第3章铁碳合金

1、 铁碳合金铁碳合金俗称钢铁材料，是工业生产中应俗称钢铁材料，是工业生产中应用最广泛的合金。用最广泛的合金。 含碳量为含碳量为0.0218% 2.110.0218% 2.11的称为钢。的称为钢。 含碳量为含碳量为2.11% 6.69%2.11% 6.69%的称为铸铁的称为铸铁。第第3 3章章 铁碳合金铁碳合金3.1.1纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变:金属在晶态时，晶格类型随温度改变的现象为金属在晶态时，晶格类型随温度改变的现象为同素异晶转变同素异晶转变3.1 3.1 铁碳合金基本相铁碳合金基本相1394 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 - Fe - Fe -

2、Fe 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线13941538 液体液体10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线770不同晶格原子密排程度不同，同素异晶转变会导致金属体积发生变化 1、铁素体、铁素体F 碳溶入体心立方晶格碳溶入体心立方晶格 -Fe-Fe中形中形成的间隙固溶体为铁素体成的间隙固溶体为铁素体, , 用符号用符号F F表表示。示。 铁素体的间隙小溶碳能力很铁素体的间隙小溶碳能力很低低,727,727时最大为时最大为0.0218%0.0218%，600600下下仅为仅为0.006%

3、0.006%。 铁素体的力学性能性能与纯铁铁素体的力学性能性能与纯铁相似。相似。即硬度低，塑性、韧性好。即硬度低，塑性、韧性好。 3.1.23.1.2铁碳合金的三种基本相铁碳合金的三种基本相铁素体铁素体 2、奥氏体奥氏体A A 碳溶入面心立方晶格碳溶入面心立方晶格-Fe-Fe中形成的固溶体称奥氏体。中形成的固溶体称奥氏体。用用A A表示。保持了面心立方晶表示。保持了面心立方晶格的晶体结构。间隙大溶碳格的晶体结构。间隙大溶碳能力比铁素体大，能力比铁素体大，11481148时时最大为最大为2.11%2.11%，727727时为时为0.77。 强度低，塑性、韧性好。强度低，塑性、韧性好。奥氏体奥氏体

4、 3 3、渗碳体、渗碳体FeFe3 3C C 铁与炭形成具有复杂晶格结构的铁与炭形成具有复杂晶格结构的金属化合物为渗碳体。金属化合物为渗碳体。 含碳含碳6.69%, 6.69%, 用用FeFe3 3C C表示。表示。 Fe Fe3 3C C硬度高、塑性、韧性几乎为零。硬度高、塑性、韧性几乎为零。 主要作为铁碳合金中的强化相存在。主要作为铁碳合金中的强化相存在。 另外两种混合物：珠光体P：铁素体F+渗碳体FeFe3 3C C莱氏体Ld：奥氏体A+碳体FeFe3 3C C铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体3.2 3.2 铁碳合金相图铁碳合金相图简化后的Fe- Fe3C 状态图铁碳合金

5、相图是平衡条件下（加热或冷却过程均极其缓慢），表示铁碳合金的成分、温度和组织三者关系的图形。只研究含碳量06.69，含碳量过大的合金无使用价值。3.2.1 Fe- Fe3.2.1 Fe- Fe3 3C C 相图概述相图概述Fe-Fe3CFe-Fe3C相图纵坐标：温度相图纵坐标：温度 横坐标：成分横坐标：成分1、 Fe-Fe3CFe-Fe3C相图相图特性点符号符号T/T/C/% C/% 说明说明A A153815380 0纯铁的熔点纯铁的熔点C C114811484.34.3共晶点共晶点(Lc Ld(A(Lc Ld(AE E+FeC+FeC）D D122712276.696.69渗碳体的熔点渗碳

6、体的熔点E E114811482.112.11碳在碳在A A中的最大溶解度，钢与铁的分界点中的最大溶解度，钢与铁的分界点F F114811486.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分G G9129120 0纯铁纯铁-Fe-Fe和和-Fe-Fe的同素异晶转变温度的同素异晶转变温度K K7277276.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分P P7277270.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析点共析点As P(Fp+Fe3C)As P(Fp+Fe3C)Q Q6000.0060.006碳在碳在-Fe-Fe的溶解度的溶解度 2、特

7、性线、特性线 ACD 液相线，线上均为液态液相线，线上均为液态L AECF固相线，又称固相线，又称A4线。此线以下均为固态。线。此线以下均为固态。 AE-此线以下为单相奥氏体。此线以下为单相奥氏体。 ECF 共晶线共晶线 液相液相LC（AE+Fe3C）共晶产物共晶产物称作称作莱氏莱氏体体，用，用Ld表示；表示； AA+Fe3C奥氏体冷却过程中析出二次渗碳体。奥氏体冷却过程中析出二次渗碳体。 ES 碳在碳在A中的固溶线，又称中的固溶线，又称Acm线。随温度降低奥氏体溶碳线。随温度降低奥氏体溶碳量降低量降低2.11%0.77%，析出二次渗碳体，析出二次渗碳体 GSA与与F固溶体转变线固溶体转变线,

8、 GS又称又称A3线。线。 PSK 共析线共析线 AS（FP+ Fe3C）共析产物共析产物称作称作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。 PQ 碳在碳在F中的固溶线。中的固溶线。3 3、两个重要转变：、两个重要转变： （1 1）共析转变）共析转变 铁碳合金中奥氏体慢冷至铁碳合金中奥氏体慢冷至727727温度的温度的S S点时，发点时，发生恒温共析转变，即奥氏体（生恒温共析转变，即奥氏体（W WC C=0.77%=0.77%）同时转变为铁）同时转变为铁素体素体F F（W WC C=0.0218%=0.0218%）和渗碳体）和渗碳体Fe3CFe3C（W WC C=6.69%=6.69%），其转），其转

9、变式为：变式为： )(3)727(1CFFPAPCAS (2(2）共晶转变）共晶转变 铁碳合金慢冷至铁碳合金慢冷至11481148温度的温度的C C点时，发生恒温共晶转点时，发生恒温共晶转变，即液相铁碳合金（变，即液相铁碳合金（W WC C=4.3%=4.3%）同时转变为奥氏体）同时转变为奥氏体A AE E（W WC C=2.11%=2.11%）和渗碳体）和渗碳体Fe3CFe3C（W WC C=6.69%=6.69%），其转变式为），其转变式为: :)(31148CFALdLECC 珠光体珠光体 P莱氏体莱氏体Ld4.铁碳铁碳Fe-C 合金分类合金分类工业纯铁工业纯铁 C % 0.0218 %

10、 C % 0.0218 %钢钢 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 %亚共析钢亚共析钢 WcWc 0.77 %0.77 %共析钢共析钢 WcWc 0.77 % 0.77 % 过共析钢过共析钢 WcWc 0.77 %0.77 %白口铸铁白口铸铁 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 %6.69 %亚共晶白口铁亚共晶白口铁 WcWc 4.3 % 4.3 % 共晶白口铁共晶白口铁 WcWc 4.3 % 4.3 % 过共晶白口铁过共晶白口铁 WcWc 4.3 %4.3 %几种几种常见常见碳钢碳钢3.2.2 3.2.2 典型典型铁碳合金的结晶与组织转

11、变分析铁碳合金的结晶与组织转变分析1.碳钢的结晶与组织转变碳钢的结晶与组织转变分析分析(1).(1).共析钢的组织转变共析钢的组织转变过程过程合金为共析钢，自液相1点冷却至2点间结晶出奥氏体A,冷却到S点发生共析转变A生成珠光体P。 ASFP+Fe3C珠光体在光镜下呈片状。强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。过程：过程：合金合金 L+A L+A A AP P（2)2)亚共析钢的组织转变亚共析钢的组织转变过程过程 亚共析钢冷却在 4 点以前通过匀晶结晶全部转变为奥氏体A。到4点，由A 中析出铁素体F 。继续冷却铁素体增多到5点，A成分沿GS线变到S点，剩余A发生共析转变生成珠光

12、体。 亚共析钢的室温组织为F+P。在0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加，而铁素体的量相应减少。过程：过程：合金合金 L+AL+AA A A+FA+FP+FP+F(3)(3)过共析钢结晶过程过共析钢结晶过程 合金在12点转变为A，沿ES线冷却到3点，A开始析出Fe3C，并沿晶界呈网状分布。继续冷却到4点A1温度时不断增加Fe3C，A成分沿ES线变化到S点成分，剩余A共析转变为P。 过共析钢室温组织为P+Fe3C，Fe3C量随含碳量而增加。过程：过程：合金合金 L+AL+AA A A+A+Fe3CP+P+Fe3C2.2.白口铸铁结晶过程白口铸铁结晶过程 1) 1)共晶白口

13、铸铁共晶白口铸铁： 液态合金冷却至C点1148-共晶结晶莱氏体Ld(A+共晶共晶Fe3C）冷却至727-A沿ES线变化析出Fe3C，A共析生成P，还有 共晶共晶Fe3C 合金合金 11481148 LdLd（共晶共晶Fe3C+A）727LdLd（共晶共晶Fe3C+P+P+Fe3C） Ld-Ld-莱氏体莱氏体LdLd-低温低温莱莱氏体氏体 2) 2)亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：液态合金转变与上述相同，只是共晶线以上生成的部分奥氏体A不断析出Fe3C，最后剩余的A转变为珠光体P室温组织：P+Fe3C+Ld P+Fe3C+Ld 3)3)过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：多出了最先结晶出的条状初次渗

14、碳体室温组织：Fe3CFe3C+Ld+Ld三种在组织性能：均为硬而脆。1.1.碳钢合金的成分与平衡组织、力学性能的关系碳钢合金的成分与平衡组织、力学性能的关系（1 1）碳钢的组织组成物的性能特点）碳钢的组织组成物的性能特点平衡组织：铁素体、珠光体和渗碳体性能关系见表3.3 表3.3铁素体、珠光体和渗碳体的主要力学性能3.2.33.2.3碳钢的性能及合金相图的应用碳钢的性能及合金相图的应用组成物组成物b/MPaHBSx100k/J.cm2铁素体1502308040200珠光体80021010201020渗碳体80000b抗拉强度伸长率k冲击韧性HBS布氏硬度 亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强硬度升高，塑韧性降低。 过共析钢组织中有珠光体二次渗碳体含碳量为1.0%时,组织大部分