第3章鐵碳合金

鐵碳合金—俗稱鋼鐵材料，是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的合金。含碳量為0.0218%~2.11的稱為鋼。含碳量為2.11%~6.69%的稱為鑄鐵。第3章鐵碳合金3.1.1純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變:金屬在晶態(tài)時(shí)，晶格類型隨溫度改變的現(xiàn)象為同素異晶轉(zhuǎn)變3.1鐵碳合金基本相1394°C912°C體心立方面心立方體心立方δ-Feγ-Feα-Fe

純鐵的冷卻曲線13941538液體10006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912δ-Fe

α-Feγ-Fe純鐵的冷卻曲線℃770不同晶格原子密排程度不同，同素異晶轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致金屬體積發(fā)生變化

1、鐵素體F

碳溶入體心立方晶格-Fe中形成的間隙固溶體為鐵素體,用符號(hào)F表示。鐵素體的間隙小溶碳能力很低,727℃時(shí)最大為0.0218%，600℃下僅為0.006%。鐵素體的力學(xué)性能性能與純鐵相似。即硬度低，塑性、韌性好。

3.1.2鐵碳合金的三種基本相鐵素體

2、奧氏體A

碳溶入面心立方晶格γ-Fe中形成的固溶體稱奧氏體。用A表示。保持了面心立方晶格的晶體結(jié)構(gòu)。間隙大溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)最大為2.11%，727℃時(shí)為0.77％。

強(qiáng)度低，塑性、韌性好。奧氏體3、滲碳體Fe3C鐵與炭形成具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的金屬化合物為滲碳體。含碳6.69%,用Fe3C表示。Fe3C硬度高、塑性、韌性幾乎為零。主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。

另外兩種混合物：珠光體P：鐵素體F+滲碳體Fe3C萊氏體Ld：奧氏體A+碳體Fe3C鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體3.2鐵碳合金相圖簡化后的Fe-Fe3C狀態(tài)圖鐵碳合金相圖是平衡條件下（加熱或冷卻過程均極其緩慢），表示鐵碳合金的成分、溫度和組織三者關(guān)系的圖形。只研究含碳量0~6.69％，含碳量過大的合金無使用價(jià)值。3.2.1Fe-Fe3C相圖概述Fe-Fe3C相圖縱坐標(biāo)：溫度

橫坐標(biāo)：成分1、Fe-Fe3C相圖特性點(diǎn)

2、特性線

ACD—液相線，線上均為液態(tài)L

AECF—固相線，又稱A4線。此線以下均為固態(tài)。

AE----此線以下為單相奧氏體。

ECF—共晶線液相LC→（AE+Fe3C）共晶產(chǎn)物稱作萊氏體，用Ld表示；

A→A+Fe3CⅡ奧氏體冷卻過程中析出二次滲碳體。

ES—碳在A中的固溶線，又稱Acm線。隨溫度降低奧氏體溶碳量降低2.11%→0.77%，析出二次滲碳體

GS—A與F固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線。

PSK—共析線AS→（FP+Fe3C）共析產(chǎn)物稱作珠光體，用P表示。

PQ—碳在F中的固溶線。3、兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變：（1）共析轉(zhuǎn)變鐵碳合金中奧氏體慢冷至727℃溫度的S點(diǎn)時(shí)，發(fā)生恒溫共析轉(zhuǎn)變，即奧氏體（WC=0.77%）同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體F（WC=0.0218%）和滲碳體Fe3C（WC=6.69%），其轉(zhuǎn)變式為：

(2）共晶轉(zhuǎn)變鐵碳合金慢冷至1148℃溫度的C點(diǎn)時(shí)，發(fā)生恒溫共晶轉(zhuǎn)變，即液相鐵碳合金（WC=4.3%）同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體AE（WC=2.11%）和滲碳體Fe3C（WC=6.69%），其轉(zhuǎn)變式為:珠光體P萊氏體Ld4.鐵碳Fe-C合金分類工業(yè)純鐵——C%≤0.0218%鋼——0.0218%＜C%≤2.11%

亞共析鋼Wc＜0.77%

共析鋼Wc＝0.77%

過共析鋼Wc＞0.77%白口鑄鐵——2.11%＜C%＜6.69%

亞共晶白口鐵Wc＜4.3%共晶白口鐵Wc＝4.3%過共晶白口鐵Wc＞4.3%幾種

常見

碳鋼3.2.2典型鐵碳合金的結(jié)晶與組織轉(zhuǎn)變分析1.碳鋼的結(jié)晶與組織轉(zhuǎn)變分析(1).共析鋼的組織轉(zhuǎn)變過程合金?為共析鋼，自液相1點(diǎn)冷卻至2點(diǎn)間結(jié)晶出奧氏體A,冷卻到S點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A生成珠光體P。

AS?FP+Fe3C珠光體在光鏡下呈片狀。強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C和F之間。過程：合金→

L+A→A→P（2)亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變過程亞共析鋼Ⅱ冷卻在4點(diǎn)以前通過勻晶結(jié)晶全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體A。到4點(diǎn)，由A中析出鐵素體F

。繼續(xù)冷卻鐵素體增多到5點(diǎn)，A成分沿GS線變到S點(diǎn)，剩余A發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體。亞共析鋼的室溫組織為F+P。在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加，而鐵素體的量相應(yīng)減少。過程：合金→L+A→A→A+F→P+F(3)過共析鋼結(jié)晶過程

合金Ⅲ在1~2點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)锳，沿ES線冷卻到3點(diǎn)，A開始析出Fe3CⅡ，并沿晶界呈網(wǎng)狀分布。繼續(xù)冷卻到4點(diǎn)A1溫度時(shí)不斷增加Fe3CⅡ，A成分沿ES線變化到S點(diǎn)成分，剩余A共析轉(zhuǎn)變?yōu)镻。過共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ，F(xiàn)e3CⅡ量隨含碳量而增加。過程：合金→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ2.白口鑄鐵結(jié)晶過程1)共晶白口鑄鐵：液態(tài)合金→冷卻至C點(diǎn)1148℃---共晶結(jié)晶萊氏體Ld(A+共晶Fe3C）→冷卻至727℃---A沿ES線變化析出Fe3CⅡ，A共析生成P，還有

共晶Fe3C

合金→1148℃

Ld（共晶Fe3C+A）→727℃Ld′（共晶Fe3C+P+Fe3CⅡ）

Ld---萊氏體Ld′--低溫萊氏體2)亞共晶白口鑄鐵：液態(tài)合金轉(zhuǎn)變與上述相同，只是共晶線以上生成的部分奧氏體A不斷析出Fe3CⅡ，最后剩余的A轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏wP室溫組織：P+Fe3CⅡ+Ld′

3)過共晶白口鑄鐵：多出了最先結(jié)晶出的條狀初次滲碳體室溫組織：Fe3CⅠ+Ld′三種在組織性能：均為硬而脆。1.碳鋼合金的成分與平衡組織、力學(xué)性能的關(guān)系（1）碳鋼的組織組成物的性能特點(diǎn)平衡組織：鐵素體、珠光體和滲碳體性能關(guān)系見表3.3

表3.3鐵素體、珠光體和滲碳體的主要力學(xué)性能3.2.3碳鋼的性能及合金相圖的應(yīng)用σb抗拉強(qiáng)度δ伸長率аk沖擊韌性HBS布氏硬度

亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)硬度升高，塑韌性降低。

過共析鋼組織中有珠光體二次滲碳體含碳量為<1.0%時(shí),組織大部分部為P,其中有少量二次滲碳體，鋼的強(qiáng)硬度繼續(xù)升高。含碳量＞1.0%，出現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)狀Fe3CⅡ，強(qiáng)度下降，脆性大