第四章 鐵碳合金的結構及其相圖

1、第四章 鐵碳合金的結構及其相圖教學目的及其要求通過本章學習，使學生們掌握鐵碳合金的基本知識及鐵碳相圖的應用。主要內容1鐵碳合金的相組成2鐵碳合金相圖及其應用3碳鋼的分類、編號及應用學時安排講課4學時，實驗2學時。教學重點1鐵碳合金相圖及應用2典型合金的結晶過程分析教學難點 鐵碳合金相圖的分析和應用。教學過程 第一節(jié) 純鐵及其同素異構轉變第二節(jié) 鐵碳合金中的相和組織組成一、鐵碳合金的組元鐵：熔點1538，塑性好，強度硬度極低，在結晶過程中存在著同素異晶轉變。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體。同素異構轉變：同一種元素在固態(tài)下由于溫度變化而發(fā)生的晶體結構的變化。1394ºCg-Fe面心

2、立方a-Fe體心立方d-Fe體心立方912ºCa-Fe 的致密度為68，g-Fe為74，所以a-Fe 的晶胞體積大于g-Fe。由于純鐵具有同素異構轉變，在生產上可以通過熱處理對鋼和鑄鐵改變其組織和性能。碳：在FeFe3C相圖中，碳有兩種存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以間隙固溶體形式存在。二、鐵碳合金中的基本相相：指系統(tǒng)中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學成分、同一結構并以界面隔開的均勻組成部分。鐵碳合金系統(tǒng)中，鐵和碳相互作用形成的相有兩種：固溶體和金屬化合物。固溶體是鐵素體和奧氏體；金屬化合物是滲碳體。這也是碳在合金中的兩種存在形式。1鐵素體碳溶于a-Fe中形成的間隙固溶體稱為

3、鐵素體，用 a 或者F表示，為體心立方晶格結構。塑性好，強度硬度低。2奧氏體碳溶于g-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用 g 或者A表示，為面心立方晶格結構。塑性好，強度硬度略高于鐵素體，無磁性。3滲碳體Fe3C：晶體結構復雜，含碳量6.69，熔點高，硬而脆，幾乎沒有塑性。滲碳體對合金性能的影響：（1）滲碳體的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韌性降低。（2）對強度的影響與滲碳體的形態(tài)和分布有關： 以層片狀或粒狀均勻分布在組織中，能提高合金的強度； 以連續(xù)網狀、粗大的片狀或作為基體出現時，急劇降低合金的強度、塑性韌性。二、兩相機械混合物珠光體：鐵素體與滲碳體的兩相混合物，強度、硬度

4、及塑性適中。萊氏體：奧氏體與滲碳體的混合物；室溫下為珠光體與滲碳體的混合物，又硬又脆。鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體為鐵碳合金中的基本組織，是鐵碳合金中的組織組成物。 組織組成物：指構成顯微組織的獨立部分，可以是單相，也可以是兩相或多相混合物。 顯微組織：指在金相顯微鏡下所觀察到的金屬及合金內部的微觀形貌，包括相和晶粒的形態(tài)、大小、分布等。第三節(jié) FeFe3C相圖分析一、相圖中的點（14個）1組元的熔點： A (0, 1538) 鐵的熔點；D (6.69, 1227) Fe3C的熔點2同素異構轉變點：N（0, 1394）d-Fe Û g-Fe；G（0, 912）g-Fe &#

5、219; a-Fe3碳在鐵中最大溶解度點： P（0.0218，727），碳在a-Fe 中的最大溶解度 E（2.11，1148），碳在 g-Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495)，碳在 d-Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT），室溫下碳在a-Fe 中的溶解度2 三相共存點：S（共析點，0.77，727），（AF Fe3C）C（共晶點，4.3，1148），（ AL Fe3C） J（包晶點，0.17，1495）（ d AL ）3 其它點· B（0.53，1495），發(fā)生包晶反應時液相的成分· F（6.69,1148 ） ， 滲碳體· K (6.69,7

6、27 ) ， 滲碳體二、相圖中的線1液相線()：結晶時液相的成分，在其上體系為液相；2固相線（）：結晶時固相的成分，其下為固相。3恒溫轉變的線：HJB 包晶線、ECF共晶線、PSK共析線。PSK 線，共析線。在此線上的合金都要發(fā)生共析反應。冷卻時，奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w的溫度；加熱時，珠光體轉變?yōu)閵W氏體的溫度；PSK線又稱A1線。4固溶度線 ES線：碳在奧氏體中的溶解度線，隨溫度溫度­，溶解度­ ；0.77%2.11%C。冷卻時，從奧氏體中開始析出二次滲碳體的溫度；加熱時，二次滲碳體完全溶入奧氏體中的溫度。ES線又叫作Acm線。PQ 線：碳在鐵素體中的溶解度；隨溫度­

7、 ，最大溶解度­ ；0.0008% 0.0218%C；冷卻時，從鐵素體中開始析出三次滲碳體的溫度；加熱時，三次滲碳體完全溶入鐵素體的溫度。5同素異構轉變線：NH 和 NJ，GS 和 GP。GS線：冷卻時，由奧氏體向鐵素體轉變的開始溫度；加熱時，鐵素體完全轉變?yōu)閵W氏體的溫度，GS線又叫作A3線。三、 相圖中的相區(qū)1單相區(qū)（4個1個）： L、A、F 、（ Fe3C） 2兩相區(qū)（7個）：L + 、L + Fe3C、L + A、 + A 、A + F 、A + Fe3C 、F + Fe3C。過合金的成分點作垂直于橫坐標的直線稱為成分線強調！根據相圖規(guī)則，兩個單相區(qū)之間必然夾一個兩相區(qū)，兩相區(qū)

8、的兩個相就由這兩個單相區(qū)的相組成。四、基本轉變類型1勻晶反應L ®: 由液相中直接結晶出相。合金的成分線與AB線相交，Wc：0 0.53%。L® A: 由液相中直接結晶出A相。合金的成分線與BC線相交，Wc：0.53% 4.3%。L® Fe3C: 由液相中直接結晶出Fe3C相。合金的成分線與CD線相交，Wc：4.3% 6.69%LdAdH0.09LB0.53AJ0.17+1495ºC2包晶反應含義：具有J點成分的鐵碳合金冷卻至14950C，液相和相在轉變過程中恰好全部消耗完，生成了單一的J點成分的A相。 包晶點 ：J（0.17，1495） 產 物：單相奧

9、氏體（ A ）AEFe3C 發(fā)生包晶反應的合金成分： 0.09%-0.53% C 。 即合金的成分線與HJB線相交。A E2.11Fe3C6.69+1148ºCLc4.33共晶反應含義：由C點成分的液相在11480C下，同時生成具有E點成分的A 相和Fe3C。 發(fā)生共晶反應的成分范圍：2.11 %6.69% C，合金成分線與ECF線相交)。 產物：A和Fe3C的兩相混合物，稱為萊氏體，用Ld表示，其組織形態(tài)是以Fe3C為基體，A 呈粒狀或桿狀分布在Fe3C基體上。 共晶點：C (4.3,1148) FP0.0218Fe3C6.69+727ºC4共析反應As0.77含義：在7

10、270C下，由S點成分的A相同時生成P點成分的F相和Fe3C相。 合金范圍： 0.0218 6.69%C，合金成分線與PSK線相交。 產物： F和Fe3C的兩相混合物，稱為珠光體，用P表示，形態(tài)呈層片狀。 共析點：S（0.77，727），具有S點成分的A相冷卻至7270C時，發(fā)生共析轉變，生 成珠光體。五種滲碳體的異同（Fe3CI、Fe3C、Fe3CI、共晶Fe3C、共析Fe3C）：它們只是形成條件、形態(tài)與分布不同，對鐵碳合金性能有所不同，就其本身來說，并無本質區(qū)別，都是同一種物質，即Fe3C，6.69C。五、鐵碳合金分類 工業(yè)純鐵、鋼（亞共析、共析、過共析鋼）、鑄鐵（亞共晶、共晶、過共晶白口

11、鑄鐵） 注意分界點成分六、典型鐵碳合金的結晶過程分析 分析方法和步驟： 在相圖的橫坐標上找出給定的成分點，過該點作成分線； 在成分線與相圖的各條線的交點作標記（一般用1、2、3、4.） 寫出每兩個點之間或者重要點上發(fā)生的轉變（由液相分析至室溫）。AA 室溫下該成分線所在的相區(qū)，合金室溫下就具有那個相；組織組成物則取決于冷卻過程中發(fā)生的轉變。 1Wc0.77%的鐵碳合金結晶過程分析合金在1點溫度以上為液相L；在12溫度之間，發(fā)生勻晶反應，從液相中析出奧氏體相；在23點溫度之間，為單相奧氏體，只有溫度的降低；在3點（S點）時到達共析溫度（7270C，奧氏體發(fā)生共析反應，生成珠光體組織；3點以下直到

12、室溫，合金溫度降低，為珠光體組織。所以，Wc0.77%的鐵碳合金 室溫下的相：F+Fe3C 組織組成物：P(珠光體）（100） 組織形貌： F和Fe3C層片狀混合物FFe3C(0.0008)(6.69)0.77C問題：用杠桿定律計算共析鋼室溫下F相和Fe3C相的質量分數。（合金的總質量為1，含碳量為0.77%。室溫下由F和Fe3C兩相組成，其中F中含碳量為0.0008%, Fe3C中含碳量為6.69%.）F相的質量分數Fe3C相的質量分數0.0218？（杠桿的支點是兩個相的平均質量分數即合金的成分點，端點分別是兩個相的成分點。）2Wc0.4%的鐵碳合金結晶過程分析合金在1點溫度以上為液相L；在

13、12點溫度之間，發(fā)生勻晶轉變，從液相中結晶出鐵素體相；在2點1495，液相L與相發(fā)生包晶反應，生成奧氏體A，液相有剩余；在23點溫度之間，剩余的液相向A相轉變；在34點溫度之間，為單相奧氏體，合金溫度降低；在45點溫度之間，同素異構轉變，A向F（先共析鐵素體）轉變，為（FA）兩相；在5點727，未轉變成F的A發(fā)生共析反應，生成珠光體（P）組織；從5點直到室溫，組織為（FP），合金溫度降低，沒有組織轉變。 室溫下的相：F+Fe3C 組織組成物：F和P 組織形貌： 塊狀F和片狀P 室溫下組織組成物的質量百分數的計算：60鋼平衡結晶過程示意圖AAA？課堂練習：60鋼的平衡結晶過程分析T>T1T

14、1T2T2T3T3T4T<T43過共析鋼（1.2C）合金在BC線溫度以上為液相L；在BC線JE線溫度之間，發(fā)生勻晶反應，從液相中析出奧氏體相；在JE線ES線溫度之間，為單相奧氏體，合金溫度降低；在ES線PSK線溫度之間，從奧氏體中析出二次滲碳體相（先共析滲碳體），合金為AFe3C兩相；在PSK線上727時，未轉變的奧氏體發(fā)生共析反應，轉變?yōu)橹楣怏w組織；從727直到室溫，合金溫度降低，沒有發(fā)生組織轉變。室溫下的相：F+Fe3C室溫組織：珠光體二次滲碳體。組織形態(tài)：片狀P和二次滲碳體呈網狀分布在A晶界。在過共析鋼中，當碳含量小于0.9時，二次滲碳體呈片狀分布在A晶界；當碳含量大于0.9時，二

15、次滲碳體成為網狀沿晶界分布。室溫下組織組成物的質量百分數的計算：4白口鑄鐵的平衡結晶過程（略）七FeFe3C相圖的應用（一）、碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響 1含碳量對合金平衡組織的影響Fe3C的形態(tài)：F+Fe3CIII三次Fe3C呈細小的薄片分布于F的晶界。F+P先共析F呈塊狀，P中Fe3C呈層片狀與F片相間 。P Fe3CIIP P中Fe3C與F呈層片狀相間分布。P中Fe3C片與F片相間 ，二次Fe3C 沿晶界呈網狀分布。PFe3CIILdP中Fe3C片與F片混合（相間 ），萊氏體中Fe3C作為基體Ld萊氏體中珠光體分布在Fe3C的基體上Ld +Fe3CI 一次Fe3C為粗大長片狀，萊氏

16、體中Fe3C作為基體含碳量逐漸增加含碳量的增加，鋼的平衡組織中鐵素體量減少，滲碳體量增加；在亞共析鋼中，隨碳含量增加，鐵素體減少，珠光體量增多；在過共析鋼中，珠光體減少，滲碳體增多；到白口鑄鐵時，組織中以滲碳體作為基體。2含碳量對力學性能的影響鐵素體(F)：軟而韌，硬度極低；滲碳體(Fe3C)：硬而脆。所以，（1）含碳量增加，硬度增加；塑性韌性降低。（2）含碳量增加，強度先增后降（0.9%最高）：當碳含量在小于0.9時，滲碳體含量越多，分布越均勻，鐵碳合金強度越高；當碳含量超過0.9時，滲碳體在鋼的組織中呈網狀分布在晶界，而在白口鑄鐵的組織中作為基體存在，使強度降低。3含碳量對工藝性能的影響切

17、削加工性能：一般認為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過高或過低，都會降低其切削加工性能?？慑懶裕旱吞间摫雀咛间摵?。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時，塑性好、強度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在單相奧氏體狀態(tài)下進行。鑄造工藝性能：鑄鐵的流動性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結晶溫度低，流動性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來看，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造工藝性能越差?？珊感裕阂话?，含碳量越低，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。（二）、FeFe3C相圖的應用 1為制定熱加工工藝提供依據。（1）制定熱處理工

18、藝的依據 （2）為制定熱加工工藝提供依據，包括鑄造、鍛造、焊接、熱處理。鑄造方面 鑄造合金成分的確定和澆注溫度的確定。鍛造方面 確定始鍛溫度和終鍛溫度。焊接方面 分析熱影響區(qū)的組織。熱處理方面 確定熱處理加熱的溫度。 2為選材提供成分依據。 工業(yè)純鐵：室溫下退火態(tài)的組織由等軸晶粒組成；強度低，塑性、韌性好；作為功能材料使用，如變壓器的鐵芯等。含碳量在0.15-0.25%的亞共析鋼：屬低碳鋼，為工程結構用鋼。這類鋼主要用于房屋，橋梁、船舶、車輛、礦井或油井井架等大型工程結構件，一般不進行熱處理，直接在熱軋或正火狀態(tài)下使用。含碳量在0.30-0.50%的亞共析鋼，屬中碳鋼，為機械結構用鋼。主要用于制造各種機械零部件，如軸類、齒輪等。它要求有較高的強度，塑性、韌性和疲勞強度等綜合力學性能。這類鋼通常在淬火、高溫