工程材料第六章(铁碳相图)

第六章铁碳合金本章重点：Fe-Fe3C相图中典型合金的平衡结晶过程，特别是钢的部分。难点：共晶与共析转变，结晶过程中各相成分的变化规律，平衡相及组织的相对量计算。一、学习Fe-Fe3C相图的意义二、对Fe-Fe3C相图的几点说明§6-1铁碳合金的基本相一、Fe-Fe-Fe-Fe。C在-Fe中的间隙固溶体叫铁素体（F），C在-Fe中的溶解度极小，最大为0.0218%.

C在-Fe中的固溶体叫奥氏体（A）,C在-Fe中的溶解度较大，为2.11%~0.77%。F与A的强度、硬度都较低，而塑性和韧性好。二、Fe3C：是晶格复杂的间隙化合物，强度很低（40MPa)，塑性几乎为零，但硬度很高(HB800)，所以Fe3C硬而脆。在钢和白口铁中以片状、球状、网状、条状等形式存在。它的形状和分布对钢性能影响很大，是铁碳合金的强化相。三、铁碳合金中的相1、液相L2、

相-高温铁素体。3、相-铁素体（用F或

表示）4、相-奥氏体（用A或

表示）5、Fe3C§6-2Fe-Fe3C相图分析

一、重要点与线的分析1、重要的点A：纯铁的熔点，t=1538C，C=0D：Fe3C的熔点，t=1227C，C=6.69%G：纯铁同素异构转变点，-Fe-Fet=912C，C=0E：C在-Fe中的最大溶解度点，t=1148C，C=2.11%，也是钢与白口铁的成分分界点。P：C在-Fe中最大溶解度点，t=727C，C=0.0218%。也是纯铁与钢的成分分界点。C：共晶点，t=1148C，C=4.3%S：共析点，t=727C，C=0.77%2、重要的线ACD：液相线。AECF：固相线。ES：碳在奥氏体中的溶解度曲线。以Acm表示。

凡含C量高于0.77%的铁碳合金自1148C

冷到727C

时，均会从奥氏体中沿晶界析出网状

Fe3C。PQ：碳在铁素体中的溶解度曲线。

凡含C量大于零的铁碳合金自727C

冷到室温时均会从铁素体中析出Fe3C

I

，但是因含量很少一般不予考虑。

GS：从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线。以A3表示。

EFC：共晶线。共晶反应发生在含碳为2.11~6.69%的铁碳合金中。

PSK：共析线，以A1表示。共析反应发生在含碳为0.0218~6.69%的铁碳合金中。§6-3典型合金的结晶过程及组织按含碳量和组织不同，铁碳合金分三类：1、工业纯铁（C<0.0218%）2、钢（C0.0218~2.11%）。根据室温组织不同，又分三种：共析钢（C=0.77%），亚共析钢（C<0.77%），过共析钢（C>0.77%）。

3、白口铁（C2.11~6.69%）。根据室温组织不同，又分三种：共晶白口铁（C=4.3%），亚共析白口铁（C<4.3%），过共析白口铁（C>4.3%）。

一、钢的结晶过程及组织含碳小于2.11%能够进行压力加工的铁碳合金叫钢。1、共析钢的结晶过程及显微组织LL+AAP（F+Fe3C)2、亚共析钢LL+AAA+FP+F3、过共析钢LL+AAA+Fe3C

P+Fe3C

钢的共同特点是高温下都有塑性很好的A体组织，适合于压力加工。二、白口铁的结晶过程与显微组织

1、共晶白口铁LLd(A+Fe3C)Ld(A+Fe3C

+Fe3C)L'd(P+Fe3C

+Fe3C)2、亚共晶白口铁LL+AA+LdA+Fe3C

+LdP+Fe3C+L'd3、过共晶白口铁LL+Fe3C

Fe3C

+LdFe3C

+L'd

因为白口铁在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压，而共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。§6-4碳与杂质对钢性能的影响钢中除碳外，还有杂质元素硅、锰、硫、磷等。1、碳的影响钢在平衡状态下是有F和Fe3C两个相组成，F有良好的塑性，而强度硬度低。Fe3C硬而脆。在亚共析钢中，随含碳量的增加，F量减少，P量增加，钢的强度、硬度增加，而塑性和韧性降低。在过共析钢中，Fe3C除形成P体外，还以网状形式形成Fe3C

分布在晶界上，随着含碳量的增加，数量增多，网络越厚越完整，Fe3C

网割裂了P体晶粒之间的联系，因此，在过共析钢中随着含碳量的增加，钢的强度降低，在约0.9%C时达最大值。所以，工业上常用的碳钢含C量一般不超过1.4%。2、杂质的影响1）磷和硫的影响磷和硫是有害杂质。磷可溶入F体中，使钢的强度、硬度提高，但塑性和韧性显著下降。尤其是低温更严重，这一现象称钢的“冷脆”。硫在钢中与Fe形成FeS，FeS又与Fe形成低熔点985Cº的共晶体，并常分布在晶界，当钢在1000Cº以上热加工时，低熔点的共晶熔化，导致钢沿晶界开裂，使钢产生“热脆”性。在钢中以其含量的多少作为评定钢材质量的标准。2）硅锰的影响硅锰都能溶入F体中，使钢的强度、硬度提高，但由于在钢中的含量少，其影响不明显。Mn能与S亲合力大，形成MnS，其熔点高（1620Cº），常呈粒状分布在晶内，且具有一定的塑性，可降低FeS的有害作用。§6-5碳钢的分类、编号和应用一、分类1、按用途分：结构钢、工具钢2、按含碳量分：低C钢（0.25%)，中C钢（0.30~0.6%)，高C钢（0.6%)。3、按质量分：普通钢（P0.045%，S0.055%)，优质钢（结构钢P0.04%，S0.045%。工具钢P0.035%，S0.03%)，高级优质钢（P0.03%，S0.02%）。二、编号与用途

1、碳素结构钢GB700-88牌号表示方法有屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号与脱氧方法四部分组成。共5类牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，其中Q195、Q275不分质量等级，既保证力学性能又保证化学成分。Q215、Q235、Q255的A级只保证力学性能，化学成分除S、P、Si外，其它不保证。其它质量等级同时保证力学性能和化学成分。见表3-3、表3-4。例Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q195、Q215主要用于薄板、焊接钢管、铁丝等。Q235主要用于中板、钢管、钢筋、小轴、螺栓。Q255、Q275主要用于连杆、键、轴等。2、优质碳素结构钢用两位数字表示含C量的万分数。分普通含锰量和较高含锰量（0.7~1%)两种。低C钢用于冲压件、焊接件和渗C件。中C钢用于综合性能要求较高的轴类和齿轮类零件。高C钢用于弹簧、钢丝、钢带等。见表3-6。3、优质碳素工具钢

用“T”表示，后面的数字表示含C量的千分数。T7、T8强度硬度较高，塑性韧性好，常用于受冲击较大的工具（冲头、凿子等）。T9、T10、T11用于高硬度、中等韧性的工具（钻头、丝攻等）。T12、T13用来制造高硬度、高耐磨性而韧性要求不高的工具（量具、锉刀等）。见表3-7。“ZG35”表示35号铸钢。“Y20”表示20号易切削钢。高级优质钢分别在牌号后加“A”。§6-6铸铁

含碳量大于2.11%不能进行锻打的铁碳合金称为铸铁。铸铁是人类最早使用的金属材料之一。到目前为止，铸铁仍是一种被广泛使用的金属材料。按质量统计，在机床中铸铁件约占60%~90%；在汽车、拖拉机中铸铁约占50%~70%。铸铁之所以获得广泛的应用，主要是由于它的生产工艺简单、成本低廉并具有优良的铸造性能、可切削加工性能、耐磨性能及吸震性等。§6-6铸铁一、铸铁的分类根据碳的存在形态铸铁可分为：1、白口铸铁碳全部以Fe3C形式存在，断口呈白色，硬而脆，不能进行切削加工。工业上很少用于制造机器零件，主要用于炼钢原料。2、灰口铸铁碳全部或大部分以单质状态的片状石墨形态存在，断口呈深灰色。3、麻口铸铁★根据石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：灰铸铁，即铸铁中石墨呈片状存在。球墨铸铁，即铸铁中石墨呈球状存在。蠕墨铸铁，即铸铁中石墨呈蠕虫状存在，即其石墨形态介于片状与球状之间。可锻铸铁，即铸铁中石墨呈团絮状存在。★此外，依据铸铁的化学成分、结晶形态和组织性能不同，可分为常用铸铁(普通铸铁)和合金铸铁(特殊性能铸铁)两类。

1．Fe-Fe3C和Fe-C双重相图在铁碳合金中，碳可以三种形式存在：一种是以原子形式固溶于铁素体（F）中；另一种是以金属间化合物（Fe3C）的形式存在；还有一种是以游离态的单质石墨（G）存在。二、铸铁的结晶石墨的晶格类型为简单六方晶格，原子呈层状排列，同一层的原子间距为0.142nm，结合力较强；而层与层之间的面间距为0.340nm，是依靠较弱的金属键结合，故石墨具有不太明显的金属性能（如导电性），而且由于层与层间的结合力较弱，易滑动，故石墨的强度、塑性和韧性较低，硬度仅为3~5HBS。

二、

铸铁的结晶

由于渗碳体在长时间加热的条件下可以分解为铁（或铁素体）和石墨，即Fe3C→3Fe+C(G)。这表明石墨是稳定相，而渗碳体仅是介（亚）稳定相。也就是说，成分相同的铁液在冷却时，冷却速度愈慢，析出石墨的可能性愈大；冷却速度愈快，析出渗碳体的可能性愈大。因此反映铁碳合金的相图实际上应是两个，即亚稳定的Fe-Fe3C相图和稳定的Fe-C(G)相图。

二、铸铁的结晶二、

铸铁的结晶一次结晶——通常把初生A（或初生石墨）的析出和共晶转变称为铸铁的一次结晶，一次结晶决定了铸铁的晶粒大小、石墨形状和分布；二次结晶——而把凝固后进行的碳自A中脱溶及共析转变称为二次结晶，二次结晶决定了铸铁的基体组织。因此，要控制铸铁的组织，就必须控制这两个结晶过程。二、

铸铁的结晶

石墨化：碳以石墨形式析出的过程。灰口铸铁中的石墨是通过液态铁水进行结晶时的石墨化过程获得的，一般可分为三个阶段：（1）第一阶段石墨化：按照Fe-C(G)相图，它包括从铸铁的液相中直接析出的一次石墨(GI)，即冷却到液相线时析出的一次石墨的过程(L→LCˊ+GI)，以及在1154℃共晶转变时形成的共晶石墨(G共晶)的过程，即LCˊ→AEˊ+G共晶。按照Fe-Fe3C相图，它包括一次渗碳体(Fe3CI)和共晶渗碳体(Fe3C共晶)在高温下分解而析出石墨的过程。

三、石墨化过程及影响因素（2）第二阶段石墨化按照Fe-C(G)相图，过饱和状态的奥氏体，随着温度的降低，在1154℃~738℃沿着E’S’线冷却时析出的二次石墨(GII)的过程，即AE→AS+GII。按照Fe-Fe3C相图，二次渗碳体(Fe3CII)分解而析出石墨的过程。三、石墨化过程及影响因素（3）第三阶段石墨化按照Fe-C(G)相图，在738℃共析转变时形成的共析石墨(G共析)的过程，即AS→FP+G共析。按照Fe-Fe3C相图，共析渗碳体(Fe3C共析)分解而析出石墨的过程。由于石墨化过程是碳原子扩散的过程，所以石墨化的温度愈低，原子扩散愈困难，因而愈不易石墨化过程的进行。显然，由于石墨化程度的不同，将获得不同基体的铸铁组织。（3）第三阶段石墨化按照Fe-C(G)相图，在738℃共析转变时形成的共析石墨(G共析)的过程，即AS→FP+G共析。按照Fe-Fe3C相图，共析渗碳体(Fe3C共析)分解而析出石墨的过程。由于石墨化过程是碳原子扩散的过程，所以石墨化的温度愈低，原子扩散愈困难，因而愈不易石墨化过程的进行。显然，由于石墨化程度的不同，将获得不同基体的铸铁组织。三、石墨化过程及影响因素三、石墨化过程及影响因素石墨化的影响因素主要有化学成分和冷却速度两个。1）化学成分：碳和硅是促进石墨化元素。当铸铁中含硅小于1%时，即使含碳很高，石墨也难以形成，因为硅与铁的结合力强，削弱了铁与碳的结合，并使共晶点左移。锰与硫是阻碍石墨化元素。S是强烈阻碍石墨化元素。当锰较少时，S以（FeS+Fe）低熔点（985Cº）的共晶体出现，并常分布在晶界，使铸铁产生热脆，并阻碍碳原子的扩散，增加Fe与C的结合，因此S是有害元素。

1）化学成分：锰可抵消S的有害作用，因Mn与S亲合力大，形成MnS可置换出FeS中的铁，因MnS

熔点高（1620Cº）、比重小，易上浮进入渣中排除。磷对石墨化影响不明显，但P过多易使铸铁产生冷脆。2）冷却速度冷却速度慢易形成石墨。所以厚件比薄件易石墨化、铸件的心部比表层易石墨化。三、石墨化过程及影响因素1、灰口铸铁的组织：钢的基体+石墨片。包括：F+G片，F+P+G片，P+G片2、灰口铸铁的性能1）机械性能：抗拉强度、弹性模量比钢低，塑性与韧性接近于零，属脆性材料。机械性能低的原因是由于石墨片割裂了钢基体的结果。石墨的性能特点：比重小（2.25)，只有铁的1/3，在铸铁中占体积约7~10%，石墨的

b20MPa，0，HBS=3。因此，可将灰口铸铁视为布满裂纹的钢。四、灰口铸铁但是，灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小，与钢的接近，可达600~800MPa。所以铸铁常用来作承受压应力的零件（机床底座、床身等）。2）工艺性能：不能锻压，焊接性很差，但铸造性能好，切削加工性能好。3）减振性好：所以灰口铸铁常用来作支架、机床床身等零件。4）减摩性好：适于做导轨等减摩件。5）缺口敏感性小。3、灰口铸铁的牌号

由于冷却速度对铸铁的性能影响很大，相同成分不同壁厚的强度差别很大，所以，灰口铸铁的成分不像钢那样按成分编号，只能按强度编号。按照GB9439-88《铸铁牌号表示方法》，灰口铸铁以“HT”加3位数字表示，“HT”表示灰铁，后面的数字表示最低抗拉强度（Mpa）。共有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个牌号。见表7-1。

碳全部或大部分以单质状