第3章 鐵碳合金

同學(xué)們，下午好！第3章鐵碳合金主要教學(xué)內(nèi)容：鐵碳合金的基本相鐵碳合金相圖分析鐵碳合金的成分、組織、性能間的關(guān)系碳鋼教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：鐵碳合金相圖分析教學(xué)目的和要求：掌握鐵碳合金相圖的分析方法了解鐵碳合金的成分、組織及性能的關(guān)系學(xué)時(shí)：23.1鐵碳合金的基本相3.1.1純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變大多數(shù)金屬結(jié)晶完成后晶格類型不再發(fā)生變化。但有少數(shù)金屬，在結(jié)晶成固態(tài)后繼續(xù)冷卻時(shí)，晶格類型還會發(fā)生變化，如鐵有體心立方晶格的α-Fe和面心立方晶格的γ-Fe，鈷有密排六方晶格的α-Co和面心立方晶格β-Co。這種金屬在固態(tài)下隨溫度的變化，由一種晶格變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。由同素異晶轉(zhuǎn)變所得到不同晶格的晶體，稱為同素異晶體。在常溫下的同素異晶體一般用希臘字母α表示，較高溫度下的同素異晶體依次用β、γ、δ等表示。

圖3-1為純鐵的冷卻曲線1394℃1538℃10006008001200℃/溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-FeL727℃由圖可見，液態(tài)純鐵在1538℃結(jié)晶成具有體心立方晶格的β-Fe,在1394℃和912℃發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，分別轉(zhuǎn)變成具有面心立方晶格的γ-Fe

和具有體心立方晶格的α-Fe，其反應(yīng)式為：1394°C912°C體心立方面心立方體心立方δ-Feγ-Feα-Fe注：正是由于純鐵具有同素異晶轉(zhuǎn)變的特性，人們在生產(chǎn)中才有可能對鋼和鑄鐵進(jìn)行各種熱處理，以改變其組織和性能。固態(tài)金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，但其原子擴(kuò)散重結(jié)晶要比液態(tài)下困難的多，大體上遵循結(jié)晶的一般規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變時(shí)需要具有較大的過冷度有結(jié)晶潛熱產(chǎn)生轉(zhuǎn)變過程也是由晶核的形成與長大來完成轉(zhuǎn)變時(shí)晶體的致密度改變，引起晶體體積變化，并產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力為了區(qū)別于液態(tài)金屬的結(jié)晶，同素異晶轉(zhuǎn)變也稱為重結(jié)晶。3.1.2鐵碳合金的基本相及組織在鐵碳合金中，存在那些相及組織，決定于鐵和碳的相互作用。碳可以與鐵化合組成化合物Fe3C

，也可以溶解在鐵中形成固溶體，或者形成化合物與固溶體的機(jī)械混合物。因此在鐵碳合金中，可以出現(xiàn)以下幾種基本相及組織。鐵碳合金的基本相及組織中，鐵素體、奧氏體、滲碳體是基本相，珠光體和萊氏體則是由基本相組成的多相組織。鋼鐵材料的顯微組織一般有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、馬氏體、貝氏體、索氏體、托氏體等。除鐵素體、滲碳體和珠光體外，其他組織都是用一些著名科學(xué)家的名字命名的，以紀(jì)念他們在金屬學(xué)領(lǐng)域作出的杰出貢獻(xiàn)。1、鐵素體（F）碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體，用F表示。α-Fe是體心立方晶格，晶格間隙小，對C的溶解度小，在727℃時(shí)，其溶解度最大（ωc=0.0218%），在600℃時(shí)，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0057%,室溫時(shí)的力學(xué)性能與純鐵相似。

鐵素體顯微組織鐵素體（Ferrite）命名自拉丁文的鐵（Ferrum）。鐵素體在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒，在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布，但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí)，鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍。2、奧氏體(A)

碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體，符號A表示。γ-Fe是面心立方晶格，晶格間隙較大，故溶C能力也較大，在1148℃時(shí)，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.11%,在727℃時(shí)，C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%。奧氏體的硬度較低（170~200HB），塑性較高（δ=40~50%），易于鍛壓成形。奧氏體顯微組織奧氏體是一個(gè)高溫相，存在于727℃以上的溫度。面心立方晶格奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。奧氏體（Austenite）是為紀(jì)念英國冶金學(xué)家羅伯茨.奧斯汀(Roberts-Austen，1843～1902)對金屬科學(xué)的貢獻(xiàn)而命名。羅伯茨.奧斯汀最大的貢獻(xiàn)是繪制出了第一幅鐵碳相圖，1897年完成初稿，1899年徹底完成。羅伯茨.奧斯汀繪制的第一幅鐵碳相圖（1897年）（1900年）3、滲碳體(Fe3C）鐵與碳形成的金屬化合物，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)用化學(xué)式Fe3C。其Ｃ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%,具有很高的硬度（約1000HV），其塑性和韌性幾乎為０。滲碳體在鐵碳合金中常以片狀、粒狀和網(wǎng)狀等形式與其它相共存。它是鋼的主要強(qiáng)化相，其數(shù)量、大小、形態(tài)和分布對鋼的性能影響很大。

滲碳體的顯微組織滲碳體（Cementite）因發(fā)現(xiàn)者稱其為水泥（法語Ciment）以描述它在凝固過程中先析出晶體的粘結(jié)作用而得名。4、珠光體

（

P）——共析體它是奧氏體在冷卻過程中，在727℃的恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變得到的產(chǎn)物，因此它只存在于727℃以下。珠光體的平均含C量為0.77%,它是軟的鐵素體和硬的滲碳體組成的兩相細(xì)密混合物，其機(jī)械性能介于鐵素體和滲碳體之間，它的強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。1863年索比在英國協(xié)會紐卡斯?fàn)柲陼险故句撹F在顯微鏡下的六種不同的金相組織。當(dāng)時(shí)他已經(jīng)證實(shí):酸浸以后，鋼具有各種不同的結(jié)晶組織。索比首先在顯微鏡下觀察到由鐵素體與滲碳體兩相以層片狀相間排列組成的機(jī)械混和物，后因其具有珍珠般（Pearl-like）的光澤而被命名為珠光體（Pearlite）。為了紀(jì)念索比，將較細(xì)的珠光體稱為索氏體(Sorbite)；為紀(jì)念法國金相學(xué)家托斯特(L.J.Troost)將極細(xì)的珠光體稱為托氏體（Troostite）。珠光體、索氏體和托氏體統(tǒng)稱為珠光體類型組織，只是鐵素體與滲碳體兩相的片間距大小不同，形成溫度越低，片間距越小。片間距越小，組織的硬度越高，塑性、韌性也越好。如托氏體的硬度高于索氏體，更高于珠光體。顯微鏡組織電鏡組織珠光體5、萊氏體（

Ld）——共晶體

含碳量為4.3%的鐵碳合金，在1148℃時(shí)，從液相中同時(shí)結(jié)出奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。由于其在727℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以在室溫時(shí)，萊氏體由珠光體和滲碳體所組成。為區(qū)別起見，將727℃以上的萊氏體稱為高溫萊氏體（Ld），727℃以下的稱低溫萊氏體（Ld′）。萊氏體性能和滲碳體相似，硬度很高（＞700HB），塑性很差。萊氏體是以德國冶金學(xué)家萊德堡（AdolfLedebur，1837-1916)命名的。有關(guān)他的資料很少，他因在1882年發(fā)現(xiàn)了鐵碳合金而聞名。

萊氏體顯微組織3.2鐵碳合金（Fe__Fe3C）相圖鐵碳合金相圖是表示在極其緩慢加熱或冷卻的條件下，不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下所具有的狀態(tài)或組織的圖形。鐵與碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列穩(wěn)定化合物（獨(dú)立組元），因此，我們可以把Fe-C相圖看成是由鐵和一系列鐵的碳化物組成的二元相圖。由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%的鐵碳合金在工業(yè)上沒有實(shí)用價(jià)值，我們所研究的鐵碳合金相圖，是質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6.69%的部分。簡化的Fe-Fe3C相圖

3.2.1

Fe-Fe3C相圖分析共晶轉(zhuǎn)變：溫度1148℃，Wc=4.3%，成分為C點(diǎn)的液相，冷卻到此溫度時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)（A+Fe3C）。圖中C點(diǎn)為共晶點(diǎn)。

共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（AE＋Fe3C）稱為萊氏體，用Ld表示。

共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，由一定成分的固相同時(shí)析出兩種不同成分固相的轉(zhuǎn)變。圖中S點(diǎn)為共析點(diǎn)，Wc=0.77%.共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（FP＋Fe3C）稱為珠光體。1、Fe-Fe3C相圖中的特性點(diǎn)

表3—1簡化Fe-Fe3C相圖中的特性點(diǎn)特性點(diǎn)溫度/℃ωc（%）含義A15380熔點(diǎn)，純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔點(diǎn)，滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度點(diǎn)G9120同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)S7270.77共析點(diǎn)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0.77%—→p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度點(diǎn)Q室溫0.0008室溫下碳在α-Fe中的溶解度2、Fe-Fe3C相圖中的特性線

簡化的Fe-Fe3C相圖中的特性線特性線

含

義ACAC線

液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始線。即：L→A。CDCD線

液體向滲碳體轉(zhuǎn)變的開始線。即：L→Fe3CⅠACD線統(tǒng)稱為液相線，在此線之上合金全部處于液相狀態(tài)，用符號L表示。AEAE線

液體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了線，鐵碳合金的固相線。ECFECF水平線

共晶線。AECF線統(tǒng)稱為固相線，液體合金冷卻至此線全部結(jié)晶為固體，此線以下為固相區(qū)。GSGS線，奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開始線，

又稱A3線。GPGP線

奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的終了線。ESES線

是碳在奧氏體中的溶解度曲線。即：L→Fe3CⅡ。又稱Acm線PQPQ線

碳在鐵素體中的溶解度曲線。PSKPSK水平線

共析線（727℃），又稱A1線。3、

Fe-Fe3C相圖中的特性區(qū)1）單相區(qū)有F、A、L和Fe3C四個(gè)單相區(qū)2）兩相區(qū)五個(gè)兩相區(qū)：L＋A兩相區(qū)、L+Fe3C兩相區(qū)、A+Fe3C兩相區(qū)、A＋F兩相區(qū)、F+Fe3C兩相區(qū)3）三相區(qū)ECF共晶線是液相、奧氏體、滲碳體的三相共存線（L、A、Fe3C）PSK共析線是奧氏體、鐵素體、滲碳體的三相共存線（A、F、Fe3C）3.2.2典型鐵碳合金結(jié)晶過程分拆根據(jù)鐵碳合金的含碳量及組織的不同，可分為三大類：1）工業(yè)純鐵ωc＜0.0218%，其室溫組織為鐵素體（F）。2）鋼0.0218%＜ωc≤2.11%，又可分為：亞共析鋼0.0218%＜ωc＜0.77%，其室溫組織為珠光體+鐵素體；共析鋼ωc=0.77%，其室溫組織為珠光體（P）；過共析鋼0.77%＜ωc＜2.11%，其室溫組織為珠光體+二次滲碳體。3）白口鑄鐵2.11%＜ωc＜6.69%，又可分為以下三種：亞共晶白口鑄鐵2.11%＜ωc＜4.3%，其室溫組織為變態(tài)萊氏體+珠光體+二次滲碳體；共晶白口鑄鐵ωc=4.3%，其室溫組織為變態(tài)萊氏體（Ld′）；過共晶白口鑄鐵4.3%＜ωc＜6.69%，其室溫組織為變態(tài)萊氏體+一次滲碳體。工業(yè)純鐵是鋼的一種，其化學(xué)成分主要是鐵，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。因?yàn)樗鼘?shí)際上還不是真正的純鐵，所以稱這一種接近于純鐵的鋼為工業(yè)純鐵。一般工業(yè)純鐵質(zhì)地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。常見的有兩種規(guī)格，一種是是作為深沖材料的，可以沖壓成極復(fù)雜的形狀；另一種是作為電磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。

1、工業(yè)純鐵合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

，3-4點(diǎn)間

→

，5-6點(diǎn)間

→

。到7點(diǎn)，從

中析出Fe3C。NSJBH

L+

+

+

圖3—5

工業(yè)純鐵結(jié)晶示意圖隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。典型鐵碳合金相圖2、共析鋼的結(jié)晶過程

1點(diǎn)溫度以上，合金處于液態(tài)。緩冷到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液相結(jié)晶出奧氏體，溫度繼續(xù)下降，奧氏體量逐漸增加，直至2點(diǎn)溫度結(jié)晶終止，液相全部結(jié)晶為奧氏體。2點(diǎn)至3點(diǎn)間為單一奧氏體的冷卻。當(dāng)溫度降到S點(diǎn)（727℃）時(shí)，奧氏體在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。共析鋼在室溫下的平衡組織為100%的珠光體。其中鐵素體和滲碳體的含量可以用杠桿定律進(jìn)行計(jì)算：Fe3C=PS/PK×100%=(0.77-0.0218)/(6.69-0.0218)=11.3%

Fp

=（1-Fe3C）×100%=88.7%

共析鋼結(jié)晶過及珠光體顯微組織1點(diǎn)以上1點(diǎn)~2點(diǎn)2點(diǎn)~S點(diǎn)S點(diǎn)以下3、亞共析鋼的結(jié)晶過程

亞共析鋼在3點(diǎn)以前的結(jié)晶過程與共析鋼類似。當(dāng)緩冷到3點(diǎn)時(shí)，從均勻的奧氏體中開始析出鐵素體，溫度繼續(xù)下降，鐵素體量逐漸增加，奧氏體量逐漸減少，尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體的碳含量沿GS線逐漸增加，當(dāng)緩冷到4點(diǎn)(727℃)時(shí)，剩余的奧氏體的Wc=0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體。共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織由鐵素體加珠光體組成，冷卻到4點(diǎn)以下，組織不再產(chǎn)生改變。所有亞共析鋼的室溫平衡組織均為鐵素體+珠光體，隨著碳含量的增加，鐵素體量減少，珠光體量增加。亞共析鋼的結(jié)晶過及顯微組織

1點(diǎn)以上1點(diǎn)~2點(diǎn)2點(diǎn)~3點(diǎn)3點(diǎn)~4點(diǎn)4點(diǎn)以下0.6%C4、過共析鋼在平衡條件下的固態(tài)相變及組織過共析鋼按勻晶轉(zhuǎn)變形成單相奧氏體。當(dāng)奧氏體冷到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始沿著晶界析出二次滲碳體。由于析出了含碳量極高的二次滲碳體，使未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量減少。隨著溫度的下降，奧氏體的含碳量沿ES線變化。當(dāng)合金冷卻到2點(diǎn)時(shí)，剩余奧氏體的含碳量達(dá)到共析濃度，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成珠光體。因此，過共析鋼室溫下平衡組織由珠光體和沿晶界析出的網(wǎng)狀二次滲碳體（網(wǎng)狀碳化物）構(gòu)成。鋼的含碳量越高，二次滲碳體所占的比例越大。過共析鋼的結(jié)晶過程及顯微組織

1點(diǎn)以上1~2點(diǎn)2~3點(diǎn)3~4點(diǎn)4點(diǎn)以下5、共晶白口鑄鐵

室溫組織：珠光體+二次滲碳體+共晶滲碳