铁碳合金相图

PAGEPAGE39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]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。铁与碳可以形成一系列化合物：、、等。的含碳量为6.69％，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，实际是-相图。相图的两个组元是和。3.1-系合金的组元与基本相3.l.l组元⑴纯铁是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：-（体心）-（面心）-（体心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度=180～230，屈服强度＝100～170，伸长率30～50％，硬度为50～80。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。⑵是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号表示。具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050，抗拉强度=30，伸长率。3.1.2基本相-相图中除了高温时存在的液相，和化合物相外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体碳溶于-的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号表示。⑵铁素体碳溶于-的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号或表示。中碳的固溶度极小，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。力学性能与工业纯铁相当。⑶奥氏体碳溶于-的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号或表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。3.2-相图3.2.1-相图中各点的温度、含碳量及含义-相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。C,％(重量)→图3.1-相图表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义符号温度（℃）含碳量[%（质量）]含义ABCDEFGHJKNPSQ153814951148122711481148912149514957271394727727600（室温）00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.0057(0.0008)纯铁的熔点包晶转变时液态合金的成分共晶点Fe3C的熔点碳在γ-Fe中的最大溶解度Fe3C的成分α-Fe→γ-Fe同素异构转变点碳在δ-Fe中的最大溶解度包晶点Fe3C的成分γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点碳在α-Fe中的最大溶解度共析点600℃（或室温）时碳在α-Fe中的最大溶解度3.2.2-相图中重要的点和线3.2.2.1三个重要的特性点⑴点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。点成分的与点成分的发生包晶反应，生成点成分的。包晶反应在恒温下进行，反应过程中、、三相共存，反应式为：或。⑵点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。点成分的发生共晶反应，生成点成分的和。共晶反应在恒温下进行，反应过程中、、三相共存，反应式为：或。共晶反应的产物是与的共晶混合物，称莱氏体，用符号表示，所以共晶反应式也可表达为：。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（727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。⑶点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时点成分的发生共析反应，生成点成分的和。共析反应在恒温下进行，反应过程中、、三相共存，反应式为：或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，用符号表示，因而共析反应可简单表示为：中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下的形态呈层片状。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）。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（）770延伸率（）20～35％冲击韧性（）30～40硬度（）1803.2.2.2相图中的特性线相图中的为液相线；为固相线。⑴水平线为包晶反应线。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。线在热处理中亦称线。⑷线是合金冷却时自中开始析出的临界温度线，通常称线。⑸线是碳在中的固溶线，通常称线。由于在1148℃时中溶碳量最大可达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727℃的过程中，将从中析出。析出的渗碳体称为二次渗碳体（）。线亦是从中开始析出的临界温度线。⑹线是碳在中的固溶线。在727℃时中溶碳量最大可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳含量大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从中析出。析出的渗碳体称为三次渗碳体（）。线亦为从中开始析出的临界温度线。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，均忽略这一析出过程。3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程根据-相图，铁碳含金可分为三类：⑴⑵⑶下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。3.3.1工业纯铁以含碳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。合金在1点以上为液相。冷却至稍低于1点时，开始从中结晶出，至2点合金全部结晶为。从3点起，逐渐转变为，至4点全部转变完了。4-5点间冷却不变。自5点始，从中析出。在晶界处生核并长大，至6点时全部转变为。在6-7点间冷却不变。在7-8点间，从晶界析出。因此合金的室温平衡组织为+。呈白色块状；量极少，呈小白片状分布于晶界处。若忽略，则组织全为。图3.2工业纯铁结晶过程示意图3.3.2共析钢其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。合金冷却时，于1点起从中结晶出，至2点全部结晶完了。在2-3点间冷却不变。至3点时，发生共析反应生成。从3′继续冷却至4点，皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为，呈层片状。共析钢的室温组织组成物也全部是，而组成相为和，它们的相对质量为：;图3.3共析钢结晶过程示意图3.3.3亚共析钢以含碳0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。合金冷却时，从1点起自中结晶出，至2点时，成分变为0.53％，变为0.09％，发生包晶反应生成，反应结束后尚有多余的。2′点以下，自中不断结晶出，至3点合金全部转变为。在3-4点间冷却不变。从4点起，冷却时由中析出，在晶界处优先生核并长大，而和的成分分别沿和线变化。至5点时，的成分变为0.77％，的成分变为0.0218％。此时发生共析反应，转变为，不变化。从5′继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为+。呈白色块状；呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中的常呈白色网状，包围在周围。图3.4亚共析钢结晶过程示意图含0.4％的亚共析钢的组织组成物（和）的相对质量为：；组成相（和）的相对质量为：由于室温下的含碳量极微，若将中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据的含量可求出钢的含碳量为：。由于和的密度相近，钢中和的含量（质量百分数）可以近似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过共析钢以碳含量为1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。合金冷却时，从1点起自中结晶出，至2点全部结晶完了。在2-3点间冷却不变，从3点起，由中析出，呈网状分布在晶界上。至4点时的碳含量降为0.77％，4-4′发生共析反应转变为，而不变化。在4′-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为+。在显微镜下，呈网状分布在层片状周围。含1.2％的过共析钢的组成相为和；组织组成物为和，它们的相对质量为：3.3.5共晶白口铸铁共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。图3.6共晶白口铸铁结晶过程示意图合金在1点发生共晶反应，由转变为（高温）莱氏体（+）。在1′-2点间，中的不断析出。与共晶无界线相连，在显微镜下无法分辨，但此时的莱氏体由++组成。由于的析出，至2点时的碳含量降为0.77％，并发生共析反应转变为；高温莱氏体转变成低温莱氏体′(++)。从2′至3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为′，由黑色条状或粒状和白色基体组成（见图3.12）。共晶白口铸铁的组织组成物全为′，而组成相还是和，它们的相对重量可用杠杆定律求出。3.3.6亚共晶白口铸铁以碳含量为3％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如图3.7所示。图3.7亚共晶白口铸铁结晶过程示意图合金自1点起，从中结晶出初生，至2点时的成分变为含4.3％（的成分变为含2.11％），发生共晶反应转变为，而不参与反应。在2′-3点间继续冷却时，初生不断在其外围或晶界上析出，同时中的也析出。至3点温度时，所有的成分均变为0.77％，初生发生共析反应转变为；高温莱氏体也转变为低温莱氏体′。在3′以下到4点，冷却不引起转变。因此室温平衡组织为++′。网状分布在粗大块状的周围，′则由条状或粒状和基体组成。亚共晶白口铸铁的组成相为和。组织组成物为、、和′。它们的相对质量可以两次利用杠杆定律求出。先求合金钢冷却到2点温度时初生和的相对质量：通过共晶反应全部转变为，并随后转变为低温莱氏体′，所以′％=％=％=41％。再求3点温度时（共析转变前）由初生析出的及共析成分的的相对质量：。由于发生共析反应转变为，所以的相对质量就是46％。3.3.7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：其先析出相是一次渗碳体（）而不是，而且因为没有先析出，进而其室温组织中除′中的以外再没有，即室温下组织为′＋，组成相也同样为和，它们的质量分数的计算仍然用杠杆定律，方法同上。3.4含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系3.4.1按组织划分的-相图由-相图，可知铁碳合金室温平衡组织都由和两相组成，随含碳量增高，含量下降，由100％按直线关系变至0（含6.69％时）；含量相应增加，由0按直线关系变至100％（含6.69％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。由图3.8，可见随着含碳量增加，室温组织变化如下：（+）→+→→+→++′→′→′+。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；等于0.77％时全部为；等于4.3％时全部为′；等于6.69％时全部为；在它们之间的组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（、、、′、）的数量关系。C,%→硬度（）主要决定于组织中组图3.8标注组织分区的Fe-Fe3C合金相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，由于硬度高的增多，硬度低的减少，所以合金的硬度呈直线关系增大，由全部为的硬度约80增大到全部为时的约800。强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加，亚共析钢中增多而减少。的强度比较高，其大小与细密程度有关。组织越细密，则强度值越高。的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大；但当碳含量超过共析成分之后，由于强度很低的沿晶界析出，合金强度的增高变慢；到约0.9％时，沿晶界形成完整的网，强度迅速降低；随着碳含量的增加，强度不断下降，到2.11％后，合金中出现′时，强度已降到很低的值。再增加碳含量时，由于合金基体都为脆性很高的，强度变化不大且值很低，趋近于的强度（约20～30）。图3.9含碳量与组织的关系铁碳含金中是极脆的相，没有塑性，不能为合金的塑性作出贡献，合金的塑性全部由提供，所以随碳含量的增大，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。对于应用最广的结构材料亚共析钢，其硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算:图3.10性能随含碳量的变化硬度（）≈或（）≈；强度（）≈；延伸率（）≈。式中的数字相应为、或的近似硬度、强度和延伸率；符号相应表示组织中、或的含量。3.5-相图的应用和局限性3.5.1-相图的应用-相图在生产中具有重大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。3.5.1.1在钢铁材料选用方面的应用⑴-相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材料选用提供了根据；⑵建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材；⑶各种机械零件需要强度、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-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50～100℃。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，钢的变形抗力小，节约能源，设备要求的吨位低，但温度不能过高，防止钢材严重烧损或发生晶界熔化（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-相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据-相图确定的。这将在下一章中详细阐述。3.5.2-相图的局限性-相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其下列局限性。⑴-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。⑵-相图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，往往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大变化。严格说，在这样的条件下铁碳相图已不适用。⑶-相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态。相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。就是说，相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当冷却和加热速度较快时，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。3.6.1碳钢中杂质元素由于原料和冶炼工艺的原因，碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量、、、以及微量的气体元素、、等非特意加入的杂质元素。和是炼钢时作为脱氧剂（锰铁、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、加入钢中，可将钢液中的还原成，并形成和。还与钢液中的形成而大大减轻的有害作用。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。钢中含量约为0.25～0.80％。钢中含量约为0.03～0.40％。脱氧剂中的与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。在含量不高＜1％时，可以提高钢的强度，而不降低钢的塑性和韧性，一般认为、是钢中有益元素。3.6.1.2其它杂质的影响⑴的影响在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为1190℃的，又与-形成熔点更低的（985℃）共晶体。即使钢中含量不高，由于严重偏析，凝固快完成时，钢中的几乎全部残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的（+）共晶。含有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。如果钢水脱氧不良，含有较多的，还会形成（++）三相共晶体，熔点更低（940℃），危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂；也使焊件的焊缝处易发生热裂。⑵的影响在铁中固溶度较大，钢中的一般都固溶于铁中。溶人铁素体后，有较之其他元素更强的固溶强化能力，尤其是较高的含量，使钢显著提高强度、硬度的同时，剧烈地降低钢的塑、韧性，并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性很低，脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。、在钢中是有害元素，在普通质量非合金钢中，其含量被限制在0.045％以下。如果要求更好的质量，则含量限制更严格。在一定条件下、也被用于提高钢的切削加工性能。炮弹钢中加入较多的，可使炮弹爆炸时产生更多弹片，使之有更大的杀伤力。与共存可以提高钢的抗大气腐蚀能力。⑶、、的影响在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物夹杂形式存在，如、、、等，这些非金属夹杂使钢的力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度等危害很大。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。少量存在于钢中，会起强化作用。的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象，即含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、韧性下降，脆性增大，同时脆性转变温度也提高了，造成了许多焊接工程结构和容器突然断裂事故。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：①以规定最高强度（或硬度）为主要特性的非合金钢，例如冷成型用薄钢板。②以规定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以限制碳含量为主要特性的非合金钢（但下述④、⑤项包括的钢除外），例如线材、调质用钢等。④非合金易切削钢。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，例如无硅磁性薄板和带，电磁纯铁。⑦其他非合金钢，例如原料纯铁等。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。⑴甲类钢（或类钢）按机械性能供应。钢号为1、2……7等七种。数字越大，则屈服强度（）和抗拉强度（）越大，延伸率（）越小。甲类钢的机械性能及冷弯试验要求见GB700。甲类钢的用途：1，2，3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。4，5强度较高，轧制成型钢、钢板作构件用。6，7强度更高，可用作工具、农机零件、轻轨等。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、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。⑵乙类钢（或类钢）按化学成分供应。钢号为1，2……7等七种，数字越大，碳含量越高，见GB700。乙类钢的用途与相同号数的甲类钢相同。由于其化学成分已知，可进行热加工，并可通过适当的热处理提高其性能。⑶特类钢（或类钢）按机械性能及化学成分供应。钢号为2、3，4，5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。普通碳素结构钢的编号中，常常标明钢种的冶炼方法。例如碱性转炉钢标“碱”或“”，酸性转炉钢标“酸”或“”，顶吹转炉钢标“顶”或“”，平炉钢则不标。例如：甲4（4）表示平炉甲类4号普碳钢；乙碱3（3）表示碱性转炉乙类3号普碳钢；特酸3（3）表示酸性转炉特类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“”；脱氧较完全的钢称镇静钢，钢号后不加标注。例如4为沸腾钢。3.6.3.2优质碳素结构钢优质碳素结构钢的钢号用平均碳含量的万分数表示。例如钢号“20”，即表示碳含量为0.20％（万分之二十）的优质碳素结构钢。“45”表示碳含量为0.45％的优质碳素结构钢。若钢中锰含量较高，则在其钢号后附以符号“”，如15、45等。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。08塑性好，可制造冷冲压零件。10，20冷冲压性与焊接性能良好，可作冲压件及焊接件，经过适当热处理（如渗碳）后也可制作轴、销等零件。35，40，45，50经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴