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铁碳合金相图 1 主要内容 铁碳合金的相结构铁碳合金相图碳钢与铸铁铁碳合金相图的应用及其局限 2 第一节铁碳合金的相结构 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的 Fe 随后随着温度的降低发生同素异构转变 得到面心立方晶格的 Fe 再冷却生成体心立方晶格的 Fe 碳溶入 Fe和 Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体 当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时 则会出现金属化合物相Fe3C 称为渗碳体 碳原子溶入 Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体 它在1394 以上的高温出现 对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响 故不作为铁碳合金的基本相 铁碳合金相图的基本组成相是铁素体 奥氏体和渗碳体 3 4 一 铁素体 碳原子溶入 Fe中形成的间隙固溶体 称做铁素体 由于体心立方晶格的 Fe的晶格间隙半径只有0 036nm 而碳原子半径为0 077nm 所以碳在铁素体中的溶解度很小 在727 时最大固溶度为0 0218 而在室温时固溶度几乎降为零 因此 常温下铁素体的力学性能与纯铁相近 其数值如下 抗拉强度 b180 280Mpa 屈服强度 S100 170Mpa 断后伸长率A11 330 50 冲击韧性 K160 200J cm2 布氏硬度HB50 80HBS 由此可见 铁素体有优良的塑性和韧性 但强度 硬度较低 在铁碳合金中是软韧相 铁素体是912 以下的平衡相 也称做常温相 在铁碳相图中用符号F或 表示 5 二 奥氏体 碳原子溶入 Fe中形成的间隙固溶体 称做奥氏体 具有面心立方晶格的 Fe的晶格间隙半径为0 052nm 比 Fe的间隙稍大 在1148 时碳原子在其中的最大固溶度为2 11 随着温度的降低 碳在 Fe中的固溶度下降 在727 时是0 77 共析点 奥氏体是727 以上的平衡相 也称高温相 在高温下 奥氏体具有极好的塑性 所以在此相区具有良好的热轧 锻造等热加工工艺性能 在铁碳合金相图中 奥氏体通常用符号A或 表示 6 三 渗碳体 渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙化合物 属于复杂八面体结构 含碳量6 69 渗碳体的硬度高达HB800 但脆性大 塑性和韧性几乎是零 在铁碳合金中 它是硬脆相 是碳钢的主要强化相 渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能影响很大 它在铁碳合金中可以呈片状 粒状 网状和板状形态存在 在高温时 钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应 析出石墨态的碳 反应式如下 Fe3C 3Fe C 石墨 7 一 相图图形介绍 在铁碳合金系中 含碳量高于6 69 的铁碳合金脆性大 没有使用价值 因此只研究含碳量小于6 69 的这一部分 通常称为铁碳合金相图 也称Fe Fe3C相图 如图2 1所示 在Fe Fe3C相图中 较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元 相图有三个部分组成 左上角为包晶相图 包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图 但是在1400 以上发生反应 在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响 故不予研究 Fe Fe3C相图可简化为图2 2形式 第二节铁碳合金相图 8 图2 2简化的Fe Fe3C相图 9 L4 3A2 11 Fe3C 相图的右上部为共晶相图 在1148 时 含碳量4 3 的合金发生共晶反应 A0 77F0 0218 Fe3C 以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织 称为珠光体 以符号P表示 以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织 称为莱氏体 以符号Ld表示 相图的左下部为共析相图 共析相图与共晶相图相似 所不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相 产物称作共晶体 而共析相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相 产物称作共析体 在铁碳合金中 含碳0 77 的奥氏体在727 时发生共析反应 10 二 相图中点 线和相区的意义 珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织 其力学性能数据如下 布氏硬度HB180 280HB 断后延伸率A11 320 25 冲击韧性aK30 40J cm 抗拉强度 b750 900Mpa 铁碳合金相图中主要点的温度 含碳量及含义见下表 由此可见 珠光体力学性能介于铁素体与渗碳体之间 具有较好的塑性和韧性 强度较高 硬度适中 正火后便可得到珠光体组织 11 铁碳合金相图中各主要线的意义 AECF为固相线 若温度低于AECF线时 铁碳合金凝固为固体 ECF为共晶线 若含碳量在ECF线的范围 2 11 6 69 内 铁碳合金在1148 时即发生共晶反应 形成莱氏体 ES为碳在奥氏体中溶解度曲线 简称Acm 从该线可以看出 在1148 时碳在奥氏体中的最大溶解度为2 11 在727 时 溶解度为0 77 随着温度降低 碳在奥氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体 从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体 Fe3C 从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体 Fe3C 从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体 Fe3C GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线 简称A3线 GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线 PSK为共析线 简称A1线 若含碳量在PSK线的范围 0 0218 6 69 内 奥氏体在727 时必然发生共析反应 形成珠光体 12 PQ为碳在铁素体中溶解度曲线 从该线可以看出 在727 时碳在铁素体中的最大溶解度为0 0218 在600 时溶碳量约为0 0057 在室温仅能溶解碳0 008 可忽略不计 故一般铁碳合金凡是从727 缓冷至室温时 均会从铁素体中析出渗碳体 称此渗碳体为三次渗碳体 Fe3C 因三次渗碳体数量极少 对力学性能影响不大 常予忽略 对于一次 二次 三次渗碳体 仅在其来源 大小和分布上有所不同 但其含碳量 晶体结构和性能均相同 简化的铁碳合金相图共有一个液相和三个固相 在相图中分别占有四个单相区 即L A F及Fe3C 渗碳体是铁碳相图的基本组成相 它的成分是固定不变的 因此在相图上它的相区仅是一条竖直线 相图中有五个双相区 即L A L Fe3C A F A Fe3C F Fe3C 相图中的两条水平线是三相平衡线 线上有三个点 分别与各个单相区以点相连接 当发生三相平衡反应时 三个平衡相的成分即这三个点的成分 说明了在相变过程中相变温度和各组成相的相对含量是固定的 从相图可以看出 含碳量大于0 008 时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F Fe3C相区内 即合金的相结构都要由这两相组成 但这两个相的相对量不同 相的形态和分布不同 即组织不同 合金的性能变化很大 13 三 典型合金结晶过程及室温组织 工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁 碳钢和铸铁三大类 它们的区别在于含碳量的不同 含碳量小于0 0218 的 称为工业纯铁 含碳量大于0 0218 而小于2 11 称为碳铁 含碳量大于2 11 而小于6 69 的 称为铸铁 在分析铁碳合金的平衡组织时 按照组织的不同 习惯将碳钢分为共析钢 亚共析钢 过共析钢 将铸铁分为共晶白口铁 亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金 如图2 3所示 14 一 共析钢 上图中合金 称为共析钢 其含碳量为0 77 当温度在1点以上时 合金为液相 温度降至1点时 开始从液相中析出奥氏体 温度降至1 2点之间时 从液相中不断析出奥氏体 它的特点是液相不断减少 固相奥氏体不断增加 剩下的液相的成分沿AC线变化 奥氏体的成分沿AE线变化 当温度降至2点时 合金全部结晶成奥氏体 温度降至2 3点之间时 合金为单相奥氏体 温度降至3点 即共析点S时 含碳量0 77 的奥氏体在727 温度下发生共析反应 从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C 两相所组成的共析组织即珠光体P 15 珠光体是在727 恒温下生成的 温度降到室温时组织基本不发生变化 只是铁素体的含碳量从0 0218 降至几乎为零 碳则以微量的三次渗碳体的形式析出来 L L AP 图2 5共析钢的珠光体组织500 x 共析钢的结晶过程如图2 4所示 珠光体的显微组织如图2 5所示 铁素体与渗碳体呈层片状相间而生 有类似贝壳的光泽 故名珠光体 共析钢的结晶过程用反应式表示为 16 二 亚共析钢 含碳量低于0 77 的钢称为亚共析钢 以图2 3中合金 为例 亚共析钢的结晶过程 如图2 6所示 合金从液相冷却到1 2点以后 逐渐结晶出固相的奥氏体 温度继续降至2 3点之间时 完全转变为单相奥氏体 当温度降至3点时 开始从奥氏体中析出铁素体 铁素体首先在奥氏体的晶界上形核 随着温度降低而长大 温度降至3 4点时 根据杠杆定律可以计算出结晶出的先共析铁素体含量为4S PS 剩下的奥氏体相的量为P4 PS 温度降至4点时剩下的奥氏体成分和温度已具备珠光体转变的条件 在727 时发生共析反应 转变为珠光体 这样 亚共析钢奥氏体的一部分转变为先共析铁素体 图2 7中白色晶粒 另一部分转变为珠光体组织 图2 7中黑色部分 温度继续降至室温时 显微组织基本不变 析出的三次渗碳体可忽略不计 即为铁素体加珠光体 F P 17 18 铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区的PS线上计算出 合金 中 珠光体组织含量为 QP P4 PS 100 先共析铁素体含量为 QF 1 QP或QF 4S PS 100 随着亚共析钢含碳量的增加 组织中的珠光体量增加 从0 增加到100 当含碳量增加到0 77 时 珠光体为100 即共析钢组织 珠光体中的铁素体 称作共析铁素体 渗碳体称作共析渗碳体 室温时 铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体 可以利用杠杆定律在F Fe3C的两相区中计算出亚共析钢中铁素体与渗碳体的含量 称作相的相对含量 QF 总 6 69 6 69 0 0218 100 QFe3C 1 QF 总 其中QF 总 为先共析铁素体与共析铁素体之和 式中 亚共析钢的含碳量 亚共析钢的结晶过程可用反应式表示 L L A A F A F P 19 含碳量在0 77 2 11 的碳钢 称为过共析钢 以图2 3中合金 为例 过共析钢的结晶过程如图2 8所示 合金从液相冷却至1 2点以后 结晶出奥氏体 温度继续降至2 3之间时 全部转变为奥氏体 温度降至3点时 碳在奥氏体中溶解度达到饱和 温度降低至3 4时 开始析出Fe3C 即为二次渗碳体Fe3CII Fe3CII沿着奥氏体晶界析出 室温下过共析钢的显微组织如图2 9所示 图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗碳体 深色部分的组织为珠光体 温度降至4点 727 时 析出的二次渗碳体可用杠杆定律在A Fe3C两相区SK线上计算出来 三 过共析钢 20 含碳量1 2 的过共析钢的显微组织200 x含碳量1 4 的过共析钢的显微组织200 x图2 9 21 式中 过共析钢的含碳量剩余的奥氏体量为1 QFe3CII 其成分已沿着ES线变化至S点 已具备珠光体转变的条件 在共析点727 时发生共析反应 转变为珠光体 珠光体组织的相对量即为剩余奥氏体的量 QP 1 QFe3CII或QP 利用杠杆定律可以在F Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量 QF QP 6 69 0 77 6 69 0 0218 QFe3C 1 QF QFe3CII L L A A Fe3CII AFe3CII P 这样计算出的QFe3C为二次渗碳体与共析渗碳体之和 过共析钢的结晶过程可用反应式表示为 22 四 共晶白口铁 图2 3中合金 称为共晶白口铁 含碳量为4 3 其结晶过程如图2 10所示 自液相冷却至1点 即降至共晶温度1148 时 发生共晶反应 从液相中同时析出含碳量为2 11 的奥氏体和含碳量为6 69 的渗碳体的共晶体组织 这种机械混合物组织称为莱氏体用符号Ld表示 莱氏体组织为球状或短杆状的奥氏体均匀分布在渗碳体基体上 温度从1点继续下降时 共晶体中奥氏体的碳溶解度下降 不断析出二次渗碳体 温度降至727 时 奥氏体中的含碳量已降至0 77 此时 奥氏体具备了共析转变的条件 转变为二次渗碳体以及珠光体组织 这样 共晶白口铸铁中的莱氏体组织形态不变 只是其中球状和短杆状的奥氏体转变成了二次渗碳体和珠光体 而且二次渗碳体又与一次渗碳体融为一体 不大容易分辨 这种由一次渗碳体 二次渗碳铁和珠光体组成的组织称为低温莱氏体 用L d表示 其显微组织如图2 11所示 共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为 LA Fe3CI A Fe3CII Fe3CI L d P Fe3CII Fe3CI 23 24 五 亚共晶白口铁 含碳量高于2 11 低于4 3 的合金称为亚共晶白口铁 以图2 3合金5为例 亚共晶白口铁的结晶过程如图2 12所示 在共晶反应之前 即1 2之间 从液相中已先结晶出一部分初生奥氏体A 其形态如树枝状 图2 12 冷却到2点时 剩下液相的温度和成分已具备共晶反应的条件 遂转化为莱氏体Ld A与Ld的相对量可利用杠杆定律从L A相区EC线上计算出 初生A Ld的组织形态冷却至室温时变化不大 只是温度在1148 以下时 初生奥氏体中都要析出Fe3CII 冷却至727 时 即3点时 又具备了共析反应的条件 转变为珠光体 室温的显微组织为二次渗碳体 珠光体及低温莱氏体 如图2 13所示 合金的结晶过程可用反应式表式为 25 图2 13亚共晶白口铁的室温组织200 x图中黑色树枝状组织为珠光体 其余为共晶组织 26 六 过共晶白口铁 含碳量为4 3 6 69 的铁碳合金 称为过共晶白口铁 以图2 3中合金 为例 过共晶白口铁的结晶过程如图2 14所示 从1点开始自液相中结晶出呈板条状的一次渗碳体Fe3CI 剩下的液相在2点1148 转变为莱氏体Ld 所生成的Fe3CI Ld的组织冷却至室温时形态变化不大 过共晶白口铁室温时的显微组织为板条状的一次渗碳体及低温莱氏体 如图2 15所示 L L Fe3CLd Fe3CIL d Fe3CI 27 28 第三节碳钢与铸铁 含碳量小于0 0218 的铁碳合金称为工业纯铁 它的力学性能与铁素体基本相同 有良好的塑性和韧性 较低的强度与硬度 在亚共析钢中 室温组织为铁素体 珠光体 而在过共析钢中 组织则为珠光体 渗碳体 含碳量的变化 室温组织即变化 随之碳钢性能不同 含碳量对碳钢组织的影响见图3 1 含碳量对力学性能的影响见图3 2 从图中可以看出 当含碳量增加后 碳钢的强度和硬度升高 而塑性和韧性下降 碳的质量分数小于2 11 而大于0 0218 且不含有特意加入的合金元素的钢称为碳钢 目前使用的金属材料中 碳钢占有重要地位 工程中使用的碳钢均含有锰 硅 硫 磷等元素 一碳钢 碳 锰 硅 硫 磷是碳钢中的常存元素 统称五大元素 炼钢时要对上述元素含量进行分析和控制 它们的含量对碳钢的性能有较大的影响 一 钢中常存元素对碳钢性能的影响 1 碳的影响 29 图3 1含碳量对碳钢组织的影响 图3 2含碳量对碳钢力学性能的影响 含碳量的增加 碳钢中的渗碳体也在不断的增加 但是 当含碳量超过0 9 后 由于游离状态的二次渗碳体沿晶界析出 这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒 降低了晶界之间的结合力 使钢的脆性增加 反而使碳钢强度逐渐下降 工程上已很少使用含碳量大于1 4 的碳钢 30 2 锰的影响锰在碳钢中是作为脱氧 去硫的元素加入的 一般碳钢的含锰量为0 25 0 8 钢中的锰一部分形成MnS和MnO的夹杂物 其余的锰溶入铁素体和渗碳体中 锰溶入铁素体中起到固溶强化的作用 从而提高钢的强度 锰是有益元素 3 硅的影响硅与锰相似 具有较强的脱氧作用 硅溶入铁素体中可提高钢的强度 且塑性 韧性降低不明显 但含量大于0 8 时 钢的塑性 韧性显著下降 一般控制钢中硅含量在0 5 以下 4 硫的影响硫是炼钢过程中难以除尽的杂质元素 易以FeS的形式与Fe形成低熔点的共晶体并附在晶界上 这种共晶体熔点为958 使得在1100 1200 时热轧 热锻的钢材易产生热裂纹并报废 称为热脆性 在钢中的含量应控制在0 04 以下 但硫可以改善钢的被切削性能 所用在易切削钢中硫是作为有益元素加入的 5 磷的影响磷来源于炼钢原料 为杂质元素 它可以溶入铁素体中而提高钢的冷脆性并使钢的塑韧性明显降低 在钢中的含量不得超过0 04 31 除了上述常存的元素外 还有氢 氧 氮等残存与钢中 这些气体易形成白点 气孔和非金属夹杂物 特别是氧化物夹杂SiO2 MnO等 这些缺陷的存在 均降低钢材质量 二 常见合金元素对钢性能的影响 在机械制造中 对工件的性能要求愈来愈高 碳钢已不能满足 就必须添加合适的合金元素以改善材料的性能 1 由碳钢制成的零件尺寸不宜太大 否则 因淬透性不够而不能满足工件对强度 硬度与塑韧性良好配合的要求 加入合金元素可提高淬透性 2 用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求 用合金工具钢 高速钢和硬质合金可满足 3 碳钢不能满足特殊性能的要求 如耐热 耐低温 抗腐蚀 有强烈磁性或无磁性等 只有特种的合金钢才能具有这些性能 32 Cr提高钢的淬透性 并有二次硬化作用 增加钢的耐磨性 含量超过12 时 钢具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性 是不锈钢及耐热钢的主要合金元素 铬在调质合金钢中的主要作用是提高淬透性 使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能 在渗碳钢中可以形成含铬的碳化物 从而提高材料表面的耐磨性 Mo提高钢的淬透性 在调质钢中 钼能使较大截面的零件淬深 淬透 提高钢的回火稳定性 从而更有效地降低残余应力 提高塑性 在渗碳钢中 钼能在表面渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向 减少渗碳层中残余奥氏体 相对地增加了表层的耐磨性 Mn锰是良好的脱氧剂和脱硫剂 锰和铁形成固溶体 提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度 可以使钢的调质组织均匀 细化 可以避免渗碳层中碳化物的聚集成块 但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向 33 二铸铁 铸铁是含碳量在2 11 6 69 的铁碳合金 碳以渗碳体形式存在的铸铁 断口呈银白色 称为白口铸铁 碳以全部或大部分片状石墨形态存在 断口呈灰暗色 称为灰口铸铁 一 概述 铁碳相图中 渗碳体Fe3C作为一个组元是较稳定的相 但在铁碳合金中 它仍是个亚稳相 石墨才是稳定的相 在工业上应用的铸铁中 碳一般都是以石墨状态存在 这使得铸铁有许多优点 1 优良的铸造性能浇注的温度低 流动性好 偏析倾向小 收缩率小 2 优良的减震性由于石墨的存在 便于吸收机械振动能 使之变为热能 因此铸铁具有优良的减震性 特别适合制作各种机床床身 设备底座等 3 良好的切削加工性能由于石墨割裂了基体的连续性 铸铁在切削时易于断屑 所以铸铁有很好的切削加工性能 铸铁的强度 塑性 韧性都很差 属于脆性材料 这是铸铁的根本缺点 它的导热性差 焊接性差 因此铸铁不适合制作各类结构件和重要零件 34 影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度 碳和硅是促进石墨化的主要元素 碳和硅的含量越高 铸铁的石墨化越充分 其次是冷却速度 铸铁件的冷却速度快时 易生成Fe3C而白口化 冷却速度慢时 铸铁件易于石墨化 铸铁中析出石墨后 若石墨化进行得彻底 将得到铁素体基体及石墨的组织 若石墨化不完全 则得到铁素体及珠光体基体和石墨的组织或珠光体和石墨的组织 铸铁的组织是在钢的基体上分布着大小和形状不同的石墨 由于石墨形态不同 铸铁可分为灰口铸铁 可锻铸铁和球墨铸铁 二 铸铁的石墨化 35 三 铸铁分类 球墨铸铁是通过球化和孕育处理得到球状石墨 有效地提高了铸铁的机械性能 特别是提高了塑性和韧性 其综合性能接近于钢 微观组织如图3 3所示 球墨铸铁的牌号用符号QT及数字表示 QT表示球墨铸铁 数字表示球墨铸铁的抗拉强度和延伸率的最低值 例如 QT600 02表示 b 600MPa A 2 可锻铸铁是白口铸铁在高温下长时间保温获得的 所以生产周期长 成本高 现已逐渐被球墨铸铁取代 灰口铸铁是目前使用最广泛的铸铁 占铸铁总量的80 36 由于球墨铸铁中石墨多为球状 大大减少了铸铁的应力集中 具有优良的力学性能 而且工艺简单 成本低 所以广泛应用于制造各种机械零件 如发动机曲轴 连杆 轴瓦 齿轮 汽轮机汽缸等 图3 3球墨铸铁正火后组织400 x 球墨铸铁正火后组织说明 基体为珠光体加断续状铁素体 石墨为黑色球状 37 第四节铁碳合金相图的应用及其局限 一铁碳合金相图的应用 一 选材方面的应用 对于需要具有良好的塑性 韧性的材料如厂房结构 冷却塔 则可选用铁素体组织多的低碳钢 C 0 1 0 25 对于要求综合机械性能较高的材料即强硬度 塑韧性都较好如轴 齿轮 则可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢 C 0 25 0 65 对于需要硬度高 耐磨性好的材料时如工具 轴承 则可选含碳量更高的其组织是珠光体加渗碳体的高碳钢 C 0 8 1 4 铁碳合金相图很好地反映了材料成分与组织之间的关系 铁碳合金相图在选择材料 金属加工 热处理以及选配合金钢 合金铸铁等方面有着重要作用 如图4 1所示 38 二 锻造方面的应用 钢处于奥氏体状态时强度低 塑性好 因此热锻 热轧选在单相奥氏体区内进行 一般始锻 始轧温度控制在固相线以下100 200 范围内 温度高时 钢的变形抗力小 但温度不能过高 以防钢材过热 过烧 终锻 终轧温度不能过低 以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂 亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上 避免变形时出现大量铁素体 而使强度降低 我公司始锻温度为1100 1200 终锻温度为900 1000 三 热处理方面的应用 铁碳相图对于制定热处理工艺有着特别重要的意义 一些热处理工艺如退火 正火 淬火的加热温度都是依据铁碳相图确定的 钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类 常用整体热处理工艺有正火 退火 淬火和回火 俗称 四把火 表面热处理分为表面淬火与化学热处理两类 39 正火 正火是将钢件加热到临界温度以上30 50 保温适当时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火 正火的主要目的是细化组织 改善钢的性能 获得接近平衡状态的组织 常用作预先热处理 正火后的组织可通过铁碳平衡相图反应出来 如图4 2所示 退火 将金属缓慢加热到一定温度