铁碳合金相图

1、LOGO 刘伯洋 铁碳合金二元相图铁碳合金二元相图 海洋材料科学与工程研究院海洋材料科学与工程研究院 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 纯铁纯铁 屈服强度(0.2)：100170MPa 抗拉强度(b)：180270MPa 伸长率()：3050 断面收缩率()；7080 冲击韧度(K)；160200J/cm2 硬度HBS：5080 纯铁的塑性韧性好，但强度硬 度低，很少用作结构材料。由 于纯铁具有高的磁导率，软磁 材料 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 奥氏体（或A） 低温铁素体 （或F） 溶解碳 溶解碳 铁碳合金的相结构铁碳合金的相结构 溶解碳 高温铁素体 （） 铁素体铁素体 铁素体：铁素体：是碳溶于

2、-Fe中的间隙固溶体，用符号“”（或F） 表示，呈体心立方晶格，碳在-Fe中溶解度极小，在727 时达到最大溶解度0.0218%。铁素体的显微组织为多边形晶 粒。 铁素体性能：铁素体性能：铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强 度、硬度低。（=30%50%，AKU=128160J）, b=180280MPa，5080HBS） 奥氏体奥氏体 奥氏体：奥氏体：是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，用符号“”（或 A）表示，呈面心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度要比在 -Fe中大，在727时为0.77%，在1148时溶解度最大， 可达2.11%。奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围 为7271394，显

3、微组织为多边形晶粒。 奥氏体性能：奥氏体性能：相对于铁素体具有一定的强度和硬度，塑性 和韧性也好。 （b=400 MPa，170220HBS），塑性和 韧性也好（=40%50%）。具有顺磁性，可作为无磁钢。 无磁钢：没有铁磁性从而不能被磁化的稳定奥氏体钢稳定奥氏体钢。Fe-Mn- Al-C系列奥氏体，其电磁性能(磁导率)，组织稳定，力学性能 优良，磁导率低而电阻率高，在磁场中的涡流损耗极小。 无磁钢的用途： （1）石油钻井无线随钻侧斜系统(MWD)：是在油田钻井过程 中的专业定向仪器。一般用于定向井，而定向井需要测斜度及 方位的，测斜时仪器在无磁钻具内部可以免受外界磁场的影响 从而保证结果的准

4、确性。 （2）高压电器和大中型变压器油箱内壁、铁芯拉板、线圈夹 件、螺栓、套管、法兰盘等漏磁场中的结构件； （3）起重电磁铁吸盘、磁选设备筒体、选箱以及除铁器、选 矿设备等； NMS-140 双相不锈钢 (DSS，Duplex Stainless Steel)：是指不 锈钢中既有奥氏体又有铁素体组织结构的钢种，习惯 称 + 双 相 不 锈 钢 或 双 相 不 锈 钢 。 C r 含 量 在 18%28%，Ni含量在3%10%。 该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相 不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢 （316L） 与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶 间腐蚀性能

5、和焊接性能均显著提高，导热系数高，具 有超塑性等特点。 与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化 物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。 主要用于海水淡化。 渗碳体渗碳体 渗碳体(中间相-尺寸因素化合物-间隙化合物)： 当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解度限度 时，多余的碳主要和铁形成的一种具有复杂晶格 的金属化合物Fe3C。是它的碳质量分数Wc=6.69。 渗碳体性能：渗碳体性能：其力学性能特点是硬度高(约 800HBW)，脆性大，塑性几乎为零。 弱铁磁性（230 ），理论熔点1227。 介稳定化合物，分解：Fe3C3Fe+C（石墨碳）。 石墨：六方晶系；化学键：键+键 C从F

6、e中析出时，通常以Fe3C的形式存在，而非石墨 ，因为形成前者碳原子扩散距离短。 铁碳合金相图铁碳合金相图 实线：Fe-Fe3C 介稳定系相图 虚线：Fe-C（石墨） 稳定系相图 图中各特性点的符号 是国际通用的，不能 随意更换。 单相区5个 双相区7个 三相区3个 L+ 包晶转变线（HJB）：含碳0.53%的液相与含碳0.09%的铁素 体发生反应，生成含碳0.17%的奥氏体。 碳含量小于2.11%的合金在冷却的历程中，都可在一个温度区 间得到单相的奥氏体。 简化的铁碳相图 对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较 快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元 素的扩散较慢

7、，就可能造成严重的包晶偏析。 包晶偏析造成钢凝固剩余有相，其与相致密度不同会造成 巨大的组织应力，使铸坯出现热裂纹，尤其对连铸坯，这种 包晶钢的热裂纹仍是一个需要克服的难题。 转变产物是相和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（ Ld）。其中Fe3C称为共晶渗碳体。 共晶相图共晶相图 莱氏体莱氏体（组织组织） 莱氏体莱氏体：是铁碳合金冷却到1148时共晶转变的产物，是 介稳相。由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。存在于 1148727之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号“Ld” 表示；存在于727以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温 莱氏体，用符号“Ld”表示，组织由渗碳体和珠光体组成。 莱氏体性能莱氏

8、体性能：莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高， 塑性极差，几乎为零。 转变产物为珠光体，用符号 P表示。组织中的Fe3C称为共 析渗碳体。 珠光体珠光体 珠光体：珠光体：珠光体是奥氏体冷却时，在727发生共析转变的 产物，由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P” 表示。显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状 组织。 珠光体性能：珠光体性能：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较 高，硬度适中，塑性和韧性较好。 PQ线线：碳在中的固溶度曲线。碳在中的最大固溶度： 727时c为0.0218%，600时降为0.008，300时约为0.001， 从727冷却下来时，将析出渗碳体，称为三次

9、渗碳体Fe3C 770线为的磁性转变温度230水平线为渗碳体的磁性转变温度。 重要固态转变线 ：GS线又称A3线，冷却 时，析出的开始线，或加热 时全部溶入的终了线。 ：碳在中的固溶度曲线 。常称Acm线。当温度低于此 线，将析出Fe3C、即二次渗 碳体Fe3C，从液相中经CD线 析出一次渗碳体Fe3C 。 铁碳合金分类铁碳合金分类 工业纯铁 亚共析钢亚共析钢 过共析钢过共析钢 共析钢 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 过共晶白口铁过共晶白口铁 共晶白口铁 c2.11为铸铁； 0.0218%c2.11的为碳钢。 按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，断 口呈白亮色，称为白口铸铁。 按Fe-C系结晶的铸铁，断口

10、呈 灰色，称灰口铸铁。 钢的共同点：在高温下都可以 进入奥氏体单相区， 铸铁的共同点：都含有共晶体。 种 类分类名称c(%)室温平衡组织 铁工业纯铁0.0218铁素体；或铁素体+三次渗碳体 钢亚共析钢 共析钢 过共析钢 0.02180.77 0.77 0.772.11 先共析铁素体+珠光体 珠光体 先共析二次渗碳体+珠光体 铸铁亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁 2.114.3 4.3 4.36.69 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 莱氏体 一次渗碳体+莱氏体 铁碳合金结晶过程铁碳合金结晶过程 1 2 3 4 5 6 7 片状、网状沿晶界析出 的渗碳体。 或粗大铁素体中出现点 状渗碳体。

11、 组织组成计算组织组成计算 0.77 100% 0.770.0218 c 先 0.0218 100% 0.770.0218 P c 3 0.0218 100% 6.690.0218 Fe C c 6.69 100% 6.690.0218 c 亚共析钢的组织亚共析钢的组织 所有的亚共析钢室温组织都是由铁素体和珠光体 组成，其差别仅是铁素体与珠光体的相对量不同， Wc越高，珠光体越多，铁素体越少。 过共析钢：先共析 Fe3C珠光体 Fe3C沿晶界呈网状分布，先共析二次渗碳体量： 3 0.77 100% 6.690.77 Fe C c 2.113 :()LdFe C 共晶 莱氏体 33 :()LdP

12、Fe CFe C 室温莱氏体 33 Fe CFe C 3.02.11 100%40.6% 4.32.11 Ld 4.33.06.692.11 100%46% 4.32.116.690.77 P 3 4.33.02.110.77 100%13.4% 4.32.116.690.77 Fe C 亚共晶白口铸铁(Wc=3%) 6.695.0 100%71% 6.694.3 Ld 3 5.04.3 100%29% 6.694.3 Fe C 过共晶白口铸铁(Wc=5%) 铁碳合金的组织铁碳合金的组织 +PP+Fe3CII P P+Fe3CII+LdFe3CI+Ld Ld +Fe3CIII 随着含碳量增加时

13、，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生 了很大变化。（渗碳体分布在P内网状分布在晶界上 形成莱氏体时，渗碳体则成了基体 。） 含碳量对（含碳量对（普碳钢普碳钢）力学性能的影响）力学性能的影响 n硬度硬度 WC增加，硬度增加； n强度强度 WC1%时，WC增加，强度降低； n塑性、韧性塑性、韧性 WC增加，塑性、韧性下降； n为了保证工业用钢具有足够 的强度和塑性、韧性，碳素 钢的含碳量一般不超过1.4% 。 思考题思考题 随着钢中碳含量的增加，钢中的渗碳体增多，硬度也 随之升高，基本上呈直线上升。 在Wc0.8以前，强度也是呈直线上升的。但在Wc 0.8以后，随碳量的继续增加，组织中将会出现网

14、状 渗碳体，致使强度很快下降。在Wc0.8时，组织全 为珠光体，所以T8强度最高。 含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。 综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12 的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的 强度最高。 45、T8、T12钢的硬度、强度和塑性有何不同？ 绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却 用钢丝绳（用用钢丝绳（用 6060、6565、7070、75 75 等钢制成）等钢制成） 绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选 用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝； 而起重机吊重物用钢丝

15、绳除要求有一定的强 度，还要有很高的弹性极限，而60、65、70、 75钢有高的强度。这样在吊重物时不会断裂。 锻造 铸造组织经过锻造方法热加工变形后使原来的粗大枝晶和柱 状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭 内原有的偏析、疏松、气孔等压实和焊合，其组织变得更加 紧密，提高了金属的塑性和力学性能。 钢的可锻性首先与含碳量有关，低碳钢的可锻性较好，随着 含碳量的增加。可锻性逐渐变差。（C%2.11%） 一般要把钢材加热到始锻温度（固相线以下100200，约 11501250）下，在奥氏体区进行锻造。 钢液的流动性随含碳量的 提高而提高。 铸铁流动性总是比钢好。 共晶成分的铸铁因其

16、结晶 温度最低，同时又是在恒 温下凝固，结晶的温度间 隔为零，所以流动性最好。 适合铸造：2.11%4.3%， 流动性好。 适合热处理：0.0218- 2.11%，有固态相变。 铁碳相图的应用铁碳相图的应用 塑 性 、 韧 性 高 的 材 料 ， 选 用 铁 素 体 低 碳 钢 （Wc0.25%） 强度、塑性和韧性等均好的材料，应选用组织为铁 素体和珠光体的中碳钢（0.25%WcWc0.6%） 形状复杂的及其底座和箱体等零件，可选用熔点低、 流动性号的铸铁材料，成分为共晶或接近于共晶。 杂质元素的影响杂质元素的影响 碳钢：是指碳的质量分数Wc2.11%，并含有少量 硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁

17、碳合金。 Mn的影响:由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂 （锰铁）中带入的 Mn能溶于铁素体中，形成含锰铁素体，也能溶于 渗碳体，形成合金渗碳体，产生固溶强化作用， 使强度、硬度提高。 锰能增加珠光体的相对含量，并细化珠光体，提 高钢的强度。 锰能降低S对钢的危害。 一般碳素钢中把锰控制在小于0.8%。 Si的影响 Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。 Si比锰脱氧能力强，硅溶于F，具有固溶强 化作用，提高钢的强度和硬度，但会使塑性 和韧性降低。 硅在碳素钢中一般小于0.5%。 硅与氧的亲和力很强，形成氧化硅在钢中以 夹杂物形式存在，影响钢的质量。 S的影响： 由矿石和燃料带入钢中。 S在钢中与F

18、e化合成 FeS，而 FeS又与Fe形成低熔点 （985）的共晶体，分布于奥氏体晶界上。当钢材 在11501250进行轧制或锻压时，由于共晶体熔化 而使晶粒分离，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。 Mn与S形成熔点为1620的高温有一定塑性的MnS，消 除热脆。 硫对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂， 在焊接过程中，S易于氧化生成SO2，造成焊缝中产生 气孔和疏松。 硫能提高钢材的切削加工性，这是S的有益作用，所 以在制造要求表面粗糙度较细而强度要求不十分严格 的零件时，可采用含S高的易切削钢。 P的影响： 一般说来，P是有害杂质元素，它来自于矿石和生铁 等炼钢原料，炼钢时难以除尽。 P在钢中能全部溶于铁素体，使钢的强度、硬度增加 、而塑性、韧性显著降低，特别在低温下更严重，这 种现象称为冷脆。其含量一般要求不大于0.045%。 P能提高切削性能和抗蚀性，故在易切削钢中可适当 增加P含量。 磷也使钢材的可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐 磨性和耐蚀性，故在低合金钢中可配合其他元素作为 合金元素使用。 氧的影响： 氧是钢中的有害元素。氧在钢中的溶解度很小 ，在钢中，氧几乎