第三章 铁碳合金

1、第三章 铁碳合金第一节 铁碳合金基本知识一、纯铁的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。如图3-1所示。纯铁的同素异构转变可概括如下：-Fe 和-Fe都是体心立方晶格，-Fe为面心立方晶格。纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。二、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：1、

2、铁素体（F）铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体，它仍保持-Fe的体心立方晶格结构。由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727），所以是几乎不含碳的纯铁。铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。2、奥氏体（A）奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。它保持-Fe的面心立方晶格结构。因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727时溶碳量为0.77%，1148时溶碳量达到2.11%。奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。

3、由于-Fe一般存在于7271394之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。3、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的具有复杂斜方结构的间隙化合物，含碳量为6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韧性几乎为零。主要作为铁碳合金中的强化相存在。显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽，并在一定条件下可以分解出石墨。4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体（机械混合物）。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名

4、。5、莱氏体（Ld）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148时发生共晶转变，生成高温莱氏体（Ld）。合金继续冷却到727时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体（Ld）。统称莱氏体。莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。第二节 铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在缓慢冷却的条件下，表明铁碳合金成分、温度、组织变化规律的简明图解，它也是选择材料和制定有关热处理工艺时的重要依据。由于WC>6.69%的铁碳合金脆性很大，在工业生产中没有使用价值，所以我们只研究WC小于6.69%的部分。WC=6.

5、69%对应的正好全部是渗碳体，把它看作一个组元，实际上我们研究的铁碳相图是Fe-Fe3C相图。为了便于研究分析将其简化，便得到了简化的Fe-Fe3C相图，如图3-4所示。一、相图分析简化的Fe-Fe3C相图纵坐标为温度，横坐标为碳的质量百分数，其中包括共晶和共析二种典型反应。1、Fe-Fe3C相图中典型点的含义 见表3-1表3-1 Fe-Fe3C相图中几个特性点符号温度/含碳量（%）说 明A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异构转变点P7270.0218碳在中的最大溶解度S7270.77共析点

6、，2、Fe-Fe3C相图中特性线的意义 见表3-2。表3-2 简化的Fe-Fe3C相图中的特性线特性线含 义ACD液相线AECF固相线GSA3线，冷却时不同含量的A中结晶F的开始线ESAcm线，碳在A中的固溶线ECF共晶线 PSK共析线，A1线。3、Fe-Fe3C相图相区分析依据特性点和线的分析，简化Fe-Fe3C相图主要有四单相区：L、A、F、Fe3C；五个双相区：L+A、A+F、L+ Fe3C、A+ Fe3C、F+ Fe3C。（见图3-4所示）二、典型铁碳合金结晶过程分析1、铁碳合金分类(1)工业纯铁：Wc0.0218%；2、典型铁碳合金结晶过程分析依据成分垂线与相线相交情况，分析几种典型

7、铁碳合金结晶过程中组织转变规律。（1）共析钢的结晶过程分析(如图3-5、3-6所示)：（2）亚共析钢的结晶过程分析（如图3-7、3-8所示）：（3）过共析钢的结晶过程分析（如图3-9、3-10所示）：（4）共晶白口铸铁结晶过程分析：（5）亚共晶白口铸铁结晶过程分析：（6）过共晶白口铸铁结晶过程分析：第三节 铁碳合金相图的应用一、含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响规律1、含碳量对平衡组织的影响 综上所述，铁碳合金在室温的组织都是由F和Fe3C两相组成，随着含碳量增加，F不断减小，而Fe3C逐渐增加，并且由于形成条件不同，Fe3C的形态和分布有所变化。如图3-11所示.2、含碳量对力学性能的影响 图3-12为含碳量对碳钢的力学性能的影响。由图可见，随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度升高，而塑性和韧性下降，这是由于组织中渗碳体量不断增多，铁素体量不断减少的缘故。但当WC=0.9%时，由于网状二次渗碳体的存在，强度明显下降。工业上使用的钢含碳量一般不超过1.4%；而含碳量超过2.11%的白口铸铁，组织中大量渗碳体的存在，使性能硬而脆，难以切削加工，一般以铸态使用。二、铁碳相图的应用1、作为选材的主要依据 相图表明了钢铁材料成分、组织