材料科学基础-铁碳合金

第四章铁碳合金

本章是本课程的重点章

本章目的：

1介绍铁碳相图的基本组元和基本相；

2分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分－组织－性能间关系；说明铁碳相图的基本应用；

3介绍各种碳钢的牌号及应用。本章重点：（1）重要概念：铁素体奥氏体珠光体莱氏体共晶渗碳体共析渗碳体二次渗碳体（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征（4）掌握铁碳合金的成分—组织－性能之间的关系

§1铁碳合金与铁碳相图铁碳合金——应用最广泛的合金一铁碳合金中的基本相和基本组织

(一)纯铁的晶体结构与性能

1纯铁冷却中晶体结构的变化：

1538℃1394℃912℃

L

→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

bccfccbcc

——纯铁在冷却中经历两次同素异构转变A4A3A2(770℃)居里点(顺磁性与铁磁性转变温度)——具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一2纯铁的显微组织单相的α－Fe3纯铁(工业纯铁)的性能

强度低(σb=180～230MPa);

硬度低(50HBS~80HBS)、软;

塑性好(δ:30％～50％；

ψ:70％～80％)

铁磁性4应用：仪器仪表用软磁铁芯（二）铁碳合金中的基本相和基本组织

1

基本组元：Fe、C

2基本相：

（1）铁素体(α或F)：

定义:C在体心立方α－Fe中的间隙固溶体但C在α－Fe中的溶解度极小:0.0008%(20℃)~0.0218%(727℃)

性能:强硬度低(50HBS~80HBS)，塑韧性好(ψ:70％～80％;

Ak=160J)——与工业纯铁同良好塑韧性→钢中基体相（2）奥氏体(γ或A)

定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体溶碳量较大：

0.77%(727℃)~2.11%(1148℃)

性能:强硬度较低；

塑性较好,变形抗力较低,

易于锻压成形;

顺磁性。

——热加工(塑性变形)相

——合金化后成为室温基体相(无磁性)；（3）渗碳体(Fe3C)Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C，复杂正交晶系。性能

强度低：σb=30MPa;

硬度高：800HB

无塑性：δ=0;ψ=0;

Ak=0

弱的铁磁性(<230℃)——硬、脆→钢中强化相3组织

Fe-C合金成分范围宽，相构成只三个，但性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或单相或混合相存在→不同组织（1）铁素体(F)

（2）奥氏体(A)

（3）渗碳体(Fe3C)

（4）珠光体(P)：F＋Fe3C；共析反应产物（5）莱氏体(Ld)：A＋Fe3C；共晶反应产物

（6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe3C单相组织两相组织二、Fe―Fe3C相图分析实际组元：

Fe-Fe3CLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.530.171538℃912℃HLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008包晶线HJBLB+δH

γJ共析线PSKγS

αP+Fe3C共晶线ECFLC

γE+Fe3CES:γ相的溶解度曲线PQ:α相的溶解度曲线GS:先共析α相析出线LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008J点―包晶点

1495℃0.17%CC点―共晶点

1148℃4.3%CS点―共析点

727℃0.77%

LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008E点―γ的最大溶碳量2.11%CP点―α的最大溶碳量0.0218%C三铁碳合金的平衡结晶过程及组织

1铁碳合金分类LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工业纯铁钢铸铁按照铁碳相图，根据碳含量不同分为三大类：根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型：（1）工业纯铁Wc＜0.0218％（2）共析钢Wc=0.77％（3）亚共析钢Wc=0.0218％～0.77％（4）过共析钢Wc=0.77％～2.11％（5）共晶白口铁Wc=4.3％（6）亚共晶白口铁Wc=2.11％～4.3％（7）过共晶白口铁Wc=4.30％～6.69％LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C

铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工业纯铁共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁亚共析钢LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008合金①WC=0.01%的工业纯铁δ常温下组织构成：

F+Fe3CⅢLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ合金②：共析钢727℃时发生共析转变：

γS(αP＋Fe3C)=P常温下的组织构成：P不同放大倍数下P的显微组织

珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.008WF=SK/PK(C:0.77%wt)=[(6.69－0.77)/(6.69－0.0218)]×100%=88.7%WFe3C=1－88.7%=11.3%LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ亚共析钢(0.4%C)常温下的组织构成：F先共析＋PL→δL＋δ→γγ→αγ→α＋Fe3C先共析FP

亚共析钢(0.45%C)0.02186.690.77727℃F+Fe3C相区0.4计算WC=0.4%钢中的组织组成物WF先=[(0.77－0.40)/(0.77－0.0218)]×100%=49.5%WP=1－49.5%=50.5%

——先共析F和P的含量？0.02186.690.77727℃F+Fe3C相区0.4计算相组成物WF=[(6.69－0.40)/(6.69－0.0218)]×100%=94.3%WFe3C=1－94.3%=5.7%

——铁素体和Fe3C的含量？过共析钢(1.0%C

)L→γγγ1.0→γ0.77

+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ相构成：F+Fe3C组织构成：Fe3CⅡ+PFe3CⅡP1148727合金⑤共晶白口铁1148℃发生共晶转变

LC

γE+Fe3C萊氏体——Ld室温组织：变态萊氏体—Ld′(P+Fe3C＋Fe3CⅡ)K合金⑥亚共晶白口铁组织构成：P+Ld′2.114.30.7711487276.69⑥2.114.30.7711487276.69

合金⑦过共晶白口铁组织构成：Fe3CⅠ+Ld′⑦LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeT

JA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃

α+Fe3C

0.4%Cα先共析+α共析+Fe3C共析

P先共析FPLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDC%FeTJA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.00080.531538℃912℃Fe3C+α

1%Cα共析Fe3C共析PFe3CⅡFe3CⅡPP＋Fe3CⅡ＋Ld′FF＋Fe3CⅢF先+PPP+Fe3CⅡLd′＋Fe3CⅠLd′组织构成图LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C铁碳相图4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工业纯铁共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁亚共析钢解释工业纯铁、钢、白口铸铁组织上的主要差别Haveabreak§4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响铁碳合金成分范围与室温平衡组织：一、碳含量对平衡组织的影响碳含量对铁碳合金相的影响室温下的平衡相铁素体F+渗碳体Fe3C;随着碳含量增加铁素体减少，渗碳体增加；随碳含量增加铁碳合金组织发生变化，F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ld′→Ld′→Fe3CⅠ+Ld′碳含量对组织构成的影响由于生成条件不同，相虽本质未变，但形态有很大差异。铁碳合金组织与渗碳体的变化密切相关。①一次渗碳体——规则长条状；②共晶渗碳体粗大或鱼骨状③γ中析出二次渗碳体沿晶界④三次渗碳体常沿晶界小片二、碳含量对机械性能的影响

铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相；珠光体内层片越细，其强度越高；抗拉强度1000MPa;屈服强度600MPa延伸率10%;硬度241HBW

随碳含量增加，钢硬度线性提高，塑韧性下降；0.77%C时就是珠光体性能；强度先随硬度的提高而提高，但大约当C%>0.9%后，强度反而下降；脆性二次渗碳体含碳量1%时，于晶界形成连续的网络，脆性渗碳体处出现早期裂纹并扩展导致强度降低。共晶白口铁由于含有大量渗碳体故强度很低。低温Ld′塑性低至0冲击韧性对组织敏感，硬度不敏感，硬度主要取决组成相的数量基本原因：

与构成相或组织的性能有关。

铁素体相:软韧相，渗碳体相：硬脆相；珠光体组织的性能介与两者之间:强韧故工业上使用的铁碳合金一般含碳量不超过1.3%

FPFe3Cσb(MN/m2)

23075030

δ(%)

50200

ak(J/cm2)

160300HB

80200800

【硬度】：——非组织敏感性能

主要取决于相的构成，包括组成相的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。相构成：F＋Fe3C

随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C)

亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系：

HB≈80×w(F)%+800×w(Fe3C)%【强度】：

对组织形态比较敏感。故不仅与相构成有关，更主要的与组成相形态、分布即组织构成有极大关系。亚共析钢：

F先+P构成，均为韧性组织，强度与硬度一致。随碳含量增加，钢中强韧的P组织数量增加，而强硬度很低的F先不断下降，故合金强度随硬度增大而增大；σb＝(0.3~0.4)HB

HRC＜40σb＝8.61×103/(100-HRC) HRC＞40过共析钢：

Fe3C先+P，为韧性组织＋脆性组织——σ与脆性组织(Fe3C先)的形态直接相关：C％<0.9%~1.0%时，σ随C％↑而变化的趋势与亚共析钢类似；

C％>0.9%~1.0%后，σ随C％↑而陡降。出现网状Fe3CⅡFe3CⅡ为沿晶粒状塑韧性：

Fe3C极脆相，无塑、韧性；合金塑性变形完全由F提供，随C%增高，F不断减少，故塑韧性不断下降。思考题：

试从化学成分、相构成、组织构成等方面对工业纯铁、钢、白口铸铁的机械性能进行分析、比较、解释。切削加工性能

材料铁素体多，硬度太软,容易粘刀,切削热大,影响表面粗糙度;渗碳体多的材料，硬度太大,刀具磨损严重。钢的硬度为HB170～250时，切削加工性能较好。可锻性：

低碳钢塑性好，可锻性好。随含碳量增加，可锻性变差。

三、对工艺性能的影响

铸造性：共晶成分铸铁铸造性好:①流动性好，②缩孔集中,③偏析小；液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。化学成分与浇注温度是重要因素。解释液态收缩，凝固收缩，固态收缩；少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。锰的影响脱氧剂。有益元素，碳钢中不超过0.8%，（1）溶入铁素体中起固溶强化；（2）形成MnS，消除硫的有害影响。§5钢中杂质元素集钢锭组织

一杂质元素对钢性能的影响硅的影响

脱氧剂，有益元素，可固溶强化。钢中碳含量不超过0.5%硫的影响

有害元素，矿石和燃料带入，以FeS夹杂物形式存在晶界上→

造成热加工开裂“热脆”，

原因：形成Fe+FeS共晶，熔点为989℃，低于热加工的加热温度1150℃，而导致热加工时开裂；

若钢中含氧量高时，还会形成熔点更低(940℃)的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。

防止热脆：

（1）降硫：

普通碳素结构钢要求：S≤0.040%~0.050%（2）加入适当的Mn，改变硫的存在方式。Mn与S的化学亲和力大于Fe，优先形成MnS，MnS的熔点1600℃，高于热加工温度，可避免热脆的发生。磷的影响

磷是有害杂质元素，它主要由矿石和生铁等炼钢原料带入钢中。

磷在铁中固溶度较大，其在钢中固溶强化作用很强，但同时剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧脆转变温度升高，称为“冷脆”。

磷具有严重的偏析倾向磷有益作用是提高切削性能，它与铜共存能提高钢的耐大气腐蚀能力韧性降低体现在两方面：(1)冲击功Ak↓；(2)韧脆转变温度Tk↑韧性区脆性区韧脆转变温度氮、氢、氧等微量气体的影响【氮】炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。有害作用主要通过淬火时效和应变时效表现的。——称为蓝脆(因300℃左右应变时最易产生)——蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。

消除方法：加Al形成AlN，另外它还能阻碍加热时奥氏体晶粒的长大。【氢】氢的危害①引起氢脆；②大量细微裂纹—白点。高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，氢在钢中的溶解度急剧降低，氢来不及逸出，过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚，并逐渐形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹，氢使钢变脆的现象称为氢脆——严重的缺陷。消除方法：锻后缓冷。尤其对大型锻件。【氧】

氧化物夹杂物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，往往成为裂纹的起点，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。有害元素利用：S、P在易切钢中应用，P在炮弹钢中的应用钢材横断面低倍形貌：又称“发裂”钢材纵断面低倍形貌：也称“白点”二、钢锭的宏观组织及其缺陷根据含氧量和放出CO程度，可将钢锭分为镇静钢，沸腾钢和半镇静钢。镇静钢（氧<0.01%,常0.002~0.003%）组织致密常用于高性能要求零件

主要为表层细晶区，柱状晶区，中心等轴晶区；钢锭下部还有一个等轴晶组成的致密沉积锥体。主要缺陷有：缩孔、缩松、偏析、气泡等；缩孔位于上端；缩松多出现在钢锭上部和中部；气泡包括皮下气泡和内部气泡；偏析主要为方框偏析和点状偏析。方形偏析形成与钢锭的结晶过程有关。由于选择结晶，较多杂质聚集在柱状晶和等轴晶区域形成区域偏析。点状偏析的产生与夹杂物和气体有关，斑点中含C和S都较高。

严重的点状偏析容易在斑点处产生应力集中，并导致早期疲劳裂纹。坚壳带有致密细小的等轴晶组成。蜂窝气泡带由分布在柱状晶带内的长形气泡所构成；中心坚固带由没有气泡的柱状晶组成

二次气泡带在柱状

晶间

锭心带由粗大等轴

晶组成。沸腾钢（氧=0.03~0.07%）含0.27%C沸腾钢的宏观组织：表面至心部由坚壳带，蜂窝气泡带，中心坚固带，二次气泡带和锭心带五区所组成。碳钢的分类、编号及用途碳素钢由于价格低廉，便于冶炼、加工应用最为广泛；在碳钢的基础上加入合金元素，以改善某些性能形成合金钢一、钢的分类按照用途分类：可分为结构钢，工具钢和特殊性能钢按化学成分分类：碳钢分为低碳钢(<0.25%)，中碳钢，高碳钢(>0.6%)；合金钢分为：低合金钢(<5%)，中合金钢，高合金钢(>10%).按品质分类：以S、P含量分类，为普通质量钢，优质钢、高级优质钢和特级优质钢；优质钢的S、P<0.035%二、钢的编号

1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢

Q+屈服点数值+质量等级+脱氧方法如：Q195、Q235AF，Q235BZ；合金钢Q345C

由A到E，磷、硫含量降低；Z镇静钢，F沸腾钢（与旧标准的对比：Q235≈A3）

属构件用钢，碳含量（0.06%~0.4%）

按显微组织分类如：亚共析钢，共析钢，过共析钢和莱氏体钢；或珠光体贝氏体钢和马氏体钢，奥氏体钢；等等

2)优质碳素结构钢

08F、10、20:

塑韧性、焊接性好——冷冲、焊接、渗碳件调质后综合机性好——调质件强度高、弹性极限高——弹性元件25、30、35、40、45:50、60、65:C含量(0.06%~0.70%)

用两位数字表示(平均含碳量万分之几)，如45钢表示C=0.45%；08钢为C=0.08%；50Mn表示C=0.5%,Mn0.7~1.0%3)碳素工具钢C含量（0.65%~1.35%）T+数字(表示碳含量千分之几)如T8钢,C=0.8%T7、T8：一定韧性——冲头、锤子、凿子T9、T10：硬度高、韧性适中；钻头、手锯条、刨刀

T12(A)、T13：硬度高、韧性低;

锉、刮刀、量具又如：T8Mn—高Mn钢C=0.8%;

T10A—优质碳素工具钢C=1%4)合金结构钢数字