第二章铁碳合金

第二章铁碳合金第一页，共三十一页，编辑于2023年，星期四液态金属的结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律的。开始时，液态中出现一些极小的晶体，称之为晶核。晶核分为自发晶核和非自发晶核自发晶核：依靠原子的自发地聚集在一起，按照金属晶体有规律的排列而形成的。非自发晶核：晶体中高熔点的杂质形成的微小固体质点也，其中的某些质点也起到晶核的作用。晶核形成以后金属原子就以晶核为核心按照一定的几何形状不断排列起来形成晶体。当晶核与相邻的晶核互相抵触时，这个方向的成长便停止了。当全部晶核彼此相遇、液态耗尽时，结晶过程即告结束。固态金属一般是由多晶体构成的，每个晶核长成的晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的接触面称为晶界。晶粒的粗细对其力学性能的影响：一般来说同一成分的金属，晶粒愈细，其强度、硬度愈高，而且塑性韧性也愈好。细化晶粒的方法：（1）提高冷却速度，以增加晶粒的数目。（2）在金属浇注前，向金属夜内加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。第二页，共三十一页，编辑于2023年，星期四二、纯铁的晶体结构晶格：为了便于研究晶体中原子的排列规律，将原子抽象话，即将每个原子看成是一个点，再把相邻的原子用假象的直线连接起来便形成了晶格。

晶胞：晶格中最基本的单元。

晶胞第三页，共三十一页，编辑于2023年，星期四纯铁的晶格一、体心立方晶格体心立方晶胞是一个长宽高相等的立方体，八个顶角上各有一个原子，中心还有一个原子。

体心立方晶胞二、面心立方晶胞面心立方晶胞也是个立方体，除了在八个顶角上各有一个原子外，在立方体六个面的中心处还各有一个原子。

面心立方晶胞第四页，共三十一页，编辑于2023年，星期四三、纯铁的同素异构转变同素异晶转变：随着温度的变化，固态金属的晶格也随之改变的过程。

纯铁的同素异晶转变冷却曲线上有三个水平台。第一个水平台（1538℃），表示纯铁有液态变成固态的结晶阶段。结晶后的晶格是体心立方体，称为-Fe。第二个水平台在1394℃时铁的晶格由体心立方转变成面心立方，称为-Fe。第三个水平台，在912℃时，再次发生同素异构转变，有又转变成体心立方晶格，称之为-Fe。第五页，共三十一页，编辑于2023年，星期四同素异晶转变对钢的热处理有极为重要的意义。重结晶：同素异晶转变是在固态下原子的重新排列的过程，从广义上说也大属于结晶的过程。因为它也遵循晶核的形成于晶核的长大的结晶规律，它的转变也在一定的过冷度下进行的同时也产生结晶热效应。为了区别液态转变为固态的初次结晶，常将同素异晶转变称为二次结晶或重结晶。组织应力：同素异晶转变时，由于晶格的转变，原子排列的密度也随之改变。如面心立方晶格-Fe中原子的排列比-Fe紧密，故-Fe转变为-Fe金属体积发生膨胀，反之由-Fe转变成-Fe时，金属体积要收缩。这种体积变换使金属内部产生的内应力称之为组织应力第六页，共三十一页，编辑于2023年，星期四第二节铁碳合金的基本组织合金：两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素融合在一起，构成具有金属特性的物质称之为合金。合金比纯金属有较高的强度和硬度，且成本较低，所以在工业上应用比较广泛。元：组成合金的元素称为组元简称元。比如铁、碳是刚和铸铁的组元。合金中稳定的化合物（Fe3C）也可以作为组元。相：在合金组织中，凡化学成分、晶格构造和物理性能相同的均匀组成部分成为相。例如液钢是一个相成为液相。铁碳合金的组织结构相当复杂，并随其成分、温度、冷却速度而变化。按照铁和碳相互作用的形式的不同，铁碳合金组织可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物。第七页，共三十一页，编辑于2023年，星期四一、固溶体有些合金在固态时，具有一定的互相溶解的能力。例如部分碳原子能融解到铁的晶格内，此时，铁是溶剂，碳是溶质，而合金的晶格仍保持原有的晶格类型。固溶体：这种溶质原子融入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称之为固溶体。分类：置换固溶体和间隙固溶体。分类依据：根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同。置换固溶体：当溶质原子替代了一部分溶剂原子、占据溶剂晶格的某些节点位置时，所形成的固溶体。间隙固溶体：当溶质原子不是占据接点位置，而是嵌入结点之间的间隙时，所形成的固溶体。第八页，共三十一页，编辑于2023年，星期四第九页，共三十一页，编辑于2023年，星期四

间隙固溶体置换固溶体第十页，共三十一页，编辑于2023年，星期四固溶体是均匀的固态物质，所融入溶剂即使在显微镜下也不能区别开来，因此固溶体属于单相组织。铁碳合金的固溶体都是碳融入铁的晶格中的间隙固溶体。此时碳的溶解度是有限的，即属于有限固溶体。碳在铁中的溶解度主要取决于晶格的类型，并随温度的升高而增加。形成固溶体时，溶剂晶格将产生不同程度的畸变，这种畸变使得塑性变形的阻力增加，这种现象称为固溶强化。碳既可融入-Fe、-Fe也可融入-Fe，形成不同的固溶体。铁素体：碳融入-Fe形成的固溶体称为铁素体，呈面心立方晶格，通常以符号F表示。-Fe的溶碳能力极小，600℃时溶碳量仅为0.006%，727℃时最大溶碳量仅为0.0218%。铁素体因溶碳极少，固溶强化作用甚微，故力学性能与纯铁相近。其性能特性是强度、硬度低，塑性、韧性好。铁素体在显微镜下位明亮的多边形晶粒，但晶界曲折。第十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期四奥氏体：碳融入-Fe中所形成的固溶体称为奥氏体，呈面心立方晶格，以符号A表示。-Fe的溶碳能力较-Fe高许多。例如在1148℃时，最大的溶碳量为2.11%；温度降低时溶碳能力也随之下降，到727℃时，溶碳量为0.707%。由于-Fe仅存在于高温，因此，稳定的奥氏体通常存在于727℃以上，故奥氏体属于高温组织。奥氏体的力学性能与溶碳量有关。一般来说，其强度、硬度不高，但塑性优良。在钢进行轧制和锻造时通常将钢加热到奥氏体状态。在显微镜下，奥氏体呈多边形晶粒，但晶界比铁素体平直，并带有双晶带。第十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期四二、化合物金属化物是各组元按一定整数比结合而成、具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。金属化合物与金属中存在的某些非金属化合物有着本质的不同，如铁中的FeS、MnS不具有金属的性质，故属于非金属夹杂物。金属化合物一般具有复杂的晶格，而且与组成金属化合物的各组元晶格皆不相同，其性能特征是硬而脆。铁碳合金中的渗碳体（Fe3C）属于金属化合物它的硬度极高、而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧性近乎为零。渗碳体是铁中的强化相，其组织可以呈片状、球状、网状等不同的形状。渗碳体的数量、形状和分对钢性能有很大影响。Fe3C→3Fe+C石墨第十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期四三、机械混合物机械混合物是由结晶过程所形成的两相混合组织。它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。机械混合物各相保持其原有的晶格。因此机械混合物的性能介于各相之间，它不仅取决于各相的性能和比，还与各相的形状、大小、分布有关。铁碳合金的近些混合物有珠光体和莱氏体。1.珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为珠光体，用符号P或（F+Fe3C）表示。珠光体的含碳量0.77%。由于渗碳体在混合物种起到强化作用，因此珠光体具有良好的力学性能，其抗拉强度高硬度较高（180HBS），且仍具有一定的塑性和韧性。第十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期四

珠光体第十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期四2.莱氏体莱氏体分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用符号Ld表示。由于奥氏体属于高温组织，因此高温莱氏体仅存在于727℃以上。低温莱氏体：高温莱氏体冷却到727℃以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物（P+Fe3C）,称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，极为硬脆。第十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期四莱氏体第十七页，共三十一页，编辑于2023年，星期四第三节铁碳合金状态图铁碳合金的结晶过程要比纯铁的复杂的多。不同含碳量的铁碳合金的结晶过程差别很大，其结晶过程是用铁碳合金状态图来表示的。铁碳合金的状态图是以温度为纵坐标、合金成分（含碳量：0-6.69%）为横坐标的图形。它是研究不同含碳量的钢和铸铁在不同温度下组织变化规律的重要工具。第十八页，共三十一页，编辑于2023年，星期四铁碳合金状态图第十九页，共三十一页，编辑于2023年，星期四一、铁碳合金状态图的分析铁碳合金状态图中有四个基本相，即液相（L）、奥氏体相（A）、铁素体相（F）和渗碳体相（Fe3C），他们具有相应的单相区。铁碳合金状态图中各条线都表示铁碳合金组织转变的界限，所以这些线就是组织转变线，又称特性线。（1）ACD线——液相线。此线以上的区域是液相区，以符号L表示。液态合金冷却到此线的温度时，便开始结晶。（2）AECF线——固相线。表示合金冷却到此线温度时，将全部结晶成固态。第二十页，共三十一页，编辑于2023年，星期四在液相线和固相线之间构成两个区域（ACE区和CDF区）中，都是包含着液态合金和结晶体的两相区，不过这两个区域包含的结晶体不同。因为液态合金沿AC线结晶出来的是奥氏体，而沿CD线结晶出来的是渗碳体。由液态合金直接析出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3C1）。显然ACE区包含液态合金和奥氏体两个相，而CDF区包含液体合金和渗碳体两个相。液态合金只有在C点（1148℃、含碳量4.3%），通过共晶反应同事结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物——莱氏体。其反应式为：℃ECF线又称共晶线，因为含碳量2.11%-6.69%（即铸铁）的所有合金经过此线都要发生共晶反应，除了C点成分的合金全部结晶成莱氏体外，其它成分的合金都将生成一定量的莱氏体这是铸铁结晶的共同特征。第二十一页，共三十一页，编辑于2023年，星期四（3）GS线——奥氏体在冷却过程中析出铁素体的开始线。奥氏体之所以转变成铁素体是因为-Fe→-Fe同素异晶转变转变的结果。GS线常以符号A3表示。（4）ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线。由图看出温度越低，奥氏体的溶碳能力越小。过饱和的碳都以渗碳体的形式析出。因此ES线也是冷却时从奥氏体中析出渗碳体的开始线。ES线常以符号Acm表示。第二十二页，共三十一页，编辑于2023年，星期四（5）PSK线——共析线。当s点成分的奥氏体冷却到PSK线温度时，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物——珠光体。上述反应为共析反应，表达式为：各种成分的铁碳合金冷却至PSK线都要发生共析反应。除S点成分的合金全部转变成珠光体外，其它成分的合金都将生成一定量的珠光体，这对莱氏体的奥氏体也不例外，故在727℃以下的低温莱氏体为珠光体和渗碳体的混合物。第二十三页，共三十一页，编辑于2023年，星期四（6）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体冷却到此曲线，将以渗碳体的形式析出过饱和的碳，这种铁素体析出的渗碳体称为三次渗碳体。由于渗碳体的数量极少，对钢的性能可以忽略不计。第二十四页，共三十一页，编辑于2023年，星期四根据含碳量的不同，可以将铁碳合金分为钢和铸铁两大类：钢它是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。依据室温组织的不同钢可以分为如下三类：亚共析钢——含碳量<0.77%共析钢——含碳量=0.77%过共析钢——含碳量>0.77%铸铁即生铁，它是指含碳量为2.11%——6.69%的铁碳合金。依照室温组织的不同可以将铸铁分为亚共晶铸铁——含碳量<4.3%共晶铸铁——含碳量=4.3%过共晶铸铁——含碳量>4.3%第二十五页，共三十一页，编辑于2023年，星期四二、钢在结晶过程中的组织转变AECFGSPKQFeC%LAL+Fe3Cγ+Fe3Cα+Fe3C1148℃727℃1234121234123C’1230.7072.11α+γ1、共析钢它是指S点成分的合金Ⅰ所示。合金在1点以上全部为液态。当温度缓慢冷却到1点以后，开始从液钢中结晶出奥氏体；随着温度的降低,奥氏体愈来愈多，剩余的液钢愈来愈少，知道2点结晶完毕，全部形成奥氏体，在2点以下为单一的奥氏体，直到冷却到S点以前不发生Ⅰ组织转变。当冷却到S点，达到共析温度，奥氏体发生共析反应，转变成铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。第二十六页，共三十一页，编辑于2023年，星期四2.亚共析钢它是S点以左的合金，如图合金Ⅱ所示。当合金Ⅱ冷却到点以后开始从液钢中结晶出奥氏体，直到2点全部结晶成奥氏体。当合金Ⅱ全部冷却到GS线上的3点之前，不发生组织转变。当温度降到3点以后将由奥氏体中析出铁素体。由于铁素体的含碳量AECFGSPKQFeC%Lγγ+LL+Fe3Cγ+Fe3Cα+Fe3C1538℃1148℃727℃1234121234123C’123Ⅱ比较低致使奥氏体的含碳量沿GS线增加。当温度降到4点时，剩余奥氏体的含碳量增加到S点对应的成分，即共析成分。到达温度4点以后，剩余奥氏体发生共