材料科學基礎-鐵碳合金

第四章鐵碳合金

本章是本課程的重點章

本章目的：

1介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；

2分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結晶過程和其成分－組織－性能間關系；說明鐵碳相圖的基本應用；

3介紹各種碳鋼的牌號及應用。本章重點：（1）重要概念：鐵素體奧氏體珠光體萊氏體共晶滲碳體共析滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重要線意義；鐵碳合金中各種相的本質與特征；（3）典型鐵碳合金的結晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分—組織－性能之間的關系

§1鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金——應用最廣泛的合金一鐵碳合金中的基本相和基本組織

(一)純鐵的晶體結構與性能

1純鐵冷卻中晶體結構的變化：

1538℃1394℃912℃

L

→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

bccfccbcc

——純鐵在冷卻中經(jīng)歷兩次同素異構轉變A4A3A2(770℃)居里點(順磁性與鐵磁性轉變溫度)——具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一2純鐵的顯微組織單相的α－Fe3純鐵(工業(yè)純鐵)的性能

強度低(σb=180～230MPa);

硬度低(50HBS~80HBS)、軟;

塑性好(δ:30％～50％；

ψ:70％～80％)

鐵磁性4應用：儀器儀表用軟磁鐵芯（二）鐵碳合金中的基本相和基本組織

1

基本組元：Fe、C

2基本相：

（1）鐵素體(α或F)：

定義:C在體心立方α－Fe中的間隙固溶體但C在α－Fe中的溶解度極小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)

性能:強硬度低(50HBS~80HBS)，塑韌性好(ψ:70％～80％;

Ak=160J)——與工業(yè)純鐵同良好塑韌性→鋼中基體相（2）奧氏體(γ或A)

定義：C在面心立方γ－Fe中的間隙固溶體溶碳量較大：

0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)

性能:強硬度較低；

塑性較好,變形抗力較低,

易于鍛壓成形;

順磁性。

——熱加工(塑性變形)相

——合金化后成為室溫基體相(無磁性)；（3）滲碳體(Fe3C)Fe與C形成的金屬化合物，含6.69%C，復雜正交晶系。性能

強度低：σb=30MPa;

硬度高：800HB

無塑性：δ=0;ψ=0;

Ak=0

弱的鐵磁性(<230℃)——硬、脆→鋼中強化相3組織

Fe-C合金成分范圍寬，相構成只三個，但性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或單相或混合相存在→不同組織（1）鐵素體(F)

（2）奧氏體(A)

（3）滲碳體(Fe3C)

（4）珠光體(P)：F＋Fe3C；共析反應產(chǎn)物（5）萊氏體(Ld)：A＋Fe3C；共晶反應產(chǎn)物

（6）變態(tài)萊氏體(Ld′)：P＋Fe3C單相組織兩相組織二、Fe―Fe3C相圖分析實際組元：

Fe-Fe3CLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.530.171538℃912℃HLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008包晶線HJBLB+δH

γJ共析線PSKγS

αP+Fe3C共晶線ECFLC

γE+Fe3CES:γ相的溶解度曲線PQ:α相的溶解度曲線GS:先共析α相析出線LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008J點―包晶點

1495℃0.17%CC點―共晶點

1148℃4.3%CS點―共析點

727℃0.77%

LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008E點―γ的最大溶碳量2.11%CP點―α的最大溶碳量0.0218%C三鐵碳合金的平衡結晶過程及組織

1鐵碳合金分類LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵鋼鑄鐵按照鐵碳相圖，根據(jù)碳含量不同分為三大類：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型：（1）工業(yè)純鐵Wc＜0.0218％（2）共析鋼Wc=0.77％（3）亞共析鋼Wc=0.0218％～0.77％（4）過共析鋼Wc=0.77％～2.11％（5）共晶白口鐵Wc=4.3％（6）亞共晶白口鐵Wc=2.11％～4.3％（7）過共晶白口鐵Wc=4.30％～6.69％LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C

鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008合金①WC=0.01%的工業(yè)純鐵δ常溫下組織構成：

F+Fe3CⅢLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ合金②：共析鋼727℃時發(fā)生共析轉變：

γS(αP＋Fe3C)=P常溫下的組織構成：P不同放大倍數(shù)下P的顯微組織

珠光體中鐵素體和滲碳體的相對含量？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.008WF=SK/PK(C:0.77%wt)=[(6.69－0.77)/(6.69－0.0218)]×100%=88.7%WFe3C=1－88.7%=11.3%LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ亞共析鋼(0.4%C)常溫下的組織構成：F先共析＋PL→δL＋δ→γγ→αγ→α＋Fe3C先共析FP

亞共析鋼(0.45%C)0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計算WC=0.4%鋼中的組織組成物WF先=[(0.77－0.40)/(0.77－0.0218)]×100%=49.5%WP=1－49.5%=50.5%

——先共析F和P的含量？0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計算相組成物WF=[(6.69－0.40)/(6.69－0.0218)]×100%=94.3%WFe3C=1－94.3%=5.7%

——鐵素體和Fe3C的含量？過共析鋼(1.0%C

)L→γγγ1.0→γ0.77

+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ相構成：F+Fe3C組織構成：Fe3CⅡ+PFe3CⅡP1148727合金⑤共晶白口鐵1148℃發(fā)生共晶轉變

LC

γE+Fe3C萊氏體——Ld室溫組織：變態(tài)萊氏體—Ld′(P+Fe3C＋Fe3CⅡ)K合金⑥亞共晶白口鐵組織構成：P+Ld′2.114.30.7711487276.69⑥2.114.30.7711487276.69

合金⑦過共晶白口鐵組織構成：Fe3CⅠ+Ld′⑦LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeT

JA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃

α+Fe3C

0.4%Cα先共析+α共析+Fe3C共析

P先共析FPLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeTJA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃Fe3C+α

1%Cα共析Fe3C共析PFe3CⅡFe3CⅡPP＋Fe3CⅡ＋Ld′FF＋Fe3CⅢF先+PPP+Fe3CⅡLd′＋Fe3CⅠLd′組織構成圖LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼解釋工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵組織上的主要差別Haveabreak§4含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響鐵碳合金成分范圍與室溫平衡組織：一、碳含量對平衡組織的影響碳含量對鐵碳合金相的影響室溫下的平衡相鐵素體F+滲碳體Fe3C;隨著碳含量增加鐵素體減少，滲碳體增加；隨碳含量增加鐵碳合金組織發(fā)生變化，F(xiàn)→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Fe3CⅠ+Ld′碳含量對組織構成的影響由于生成條件不同，相雖本質未變，但形態(tài)有很大差異。鐵碳合金組織與滲碳體的變化密切相關。①一次滲碳體——規(guī)則長條狀；②共晶滲碳體粗大或魚骨狀③γ中析出二次滲碳體沿晶界④三次滲碳體常沿晶界小片二、碳含量對機械性能的影響

鐵素體是軟韌相，滲碳體是硬脆相；珠光體內層片越細，其強度越高；抗拉強度1000MPa;屈服強度600MPa延伸率10%;硬度241HBW

隨碳含量增加，鋼硬度線性提高，塑韌性下降；0.77%C時就是珠光體性能；強度先隨硬度的提高而提高，但大約當C%>0.9%后，強度反而下降；脆性二次滲碳體含碳量1%時，于晶界形成連續(xù)的網(wǎng)絡，脆性滲碳體處出現(xiàn)早期裂紋并擴展導致強度降低。共晶白口鐵由于含有大量滲碳體故強度很低。低溫Ld′塑性低至0沖擊韌性對組織敏感，硬度不敏感，硬度主要取決組成相的數(shù)量基本原因：

與構成相或組織的性能有關。

鐵素體相:軟韌相，滲碳體相：硬脆相；珠光體組織的性能介與兩者之間:強韌故工業(yè)上使用的鐵碳合金一般含碳量不超過1.3%

FPFe3Cσb(MN/m2)

23075030

δ(%)

50200

ak(J/cm2)

160300HB

80200800

【硬度】：——非組織敏感性能

主要取決于相的構成，包括組成相的硬度和相對數(shù)量，而受它們的形態(tài)的影響相對較小。相構成：F＋Fe3C

隨碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F減少，故合金硬度線性增大，從80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C)

亞共析鋼硬度與相構成或碳含量關系：

HB≈80×w(F)%+800×w(Fe3C)%【強度】：

對組織形態(tài)比較敏感。故不僅與相構成有關，更主要的與組成相形態(tài)、分布即組織構成有極大關系。亞共析鋼：

F先+P構成，均為韌性組織，強度與硬度一致。隨碳含量增加，鋼中強韌的P組織數(shù)量增加，而強硬度很低的F先不斷下降，故合金強度隨硬度增大而增大；σb＝(0.3~0.4)HB

HRC＜40σb＝8.61×103/(100-HRC) HRC＞40過共析鋼：

Fe3C先+P，為韌性組織＋脆性組織——σ與脆性組織(Fe3C先)的形態(tài)直接相關：C％<0.9%~1.0%時，σ隨C％↑而變化的趨勢與亞共析鋼類似；

C％>0.9%~1.0%后，σ隨C％↑而陡降。出現(xiàn)網(wǎng)狀Fe3CⅡFe3CⅡ為沿晶粒狀塑韌性：

Fe3C極脆相，無塑、韌性；合金塑性變形完全由F提供，隨C%增高，F(xiàn)不斷減少，故塑韌性不斷下降。思考題：

試從化學成分、相構成、組織構成等方面對工業(yè)純鐵、鋼、白口鑄鐵的機械性能進行分析、比較、解釋。切削加工性能

材料鐵素體多，硬度太軟,容易粘刀,切削熱大,影響表面粗糙度;滲碳體多的材料，硬度太大,刀具磨損嚴重。鋼的硬度為HB170～250時，切削加工性能較好。可鍛性：

低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨含碳量增加，可鍛性變差。

三、對工藝性能的影響

鑄造性：共晶成分鑄鐵鑄造性好:①流動性好，②縮孔集中,③偏析?。灰合嗑€和固相線距離越大，流動性差，分散縮孔多，偏析大，鑄造性越差。所以，鋼的鑄造性差。化學成分與澆注溫度是重要因素。解釋液態(tài)收縮，凝固收縮，固態(tài)收縮；少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、氮等元素，它們會影響到鋼的質量和性能。錳的影響脫氧劑。有益元素，碳鋼中不超過0.8%，（1）溶入鐵素體中起固溶強化；（2）形成MnS，消除硫的有害影響?！?鋼中雜質元素集鋼錠組織

一雜質元素對鋼性能的影響硅的影響

脫氧劑，有益元素，可固溶強化。鋼中碳含量不超過0.5%硫的影響

有害元素，礦石和燃料帶入，以FeS夾雜物形式存在晶界上→

造成熱加工開裂“熱脆”，

原因：形成Fe+FeS共晶，熔點為989℃，低于熱加工的加熱溫度1150℃，而導致熱加工時開裂；

若鋼中含氧量高時，還會形成熔點更低(940℃)的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。

防止熱脆：

（1）降硫：

普通碳素結構鋼要求：S≤0.040%~0.050%（2）加入適當?shù)腗n，改變硫的存在方式。Mn與S的化學親和力大于Fe，優(yōu)先形成MnS，MnS的熔點1600℃，高于熱加工溫度，可避免熱脆的發(fā)生。磷的影響

磷是有害雜質元素，它主要由礦石和生鐵等煉鋼原料帶入鋼中。

磷在鐵中固溶度較大，其在鋼中固溶強化作用很強，但同時劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌脆轉變溫度升高，稱為“冷脆”。

磷具有嚴重的偏析傾向磷有益作用是提高切削性能，它與銅共存能提高鋼的耐大氣腐蝕能力韌性降低體現(xiàn)在兩方面：(1)沖擊功Ak↓；(2)韌脆轉變溫度Tk↑韌性區(qū)脆性區(qū)韌脆轉變溫度氮、氫、氧等微量氣體的影響【氮】煉鋼時氮通過爐氣進入鋼中。鋼件快速冷卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。在隨后放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼的韌性。有害作用主要通過淬火時效和應變時效表現(xiàn)的。——稱為藍脆(因300℃左右應變時最易產(chǎn)生)——藍脆是造成船舶、橋梁災難性事故的原因之一。

消除方法：加Al形成AlN，另外它還能阻礙加熱時奧氏體晶粒的長大?！練洹繗涞奈：Β僖饸浯?；②大量細微裂紋—白點。高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫度下降，氫在鋼中的溶解度急劇降低，氫來不及逸出，過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處偏聚，并逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內應力，導致微裂紋，氫使鋼變脆的現(xiàn)象稱為氫脆——嚴重的缺陷。消除方法：鍛后緩冷。尤其對大型鍛件?！狙酢?/p>

氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，往往成為裂紋的起點，對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等影響很大。有害元素利用：S、P在易切鋼中應用，P在炮彈鋼中的應用鋼材橫斷面低倍形貌：又稱“發(fā)裂”鋼材縱斷面低倍形貌：也稱“白點”二、鋼錠的宏觀組織及其缺陷根據(jù)含氧量和放出CO程度，可將鋼錠分為鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼（氧<0.01%,常0.002~0.003%）組織致密常用于高性能要求零件

主要為表層細晶區(qū)，柱狀晶區(qū)，中心等軸晶區(qū)；鋼錠下部還有一個等軸晶組成的致密沉積錐體。主要缺陷有：縮孔、縮松、偏析、氣泡等；縮孔位于上端；縮松多出現(xiàn)在鋼錠上部和中部；氣泡包括皮下氣泡和內部氣泡；偏析主要為方框偏析和點狀偏析。方形偏析形成與鋼錠的結晶過程有關。由于選擇結晶，較多雜質聚集在柱狀晶和等軸晶區(qū)域形成區(qū)域偏析。點狀偏析的產(chǎn)生與夾雜物和氣體有關，斑點中含C和S都較高。

嚴重的點狀偏析容易在斑點處產(chǎn)生應力集中，并導致早期疲勞裂紋。堅殼帶有致密細小的等軸晶組成。蜂窩氣泡帶由分布在柱狀晶帶內的長形氣泡所構成；中心堅固帶由沒有氣泡的柱狀晶組成

二次氣泡帶在柱狀

晶間

錠心帶由粗大等軸

晶組成。沸騰鋼（氧=0.03~0.07%）含0.27%C沸騰鋼的宏觀組織：表面至心部由堅殼帶，蜂窩氣泡帶，中心堅固帶，二次氣泡帶和錠心帶五區(qū)所組成。碳鋼的分類、編號及用途碳素鋼由于價格低廉，便于冶煉、加工應用最為廣泛；在碳鋼的基礎上加入合金元素，以改善某些性能形成合金鋼一、鋼的分類按照用途分類：可分為結構鋼，工具鋼和特殊性能鋼按化學成分分類：碳鋼分為低碳鋼(<0.25%)，中碳鋼，高碳鋼(>0.6%)；合金鋼分為：低合金鋼(<5%)，中合金鋼，高合金鋼(>10%).按品質分類：以S、P含量分類，為普通質量鋼，優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼和特級優(yōu)質鋼；優(yōu)質鋼的S、P<0.035%二、鋼的編號

1）碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼

Q+屈服點數(shù)值+質量等級+脫氧方法如：Q195、Q235AF，Q235BZ；合金鋼Q345C

由A到E，磷、硫含量降低；Z鎮(zhèn)靜鋼，F(xiàn)沸騰鋼（與舊標準的對比：Q235≈A3）

屬構件用鋼，碳含量（0.06%~0.4%）

按顯微組織分類如：亞共析鋼，共析鋼，過共析鋼和萊氏體鋼；或珠光體貝氏體鋼和馬氏體鋼，奧氏體鋼；等等

2)優(yōu)質碳素結構鋼

08F、10、20:

塑韌性、焊接性好——冷沖、焊接、滲碳件調質后綜合機性好——調質件強度高、彈性極限高——彈性元件25、30、35、40、45:50、60、65:C含量(0.06%~0.70%)

用兩位數(shù)字表示(平均含碳量萬分之幾)，如45鋼表示C=0.45%；08鋼為C=0.08%；50Mn表示C=0.5%,Mn0.7~1.0%3)碳素工具鋼C含量（0.65%~1.35%）T+數(shù)字(表示碳含量千分之幾)如T8鋼,C=0.8%T7、T8：一定韌性——沖頭、錘子、鑿子T9、T10：硬度高、韌性適中；鉆頭、手鋸條、刨刀

T12(A)、T13：硬度高、韌性低;

銼、刮刀、量具又如：T8Mn—高Mn鋼C=0.8%;

T10A—優(yōu)質碳素工具鋼C=1%4)合金結構鋼數(shù)字