工农业生产中。它们不仅价格低廉、容易加工,而且在一般情况下能满足使用性能的要求。为了掌握碳钢的正确选择和合理使用、必须熟悉它的牌号和用途.铁、硅铁)加入而残留在钢中的,其余的元素则是从原料或大气中带入钢中而冶炼时不能清除尽的有害杂质。它们对钢的性能有一定影响。3.6。1.1锰和硅的影响2中的S形成MnS而大大减轻S的有害作用.这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留钢中成为非金属夹杂。钢中含Mn量约为0。25~0．80%。钢中含Si量约为0。03~0。40％。脱氧剂中的Si与Mn总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，产生固溶强化作用。中有益元素。3。6。1。2其它杂质的影响硫化物共晶的钢材进行热压力加工(加热温度一般在1150~1250℃之间),分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。FeO，还会形成(Fe+FeO+FeS)三相共晶体,熔点更低 易发生热裂。PP在铁中固溶度较大,钢中的P一般都固溶于铁中。P溶人铁素体后，有较之其他元素更强的固溶强化能力,尤其是较高的含P量，使钢显著提高强度、硬度的同时,很低,脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。在一定条件下S、P也被用于提高钢的切削加工性能.炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹爆炸时产生更多弹片,使之有更大的杀伤力.P与Cu共存可以提高钢的抗大气腐蚀能力.⑶O、H、N的影响O在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物夹杂形式存在,如232韧性、疲劳强度等危害很大。H在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑、韧性,增大钢的脆性,这种现象称为氢脆。47/13少量N存在于钢中，会起强化作用。N的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象，即含N的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后,随时间的延长，钢的强度、硬度上升,塑、3。6．2非合金钢(碳钢)的分类根据GB/T13304-91第一部分:钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢.其中非合金钢即为原国标中的碳钢。下面将原碳钢分类方法及新国标非合金钢的分类分列如下：3。6.2.1碳钢分类方法碳钢主要有下列几种分类方法:|碳素工具钢-用于制造各种工具(如刃具、量具、模具等)(平炉钢(用平炉冶炼)⑷按钢的冶炼方法分〈转炉钢(用转炉冶炼)〈酸性转炉钢-冶炼时造酸性渣⑷按钢的冶炼方法分〈转炉钢(用转炉冶炼)〈酸性转炉钢-冶炼时造酸性渣电炉钢|顶吹转炉钢-冶炼时吹氧3．6。2.2非合金钢的分类方法非合金钢主要按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。⑴按主要质量等级分为:①普通质量非合金钢普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要求的并应同时满足四种条件的所有钢种(条件见GB/T13304—91).普通质量非合金钢主要包括：一般用途碳素结构钢(如GB700规定的A、B级钢)、碳素钢筋钢(如GB13031规定的Q235钢)、铁道用一般碳素钢(如GB11264、GB11265、GB2826规定的轻轨和垫板用碳素钢)及一般钢板桩型钢。②优质非合金钢优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢，在生产过程中需要特别控制质量(例如控制晶粒度,降低硫、磷含量，改善表面质量或增加工艺控制等)，以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求(例如良好的抗脆优质非合金钢(见GB/T13304-91)主要包括：机械结构用优质碳素钢、工程结构用碳及优质铸造碳素钢等。③特殊质量非合金钢特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能(例如,控制淬透性和纯洁度)的非合金钢,另外应符合GB/T13304-91规定的条件的非合金钢(包括易切削钢和工具钢)。48/13碳素弹簧钢、特殊盘条钢及钢丝、特殊易切削钢、碳素工具钢和中空钢、电磁纯铁、原料纯铁等.⑵按主要性能及使用特性分类非合金钢按其基本性能及使用特性等主要特性分类如下:最低强度为主要特性的非合金钢,例如造船、压力容器、管道等用的结构钢。③以限制碳含金易切削钢.⑤非合金工具钢。⑥具有专门规定磁性或电性能的非合金钢，例如无硅磁性薄3.6.3碳钢的牌号及用途下面按用途及质量介绍碳钢的牌号及用途。3.6.3.1普通碳素结构钢普通碳素结构钢简称普碳钢.国家标准GB700将其分为甲类钢、乙类钢和特类钢三类。其中以甲类钢为最常用。大，则屈服强度()和抗拉强度()越大，延伸率(6)越小.甲类钢的机械性能及冷弯sb试验要求见GB700.A1,A2,A3钢塑性好,有一定的强度，通常轧制成钢板、钢筋、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等。A4,A5强度较高，甲类钢一般情况下在热轧状态使用,不再进行热处理。但对某些零件,也可进行正火、调碳含量越高,见GB700。适当的热处理提高其性能。⑶特类钢(或C类钢)按机械性能及化学成分供应。钢号为C2、C3,C4，C5等四种.特类钢使用较少，在性能要求较高的场合，通常选用优质碳素钢。甲4(A4)表示平炉甲类4号普碳钢；乙碱3(BJ3)表示碱性转炉乙类3号普碳钢;钢在冶炼时根据其脱氧程度不同，可分为沸腾钢和镇静钢。脱氧不完全的钢称沸腾钢,在钢号后标注“F"；脱氧较完全的钢称镇静钢，钢号后不加标注。例如A4F为沸腾钢.3。6．3．2