材料科学基础-铁碳相图

材料科学基础——铁碳相图第1页/共97页Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)第2页/共97页第3页/共97页渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，铁碳相图有两类：

Ⅰ

液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％

Ⅱ

液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％。

第4页/共97页123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L第5页/共97页4.1铁碳合金中的组元及相

纯铁（iron）1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe第6页/共97页力学性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％

HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2应用：主要应用于电子材料，作为铁芯。第7页/共97页碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。铁素体（Ferrite）第8页/共97页碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）第9页/共97页渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。第10页/共97页珠光体（Pearlite）F＋Fe3C的一种机械

混合物，用符号P表

示，其组织为层片状

结构，综合了铁素体

和渗碳体优点，其综

合力学性能好。第11页/共97页莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。第12页/共97页4.2Fe-Fe3C

相图分析FeT°Fe3C第13页/共97页

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)第14页/共97页第15页/共97页符号温度/℃

ω（C）/%说明A1538℃0纯铁的熔点B1495℃0.53包晶转变时液态合金的成分C1148℃4.30共晶点D1227℃6.69渗碳体的熔点E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反应生成的渗碳体G912℃0α-Fe向γ-Fe转变温度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度第16页/共97页J1495℃0.17包晶点K727℃6.69共析反应生成的渗碳体M770℃0纯铁的磁性转变点N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析点（A1）Q600℃0.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度第17页/共97页第18页/共97页液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C七个两相区：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ

，

α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB——包晶转变线

ECF——共晶转变线

PSK——共析转变线第19页/共97页1.包晶转变反应式:LB

+H

AJ1495℃3.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Ld

1148℃第20页/共97页4.3典型铁碳合金的平衡凝固第21页/共97页工业纯铁(iron)：C%<0.0218%钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为：共析钢(eutectoidsteel)：C%：0.77%亚共析钢(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%过共析钢(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%铸铁(castiron)：

C%：2.11～6.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutecticcastiron)：

C%：4.30%亚共晶铸铁(hypoeutecticcastiron)：

C%：2.11～4.30%过共晶铸铁(hypereutecticcastiron)：

C%：4.30～6.69%第22页/共97页1.工业纯铁(Wc<0.0218%)第23页/共97页纯铁组织金相图第24页/共97页2.共析钢

(Wc=0.77%)第25页/共97页共析钢组织金相图第26页/共97页相组成：α+Fe3C组织组成：P

共析钢

(Wc=0.77%)第27页/共97页3.亚共析钢(Wc=0.45%)第28页/共97页亚共析钢组织金相图第29页/共97页组织组成：α

+P亚共析钢(Wc=0.45%)相组成：α

+Fe3C第30页/共97页

a)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc第31页/共97页4.过共析钢(Wc=1.2%)第32页/共97页过共析钢组织金相图第33页/共97页组织组成：Fe3C+P过共析钢(Wc=1.2%)相组成：α

+Fe3C第34页/共97页a)硝酸酒精浸蚀b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体浅白色为殊光体第35页/共97页5.共晶白口铸铁(Wc=4.3%)第36页/共97页共晶白口铸铁组织金相图第37页/共97页组织组成：Fe3C+P——Ld‘共晶白口铸铁(Wc=4.3%)相组成：α

+Fe3C第38页/共97页第39页/共97页6.亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)第40页/共97页亚共晶白口铸铁组织金相图第41页/共97页组织组成：Fe3C+P+Ld’——？亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)相组成：α

+Fe3C第42页/共97页第43页/共97页7.过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)第44页/共97页过共晶白口铸铁组织金相图第45页/共97页组织组成：Fe3C+Ld‘过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)相组成：α

+Fe3C第46页/共97页第47页/共97页

总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ

和Ld’。第48页/共97页第49页/共97页第50页/共97页第51页/共97页碳含量相组成组织组成工业纯铁<0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’第52页/共97页补充：Fe-石墨相图AGNQαG

123456BCDEFHJPMOSK1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγγ＋G

α＋G02510152025第53页/共97页与Fe-Fe3C相图的不同之处：1）液相线：ABCD’

固相线：AHJE’C’F’2）在Fe-Fe3C相图中所有析出渗碳体的线、点，在Fe-石墨相图中除位置除有所改变外，都是析出石墨：

C’D’线析出初次石墨

E’S’线析出二次石墨

E’C’F’线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏体与片状石墨组成的团状组织。第54页/共97页

1.共析组织是由铁素体和石墨组成的，石墨呈点状分布在铁素体基体上。各类铁碳合金中的石墨形态

2.碳含量大于2.08%的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附在共晶石墨上生长。最终得到片状石墨加铁素体组织。第55页/共97页石墨可有两种形态：

A型石墨无方向性均匀分布

B型石墨呈片状与点状聚集成的菊花状分布A型B型a.共晶成分铁-石墨相图凝固第56页/共97页如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较多的先共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体—石墨共晶只能在枝晶间生长。此时石墨呈D型分布。b.亚共晶成分铁-石墨相图凝固D型石墨在枝晶间呈点片状分布第57页/共97页过共晶成分的铁碳合金凝固后组织中含有初次石墨

C型：初次石墨呈粗大的片状

F型：初次石墨呈星状分布C型F型c.过共晶成分铁-石墨相图凝固第58页/共97页浇铸前在液体里加入镁或稀土元素并加入少量硅：石墨呈球状——球墨铸铁d.进行变质处理第59页/共97页含碳量小于2.11％的合金在一般情况下都是按照亚稳系统转变的。含碳量高于2.11％的合金，在实际生产中是把成分控制在共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝固与转变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统转变得到珠光体。

L2.08A4.250.68A0.0218Fα－FeG共晶G二次G共析G三次第一阶段第二阶段第三阶段第60页/共97页铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名称程度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行F＋G充分进行充分进行部分进行F＋P＋G充分进行充分进行不进行P＋G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Ld’＋P＋G白口铸铁不进行不进行不进行

Ld’＋P＋Fe3C第61页/共97页碳含量相组成组织组成工业纯铁<0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’第62页/共97页铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名称程度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行F＋G充分进行充分进行部分进行F＋P＋G充分进行充分进行不进行P＋G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Ld’＋P＋G白口铸铁不进行不进行不进行

Ld’＋P＋Fe3C第63页/共97页4.4Fe-Fe3C相图的应用1.碳对平衡组织的影响00.02180.772.114.350%100%FCmⅡCmⅠC%P室温组织组成相对量图表第64页/共97页0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相组成相对量图表第65页/共97页2.碳对力学性能的影响第66页/共97页3.碳对可锻性能的影响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。奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低，以免塑性变差。第67页/共97页4.碳对流动性的影响两个主要影响因素：化学成分和浇铸温度化学成分：C的影响最大。C量增加，结晶温度增大，流动性应该变差。但是，随C量增加，液相线温度降低。因此，同样浇铸温度下，含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利。铸铁液相线较低，流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。第68页/共97页炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO。降低钢种脆性，提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为非金属夹杂物。1.Mn的影响4.5碳钢4.5.1钢中常见杂质元素第69页/共97页残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。是钢中的有益元素。第70页/共97页钢中Si含量通常小于0.5%，脱氧时进入，形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物。Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。含量不超过1％时，不降低钢的塑性和韧性。所以，认为Si是钢中的有益元素。2.Si的影响第71页/共97页冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾钢。第72页/共97页硅钢中的Si提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效。第73页/共97页S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeS。FeS与γ铁形成熔点为989℃的（Fe＋FeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间。（Fe＋FeS）共晶体的量很少，几乎都是离异共晶。网状FeS对钢的力学性能损害极大。3.S的影响第74页/共97页如果钢中存在（Fe＋FeS）共晶体，在加热到1150～1200℃之间时，会成为液体。变形过程中会开裂，称这种现象为热脆或红脆。如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（Fe＋FeO＋FeS)三相共晶体，其危害更大。第75页/共97页所以，S是一种有害元素。普通质量钢中其含量≤0.055％；优质钢中其含量在0.040％以下；高级优质钢则≤0.030％；要求更高时，甚至限制其含量≤0.020％。

高硫钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗粘结（咬和）的优良性能，它可以广泛应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件，高硫合金钢取代低硫合金钢，并具有长的使用寿命。第76页/共97页4.P的影响由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大，因此P在Fe中具有很强的偏析倾向。在铁基合金中，P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力，但在P含量较高时，它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。第77页/共97页P会降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度，提高钢的冷脆。P还会使钢发生蓝脆现象。蓝脆就是指钢在加热到150～300℃时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象。这是因为在空气中加热到150～300℃时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。蓝脆一般是有害的。因此，在含量较高时，P是一种有害元素。一般情况下，普通钢的P含量限制在0.045％以下；优质钢在0.04％以下；高级优质钢在0.035％以下。第78页/共97页高P钢也可被利用：

1）在炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片，杀伤更多的敌人；

2）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的表面光洁度；

3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性。第79页/共97页2023/4/14/07:32:51高强深冲钢及P的作用

随着汽车工业的快速发展和节约能源、减轻汽车自重的需要，高强度深冲钢成为研发热点。

目前日本开发的含P深冲钢：屈服强度：235MPa抗拉强度：390MPa第80页/共97页高强度钢板在不同强化机制下抗拉强度和延伸率的关系第81页/共97页2023/4/14/07:32:51固溶强化元素对钢屈服强度影响第82页/共97页2023/4/14/07:32:51研究表明，要获得综合性能优良的含P高强IF钢，需要从微合金化、超低碳、钢质纯净及热轧、冷轧和退火工艺等方面控制，以获得强的｛111}//ND有利织构及较均匀的铁素体晶粒。含P高强度钢有：低碳含P钢板和超低碳含P钢板（含P高强度IF钢）第83页/共97页平炉钢：0.001～0.008％纯氧顶吹转炉钢：0.003～0.006％电炉钢：0.008～0.03％。5.N的影响

含有N的低碳钢在冷塑性变形后，性能将随时间变化，即强度、硬度增高，塑性、韧性降低。这种现象叫做应变时效。第84页/共97页H溶入钢中使钢的塑性和韧性降低——氢脆。H由原子态变为分子态，体积膨胀形成裂纹——白点。6.H的影响白点对钢的性能影响：使钢的力学性能大大下降，造成工件开裂、破坏或使用中严重失效，故在任何情况下，凡有白点的钢材或工件都被禁止使用。第85页/共97页第86页/共97页平炉钢：0.02～0.03％电炉钢：0.01～0.02％侧吹碱性转炉钢：0.04～0.07％。700℃时，α铁能溶氧0.008％500℃以下降至<0.001％。常见的氧化物有Al2O3、