第4章_铁碳合金相图和碳钢

1、第四章 铁碳合金相图和碳钢(P42)第一节 纯铁铁碳合金的组织结构第二节 铁碳合金相图 第三节 碳钢 及其性能第一节 纯铁铁碳合金的组织结 构及其性能（P42） 一、纯铁及其同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变同素异构转变物质在固态下，晶体结构随温度变化的现象同素异构转变属于相变之一固态相变。1、铁的同素异构转变：铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394912 -Fe -Fe -Fe10006008001200温度温度时间时间16001500500700900110013001400纯铁的冷却曲 Fe - Fe- FebccfccbccFe

2、的冷却曲线及相应的晶体结构91213941538L-Fe -Fe -Fe -Fe 液相体心面心体心 -Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)， -Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。 -Fe -Fe1铁的同素异构转变2.同素异构转变（重结晶）的特点1）在固态下进行；2）同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成；3）同素异构转变有较大的过冷度；4）同素异构转变往往要产生较大的内应力注意重结晶与再结晶的区别固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核二、铁碳合金的组织结构及其性能 碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体，用“F”表示。1、铁素体铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量

3、为0.0218% 2.11%的称钢含碳量为2.11%6.69%的称铸铁。 相：高温铁素体，在1394以上存在，碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用“”表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。F的金相组织示意图铁素体的室温组织为明亮多边形晶粒，性能与纯铁相似；强度、硬度不高、塑性、韧性很好。1、铁素体2、奥氏体1）碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体，用“A”表示；2）是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。 3）奥氏体强度不高，塑性很好。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。4）钢材热加工都在

4、 区进行，属高温相,碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体3、渗碳体1）铁与碳形成的间隙化合物，含碳量6.69%，用Fe3C表示；2）室温相常作为钢的第二弥散强化相；3）渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性；4）Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。石墨（G）： Fe-C合金中游离存在的碳； 石墨的强度、塑性、硬度都很低。 3、渗碳体由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。 铸铁中的石墨钢中的渗碳体渗碳体组织金相图4、珠光体（P）1）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混

5、合物（共析体）。 A0.77 (F+Fe3C) P727P的金相显微镜组织2）珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,力学性能介 于F和Fe3C之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 液相 液相（L） 液态的铁碳合金 铸铁浇注照片1）、高温莱氏体（Ld） 5 、莱氏体2）、低温莱氏体（Ld） 在727以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。 低温莱氏体是室温下的一个基本组织。莱氏体高温莱氏体是存在于727以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。 L4.3 (A+Fe3C)Ld1148共晶转变三、铁碳合金中的基本组织 相组成相组成:

6、: L、A、F、 Fe3C、G； 组织组成组织组成: : F、A、 Fe3C 、 P、 Ld、 Ld相组成和组织组成物总结：第二节 铁碳合金相图（P44） 一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 二、对Fe-Fe3C相图的分析 三、典型成分铁碳合金的结晶过程 四、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 五、Fe-Fe3C合金相图的应用 一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。铁碳合金相图是研究铁碳合金

7、最基本的工具，是研究碳 钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。Fe-C相图说明Fe3C Fe2CFeC温度FeC(6.69%C)Fe-Fe3C相图的建立FeTFe3C简化的Fe-Fe3C相图二、相图分析点温度碳量含 义A15380纯铁熔点B14950.53包晶转变时的液相成分C11484.3共晶点 LC - (AE+Fe3C) LdD12276.69Fe3C熔点E11482.11C在-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶Fe3C成分点G9120-Fe-Fe同素异构转变点H14950.09C在-Fe中的最大溶解度J14950.17包

8、晶成分点 LB+H - AJK7276.69共析Fe3C成分点N13940-Fe-Fe同素异构转变点P7270.0218C在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点 AS - (FP+Fe3C) PQ室温0.0008 （一）状态图中的特性点（P45）二、相图分析主要线主要线温温 度（度（）含含 义义ABCD15381227液相线AHJECF15381148固相线HJB1495包晶转变线ECF1148共晶线PSK727共析线 A1ES1148727C在-Fe中的溶解度线 AcmPQ727600C在-Fe中的溶解度线 GS912727A向F转变的开始线 A3GP912727A向F转变的终了线（二

9、）状态图中的特性线相图分析一次渗碳体Fe3CI：从液相（L）直接结晶出来。二次渗碳体Fe3CII：从A（）中析出。三次渗碳体Fe3CIII：从F（）中析出。 (1) Fe-Fe3 C相图的组元Fe Fe、-Fe (bcc) 和-Fe (fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。Fe3 C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2) Fe-Fe3 C相图的相Fe3C（Cem Cm，渗碳体） 复杂晶体结构液相 L L相（高温铁素体）Fe（C）固溶体相（A ，奥氏体） -Fe（C）固溶体相（F，铁素体） -Fe（C）固溶体Fe -Fe3C 相图（三）相图中的相区（P46）1组元：Fe、 Fe3C2 单相区

10、5个：L、A、F、Fe3C3 双相区7个：+L、 +A、 A+L、 L+ Fe3C、 A+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C4 三相区3个：L+A、 L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C 包晶线 共晶线 共析线简化 Fe -Fe3C 相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共析相图匀晶相图( P+Fe3C )Fe Fe3C

11、T简化Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe3C( A+Fe3C )三、典型成分铁碳合金的结晶过程1、工业纯铁 Wc0.0218%2、碳素钢 0.0218% Wc2.11% 1）共析钢 Wc=0.77% 2）亚共析钢 0.0218% Wc0.77% 3）过共析钢 0.77% Wc2.11%3、白口铸铁 2.11% Wc 6.69% 1）共晶白口铸

12、铁 Wc=4.3% 2）亚共晶白口铸铁 2.11% Wc4.3% 3）过共晶白口铸铁 4.3% Wc 6.69%（一）铁碳合金的分类（P46）1、工业纯铁在平衡状态下的结晶过程显微组织照片1点以上 L ；12点 L+ ；23点 铁素体相 ； 34点 +A； 45点 A ； 56点 A+F； 67点 F；7点以下 F+ Fe3CIII； 室温下：相组成物相组成物F、Fe3C 三典型合金的结晶过程合金液体在12点间转变为，34点间，56点间。到7点，从中析出Fe3C。NSJBH L+ + + 1 、工业纯铁的结晶过程 1 、工业纯铁的结晶过程 随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+

13、Fe3C。 室温下Fe3C最大量为: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Q 从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体三次渗碳体，用Fe3C表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。1 、工业纯铁的结晶过程 2、共析钢在平衡状态下的结晶过程1点以上 L； 12点 L+A； 23点 A；3点 共析转变AS (FP+Fe3C) P（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团34点 F+ Fe3CIII+ Fe3C P室温下： 相组成物: F、Fe3C； 组织组成物: P727上上合金液体在12点间转变为。到S点发生共析转变： SP+Fe3C, 全

14、部转变为珠光体。2、共析钢的结晶过程 2、共析钢的结晶过程珠光体在光镜下呈指纹状，相变结束时，珠光体中相的相对质量百分比为：珠光体%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析 中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。2、共析钢的结晶过程 室温下，珠光体中两相的相对质量百分比是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q432192、共析钢的结晶过程 1点以上 L； 2点 包晶转变0.09+ L0.53 A0.17 12点 L+；5点

15、 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P 23点 A+L； 56点 F+ Fe3CIII +P F+P 34点 A；（Fe3CIII含量很少，可以忽略不计） 45点 A+F；室温下：相组成物F、Fe3C ；组织组成物F、P14957273、亚共析钢在平衡态下的结晶过程 0.090.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应。以0.4%C的钢为例： 合金在4点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出 。到5点,成分沿GS线变到S点发生共析反应，转变为珠光体。温度继续下降，中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合，且量少，忽略不计。 3. 亚共析钢的结晶过程3、亚共析钢的结晶过程共析温度下相

16、的相对质量为： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物的相对质量为： %PSSQ%PSPQP10051005 ，S3、亚共析钢的结晶过程各相的相对量：Fe3C % (0.4-0.0218) /( 6.69-0.0218) 5.7 %F % 1 5.7 % = 94.3 %各组织组成物的相对量：P % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %含碳量的估算:通过光学显微镜观察估计某一铁碳合金中的P所占比例，可用杠杆定律估算出该合金的即亚共析钢显微照片 利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析

17、钢的含碳量:C%=P面积%0.77% (忽略 中含碳量，P面积%=QP)S室温下相的相对质量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 室温下组织组成物的相对质量百分比为：PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 3、亚共析钢的结晶过程含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织 亚共析钢室温下的组织为F+P。 在0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。4、过共析钢的结晶过程（wc=1.2%） 1点以上 L； 4点 共析转变A0.77 (FP+Fe3C) P 1

18、2点 L+A； 45点 P+ Fe3CII 23点 A； 室温下：相组成物 F、Fe3C 34点 A+ Fe3CII； 组织组成物 P、Fe3CII 727显微组织照片4、过共析钢的结晶过程（1）合金在12点转变为 ， 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体，用Fe3C表示, 其沿晶界呈网状分布。 （2）温度下降，Fe3C量增加。到4点， 成分沿ES线变化到S点，余下的 转变为P。在共析温度下Fe3C的相对量？ （3）过共析钢室温组织为P+ Fe3C。Fe3C量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3C量最大：%6 .22%10077. 069. 677. 011

19、. 23 IICFeQ含1.2%C钢的组织4、过共析钢的结晶过程12345S4、过共析钢的结晶过程 室温下两相的相对质量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653 室温下两组织组成物的相对质量百分比：PCFePQ%LSSQ%,.C.LSLQ 100510077069669653Fe3CII %) 7 %; P % 1 7 % = 93 %4、过共析钢的结晶过程11481点以上：L；1点 ：共晶转变 L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ；12点：A+ Fe3CII + Fe3C Ld 二次渗碳体与共晶渗碳体混成一体； 2点 ； 共析转变 A0.7

20、7 (FP+Fe3C) P； 23点： (P+ Fe3CII+ Fe3C) Ld；室温下：相组成物 F、Fe3C；渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体 组织组成物： Ld7275、共晶白口铸铁的结晶过程显微组织照片Fe3C 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状。5、共晶白口铸铁的结晶过程 共晶转变结束时，两相的相对质量百分比为:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3C。 Fe3C与共晶Fe3C 结合，不易分辨。12 Fe3C 温度降到2点, , 成分

21、达到0.77%, 此时, 相的相对质量: %.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， 在2点，共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体， 用Le表示。2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。5、共晶白口铸铁的结晶过程 S5、共晶白口铸铁的结晶过程： 共晶白口铸铁室温组织为Le，(P+ Fe3C), 它保留了共晶转变产物的形态特征。 室温下两相的相对质量百分比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008.069.63 .469.63 CFeQQ 5共晶白口铸铁的结晶过程1点以上：L；12点：L+A；2点：共晶转变L4

22、.3 (A2.11+Fe3C) Ld 23点：A+ Fe3CII + Ld； 3点：先共晶A共析转变 A0.77 (FP+Fe3C) P Ld Ld34点：P+ Fe3CII + Ld ；室温下：相组成物： F、Fe3C ； 组织组成物：P、Fe3CII 、Ld 11487276、亚共晶白口铁的相变过程（P49）显微组织照片 合金在12点间析出。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。23点间从中析出Fe3C，一次的Fe3C被共晶衬托出来。到3点，转变为P。6、亚共晶白口铁的结晶过程6、亚共晶白口铁的结晶过程 亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。 室温下组织组成物相对质量百分比为 ：EC

23、FD1234NIIIICFeLepCFeLeLeQQQECCQECEQQ33%10077. 069. 677. 011. 222室温下相的相对质量百分比?6、亚共晶白口铁的结晶过程1点以上：L；12点：L+ Fe3CI （ 先共晶渗碳体，呈粗大条状）2点：共晶转变 L4.3 (A2.11+Fe3C) Ld ； 23点：Fe3CI + Ld；3点： Ld Ld、 Fe3CI； 34点： Fe3CI + Ld；室温下： 相组成物：F、Fe3C； 组织组成物：Ld、Fe3CI 11486、过共晶白口铁的相变过程（P49）过共晶白口铁显微照片 12点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳体，用

24、 Fe3C表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。DFK3Fe3C1246过共晶白口铁的结晶过程 2点以下, Fe3C成分重量不再发生变化, Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le。 按组织组成物分区的Fe-Fe3C相图 + Fe3C + Fe3C 组织组成物在铁碳合金相图上的标注 组织组成物与相组成物标注区别主要在+ Fe3C和+Fe3C两个相区。+ Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+

25、LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度四、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很大变化。（渗碳体呈小片状分布在P内网状分布在A晶界上形成莱氏体时，渗碳体则成了基体 。）（一）含碳量对铁碳合金组织的影响4.184.18含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 1、对热变形加工性能的影响WC2.11%时（白口铸铁），高低温区都有脆 硬的莱氏体，不能进行热变形加工。 （二）含碳量对铁碳合金性能的影响 2、对力学性能的影响（1）硬度硬度 WC增加，硬度增加；（2）强度强度 W

26、C0.9%时，WC增加，强度降低；（3）塑性、韧性塑性、韧性 WC增加，塑性、韧性下降； 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% 。4.193、对物理化学性能的影响 WC增加，导热性下降、抗电化学腐蚀性能下降、焊接工艺性下降、铸造工艺性下降 。五、Fe-Fe3C相图的应用根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）: 1）要求塑性、韧性好而强度不高的机件低碳钢（WC0.25%）；（如冷冲压件） 2）要求强度、塑性、韧性等综合性能好的机件中碳钢（WC=0.3%0.55%）并进行适当的热处理；（如机床主轴） 3）各种工具用钢高碳钢 。（如锉刀）1、在钢铁材料选用方面

27、的应用（51）2、在铸造方面的应用（P51）1）确定合理的浇注温度 铸件的合理浇注温度一般选在液相线以上50100 ；2）铸铁件的化学成分多选在共晶点附近，此成分的铁碳合金结晶温度区间较小，流动性好、分散缩孔小。 3、在热锻热轧工艺方面的应用（P52）根据相图选择最佳压力加工工艺温度范：（1）锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200左右。（2）停止锻轧温度一般要控制在800左右。4、在热处理方面的应用（P52）Fe-Fe3C相图中的 A1、A3、Acm三三条 相变线是确定碳素 钢热处理工艺加热 温度的依据。 PSK： A1 GS： A3 ES： Acm第三节 碳钢（P52）一、常存杂质元素

28、对钢性能的影响 ；二、碳钢的分类；三、碳钢的牌号、主要性能及用途 一、常存杂质元素对钢性能的影响钢中常在杂质有：Si、Mn、S、P和氧、氢、氮和氧、氢、氮等气体。等气体。Mn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素。锰有较强的脱氧能力，锰大部分溶于F，使钢强化，锰对钢有益。锰能降低S对钢的危害。一般碳素钢中把锰控制在0.25%0.8%范围内。 1、Mn的影响（P53）2、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，提高钢的强度和硬度，但会使塑性和韧性降低。硅促进Fe3C分解成石墨，若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降，产生所谓的“黑脆黑脆”。硅在碳素钢中一般控制

29、在0.170.37%范围内3、S的影响S可使钢的“热脆热脆”性增加。（S不溶于-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔点为1190，而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上，其熔点仅为985。）S对钢的焊接性能也有不良影响，容易导致焊缝热裂。所以，S在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.05%。但是，S能改善钢材的切削性能。 4、P的影响P会引起钢的“冷脆冷脆”。（P在钢中全部溶于-Fe中，使钢的强度和硬度增高，同时，塑性和韧性显著降低。当钢中含P量达0.3%时，钢完全变脆，这种脆性现象在低温时更为严重。）P还降低钢的焊接性能。所以，P在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.045%。但

30、是，S能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能。 5、气体的影响氧会降低钢的力学性能，尤其是疲劳强度。对钢无益，越少越好。N会以氮化物的形式析出，增加钢的强度和硬度，但会降低钢的塑性和韧性，使钢变脆。H会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆”。 H会使钢中产生裂纹，称为“白点”。 钢中白点钢中白点二、碳钢的分类1、按钢中含碳量分类（1）低碳钢 WC0.25%（2）中碳钢 0.25%0.6% 2、按碳钢的质量分类（1）普通钢 WS0.05% WP0.045%（2）优质钢 WS0.035% WP0.035%（3）高级优质钢 WS0.02% WP0.03% （一）碳素钢的分类（一）碳素钢的分类3、按钢的用途分类（

31、1）碳素结构钢 （2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）4 、按冶炼方法及设备分类高炉炼铁铸铁锭生产铸铁件炼钢生铁转炉平炉电炉生产钢件（1）沸腾钢 ( boiling steel ) （F）脱氧不彻底 钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo = 0.03%0.07%,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀, 冲击韧性差, 常用于要求不高的零件。（2）镇静钢 (killed steel) （Z） 脱氧彻底 钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧 ,Wo =0.01%左右, 成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。（3）半镇静钢 (balanced steel) （b）脱氧程度介于F和Z之间 半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。（4）连铸坯 用连铸机直接生产的钢坯，优点：节省投资，降低生产成本，提高成材率，改善劳动条件，提高生产率，连铸坯组织致密，夹杂少。主要缺陷是中心疏松和中心偏析（5）特殊镇静钢 （TZ） 进行特殊脱氧 5、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分类 碳钢性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、使用量最大（90%）； 碳钢缺点淬透性不高、耐回火性较差和不能