第五章鐵碳合金相圖和碳鋼

第五章鐵碳合金相圖和碳鋼第一節(jié)相結(jié)構(gòu)第二節(jié)Fe-Fe3C相圖分析第三節(jié)碳鋼第一節(jié)純鐵、鐵碳合金的相結(jié)構(gòu)及其性能一、純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變二、Fe-Fe3C合金的相結(jié)構(gòu)及其性能一、純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

許多金屬在固態(tài)下只有一種晶體結(jié)構(gòu)，如鋁、銅、銀等金屬在固態(tài)時(shí)無論溫度高低，均為面心立方晶格。鎢、鉬、釩等金屬則為體心立方晶格。但有些金屬在固態(tài)下，存在兩種或兩種以上的晶格形式，如鐵、鈷、鈦等。這類金屬在冷卻或加熱過程中，其晶格形式會(huì)發(fā)生變化。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

該特性是鋼鐵材料通過熱處理獲得多種組織結(jié)構(gòu)與性能的理論依據(jù)。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可概括如下：

δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccbccfcc二、Fe-Fe3C合金的相結(jié)構(gòu)及其性能1.鐵碳合金的組元⑴Fe鐵是過渡族元素，熔點(diǎn)為1538℃，密度是7.87g/cm3。⑵Fe3C是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常稱為滲碳體。含碳量6.69%，硬度很高，強(qiáng)度低，塑性韌性很差。理論熔化溫度1227℃。是介穩(wěn)定化合物，條件適當(dāng)時(shí)，會(huì)分解成單質(zhì)狀態(tài)的石墨C。2.鐵碳合金中的相⑴液相L：鐵與碳的液溶體。⑵δ相：高溫鐵素體，是碳在δ-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格，在1394℃以上存在。⑶α相：鐵素體，是碳在α-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。碳的固溶度極小。強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。⑷γ相：奧氏體，是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148℃時(shí)為2.11%。強(qiáng)度較低，硬度不高，易于塑性變形。⑸Fe3C相:滲碳體，是一個(gè)金屬化合物，根據(jù)其生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。

3.鐵碳合金的基本組織

在鐵碳合金中，由于鐵和碳的交互作用，可形成下列五種基本組織：奧氏體（A）珠光體（P）鐵素體（F）萊氏體（Ld、L′d）滲碳體（Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ

）(1).鐵素體（F）——C溶于-Fe形成的固溶體相：體心立方，C處在八面體間隙位置，用符號(hào)表示。組織：稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。含碳量：0--0.0218%(727℃)0--0.0008%(室溫)溫度范圍：<912℃力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低；塑性好。2.奧氏體（A）——C溶于-Fe形成的固溶體相：面心立方，C處在八面體間隙位置，用符號(hào)γ表示。組織：稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。含碳量：0--2.11%(1148℃)溫度范圍：727℃--1394℃力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低；塑性好。

含碳量為6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韌性幾乎為零。

主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。3.滲碳體（Fe3C）——間隙化合物4.珠光體（P）——F和Fe3C形成的機(jī)械混合物GPQSECJNBDFK+Fe3C0.77相：+Fe3C兩種相組成組織：珠光體，用符號(hào)P表示含碳量：0.77%(稱為共析鋼)溫度范圍：<727℃SP（P+Fe3C）727℃?力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度較高；塑性較好。5.萊氏體（Ld或L’d）—A（P）和Fe3C形成的機(jī)械混合物GPQSECJNBDFK+Fe3C1148℃727℃4.3相：γ（）+Fe3C兩種相。組織：高溫萊氏體或低溫萊氏體，用符號(hào)Ld或L’d表示。含碳量：4.3%(稱共晶白口鑄鐵)溫度范圍：1148℃--727℃，<727℃LCLd（

E+Fe3C）1148℃?室溫組織:L’d(P+Fe3CⅡ+Fe3C）

鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻的條件下，表明鐵碳合金成分、溫度、組織變化規(guī)律的簡明圖解，它也是選擇材料和制定有關(guān)熱處理工藝時(shí)的重要依據(jù)。第二節(jié)鐵碳合金相圖包晶轉(zhuǎn)變勻晶轉(zhuǎn)變共晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變1.鐵碳相圖中三種基本的轉(zhuǎn)變?cè)?495℃發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變1495℃LB+HγJ在1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變1148℃LCγE+Fe3C

在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變

727℃γSP+Fe3C一、鐵碳合金相圖的特征點(diǎn)、特征線2.特性點(diǎn)共晶點(diǎn)：LC1148℃Ld(A+Fe3C)共析點(diǎn)：AS727℃P(FP+Fe3C)純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：α-Fe912℃γ-Feδ-Feγ-Fe1394℃3.特性線簡化的Fe-Fe3C相圖中的特性線特性線含義ACD液相線AECF固相線GSA3線，冷卻時(shí)不同含量的A中結(jié)晶F的開始線ESAcm線，碳在A中的固溶線ECF共晶線PSK共析線ECF:共晶線，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。1148℃LC(AE+Fe3C)PSK:共析線，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。AS727℃(FP+Fe3C)A1:PSK,共析轉(zhuǎn)變線。A3:GS,奧氏體和鐵素體相互轉(zhuǎn)變線。Acm:ES,碳在奧氏體中的溶解度曲線。CD:析出一次滲碳體，由L析出Fe3CⅠ。ES:析出二次滲碳體，由A析出Fe3CⅡ。PQ:析出三次滲碳體，由F析出Fe3CⅢ。五個(gè)重要的成份點(diǎn):P、S、E、C、K。

四條重要的線:EF、ES、GS、FK。兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變:共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變。

兩個(gè)重要溫度:1148℃、727℃。二、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析

鐵碳合金分類工業(yè)純鐵：Wc≤0.0218%鋼：Wc=0.0218-2.11%亞共析鋼0.0218-0.77%共析鋼0.77%過共析鋼0.77-2.11%白口鑄鐵：Wc=2.11-6.69%亞共晶白口鑄鐵2.11-4.3%共晶白口鑄鐵4.3%過共晶白口鑄鐵4.3-6.69%三、鐵碳合金相圖的應(yīng)用1.在選材方面的應(yīng)用

相圖表明了鋼鐵材料成分、組織的變化規(guī)律，據(jù)此可判斷出力學(xué)性能變化特點(diǎn)，從而為選材提供了可靠的依據(jù)。

例如：要求塑性、韌性好、焊接性能良好的材料，應(yīng)選低碳鋼；而要求硬度高、耐磨性好的各種工具鋼，應(yīng)選用含碳量較高的鋼。

例如：用于建筑結(jié)構(gòu)的各種鋼需要塑性、韌性好的材料，應(yīng)選用Wc﹤0.25%的鋼材。機(jī)械工程中的各種零部件需要兼有較好強(qiáng)度、塑性和韌性的材料，應(yīng)選用Wc=0.30%-0.55%范圍內(nèi)的鋼材。而各種工具卻需要硬度高，耐磨性好的材料，則多選用Wc=0.70%-1.2%范圍內(nèi)的高碳鋼。2.在鑄造方面的應(yīng)用

從鐵碳合金相圖可以看出，共晶成分的鐵碳合金熔點(diǎn)最低，結(jié)晶溫度范圍最小，具有良好的鑄造性能。因此，鑄造生產(chǎn)中多選用接近共晶成分的鑄鐵。根據(jù)鐵碳合金相圖可以確定鑄造的澆注溫度，一般在液相線以上50-100℃，鑄鋼（Wc=0.15%-0.6%）的熔化溫度和澆注溫度要高得多，其鑄造性能較差，鑄造工藝比鑄鐵的鑄造工藝復(fù)雜。3.在鑄造方面的應(yīng)用

由鐵碳相圖可知鋼在高溫時(shí)處于奧氏體狀態(tài)，而奧氏體的強(qiáng)度較低，塑性好，有利于進(jìn)行塑性變形。因此，鋼材的鍛造、軋制等均選擇在單相奧氏體的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。第三節(jié)碳鋼鋼：以鐵為主要元素，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc﹤2.11%并含有少量硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。非合金鋼低合金鋼合金鋼

在鐵碳合金相圖中，處于P和E點(diǎn)之間成分（0.0218%---2.11%）的合金稱為碳素鋼。

新的鋼分類中已經(jīng)用“非合金鋼”一詞取代“碳素鋼”，但由于許多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是在新的《鋼分類》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之前制訂的，所以，為便于銜接和過渡，非合金鋼的介紹仍按原常規(guī)分類進(jìn)行。一、含碳量對(duì)鋼組織和力學(xué)性能的影響1.含碳量對(duì)鋼組織的影響2.含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響

隨著鋼中含碳量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性和韌性下降，這是由于組織中滲碳體量不斷增多，鐵素體量不斷減少的緣故。

工業(yè)上使用的鋼含碳量一般不超過1.4%；而含碳量超過2.11%的白口鑄鐵，組織中大量滲碳體的存在，使性能硬而脆，難以切削加工，一般以鑄態(tài)使用。二、雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響

實(shí)際使用的非合金鋼并不是單純的鐵碳合金，由于冶煉時(shí)所用原料以及冶煉工藝方法等影響，鋼中總不免有少量其他元素存在，如硅、錳、硫、磷、銅、鉻、鎳等，這些并非有意加入或保留的元素一般作為雜質(zhì)看待。它們的存在對(duì)鋼的性能有較大的影響。1.錳（Mn）來自煉鋼生鐵及脫氧劑錳鐵。含量：0.25%—0.80%影響：溶于鐵素體，形成置換固溶體，使鐵素體強(qiáng)化；溶于滲碳體，形成合金滲碳體，提高硬度；形成MnS，減輕硫的有害作用。2.硅（Si）來自煉鋼生鐵及脫氧劑硅鐵。含量：0.10%—0.40%影響：溶于鐵素體，使鐵素體強(qiáng)化；形成FeO，改善鋼質(zhì)。3.硫（S）來自生鐵，煉鋼未消除。影響：形成FeS,提高鋼的脆性；FeS和Fe形成低熔點(diǎn)的共晶體，產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象?？商岣咪摰暮i量，形成MnS,避免熱脆現(xiàn)象。4.磷（P）來自生鐵，煉鋼未消除。影響：溶于鐵素體，強(qiáng)化鐵素體；會(huì)產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象；三、碳鋼的分類三、常用碳鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼Wc=0.09%--0.33%WMn=0.37%--0.65%Ws≤0.035--0.05%Wp≤0.035%--0.045%Wsi=0.30%化學(xué)成分：牌號(hào)：屈服點(diǎn)的字母屈服點(diǎn)數(shù)值質(zhì)量等級(jí)符號(hào)脫氧方法QMPaABCDFb

2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Wsp≤