文檔鐵碳相圖

PAGEPAGE4§5.6鐵碳相圖和鐵碳合金

鋼(Steels)和鑄鐵(Castirons)是應用最廣的金屬材料，雖然它們的種類很多，成分不一，但是它們的基本組成都是鐵(Fe)和碳(C)兩種元素。因此，學習鐵碳相圖、掌握應用鐵碳相圖的規(guī)律解決實際問題是非常重要的。

Fe和C能夠形成Fe3C,Fe2C和FeC等多種穩(wěn)定化合物。所以，F(xiàn)e-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四個部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相圖實際上沒有應用價值（工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5％化合物Fe3C稱為滲碳體(Cementite)，是一種亞穩(wěn)定的化合物，在一定條件下可以分解為Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，鐵碳相圖常表示為Fe-Fe3C和Fe-石墨雙重相圖（圖5.6-1）。Fe-Fe3C相圖主要用于鋼，而Fe-石墨相圖則主要用于鑄鐵的研究和生產(chǎn)。這里主要分析討論Fe-Fe3C相圖，F(xiàn)e-圖5.6-1鐵碳雙重相圖【說明】

圖5.6-1中虛線表示Fe-石墨相圖，沒有虛線的地方意味著兩個相圖完全重合。

鐵具有異晶轉(zhuǎn)變，即固態(tài)的鐵在不同的溫度具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢?/p>

由于Fe的晶體結(jié)構(gòu)不同，C在Fe中的溶解度差別較大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度為2.11%，而在體心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大僅分別為0.0218%和0.09%。【說明】

圖5.6-1中虛線表示Fe-石墨相圖，沒有虛線的地方意味著兩個相圖完全重合。

鐵具有異晶轉(zhuǎn)變，即固態(tài)的鐵在不同的溫度具有不同的晶體結(jié)構(gòu)。純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變?nèi)缦拢河捎贔e的晶體結(jié)構(gòu)不同，C在Fe中的溶解度差別較大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度為2.11%，而在體心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大僅分別為0.0218%和0.09%。純鐵

純鐵的熔點1538℃，固態(tài)下具有同素異晶轉(zhuǎn)變：912℃以下為體心立方(BCC)晶體結(jié)構(gòu)，912℃到1394℃之間為面心立方(FCC),1394鐵的固溶體

碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶體稱為鐵素體(Ferrite)，用α、δ或F表示,由于δ－Fe是高溫相，因此也稱為高溫鐵素體。鐵素體的含碳量非常低（室溫下含碳僅為0.005%），所以其性能與純鐵相似：硬度(HB50~80)低，塑性(延伸率δ為30%~50%)高。鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵相同（圖5.6-2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶體稱為奧氏體(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體可以溶解較多的碳，1148℃時最多可以溶解2.11%的碳，到727℃時含碳量降到0.8%。奧氏體的硬度(HB170~220)較低，塑性(延伸率δ為40%~50%)高。奧氏體的顯微組織見圖5.6-3,圖圖5.6-3奧氏體的顯微組織圖5.6-4碳在γ－Fe晶格中的位置滲碳體(Fe3C)

滲碳體是鐵和碳形成的化合物，含碳量為6.67%（有些書上為6.69%），具有復雜的晶體結(jié)構(gòu)（圖

Fe-Fe3C相圖中的ES、PQ、GS三條特性線也是非常重要的，它們的含義簡述如下：

ES線是碳在奧氏體中的溶解度曲線。奧氏體的最大溶碳量是在1148℃時，可以溶解2.11%的碳。而在727℃時，溶碳量僅為0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，從1148℃冷到727℃的過程中，將自奧氏體中析出滲碳體，這種滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3

PQ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線。727℃時鐵素體中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃僅可以溶解7×10-7%C。所以鐵碳合金由727℃冷卻到室溫的過程中，鐵素體中會有滲碳體析出，這種滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3C

GS線是冷卻過程中，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線；或者說是加熱過程中，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線（具有同素異晶轉(zhuǎn)變的純金屬，其固溶體也具有同素異晶轉(zhuǎn)變，但其轉(zhuǎn)變溫度有變化）。

根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可以分為純鐵、鋼和白口鐵三類。純鐵——含碳量<0.0218%，顯微組織為鐵素體。2.鋼——含碳量0.0218%~2.11%，特點是高溫組織為單相奧氏體，具有良好的塑性，因而適于鍛造。根據(jù)室溫組織的不同，鋼又可以分為：亞共析鋼(Hypo-eutectoidsteel)：含碳量0.0218%~0.77%，具有鐵素體α+珠光體P的組織，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光體的相對量越多，鐵素體量越少。共析鋼(Eutectoid)：含碳0.77%，組織是全部珠光體P。過共析鋼(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%~2.11%，組織是珠光體P+滲碳體Fe3C3.白口鐵——含碳量2.11%~6.69%，特點是液態(tài)結(jié)晶時都有共晶轉(zhuǎn)變，因而具有良好的鑄造性能。但是即使在高溫也是脆性材料，不能鍛造。根據(jù)室溫組織不同，白口鐵又分為：亞共晶白口鐵(Hypo-eutecticwhiteiron)：含碳2.11%~4.30%，組織是珠光體P+滲碳體Fe3C+萊氏體Ld'共晶白口鐵(Eutecticwhiteiron)：含碳4.30%，組織是萊氏體Ld'。過共晶白口鐵(Hyper-eutecticwhiteiron)：含碳4.3%~6.69%，組織是滲碳體Fe3C+萊氏體Ld'圖5.6-6Fe-Fe3C工業(yè)純鐵在緩慢冷卻過程中發(fā)生的組織轉(zhuǎn)變主要是同素異晶轉(zhuǎn)變和Fe3CIII的析出。在冷卻過程中合金的組織轉(zhuǎn)變情況見動畫演示。室溫下工業(yè)純鐵的組織為鐵素體以及分布在晶界處極少量的三次滲碳體(Fe3CIII)。工業(yè)純鐵實際室溫組織的照片見圖5.6-2。根據(jù)Fe-Fe3C相圖，共析鋼從液態(tài)冷卻到室溫要發(fā)生三次組織轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變L→γ（奧氏體），共析轉(zhuǎn)變γ→(α+Fe3C)（珠光體P）,α中析出三次滲碳體(Fe3CIII)。具體轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。室溫下共析鋼的組織組成全部為珠光體（可以忽略Fe3CIII）。圖5.6-7圖5.6-7共析鋼的室溫組織(P)共析鋼只有一種組織（忽略Fe3CIII），即珠光體P，珠光體由α和Fe3C兩個相組成。應用杠桿定律可以計算出α和Fe3例題：計算珠光體中α和Fe3C兩個相的相對量。解：應選擇α+Fe3C二相區(qū)，共析溫度（727℃）或QFe3C=1-Qα=1-88.75%=11.25%含碳0.45%的亞共析鋼是應用十分廣泛的一種鋼，通常稱為45號鋼。45鋼在液態(tài)到室溫的冷卻過程中將發(fā)生以下轉(zhuǎn)變：勻晶轉(zhuǎn)變L0.45→L0.53+δ，包晶轉(zhuǎn)變L0.53+δ→γ0.45，同素異晶轉(zhuǎn)變γ0.45→α+γ0.77，共析轉(zhuǎn)變γ0.77→(α+Fe3C)。轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。室溫下45鋼的組織為：鐵素體α+珠光體P（α+Fe3C）。45鋼的實際室溫組織照片見圖5.6-8。所有亞共析鋼的室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成，區(qū)別僅在于相對量的差別：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光體的量越多、鐵素體的量越少。圖5.6-9和圖5.6-10分別是20鋼(0.20%C)和60鋼(0.60%C)的組織照片，可以明顯看出鐵素體與珠光體的相對量隨含碳量的變化。應用杠桿定律可以準確計算相對量的多少。圖5.6-9

20鋼的室溫組織5.6-845鋼的室溫組織圖5.6-10

60鋼的室溫組織圖例題：應用杠桿定律計算45鋼中鐵素體α和珠光體P的相對量。解：應選擇α+γ二相區(qū)，共析溫度或

QP=1-Qα=1-42.77%=57.23%同樣可以計算出20鋼：Qα=76.18%,

QP=23.82%；

60鋼：Qα=22.72%,

QP=77.28%。

過共析鋼在液態(tài)到室溫的冷卻過程中，首先進行勻晶轉(zhuǎn)變，形成單相固溶體γ；當溫度到達ES線以下時，過飽和的固溶體γ中析出滲碳體（二次滲碳體Fe3CII），奧氏體γ的成分變到共析點S(0.77%C)；共析轉(zhuǎn)變γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光體P。因此，過共析鋼的室溫組織為珠光體P(α+Fe3C)+Fe3CII。具體轉(zhuǎn)變過程見動畫演示。實際1.2%C（T12）鋼的室溫組織照片見圖5.6-11。對于過共析鋼，隨著含碳量增高，鋼中Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，造成鋼的脆性急劇增高，所以實際生產(chǎn)中使用的鋼含碳量一般都低于1.5%；另外，含有網(wǎng)狀Fe3CII的鋼不能直接使用，需要經(jīng)過鍛造（壓碎Fe3CII圖5.6-11

1.2%C過共析鋼的室溫組織圖5.6-12

1.4%C過共析鋼的室溫組織比較圖5.6-11和圖5.6-12，可以看出1.4%C鋼中的Fe3CII的量比1.2%C中明顯的多。

共晶白口鐵在從液態(tài)緩慢冷卻到室溫的過程中，首先在1148℃進行共晶轉(zhuǎn)變，液相全部凝固成為高溫萊氏體Ld（共晶組織）：

在1148℃到727℃之間，萊氏體中的奧氏體γ將按照ES線的變化趨勢析出二次滲碳體Fe3CII，而奧氏體在727℃時的含碳量降到0.77%；此時，奧氏體進行共析轉(zhuǎn)變，將全部轉(zhuǎn)變成珠光體P：.。經(jīng)過共析轉(zhuǎn)變的萊氏體，稱為低溫萊氏體，用符號Ld'表示，以區(qū)別Ld。珠光體中的滲碳體叫做共析滲碳體，共晶組織中的滲碳體叫做共晶滲碳體。所以，共晶白口鐵的室溫組織為低溫萊氏體Ld'，其組織組成為：P+Fe3C共晶+Fe3CII。圖圖5.6-13共晶白口鐵的室溫組織亞共晶白口鐵冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變與共晶白口鐵類似，只是在共晶轉(zhuǎn)變之前，液相中先結(jié)晶出奧氏體。到達1148℃時，剩余的液相成份為4.3%C，再往下面，液相的轉(zhuǎn)變就與共晶白口鐵一樣了。先結(jié)晶出來的奧氏體和共晶奧氏體一樣，在以后的冷卻過程中依次析出二次滲碳體（難以明顯看出）和進行共析轉(zhuǎn)變。室溫下亞共晶白口鐵的平衡組織為：P+Fe3CII+Ld'。圖5.6-14為實際亞共晶白口鐵的室溫組織。圖5.6-14亞共晶白口鐵的室溫組織圖中黑色樹枝狀組織為珠光體，其余為共晶組織（低溫萊氏體Ld'）。過共晶白口鐵在從液態(tài)到室溫的冷卻過程中，先從液相中結(jié)晶出來的是一次滲碳體Fe3CI，剩余的液相在1148℃進行共晶轉(zhuǎn)變。以下的過程與共晶白口鐵相同。因此，過共晶白口鐵的室溫組織為：Fe3CI+Ld’。見圖5.6-15圖5.6-15過共晶白口鐵的室溫組織圖中白色條狀組織為一次滲碳體Fe3CI，其余為共晶組織（低溫萊氏體Ld’）。所有白口鐵因含有大量的滲碳體而具有很高的硬度，極低的塑性，屬于脆性材料。在生產(chǎn)中白口鐵主要用于抗磨件，如：軋輥、犁鏵、抗磨襯板，等。另外，生產(chǎn)可鍛鑄鐵也需要先生產(chǎn)出白口鑄鐵坯件，然后通過石墨化熱處理得到可鍛鑄鐵件。所有Fe-Fe3C合金的室溫組織都是由鐵素體α和滲碳體Fe3C兩相組成，因此，把鐵素體和滲碳體稱為Fe-Fe3C合金的相組成物。

含碳量越高，合金中Fe3C的相對量越多，鐵素體α的相對量越少（見圖圖5.6-16含碳量與Fe-Fe3C合金相組成物相對量、組織組成物相對量的關系Fe-Fe3C合金的組織組成較為復雜，含碳量對組織組成的影響也較為復雜(見圖5.6-16)。碳鋼的組成相只有鐵素體和滲碳體兩種，組織組成物有先共析鐵素體、珠光體和二次滲碳體三種。由于鐵素體硬度低、塑性好，滲碳體硬度非常高、塑性為0；所以，由鐵素體和滲碳體均勻混合的珠光體具有良好的綜合性能，即具有良好的強度和硬度,同時也具有較好地塑性和韌性。對于亞共析鋼，隨著含碳量的增加，珠光體的相對量提高，鋼的強度、硬度增高，塑性、韌性下降。對于過共析鋼，隨著含碳量的增加，二次滲碳體數(shù)量增加，并且形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅造成鋼的塑性、韌性下降，同時也使強度下降；只有硬度增高。含碳量對鋼的性能的具體影響見圖5.6-17。5.6-17含碳量對熱軋鋼力學性能的影響

碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被稱為鋼鐵材料的五大元素。C,Si,Mn對鋼鐵材料是有益的，稱為合金元素；P和S則是有害元素，稱為雜質(zhì)元素。C對鋼的組織和性能的影響前面已進行了討論，下面對其余四種元素的影響作簡單介紹。

錳在碳鋼中是作為脫氧、去硫的元素加入的，一般碳鋼的含錳量為0.25%~0.8%。鋼中的錳一部分形成MnS和MnO夾雜物，其余的錳溶入鐵素體和滲碳體中。錳溶入鐵素體可以起到固溶強化的作用，從而提高鋼的強度，但是也會降低鋼的塑性。硅在碳鋼中的含量小于0.50%，硅具有較強的脫氧作用。硅溶入鐵素體可以提高鋼的強度，且塑性、韌性降低不明顯。但是，硅的含量大于0.8%時，鋼的塑性、韌性顯著下降。

硫是鋼中有害的雜質(zhì)元素（硫可以提高鋼對切削性能，所以在易切削鋼中硫是作為合金元素加入的），它是煉鋼過程中難以除盡的雜質(zhì)。硫的有害作用主要是增大鋼的熱脆性，引起鑄件產(chǎn)生熱裂紋。因此,工業(yè)上規(guī)定優(yōu)質(zhì)鋼中的硫不得超過0.04%。

鋼中的磷來源于煉鋼原料。磷對鋼的有害作用表現(xiàn)在提高鋼的冷脆性，明顯降低鋼的塑性和韌性。因此，優(yōu)質(zhì)碳素鋼含磷量不能大于0.04%。習題1.下列說法正確的是：。2.亞共析鋼的含碳量范圍是：A0.0218%-0.77%B0.77%-2.11%;C2.11%~4.3%C。3.共析鋼的室溫組織是：A珠