鐵碳合金相圖及碳素鋼

1、2021/8/21第五章第五章 鐵碳合金相圖及碳素鋼鐵碳合金相圖及碳素鋼 鋼鐵材料是鐵碳合金系中具有實用價值的部分，是目前人類社會中應用最為廣泛的工程材料。反映鐵碳合金的化學成分、相、組織與溫度關(guān)系的相圖已經(jīng)誕生一百多年。百余年來隨著技術(shù)的進步世界各國的金屬學工作者對這張相圖進行了越來越精確的測定。形成了目前通用的圖樣。它是一個比較復雜的相圖，是由多種基本類型相圖組成。 本課將較詳細介紹鐵碳相圖中具有實用價值的部分的Fe-Fe3C相圖，并介紹與此相圖相對應的、工業(yè)用量頗大的碳素鋼。2021/8/22第一節(jié)第一節(jié) 鐵碳合金中的相與基本組織鐵碳合金中的相與基本組織一、 Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變及晶格結(jié)構(gòu)

2、 Fe是元素周期表中第26號元素，相對分子質(zhì)量56、體積質(zhì)量7.8/cm3、熔點1538。Fe具有同素異晶轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。所謂同素異晶轉(zhuǎn)變是指金屬在結(jié)晶成固態(tài)之后繼續(xù)冷卻的過程中晶格類型隨溫度下降而發(fā)生變化的現(xiàn)象，也稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 同素異晶轉(zhuǎn)變也是通過成核長大的過程來完成原子重新排列的，也是一種結(jié)晶過程，也有結(jié)晶潛熱產(chǎn)生。但是，它是在固態(tài)下進行的晶格類型的轉(zhuǎn)變，有別于液態(tài)金屬的凝固結(jié)晶，也有別于變形金屬再固態(tài)下的再結(jié)晶。因此，同素異晶轉(zhuǎn)變也被稱為重結(jié)晶，是一種固態(tài)相變。 由于晶格類型不同，其原子排列的致密度也不同。因此，在同素異晶轉(zhuǎn)變時，會引起宏觀體積的變化和內(nèi)應力的增加。由于同素異晶轉(zhuǎn)變時也有潛

3、熱釋放，所以，在金屬冷卻曲線上也會以一個平臺形式表現(xiàn)出來。只是比結(jié)晶平臺小些。圖5-1是鐵的冷卻曲線。2021/8/23 從冷卻曲線上可見到第一個1538的平臺是鐵的結(jié)晶溫度。結(jié)晶后是體心立方晶格Fe。當溫度降到1394出現(xiàn)第二個平臺。這是Fe在固態(tài)下第一次同素異晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變成為面心立方的Fe。當繼續(xù)冷卻到912時出現(xiàn)第三個平臺，這是Fe的第二次同素異晶轉(zhuǎn)變。變成體心立方的Fe。當繼續(xù)冷卻到769時出現(xiàn)第四個平臺。這個平臺對應的溫度稱為居里點。它不是同素異晶轉(zhuǎn)變，因為沒有晶格類型的變化。只是Fe原子的外層電子排列的變化引起Fe的磁性狀態(tài)的改變。使Fe由順磁性變成鐵磁性，使透磁率增加數(shù)萬倍。晶格

4、類型雖然仍是體心立方，但是晶格常數(shù)減小了。由0.293nm變成0.233nm。這種具有鐵磁性的體心立方晶格的鐵稱為Fe。在不是專門研究材料磁性時，同時體心立方結(jié)構(gòu)的Fe和Fe可不加以區(qū)分統(tǒng)稱為Fe。我們在這里主要是討論鐵碳合金的力學性能，可以不必區(qū)分Fe和Fe。認為912的同素異晶轉(zhuǎn)變是由Fe轉(zhuǎn)變成Fe。鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變可簡單的記作： Fe Fe Fe。 正因為Fe具有這種同素異晶轉(zhuǎn)變才使得鋼也存在多種固體相變。這正是鋼可以進行各種熱處理的基礎(chǔ)。2021/8/24二、鐵碳合金中的相 鐵碳合金的組元Fe與C相互作用可以形成幾種很重要的相。碳在Fe-C合金中的存在形式主要有三種：固溶到鐵晶格間隙中

5、的固溶碳、與Fe形成間隙化合物的化合碳、游離在Fe-C合金中的游離碳。鐵與碳相互作用形成的主要相有以下幾種： 1.鐵素體：鐵素體是碳原子固溶到-Fe中形成的間隙固溶體。代號為F或。雖然Fe的體心立方晶格總空隙度較大（32），但是每個具體的空隙直徑都不大，僅有0.072nm，遠小于碳原子的直徑（0.154nm）。所以，碳在-Fe中的溶解度很小。室溫時溶解度Wc0.00080。最大溶解度在727，Wc0.0218。碳原子在Fe晶格間隙中的可能位置見圖5-2。鐵素體是一種強度不高但是塑性很好的相，見表5-1。鐵素體是鋼鐵材料在室溫室時的重要相，常作為基體相存在。2021/8/25 2.奧氏體：它是碳

6、原子固溶到Fe中所形成的間隙固溶體。代號為A或 。它存于727以上。面心立方的Fe雖然總間隙為 26，小于Fe。但是，具體間隙的直徑卻較大，最大的直徑是0.104nm近于碳原子直徑。所以碳原子在Fe中的溶解度大于在-Fe中的溶解度。在727時，wc0.77最大溶解度在1148時，wc2.11。碳原子在Fe晶格間隙中的可能位置，見圖5-3。奧氏體是一種強度不高塑性很好的高溫相。是熱變形加工所需要的相。一般情況奧氏體不存在于室溫。 2021/8/263.滲碳體 它是鐵與碳形成的間隙化合物。分子式是Fe3C。其晶體結(jié)構(gòu)見圖2-16。有固定的Wc6.69，熔點為1227?？梢暈槭且环N組元。滲碳體是具有

7、高硬度、高脆性、低強度和低塑性的相見表5-1。滲碳體也是鋼鐵材料在室溫下的重要相。常作為鋼的第二相彌散強化的強化相。 4.石墨 它是Fe-C合金中游離存在的碳，代號G。它以簡單六方晶格結(jié)構(gòu)存在。強度、塑性、硬度都很低。在鋼中通常是不允許它存在。否則會降低鋼的力學性能。但是在鑄鐵材料中為了增加鑄鐵的切削加工性和降低鑄鐵的脆性并能保證一定的強度和韌性，常采用一些工藝措施使大多數(shù)的化合碳轉(zhuǎn)變成游離碳的石墨。使鑄鐵由白口變成灰口，成為有用的工程材料（詳見鑄鐵一章）。2021/8/27 還有，在1394以上有一個鐵素體相。它是碳固溶到Fe中形成的一種間隙固溶體高溫相，在1495時有最大的溶解度為Wc0.

8、09。但是在我們所討論的范圍內(nèi)一般用不到這個相。 此外，鐵碳合金在液態(tài)時成為液相，代號是L。 上述這些相，在Fe-C合金中的顯微組織中均被稱為相組成物。 在室溫下，鐵碳合金中最重要的相是鐵素體和滲碳體。它們在鋼鐵材料中既可一獨立存在，也可以以機械混合物形式組成一些基本組織。2021/8/28三三 、鐵碳合金中的基本組織、鐵碳合金中的基本組織 在鐵碳合金中，當wc=0.77，溫度在727時，會產(chǎn)生共析轉(zhuǎn)變。所共析轉(zhuǎn)變是指在某一恒定溫度時，一定成分的固相又重新結(jié)晶成兩個不同的機械混合物。這種兩相的機械混合物稱為共析體。鐵碳合金中的共析轉(zhuǎn)變是指碳的質(zhì)量分數(shù)為0.77的奧氏體在727時發(fā)生重結(jié)晶，形成

9、鐵素體和滲碳體的兩相機械混合物。這種機械混合物的共析體命名為珠光體。代號為P鐵碳合金中的共析轉(zhuǎn)變可以表示為A0.77（F+Fe3C）P。珠光體和滲碳體以相間片層形式機械混合在一起，見圖5-7。其力學性能見表5-1。2021/8/29當wc=4.3，溫度為1148時鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。L4.3（A+Fe3C）Ld即碳的質(zhì)量分數(shù)為4.3鐵碳合金液相結(jié)晶時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)生了奧氏體和滲碳體機械混合物的共晶體。這個共晶體命名為高溫萊氏體，代號為Ld。高溫萊氏體是存在于727以上的一種基本組織。在727以下高溫萊氏體中的奧氏體又發(fā)生共析轉(zhuǎn)變變成珠光體。這是的萊氏體就變成由P和Fe3C組成。成為低溫萊氏體

10、，低溫萊氏體是鐵碳合金在室溫下的另一個基本組織。另外，各個相若是獨立存在于鐵碳合金中，也都可以看作是單相的基本組織。這些基本組織均被稱為鐵碳合金顯微組織的組織組成物。2021/8/210第二節(jié) 鐵碳合金相圖 鐵碳合金相圖對于了解鋼鐵材料平衡狀態(tài)下的組織和性能有重要意義。對于制定鋼鐵材料的鑄、鍛、焊及熱處理等工藝有直接的指導意義。一、Fe-C相圖與Fe-Fe3C相圖 鐵和碳兩個組元不僅能形成各種固溶體相而且可以產(chǎn)生一系列的化合物。如，F(xiàn)e3C、Fe2C、FeC等。這樣一來，F(xiàn)e-C二元合金相圖就可以看成是由Fe-Fe3C ；Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四個二元相圖組成，見圖5

11、-4。 但是對于wc6.69的鐵碳合金，因其力學性能很差，在機械工程中沒有使用價值。因此，F(xiàn)e-C合金相圖實際上只有Fe-Fe3C相圖是我們討論的對象，見圖5-5。Fe-Fe3C相圖對于了解碳素鋼和白口鑄鐵及工業(yè)純鐵的顯微組織與溫度關(guān)系是很直觀的。2021/8/211二、對Fe-Fe3C相圖的分析 相圖中的主要點 相圖中各個點的碳的質(zhì)量分數(shù)、溫度值及各個點的含義，見表5-2。相圖中的主要相變線ABCD線為液相線。溫度高于此線鐵碳合金均是液相。其中，AB線是L開始線，BC是LA開始線，CD是LFe3C開始線。從液相直接結(jié)晶出來的Fe3C稱為一次滲碳體，標記為Fe3C。AHJECF線為固相線。溫度

12、降到次線之下鐵碳合金全部都結(jié)晶成固相。2021/8/212HJB線為包晶線。當溫度達到這條線（1495）時wc=0.090.53的鐵碳合金均有包晶轉(zhuǎn)變。即H成分的固溶體（H）和B成分的液相（LB）在1495時共同結(jié)晶成J成分的奧氏體（AJ）。表達式為H+LBAJ。ECF線是共晶線。當溫度達到這條線（1148）時，此線下2.11wc6.69的鐵碳合金均有共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生。PSK線是共析線，代號為A1。當溫度到達這條線（727）時此線下0.02wc6.69的鐵碳合金均會有共析轉(zhuǎn)變發(fā)生.ES線為固溶線,也稱溶解度線,代號為Acm.它是奧氏體中碳的溶解度隨溫度變化曲線.當溫度降到此線,奧氏體中多余的碳以滲

13、碳體的形式析出。從奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體。記為Fe3C。2021/8/213PQ線也是固溶線。它是鐵素體中碳的溶解度隨溫度變化的曲線。當溫度降到此線,鐵素體中多余的線也以滲碳體形式析出。從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體。記為Fe3C.GS線是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線，也是鐵素向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線。代號為A3。GP線是奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線, 也是鐵素向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始線。實際上相圖中的這些線都是各個化學成分的合金隨溫度變化發(fā)生各種相轉(zhuǎn)變的溫度點(相變點)的分類集合。2021/8/214 還要指出的是：一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳以及珠光體和萊氏體中的滲碳體，它們本身并

14、無本質(zhì)區(qū)別，都具有相同的化學成分、晶格結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。只是出處不同，并由此造成其形態(tài)、大小以及在合金中的分布等情況有所不同。因此，對合金的性能也有不同的影響。但是，滲碳體的形態(tài)、大小、分布不是一成不變的，可以通過有關(guān)的熱處理或鍛造等方法來改變。按需要來控制調(diào)整滲碳體對鐵碳合金性能的影響。2021/8/215（三）（三）Fe-Fe3C相圖中的相區(qū)相圖中的相區(qū)單相區(qū)有五個：L、A、F、Fe3C。具體位置見圖5-5。其中，F(xiàn)e3C相區(qū)因Fe3C有固定的化學成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一條垂線DFKL。雙相區(qū)有七個：+L、+A、A+L、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+ Fe3

15、C。具體位置見圖5-5。三相共存區(qū)有三個，是三條水平線：L+A(包晶線)、L+A+ Fe3C(共晶線)、A+F+ Fe3C（共析線）。 2021/8/216三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程三、典型鐵碳合金的結(jié)晶過程（一）Fe-Fe3C相圖中鐵碳合金的分類按合金中碳質(zhì)量分數(shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金可分為三大類：1. 工業(yè)純鐵 它是wc0.02%的鐵碳合金。2. 碳素鋼 它是0.02%wc2.11%的鐵碳合金。按起室溫下先微組織的不同又分為三種： 共析鋼： wc=0.77% 亞共析鋼：0.02%wc0.77% 過共析鋼：0.77%wc2.11%3.白口鑄鐵 它是2.11%wc6.69%的鐵碳合金。按其

16、室溫下顯微組織的不同又分為三種： 共晶白口鑄鐵： wc=4.3% 亞共晶白口鑄鐵：2.11%wc4.3% 過共晶白口鑄鐵：4.3%wc6.69%2021/8/217（二）典型合金的相變過程（二）典型合金的相變過程在圖5-5中標有七條垂直的點劃線，分別是工業(yè)純鐵、碳素鋼、白口鑄鐵三類鐵碳合金中七個典型合金所在的位置。1.工業(yè)純鐵在平衡狀態(tài)下的相變過程 合金是工業(yè)純鐵中有代表性的合金。它是一種固溶體合金。圖5-6a是該合金的相變過程的圖示。 從圖5-5相圖上可見：在1點以上均勻的液相（L）。12點是該合金結(jié)晶溫度區(qū)別，與L兩相共存，先形成相的晶核，后長大成為固溶體晶粒，到2點結(jié)晶終了，全部液相都結(jié)

17、晶成固溶體。在23點之間是固溶體單相區(qū)，沒有相變，僅是相簡單的冷卻。34點間與A兩相共存，即冷到3點以下時在相晶界處先形成奧氏體（A）晶核，后長大成奧氏體晶粒，直到4點相全部轉(zhuǎn)變成奧氏體相。2021/8/218 在45點之間時奧氏體單相區(qū)，沒有相變，僅是A的簡單的冷卻。56點之間A與F兩相共存，即冷到5點以下時在奧氏體相的晶界處又形成鐵素體（F）晶核，然后長大成F晶粒，直到6點A全部轉(zhuǎn)不變成F。67點之間時鐵素體（F）的單相區(qū)，沒有相變，僅是F的簡單冷卻。7點以下直到室溫是F和Fe3C的兩相共存區(qū)。即當冷卻到7點以下時，F(xiàn)的溶解度小于F中的實際碳的質(zhì)量分數(shù)，多余的碳以三次滲碳體的形式從F中析出

18、，通常分布在F晶界處。隨著溫度的下降鐵素體的溶解度也下降，析出的Fe3C也增加。直到室溫，最后形成F+ Fe3C的顯微組織。圖5-6b是它的金相照片。 從上所述可知工業(yè)純鐵緩慢冷卻的相變過程可以簡單地示意為：LAFF+ Fe3C。室溫時工業(yè)純鐵顯微組織的相組成物與組織組成物都是鐵素體和滲碳體。2021/8/2192.共析鋼在平衡態(tài)下的相變過程 圖5-5中合金的wc=0.77%，是共析成分的鐵碳合金共析鋼。 其相變過程見圖5-7a 從圖55相圖上可看到： 在1點以上合金處于均勻的液相狀態(tài)。在12點之間是它的結(jié)晶溫度區(qū)間，是液相與奧氏體相的兩相共存區(qū)。即當冷到1點以下從液相（L）中產(chǎn)生奧氏體（A）

19、相晶核并長大，冷卻直到2點時，全部液相都結(jié)晶成奧氏體。23點之間是奧氏體單相區(qū)，這個溫度區(qū)間沒有相變，只 是 A 的 簡 單 冷 卻 。 當 冷 到 3 點 發(fā) 生 共 析 轉(zhuǎn) 變 。AsP(FP+Fe3C)。奧氏體相變成F和Fe3C的兩相機械混合物的珠光體（P）。珠光體中的F和Fe3C分別被稱為共析鐵素體和共析滲碳體。其形態(tài)一般情況下是片層狀分布。片層位向基本相同的區(qū)域稱為一個珠光體團。它不是晶粒，珠光體團的邊界也不能稱作晶界。珠光體中F和Fe3C兩相各占的百分數(shù)可以用杠桿定理算出。在727C共折轉(zhuǎn)變剛完成時，F(xiàn)的wc=0.2% 。所以 QF=(6.69-0.77)/(6.69-0.02)

20、88.8% Q Fe3C =(0.77 0.02)/(6.69-0.02) 11.2%2021/8/220 隨著溫度下降直到室溫、雖然珠光體的形貌沒有什么變化、但是其內(nèi)部的F由于對碳的溶解度的下降，將析出Fe3C。不過，F(xiàn)e3C并不獨立于珠光體之外，而是與珠光體內(nèi)的Fe3C混在一起。因此，冷卻到室溫時，珠光體內(nèi)的F和Fe3C的相對質(zhì)量百分數(shù)也要發(fā)生變化。這也可以用杠桿定理計算出來。室溫時F的wc=0，而Fe3C的碳質(zhì)量分數(shù)不隨溫度而變。所以，室溫時珠光體內(nèi)F和Fe3C的相對質(zhì)量百分數(shù)是： QF=(6.69-0.77)/(6.69-0) 88.5% Q Fe3C =1-QF 11.5% 可見，珠

21、光體中的滲碳體增加了0.3%。這個數(shù)值與碳質(zhì)量分數(shù)最高的工業(yè)純鐵在室溫時的Fe3C含量相同。 共析鋼的相變過程可簡單的示意為： LAP(F十Fe3C)。 室溫時共析鋼顯微組織的相組成物是F和Fe3C ，組織組成物是P。圖5-7b是其金相照片。2021/8/2213.亞共析鋼在平衡態(tài)下的相變過程 圖5-5中合金是wc =0.45%的亞共析鋼。其相變過程見圖5-8a 從圖5-5相圖L可看到： 在1點以上，合金處于均勻的液相狀態(tài)。在13點之間是它的結(jié)晶溫度區(qū)間。其中12點之間是L、兩相共存區(qū)。即合金液相冷卻到1點以下，L相按勻晶轉(zhuǎn)變方式先形成相晶核，然后長大。到2點時仍有部分L相存在。剩余L相的wc

22、=0.53%。已生成的相的wc=0.09%。這時相與包圍它的液相發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變：0.09+L0.53A0.17。包晶轉(zhuǎn)變之后仍剩有部分液相。因此，在23點之間是A、L兩相共存區(qū)。在這個溫度區(qū)間內(nèi)隨溫度下降、剩下的液相按勻晶轉(zhuǎn)變的方式逐漸結(jié)晶成A，直到3點剩余液相也全部轉(zhuǎn)變成A，與先前包晶轉(zhuǎn)變的A混合在一起。在34點之間是單相A簡單冷卻，沒有相變。當冷到4點以下。在A的晶界上形成 F晶核并逐漸長大。這些F稱為先共析鐵素體。14951495 C C2021/8/222在45點之間是先共析F和A共存的兩相區(qū)。隨溫度下降先共析F相的相對質(zhì)量分數(shù)逐漸增加，剩余的A相的相對質(zhì)量分數(shù)逐漸減少，并且剩余A中的碳

23、的質(zhì)量分數(shù)沿GS線逐漸增加。當溫度降到5點（727C）時剩余奧氏體的Wc0.77%，達到了共折成分。于是，這些剩余的奧氏體就發(fā)生了恒溫（727C）的共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成珠光體。這時合金顯微組織是先共析FP十P。在溫度降到5點之下直到室溫，由于碳在F中的溶解度逐漸下降則先共析F中多余的碳以Fe3C形式析出。因此，在室溫下合金的顯微組織是F+Fe3C+P。但是Fe3C的含量很少，可以忽略不計。因此，合金所代表的亞共析鋼在室溫時的顯微組織可近似的看作是F十P，見圖5-8b。若Wc0.45%則F與P在室溫下的相對質(zhì)量白分數(shù)可用杠桿定理來計算 QF=(0.77 0.45)/(0.77-0) 42% Q P

24、=(0.45 0)/(0.77-0) 58%2021/8/223 對于亞共析鋼在室溫時的組織組成物F和P兩者的相對質(zhì)量百分數(shù)是隨具體合金的wc變化而變化的。隨wc增加QP也增加。在光學顯微鏡下F是白色的，P是黑色的，因此可觀察到F和P各占截面積的比例。由于Fe3C、F、P的體積質(zhì)量都很相近，因此截面比可視為質(zhì)量比。這樣，通過光學顯微鏡觀察估計出某一鐵碳合金中的P所占比例，就可用杠桿定理估算出該合金的wc。對于亞共析鋼其計算可以簡化為wc0.77%QP。(因為在室溫下F中的wc 0)。 2021/8/224 4.過共析鋼在平衡態(tài)下的相變過程 圖5-5中合金是wc=1.2%的過共析鋼。其相變過程的

25、圖示，見圖5-9a 當溫度在1點以上合金是均勻的液相狀態(tài)。在1 2 點之間是該合金的結(jié)晶溫度區(qū)間，是A和L兩相共存區(qū)。即當溫度降到1點以下從L相中按成核長大方式結(jié)晶出A相，當溫度降到2點則L相全部結(jié)晶成單相A。23點之間A單相區(qū)只有A的簡單冷卻，無相變。34點之間是A和Fe3C的兩相區(qū)。即溫度降到3點以下，由于碳在奧氏作中的溶解度下降，因而從奧氏體中以二次滲碳體（Fe3C）的形式析出多余的碳。這種滲碳體也稱先共析滲碳體。隨溫度下降Fe3C的相對質(zhì)量百分數(shù)逐漸增加，而A的相對質(zhì)量百分數(shù)逐漸減少，并且二次滲碳體沿著A的晶界呈網(wǎng)狀分布。與此同時A中碳的質(zhì)量分數(shù)沿ES線也不斷的減少。當溫度降到4點（7

26、27C）時A的Wc0.77%。于是A就發(fā)生恒溫的共析轉(zhuǎn)變。全部A轉(zhuǎn)變成P。2021/8/225 這時合金的顯微組織是P+網(wǎng)狀Fe3C；直到室溫這個顯微組織保持不變，見圖5-9b若合金的wc1.2%則合金中的Fe3C在室溫時的相對質(zhì)量分數(shù)可以用杠桿定理計算 Q Fe3C =(1.20.77 )/(6.69-0.77) 7.3% 在過共析鋼中Fe3C的相對質(zhì)量百分數(shù)隨鋼中wc的增加而增加, 過共析鋼中最高碳的質(zhì)量分數(shù)為wc2.11%，與此相對應的Fe3C最大相對質(zhì)量百分數(shù)可用杠桿定理算出 Q Fe3C =(2.110.77 )/(6.69-0.77) 22.6%2021/8/2265.共晶白口鑄鐵

27、平衡態(tài)下的相變過程 圖5-5中合金是碳的質(zhì)量分數(shù)為共晶成分（wc=4.3%）的共晶鐵碳合金，其相變過程圖示，見圖5-10a 從相圖上可看到當溫度在1點(1148C）之上是均勻的液相(L)狀態(tài)，當溫度降到1點之后發(fā)生恒溫共晶轉(zhuǎn)變。即 L4.3(A2.11+Fe3C)Ld。液相全部以共晶轉(zhuǎn)變的方式結(jié)晶成高溫萊氏體（Ld）。組成高溫萊氏體的奧氏體和滲碳體分別被稱為共晶奧氏體和共晶滲碳體。共晶奧氏體通常以樹枝狀分布在共晶滲碳體的基體上。但當溫度降到1點以下，隨溫度的下降，碳在奧氏體中溶解度的下降，Ld中的共晶奧氏體也同樣會析出Fe3C，并與Ld中作為基體的共晶滲碳體混成一體。在12點之間合金的顯微組織

28、是Ld。當Ld中的共晶奧氏體析出Fe3C，時其本身的碳的質(zhì)量分數(shù)也不斷下降，當溫度降到2點（727）時共晶奧氏體的wc0.77%，隨即發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，共晶奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體，從2點直到室溫，合金的顯微組織是在滲碳體的基體上分布著樹枝狀的珠光體。這種顯微組織稱為低溫萊氏體，也稱為變態(tài)萊氏體，符號是Ld，見圖510b。11481148 C C2021/8/227 6.亞共晶白口鐵平衡態(tài)下相變過程 圖5-5中合金是一種亞共晶白口鑄鐵。其相變過程，見圖5-11a 從FeFe3C相圖上可見，當溫度高于1點時合金處于均勻的液相（L）狀態(tài)。在12之間是合金的結(jié)晶溫度區(qū)間。是L和A兩相共存區(qū)。即當溫度降到1點以

29、下液相中先以成核長大方式產(chǎn)生A相，稱為先共晶奧氏體。隨溫度下降，先共晶奧氏體相的比例增加，L相比例減少。但是剩余液相的wc沿BC線增加，當溫度降到2點（1148C)時剩余液相的wc4.3%。于是剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變生成高溫萊氏體（Ld），當溫度低于2點（1148C）后先共晶奧氏體由于對碳溶解度的下降開始析出Fe3C。并使先共晶奧氏體的wc下降。在23點之間合金的顯微組織是A+Fe3C+Ld，當溫度降到3點（727C）時先共晶奧氏體中的碳的質(zhì)量分數(shù)降到0.77%，于是先共晶奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變成為珠光體，而高溫萊氏體（Ld）也轉(zhuǎn)變成低溫萊氏體（Ld），因此，自3點以下直到室溫合金的顯微組織是P+

30、Fe3C+Ld。見圖5-11b并且隨著亞共晶白口鑄鐵的wc增加，P和Fe3C所占比例減少。直到wc=4.3成為共晶白口鑄鐵時，P和Fe3C所占比例為0。2021/8/228 7.過共晶白口鑄鐵在平衡態(tài)下的相變過程 圖5-5中合金是一種過共晶白口鑄鐵。其相變過程見圖5-12a 從FeFe3C相圖上可見，當溫度高于1點時合金處于均勻的液相(L)狀態(tài)。在12點之間是合金的結(jié)晶溫度區(qū)間，是L和Fe3C兩相共存區(qū)。即當溫度降到1點以下時，液相中以成核長大方式產(chǎn)生一次滲碳體相（Fe3C），稱為先共晶滲碳體。隨著溫度的下降，F(xiàn)e3C不斷增加，而剩余的液相不斷減少，而且其wc也沿著DC線不斷降低。當溫度降到2

31、點（1148C）時剩余液相的。wc也降到4.3%。于是剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成高溫榮氏作（Ld）。23點之間的顯微組織是先共晶滲碳體和高溫萊氏體（Fe3C+Ld）。當溫度降到3點時Ld中的奧氏體變成珠光體。于是高溫萊氏體變成低溫萊氏體（Ld）。從3點直到室溫合金的顯微組織是 Fe3C+ Ld，見圖5-12b。并且隨著過共晶白口鑄鐵中wc的增加，F(xiàn)e3C所占的比例也增加。當wc時，QLd=0,Q Fe3C=100%。2021/8/229四、按組織組成物分區(qū)的四、按組織組成物分區(qū)的Fe-Fe3C相圖相圖 根據(jù)以上七個典型合金的相變過程的分析可以把Fe-Fe3C鄉(xiāng)土中的各個相去進一步細分成按組織組

32、成物分區(qū)的相區(qū)，見圖5-132021/8/230 五、碳的質(zhì)量分數(shù)對鐵碳合金組織與性能的影響五、碳的質(zhì)量分數(shù)對鐵碳合金組織與性能的影響從圖5-5和圖5-13中可以看出，在室溫時隨著鐵碳合金中wc的增加，合金中的相組成物質(zhì)雖然都是F和Fe3C這兩個相。但是，其相對的質(zhì)量百分數(shù)卻是逐漸變化的。鐵碳合金在室溫時顯微組織的組織組成物也隨著wc從0增加到6.69%而發(fā)生一系列變化，F(xiàn)F+Fe3CP+F+Fe3C PP+Fe3CLd+P+Fe3CLdLd+ Fe3CFe3C,見圖5-14 在室溫下，由于鐵碳合金的顯微組織隨wc的變化而變化，所以，它的力學性能也要隨wc變化而變化，見圖5-15。2021/8

33、/231六、六、Fe- Fe3C相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用相圖在工業(yè)生產(chǎn)中的應用 Fe-Fe3C相圖給出了碳的質(zhì)量分數(shù)與鋼的組織與性能之間的關(guān)系。這便于根據(jù)零件所需的使用性能來合理選用適當碳含量的鋼。顯然相圖可與指導我們對鋼材的合理選用。 Fe-Fe3C相圖還給出了各種鐵碳合金的溫度與組織之間的關(guān)系。這對指導鑄、鍛、熱處理工藝有直接意義。 1.在鑄造方面的應用 根據(jù)相圖上的液相線可以確定鑄件的合理澆注溫度。一般選在液相線之上50100。 2.在鍛造方面的應用 從F-Fe3C相圖上可知，當把鋼加熱到A3和Acm線之上都會變成單相奧氏體。奧氏體狀態(tài)的剛塑性好、強度較低，很適用于大變形量的熱變形加工。從

34、工藝角度考慮既要易于變形加工又要避免晶粒粗大、過熱和嚴重氧化。所以，鍛造和熱軋的開始溫度一般選在固相線以下200。 3.在熱處理方面的應用F-Fe3C相圖中的A1、A2、A3、Acm三條相變現(xiàn)實確定碳素鋼熱處理工加熱溫度的依據(jù)。2021/8/232第三節(jié) 碳素鋼 在Fe-Fe3C相圖中碳的質(zhì)量分數(shù)在0.022.11范圍內(nèi)的鐵碳合金屬于非合金鋼，稱為碳素鋼。其價格低廉、工藝性好，具有一定使用性能，能滿足許多場合的需要。因而在機械制造及其它一些工程中得到廣泛使用。一、 鋼中的常存雜質(zhì)對鋼性能的影響 鋼在冶煉過程中不可避免地存有雜質(zhì)。雜質(zhì)是指一些不作為合金元素的各種元素的統(tǒng)稱。對鋼性能影響較大的雜質(zhì)

35、有Si、Mn、S、P和氧、氮、氫等。其中前四種稱為常存雜質(zhì)，是生產(chǎn)中需要經(jīng)常檢查的雜質(zhì)。2021/8/2331. Mn的影響 對于碳素鋼錳屬于雜質(zhì)，錳是煉鋼時用錳鐵給鋼液脫氧后而殘余在鋼中的元素。Mn有較強的脫氧能力，清除FeO可改善鋼的品質(zhì)，降低鋼的脆性。錳還可以與鋼中有害雜質(zhì)碳形成MnS，降低S對鋼的危害，提高熱變形加工的工藝性。錳大部分溶于F，形成含錳的鐵素體，使鋼強化。也能部分溶于滲碳體。但是錳的質(zhì)量分數(shù)過高會相圖中共析點向左下方移動使鋼的過熱敏感性增加易使晶粒粗大。 總的說來錳對鋼是有益的。在一般碳素鋼中把錳控制在0.250.8范圍內(nèi)。對于某些碳素鋼為提高其性能將雜質(zhì)錳的含量控制在0

36、.71.2，稱為錳的質(zhì)量分數(shù)較高的碳素鋼。2. 硅的影響 硅主要來自原料生鐵和硅鐵脫氧劑。硅比錳的脫氧能力強，可使鋼液中FeO變成爐渣脫離鋼液，提高鋼的品質(zhì)。硅能溶與鐵素體，提高鋼的強度、硬度、但會降低鋼的塑性和韌性。 硅能夠使Fe3C穩(wěn)定性下降，促進Fe3C分解生成石墨。若鋼中出現(xiàn)石墨會鋼的韌性嚴重下降，產(chǎn)生所謂的黑脆。所以，雜質(zhì)硅在碳素鋼中一般控制在0.170.37范圍內(nèi)。特殊需要可至0.03。 2021/8/2343. 硫的影響 雜質(zhì)硫主要來源于礦石和燃料。S幾乎不溶于鐵，而于鐵形成FeS化合物作為夾雜物存留鋼中。FeS熔點為1190。而FeS有能于Fe形成共晶體，其熔點僅是985，見圖

37、5-16。由于（F+FeS）共晶體的熔點低于鋼的熱變形加工溫度（10001200），易使鋼在熱變形加工中開裂。使鋼的熱脆性增加。除特殊需要（如提高切削工藝性）外，鋼中的S含量不大于0.05。 前文已說過錳的存在可使硫形成MnS。它的熔點可高達1620。從而可消除由S引起鋼的熱脆性。MnS在鑄態(tài)鋼中是呈粒狀分布于鐵素體晶粒內(nèi)或晶界上。由于MnS有一定的塑性，在軋時被軋成條狀，但是若含量較大，它會引起軋鋼中F和P呈帶狀分布，見圖5-17。這種帶狀組織會使熱軋也出現(xiàn)個向異性。用有帶狀組織的鋼材加工成的零件雖然切削工藝很好，但是，若進行淬火處理易引起工件開裂。 因此鋼中的硫含量愈少，鋼的品質(zhì)愈好。硫的

38、含量常被用作衡量鋼材質(zhì)量等級的指標之一。2021/8/2354. 磷的影響 磷主要是礦石帶到鋼中的。磷可以固溶到鐵素體中提高鋼在室溫時的強度。但是，磷也易與鐵形成極脆的化合物Fe3P。使鋼的塑性和韌性顯著下降。并且隨著鋼所處的溫度愈低脆性愈嚴重。磷會引起鋼的冷脆。另外，磷也降低鋼的可焊性。磷的有益的一面是能增加鋼的耐大氣腐蝕的能力，也能提高鋼的切削工藝性。但是，若無特殊需要鋼中的磷含量最多不超過0.045。 磷也是衡量鋼材品質(zhì)的指標之一。5. 氧的影響 鋼液中免不了和大氣接觸，另外，在煉鋼工藝中有氧化過程以降低鋼中的碳含量。因此，鋼總會有一定的氧。為此在熔煉的后期應加脫氧劑造渣除氧。主要脫氧劑

39、有錳鐵、硅鐵、鋁等。除氧后，鋼中仍會有一些氧的化合物以夾雜形式存在于鋼中，也有極少量氧固溶到F中。主要氧化物有Fe3O4、FeO、MnO、Mn3O4、SiO2、Al2O3等。 鋼中氧化物及其它化合物夾雜的存在會降低鋼中的力學性能，尤其是會嚴重降低鋼的疲勞強度。因此，鋼的品質(zhì)檢測中規(guī)定了夾雜物的控制級別，一般小于3級。雜質(zhì)氧對鋼無益，愈少愈好。2021/8/2366. 氮的影響 氮雜質(zhì)主要來源于鋼液與大氣的接觸。氮在鐵素體中的最大溶解度為0.1（590）。室溫下溶解度極小，近于零。若鋼由高溫快冷到室溫時，氮使鐵素體處于過飽和狀態(tài)。如果在200250加熱，氮會以氮化物形式析出，可增加鋼的強度、硬度

40、、，但是也降低鋼的塑性和韌性，使鋼變脆。因200250加熱會使鋼表面氧化成藍色。所以，稱為藍脆。7. 氫的影響 氫雜質(zhì)也主要來自大氣。鋼中含有少量的氫就會使鋼的脆性顯著增加，對此現(xiàn)象稱為氫脆。另外，當鋼進行熱軋或鍛造時，若工藝不當，氫雜質(zhì)可能引起“白點”缺陷。白點會使鋼的力學性能嚴重降低，甚至引起鋼材開裂報廢。對于大直含鉻、鉬的合金鋼更易產(chǎn)生白點。 為了保證鋼在使用中不出問題，鋼材生產(chǎn)廠都嚴格按國家標準控制雜質(zhì)含量和夾雜物的等級。用戶也需對進廠鋼材進行必要的化學成分及雜質(zhì)的化學分析；對組織和缺陷及夾雜物作金相檢查；對力學性能作材料力學試驗。2021/8/237二、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途二

41、、碳素鋼的分類、鋼號和主要用途 為了滿足使用的需要，碳素鋼有許多品種，為了生產(chǎn)、使用和管理必須對碳素鋼進行分類并確定鋼的牌號。碳素鋼的分類 分類的方法很多，常見的方法有以下幾種：按鋼中碳含量的多少分，可分為： 低碳鋼wc0.25 中碳鋼0.25wc0.6 高碳鋼wc0.6按鋼的質(zhì)量分，可分為： 普通鋼ws0.05，wp0.045 優(yōu)質(zhì)鋼ws0.035，wp0.035 高級優(yōu)質(zhì)鋼ws0.02，wp0.032021/8/238按鋼的用途分，主要有： 碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88） 見表5-3。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB699-88）見表5-4。 碳素工具鋼（GB1298-86）見表5-5。 一般工程用

42、鑄造碳素鋼件（GB11352-89）見表5-6。按煉鋼時的脫氧程度分，可分為： 沸騰鋼 是脫氧不徹底的鋼，代號F。 鎮(zhèn)靜鋼 是脫氧徹底的鋼，代號Z。 半鎮(zhèn)靜鋼 是脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號為b。 特殊鎮(zhèn)靜鋼 進行脫氧的鋼，代號為TZ。2021/8/239碳素鋼的鋼號和命名方法和主要用途碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼主要用于各類工程，應用量很大。對這類鋼通常是熱軋后空冷供貨。用戶一般不需要再進行熱處理而是直接使用。所以，這類鋼的鋼號主要是以其力學性能中的屈服點來命名。具體命名方法如下：標志符號Q+最小s值等級符號+脫氧程度符號。 這類鋼的標志符號Q來源于屈服點的漢語拼音字頭Q。等級符號是指這類鋼所

43、獨用的質(zhì)量等級符號。也是按S、P雜質(zhì)多少來分。以A、B、C、D四個符號代表四個等級。其中： A級 ws0.05， wp0.045 B級 ws0.045， wp0.045 C級 ws0.04， wp0.04 D級 ws0.035， wp0.0352021/8/240這類鋼中質(zhì)量等級最高級（D級），達到了碳素結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)質(zhì)級。其余A、B、C三個等級均屬于普通級范圍。從這類鋼的鋼號中，人們可以直接知道鋼的最低屈服點，質(zhì)量等級和脫氧程度，用起來很方便。例如，Q235-AF，此鋼s235Mpa，質(zhì)量等級為A級（S、P雜質(zhì)含量較多），脫氧不充分的沸騰鋼。這類鋼中共分五個強度等級，見表5-3。這類鋼適用于一般

44、工程結(jié)構(gòu)所需的熱軋鋼板、鋼帶、鋼管、盤條、型鋼、棒鋼等，可供焊接、鉚接、栓接等構(gòu)件使用。其中:Q195、Q215-A、Q215-B碳的含量較低、塑性好、強度低。一般用于螺釘、螺母、墊片、鋼窗等強度要求不高的工件。 Q235-A、Q255-A可用于農(nóng)機具中不太重要的工件。如拉桿、小軸、鏈等。也可常用建筑鋼筋、鋼板、型鋼等。 Q235-B、Q255-B可作為建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接構(gòu)件。在機械中可用作一般的轉(zhuǎn)動軸、吊鉤、自行車架等。 Q235-C、Q235-D質(zhì)量較好，可作一些較重要的焊接構(gòu)件及機件。 Q255、Q275強度較高，可作摩擦離合器、剎車鋼帶等。2021/8/2412. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼中磷、硫等有害雜質(zhì)含量較低，夾雜物也少，化學成分控制較嚴格，質(zhì)量較好。常用于較為重要的機件?？梢酝ㄟ^各種熱處理調(diào)整零件的力學性能。出廠狀態(tài)可以是熱軋后空冷，也可以是退火、正火等狀態(tài)。隨用戶需要而定。這類鋼的鋼號很簡單，如，45表示該鋼的wc=0.45，即碳的質(zhì)量分數(shù)為萬分之四十五。這類鋼中有三個鋼號是沸騰鋼，其鋼號尾部標有F。如08F。這類鋼中有些是錳的質(zhì)量分數(shù)超出一般規(guī)定的錳雜質(zhì)含量。其鋼號尾部標有元素符號Mn。如65Mn。這類鋼仍屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 ，不要誤認為是合金鋼。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼