鐵碳合金相圖

1、LOGO劉伯洋鐵碳合金二元相圖鐵碳合金二元相圖海洋材料科學(xué)與工程研究院海洋材料科學(xué)與工程研究院純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線純鐵純鐵 屈服強(qiáng)度(0.2)：100170MPa 抗拉強(qiáng)度(b)：180270MPa 伸長率()：3050 斷面收縮率()；7080 沖擊韌度(K)；160200J/cm2 硬度HBS：5080 純鐵的塑性韌性好，但強(qiáng)度硬度低，很少用作結(jié)構(gòu)材料。由于純鐵具有高的磁導(dǎo)率，軟磁材料純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線奧氏體（或A）低溫鐵素體（或F）溶解碳溶解碳鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)溶解碳高溫鐵素體（）鐵素體鐵素體 鐵素體：鐵素體：是碳溶于-Fe中的間隙固溶體，用符號“”（或F

2、）表示，呈體心立方晶格，碳在-Fe中溶解度極小，在727時(shí)達(dá)到最大溶解度0.0218%。鐵素體的顯微組織為多邊形晶粒。 鐵素體性能：鐵素體性能：鐵素體的力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性、韌性好，而強(qiáng)度、硬度低。（=30%50%，AKU=128160J）, b=180280MPa，5080HBS）奧氏體奧氏體 奧氏體：奧氏體：是碳溶于-Fe中的間隙固溶體，用符號“”（或A）表示，呈面心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度要比在-Fe中大，在727時(shí)為0.77%，在1148時(shí)溶解度最大，可達(dá)2.11%。奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為7271394，顯微組織為多邊形晶粒。 奧氏體性能：奧氏體性能：相對于鐵素

3、體具有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性和韌性也好。 （b=400 MPa，170220HBS），塑性和韌性也好（=40%50%）。具有順磁性，可作為無磁鋼。 無磁鋼：沒有鐵磁性從而不能被磁化的穩(wěn)定奧氏體鋼穩(wěn)定奧氏體鋼。Fe-Mn-Al-C系列奧氏體，其電磁性能(磁導(dǎo)率)，組織穩(wěn)定，力學(xué)性能優(yōu)良，磁導(dǎo)率低而電阻率高，在磁場中的渦流損耗極小。 無磁鋼的用途： （1）石油鉆井無線隨鉆側(cè)斜系統(tǒng)(MWD)：是在油田鉆井過程中的專業(yè)定向儀器。一般用于定向井，而定向井需要測斜度及方位的，測斜時(shí)儀器在無磁鉆具內(nèi)部可以免受外界磁場的影響 從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。 （2）高壓電器和大中型變壓器油箱內(nèi)壁、鐵芯拉板、線圈夾件、螺

4、栓、套管、法蘭盤等漏磁場中的結(jié)構(gòu)件； （3）起重電磁鐵吸盤、磁選設(shè)備筒體、選箱以及除鐵器、選礦設(shè)備等；NMS-140 雙相不銹鋼 (DSS，Duplex Stainless Steel)：是指不銹鋼中既有奧氏體又有鐵素體組織結(jié)構(gòu)的鋼種，習(xí)慣稱 + 雙 相 不 銹 鋼 或 雙 相 不 銹 鋼 。 C r 含 量 在18%28%，Ni含量在3%10%。 該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。其中雙相不銹鋼的耐孔蝕性能、耐腐蝕性能優(yōu)于超低碳合金鋼（316L） 與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，導(dǎo)熱系數(shù)高，具有超塑性等特點(diǎn)。 與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶

5、間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。具有優(yōu)良的耐孔蝕性能。 主要用于海水淡化。滲碳體滲碳體 滲碳體(中間相-尺寸因素化合物-間隙化合物)：當(dāng)鐵碳合金中碳含量超過它在鐵中的溶解度限度時(shí)，多余的碳主要和鐵形成的一種具有復(fù)雜晶格的金屬化合物Fe3C。是它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69。 滲碳體性能：滲碳體性能：其力學(xué)性能特點(diǎn)是硬度高(約800HBW)，脆性大，塑性幾乎為零。 弱鐵磁性（230 ），理論熔點(diǎn)1227。 介穩(wěn)定化合物，分解：Fe3C3Fe+C（石墨碳）。 石墨：六方晶系；化學(xué)鍵：鍵+鍵 C從Fe中析出時(shí)，通常以Fe3C的形式存在，而非石墨，因?yàn)樾纬汕罢咛荚訑U(kuò)散距離短。鐵碳合金相圖鐵碳合金相

6、圖 實(shí)線：Fe-Fe3C 介穩(wěn)定系相圖 虛線：Fe-C（石墨） 穩(wěn)定系相圖 圖中各特性點(diǎn)的符號是國際通用的，不能隨意更換。 單相區(qū)5個(gè) 雙相區(qū)7個(gè) 三相區(qū)3個(gè)L+包晶轉(zhuǎn)變線（HJB）：含碳0.53%的液相與含碳0.09%的鐵素體發(fā)生反應(yīng)，生成含碳0.17%的奧氏體。 碳含量小于2.11%的合金在冷卻的歷程中，都可在一個(gè)溫度區(qū)間得到單相的奧氏體。 簡化的鐵碳相圖 對于鐵碳合金來說，由于包晶反應(yīng)溫度高，碳原子的擴(kuò)散較快，所以包晶偏析并不嚴(yán)重。但對于高合金鋼來說，合金元素的擴(kuò)散較慢，就可能造成嚴(yán)重的包晶偏析。 包晶偏析造成鋼凝固剩余有相，其與相致密度不同會造成巨大的組織應(yīng)力，使鑄坯出現(xiàn)熱裂紋，尤其對

7、連鑄坯，這種包晶鋼的熱裂紋仍是一個(gè)需要克服的難題。 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是相和Fe3C的機(jī)械混合物，稱為萊氏體（Ld）。其中Fe3C稱為共晶滲碳體。共晶相圖共晶相圖萊氏體萊氏體（組織組織） 萊氏體萊氏體：是鐵碳合金冷卻到1148時(shí)共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，是介穩(wěn)相。由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。存在于1148727之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號“Ld”表示；存在于727以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號“Ld”表示，組織由滲碳體和珠光體組成。 萊氏體性能萊氏體性能：萊氏體的力學(xué)性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體，用符號P表示。組織中的Fe3C稱為共析滲碳體。珠光

8、體珠光體 珠光體：珠光體：珠光體是奧氏體冷卻時(shí)，在727發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號“P”表示。顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織。 珠光體性能：珠光體性能：力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好。 PQ線線：碳在中的固溶度曲線。碳在中的最大固溶度： 727時(shí)c為0.0218%，600時(shí)降為0.008，300時(shí)約為0.001， 從727冷卻下來時(shí)，將析出滲碳體，稱為三次滲碳體Fe3C 770線為的磁性轉(zhuǎn)變溫度230水平線為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度。 重要固態(tài)轉(zhuǎn)變線：GS線又稱A3線，冷卻時(shí)，析出的開始線，或加熱時(shí)全部溶入的終

9、了線。：碳在中的固溶度曲線。常稱Acm線。當(dāng)溫度低于此線，將析出Fe3C、即二次滲碳體Fe3C，從液相中經(jīng)CD線析出一次滲碳體Fe3C 。鐵碳合金分類鐵碳合金分類工業(yè)純鐵亞共析鋼亞共析鋼過共析鋼過共析鋼共析鋼亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵共晶白口鐵c2.11為鑄鐵；0.0218%c2.11的為碳鋼。按Fe-Fe3C系結(jié)晶的鑄鐵，斷口呈白亮色，稱為白口鑄鐵。按Fe-C系結(jié)晶的鑄鐵，斷口呈灰色，稱灰口鑄鐵。鋼的共同點(diǎn)：在高溫下都可以進(jìn)入奧氏體單相區(qū)，鑄鐵的共同點(diǎn)：都含有共晶體。 種 類分類名稱c(%)室溫平衡組織鐵工業(yè)純鐵0.0218鐵素體；或鐵素體+三次滲碳體鋼亞共析鋼共析鋼過

10、共析鋼0.02180.770.770.772.11先共析鐵素體+珠光體珠光體先共析二次滲碳體+珠光體鑄鐵亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵2.114.34.34.36.69珠光體+二次滲碳體+萊氏體萊氏體一次滲碳體+萊氏體鐵碳合金結(jié)晶過程鐵碳合金結(jié)晶過程1234567 片狀、網(wǎng)狀沿晶界析出的滲碳體。 或粗大鐵素體中出現(xiàn)點(diǎn)狀滲碳體。組織組成計(jì)算組織組成計(jì)算0.77100%0.770.0218c先0.0218100%0.770.0218Pc30.0218100%6.690.0218Fe Cc6.69100%6.690.0218c亞共析鋼的組織亞共析鋼的組織 所有的亞共析鋼室溫組織都是由鐵素體

11、和珠光體組成，其差別僅是鐵素體與珠光體的相對量不同，Wc越高，珠光體越多，鐵素體越少。過共析鋼：先共析 Fe3C珠光體Fe3C沿晶界呈網(wǎng)狀分布，先共析二次滲碳體量：30.77100%6.690.77Fe Cc2.113:()LdFe C共晶萊氏體33:()LdPFe CFe C室溫萊氏體33Fe CFe C3.02.11100%40.6%4.32.11Ld4.33.06.692.11100%46%4.32.116.690.77P34.33.02.110.77100%13.4%4.32.116.690.77Fe C亞共晶白口鑄鐵(Wc=3%)6.695.0100%71%6.694.3Ld35.0

12、4.3100%29%6.694.3Fe C過共晶白口鑄鐵(Wc=5%)鐵碳合金的組織鐵碳合金的組織+PP+Fe3CIIPP+Fe3CII+LdFe3CI+LdLd+Fe3CIII隨著含碳量增加時(shí)，滲碳體不僅數(shù)量增加，形態(tài)和分布也發(fā)生了很大變化。（滲碳體分布在P內(nèi)網(wǎng)狀分布在晶界上形成萊氏體時(shí)，滲碳體則成了基體 。）含碳量對（含碳量對（普碳鋼普碳鋼）力學(xué)性能的影響）力學(xué)性能的影響n硬度硬度 WC增加，硬度增加；n強(qiáng)度強(qiáng)度 WC1%時(shí)，WC增加，強(qiáng)度降低；n塑性、韌性塑性、韌性 WC增加，塑性、韌性下降；n為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強(qiáng)度和塑性、韌性，碳素鋼的含碳量一般不超過1.4% 。思考題思考題

13、隨著鋼中碳含量的增加，鋼中的滲碳體增多，硬度也隨之升高，基本上呈直線上升。 在Wc0.8以前，強(qiáng)度也是呈直線上升的。但在Wc0.8以后，隨碳量的繼續(xù)增加，組織中將會出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體，致使強(qiáng)度很快下降。在Wc0.8時(shí)，組織全為珠光體，所以T8強(qiáng)度最高。 含碳量少，鐵素體多，塑性好，所以塑性直線下降。 綜上所述，T12鋼的硬度最高，45鋼的硬度最低；T12的塑性最差，45鋼塑性最好；T8鋼均居中，而T8鋼的強(qiáng)度最高。45、T8、T12鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性有何不同？綁軋物件一般用鐵絲（鍍鋅低碳鋼絲），而起重機(jī)吊重物卻綁軋物件一般用鐵絲（鍍鋅低碳鋼絲），而起重機(jī)吊重物卻用鋼絲繩（用用鋼絲繩（用 6060

14、、6565、7070、75 75 等鋼制成）等鋼制成） 綁軋物件的性能要求有很好的韌性，因此選用低碳鋼有很好的塑韌性，鍍鋅低碳鋼絲； 而起重機(jī)吊重物用鋼絲繩除要求有一定的強(qiáng)度，還要有很高的彈性極限，而60、65、70、75鋼有高的強(qiáng)度。這樣在吊重物時(shí)不會斷裂。鍛造鑄造組織經(jīng)過鍛造方法熱加工變形后使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔等壓實(shí)和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。 鋼的可鍛性首先與含碳量有關(guān)，低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加?？慑懶灾饾u變差。（C%2.11%）一般要把鋼材加熱到始鍛溫度（固相線以下100

15、200，約11501250）下，在奧氏體區(qū)進(jìn)行鍛造。鋼液的流動性隨含碳量的提高而提高。鑄鐵流動性總是比鋼好。共晶成分的鑄鐵因其結(jié)晶溫度最低，同時(shí)又是在恒溫下凝固，結(jié)晶的溫度間隔為零，所以流動性最好。適合鑄造：2.11%4.3%，流動性好。適合熱處理：0.0218-2.11%，有固態(tài)相變。鐵碳相圖的應(yīng)用鐵碳相圖的應(yīng)用 塑 性 、 韌 性 高 的 材 料 ， 選 用 鐵 素 體 低 碳 鋼（Wc0.25%） 強(qiáng)度、塑性和韌性等均好的材料，應(yīng)選用組織為鐵素體和珠光體的中碳鋼（0.25%WcWc0.6%） 形狀復(fù)雜的及其底座和箱體等零件，可選用熔點(diǎn)低、流動性號的鑄鐵材料，成分為共晶或接近于共晶。雜質(zhì)元

16、素的影響雜質(zhì)元素的影響 碳鋼：是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc2.11%，并含有少量硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。 Mn的影響:由煉鐵原料鐵礦石及煉鋼時(shí)加脫氧劑（錳鐵）中帶入的 Mn能溶于鐵素體中，形成含錳鐵素體，也能溶于滲碳體，形成合金滲碳體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使強(qiáng)度、硬度提高。 錳能增加珠光體的相對含量，并細(xì)化珠光體，提高鋼的強(qiáng)度。 錳能降低S對鋼的危害。 一般碳素鋼中把錳控制在小于0.8%。 Si的影響 Si主要來自原料生鐵和硅鐵脫氧劑。 Si比錳脫氧能力強(qiáng)，硅溶于F，具有固溶強(qiáng)化作用，提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但會使塑性和韌性降低。 硅在碳素鋼中一般小于0.5%。 硅與氧的親和力很強(qiáng)，形成氧化硅在

17、鋼中以夾雜物形式存在，影響鋼的質(zhì)量。 S的影響： 由礦石和燃料帶入鋼中。 S在鋼中與Fe化合成 FeS，而 FeS又與Fe形成低熔點(diǎn)（985）的共晶體，分布于奧氏體晶界上。當(dāng)鋼材在11501250進(jìn)行軋制或鍛壓時(shí)，由于共晶體熔化而使晶粒分離，導(dǎo)致鋼材開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。 Mn與S形成熔點(diǎn)為1620的高溫有一定塑性的MnS，消除熱脆。 硫?qū)︿摰暮附有阅苡胁涣加绊?，容易?dǎo)致焊縫熱裂，在焊接過程中，S易于氧化生成SO2，造成焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松。 硫能提高鋼材的切削加工性，這是S的有益作用，所以在制造要求表面粗糙度較細(xì)而強(qiáng)度要求不十分嚴(yán)格的零件時(shí)，可采用含S高的易切削鋼。 P的影響： 一般說來，

18、P是有害雜質(zhì)元素，它來自于礦石和生鐵等煉鋼原料，煉鋼時(shí)難以除盡。 P在鋼中能全部溶于鐵素體，使鋼的強(qiáng)度、硬度增加、而塑性、韌性顯著降低，特別在低溫下更嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱為冷脆。其含量一般要求不大于0.045%。 P能提高切削性能和抗蝕性，故在易切削鋼中可適當(dāng)增加P含量。 磷也使鋼材的可焊性顯著降低。但磷可提高鋼材的耐磨性和耐蝕性，故在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。 氧的影響： 氧是鋼中的有害元素。氧在鋼中的溶解度很小，在鋼中，氧幾乎全部以氧化物的形式存在。鋼中各種氧化物的總量隨著鋼中含氧量增加而增加，含氧量對鋼力學(xué)性能的影響夾雜對力學(xué)性能的影響實(shí)質(zhì)上也就是氧化物夾雜對力學(xué)性能的影響。 總的來說，隨鋼中含氧量增加，鋼材的強(qiáng)度有所提高，但鋼的塑性、韌性降低，氧化物夾雜使鋼的耐腐蝕性、耐磨性降低，可焊性變差，使冷沖壓性、鍛造加工性及切削加工性變壞。氧的存在會造成鋼材的熱脆性。 氮的影響： N引起碳鋼的淬火時(shí)效和形變時(shí)效，從而對碳鋼的性能產(chǎn)生影響。由于N的時(shí)效作用，鋼的硬度、強(qiáng)度升高，塑性和韌性降低，可焊性變差，冷脆性加劇對于普通低合金鋼來說，時(shí)效現(xiàn)象是有害的，因而N是有害元素。 氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改