材料科学基础第3章 No2 Fe-C合金-Joe LEE

1、第四章 铁碳合金,4.2 Fe-Fe3C相图分析,4.3 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,4.5 钢中杂质元素及钢锭组织,4.1 铁碳合金的组元及基本相,L+Fe3C,Fe-Fe3C 相图,1.熟练掌握铁碳合金相图、组元及基本相；,2.铁碳合金的平衡结晶过程及得到的组织；,3.含碳量对铁碳合金组织与性能的影响。,本章要求,4.0 绪言,A,N,G,纯铁的冷却曲线,Fe-Fe3C相图（局部）,铁-碳合金相图 铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% 2.11%的称钢。 含碳量为2.11% 6.69%的称铸铁。 铁和碳可形成一

2、系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它 们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分(6.69%) 时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相 图是Fe- Fe3C相图。,4.1 铁碳合金的组元和相 组元：Fe、 Fe3C 纯铁(Fe) 同素异构转变：,纯铁： 塑性好(延伸率：30-50%) ； 强度低： (抗拉强度:180-270MPa)； 一般不用作结构材料。, 和 相是bcc相， 是fcc相。,4.1 铁碳合金的组元及基本相,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体, 渗碳体(Fe3C)： 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 是铁和碳形成的间隙化合物，具有复杂结构(正交点阵)。

3、 硬度高、强度低, 脆性大, 塑性几乎为零。 熔点：1227；磁性转变温度：230。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中 主要以Fe3C或石墨的形式存在。,铁素体,2. 合金相 铁素体： 碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。 碳在-Fe中的固溶体称-铁素 体，用表示。 两者都是体心立方间隙固溶体。 铁素体的溶碳能力很低，在-Fe 中的最大溶解度为0.09% (1495), 在 -Fe中的最大溶解度为 0.0218% (727) ，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性 能与纯铁相似。,奥氏体,奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏 体。用A或

4、表示。 是面心立方晶格的间隙固溶 体。溶碳能力比铁素体大， 1148时最大为2.11%。 组织为不规则多面体晶粒，晶 界较直。 强度低、塑性好，钢材热加工 都在 区进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。,4.2 铁碳合金相图的分析 1. 特征点,4.2 Fe-Fe3C相图分析,英语圈国家铁碳合金相图,日文版铁碳合金相图,Fe-Fe3C 相图,2. 特征线 液相线ABCD， 固相线AHJECFD 三条水平线： HJB：包晶线,共晶产物：莱氏体, 用Ld表示。 +Fe3C(共晶渗碳体)。 发生共晶转变的铁碳合金为铸铁。, ECF：共晶线, PSK：共析线，也称A1线,共析产物：珠光体，用P表示。 +Fe

5、3C(共析渗碳体)。, 其它相线 GS，GP 固溶体转变线， GS又称A3 线。 HN，JN 固溶体转变线， ES碳在 -Fe中的固溶线。又 称Acm线。 从A中析出渗碳体，称为二次渗碳体(Fe3C)，以区别 从液体中经CD线析出的一次渗 碳体(Fe3C)。 PQ碳在-Fe中的固溶线。铁 素体中析出渗碳体，称为三次 渗碳体 (Fe3C)。 铁素体磁性转变温度(770)， 也称A2线。 渗碳体磁性转变温度(230)， 也称A0线。,3. 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、 +Fe3C 三个三相区： 即三条水平线 HJB (L+) E

6、CF (L+ Fe3C) PSK (+ Fe3C),铁碳合金，按C含量可分为三类： 工业纯铁 (0.0218%) 钢 (0.02182.11%) 亚共析钢 (0.02180.77%) 共析钢 (0.77%) 过共析钢 (0.772.11%) 白口铸铁 (2.116.69%) 亚共晶白口铸铁(2.114.3%) 共晶白口铸铁 (4.3%) 过共晶白口铸铁(4.36.69%),4.3 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,工业纯铁(0.0218%C)的结晶过程 1-2点间L 3-4点间 5-6点间 7点后，从中析出Fe3C 室温下组织为 + Fe3C,1-2,工业纯铁的结晶过程,从铁素体中析出的Fe3C

7、以不连续网状或片状分布于晶界。 随温度下降，Fe3C量不断增加，室温下Fe3C最大量为:,工业纯铁的室温组织,1-2点间L 3点(共析转变)： SP+Fe3C 全部转变为P。 3点以下： 共析 中析出Fe3C， 与共析Fe3C结合不易分 辨。室温组织仍为P。, 共析钢(0.77%C)的结晶过程,共析钢的结晶过程,珠光体,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之 间，层片越细，其强度越高，韧性和塑性也好。 转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：,思考：室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,共析钢的室温组织,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,三、亚共析钢的结晶过

8、程 0.090.53%C亚共析钢冷却 时发生包晶反应。 以0.45%C的钢为例 1-2点间L 2点 2-3点间L 3-4点间全部为 4-5点间 5点 5点之后，从中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合，且量 少，忽略不计。 室温下组织： +P,亚共析钢的结晶过程,Wc=0.20 %,Wc=0.40 %,亚共析钢的室温组织,共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,室温下相的相对重量百分比为：,室温下组织组成物的相对重量百分比为：,利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共 析钢的含碳量: Qp = (c % 0.0008%)/ (0.77% 0.0008%) c %/0

9、.77% C %= Qp 0.77% P面积% 0.77%,亚共析钢室温下的组织为+P。在0.0218%0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,（四） 过共析钢的结晶过程 合金在12点转变为 ，到3点，开始析出Fe3C。Fe3C沿晶界呈网状分布，温度下降，Fe3C量增加。到4点， 成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P。室温组织为P+ Fe3C。,过共析钢的结晶过程,硝酸酒精浸蚀,苦味酸浸蚀,过共析钢的室温组织,含1.4%C钢的组织,室温下两相的相对重量百分比：,Fe3C量随含碳量而增加，含碳量为2.11%时，Fe3C量最大：,室温下两组织组成物的相对重量百分比：,Fe3C,五、共

10、晶白口铁的结晶过程 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Ld)，莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物，呈蜂窝状。 莱氏体以Fe3C为基，性能硬而脆。,Ld,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:,C点以下， 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3C。Fe3C与 共晶Fe3C 结合，不易分辨。,在2点，共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与 Fe3C 组成的共晶体称低温莱氏体，又称变态莱氏体，用Ld表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。,温度降到2点， 成分达到0.77 %，此时，相的相对重量：,共晶白口铁结晶过程,共晶白口铁的结晶过程,共晶白口铸铁室温组织为Ld (

11、P+ Fe3C)，它保留了共晶转变产 物的形态特征。 室温下两相的相对重量百分比为：,共晶白口铁的室温组织,（六）亚共晶白口铸铁的结晶过程 合金在12点间析出 。到2点，液相成分变到C点，并转变为Ld（ +Fe3C）。23点间从中析出Fe3C，初生的Fe3C被共晶 衬托出来。到3点，所有 转变为P。 室温组织：P+ Fe3C+Ld，先共晶一般具有树枝晶的形貌。,LdLd P,亚共晶白口铁的结晶过程,思考:室温下相的相对重量百分比?,亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Ld，室温下组织组成物相 对重量百分比为：,2C/EC：析出 的份额； (2.11-0.77)/(6.69-0.77)： Fe3

12、C析出最大的量；,亚共晶白口铁结晶过程,亚共晶白口铁的室温组织,（七）过共晶白口铁的结晶过程 12点间从液相中析出Fe3C。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Ld。2点以下，Fe3C成分重量不再发生变化，Ld变化同共晶合金。 室温组织：Ld+ Fe3C，Fe3C呈粗条片状。,过共晶白口铁结晶过程,过共晶白口铁的室温组织,过共晶白口铁室温结晶组织,过共晶白口铁的结晶过程,过共晶白口铁的结晶过程,铁碳合金平衡凝固过程小结,组织组成物与相组成物标注区别主要在+ Fe3C和+Fe3C两个两相区。 + Fe3C两相区中有四个组织组成物区。+Fe3C两相区中有六个组织组成物区。,4.4 组织组成物在铁

13、碳合金相图上的标注,4.5 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 1. 含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：,2. 含碳量对力学性能的影响 是通过改变显微组织及相的相 对量来实现(铁素体是软韧相， 渗碳体是硬脆相)。所以铁碳合 金的各项性能与碳含量之间大 致都具有直线关系。 亚共析钢随含碳量增加，P 量 增加，钢的强度、硬度升高， 塑性、韧性下降。 0.77%C时，组织为100% P, 钢 的性能即P的性能。 1.0%C，Fe3C为晶界连续 网状，强度下降, 但硬度仍上 升。 2.11%C，组织中有以Fe3C为 基的Ld，合金硬而脆，抗磨损。,3. 对工艺性能

14、的影响 (1). 切削加工性能 材料的硬度太软，容易粘刀，切削热大，影响表面粗糙度； 材料的硬度太硬，刀具磨损严重。 钢的硬度为HB170250时，切削加工性能较好。 (2). 可锻性 低碳钢塑性好，可锻性好。随含碳量增加，可锻性变差。,(3). 铸造性： 共晶成分的铸铁流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性好； 液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。,一、杂质元素对钢性能的影响 少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。 （一）锰的影响 脱氧剂。 有益元素，碳钢中不超过0.8%， （1）固溶强化； （2）形成MnS，

15、消除硫的有害影响。,4.6 钢中杂质元素及钢锭组织,（二）硅的影响 脱氧剂，有益元素，碳钢中含量不超过0.5%， 固溶强化。,（三）硫的影响 有害元素，矿石和燃料带入。 以FeS夹杂物形式存在晶界上 “热脆”， 原因：形成Fe+FeS共晶，熔点为989，低于热加工的加热温度1150，而导致热加工时开裂。 若钢中含氧量高时，还会形成熔点更低（940）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。,防止热脆： （1）降硫： 普通碳素结构钢要求： S0.040%0.050% （2）改变硫的存在方式： 加入适当的Mn，Mn与S的化学亲和力大于Fe，优先形成MnS，MnS的熔点1600，高于热加工温度，可避

16、免热脆的发生。,（四）磷的影响 有害杂质元素， 矿石和生铁等炼钢原料带入。,磷在钢中固溶强化作用很强，但同时剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧脆转变温度升高，称为“冷脆”。,韧性降低体现在两方面： (1) 冲击功Ak；,(2) 韧脆转变温度Tk,韧性区,脆性区,韧脆转变温度,（五）氮、氢、氧等微量气体的影响 1、氮 炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。 称为蓝脆(因300上下应变时最易产生) 蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。 消除方法：加Al形成AlN,2、氢 高温下氢大量溶于钢中。随温

17、度下降，氢在钢中的溶解度急剧降低，但氢来不及逸出表面，过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚，并逐渐形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹，这种氢使钢变脆的现象称为氢脆严重的缺陷。 消除方法： 锻后缓冷。尤大型锻件。,合金钢中多见,3、氧： 氧化物夹杂物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。 有害元素的利用： S、P在易切钢中的应用。 P在炮弹钢中的应用。,钢锭组织示意图,镇静钢,沸腾钢,4.5 钢中杂质元素及钢锭组织,习题与思考题 1 何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体？分别写出它们的符号和性能特点。 2 一堆钢材由于混杂，不知道化学成分，现抽出一根进行金相分析，其组织为铁素体加珠光体，其中珠光体的面积大约占40，由于珠光体与铁素体的比容相近，可用显微组织中珠光体与铁素体的面积百分数替代二者的重量百分数，试估算该钢材的含碳量。 3 已知珠光体的HBS180，20，铁素体的HBS80，50，试计算含碳量为0.45的碳钢的硬度和伸长率。(提示：合金的性能值大约是它的各组织组成物的性能值与它的各组织组成物在合金中的含量的乘积和，或称为加权平均值)。,4 何谓共析转变和共晶转变？写出它们的反应式 5 指出下列名词的主要区别：一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体。 6