教学材料《金属》-第四章

4.1铁碳合金的基本组织

合金是一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方式结合而成的具有金属特性的材料。如:普通黄铜是由铜和锌两种金属元素组成的合金，碳素钢是铁和碳组成的合金，硬铝是由铝、铜和镁组成的合金。与组成合金的纯金属相比，合金除具有较好的力学性能外，还可以调整组成元素之间的比例，以获得一系列性能各异的合金，以满足工程上对不同性能要求的需要。组成合金的最基本独立物质称为组元。组元可是金属元素、非金属元素或稳定化合物。根据组元数目多少:合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。例如，普通黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。在合金中成分、结构及性能相同的组成部分称为相。合金在固态下可以形成均匀的单相合金，也可以由几种不同的相组成多相合金。相与相之间有明显的界面，称为相界。下一页返回4.1铁碳合金的基本组织

合金的性能与组成合金相的成分、结构、形态和分布等情况有关，因此，研究合金的性能，必须先了解合金的组织与结构。根据合金中各组元之间结合方向不同，合金的组织可分为金属化合物、固溶体和混合物三类。一、金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式来表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度大、脆性大。当合金中出现金属化合物时，一般可提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。二、固溶体固溶体是一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称为溶质，基体元素称为溶剂。固溶体仍保持溶剂的晶格类型。上一页下一页返回4.1铁碳合金的基本组织

根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。

1.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中形成的固溶体，称为间隙固溶体。图4-1(a)是间隙固溶体结构示意图。由于溶剂晶格的空隙很小，故能形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径较小的非金属元素。例如碳、氮、硼等溶人金属元素基体中所成的固溶体就属于间隙固溶体。由于溶剂晶格的空隙有限，能溶人的溶质原子数量也有限，所以间隙固溶体的溶解度也有限。

2.置换固溶体溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。图4-1(b)是置换固溶体结构示意图。在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两者的原子半径、晶格类型及在化学元素周期表中的位置等。一般来说，若两者晶格类型相同，原子半径差别越小、周期表中位置越近，则溶解度越大，甚至按任意比例配制都能相互溶解，形成无限固溶体;反之，则溶解度小。上一页下一页返回4.1铁碳合金的基本组织有限固溶体的溶解度与温度有密切关系，一般来说温度越高，溶解度越大。如图4-1所示，在固溶体中由于溶质原子的溶人而使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对塑性变形的抗力增加。这种通过溶人溶质元素形成固溶体，使金属材料强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。它是提高金属力学性能的重要途径之一。三、混合物两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质称为混合物。混合物中的组成部分可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。混合物中各相仍保持自己原来的晶格。在显微镜下可以明显辨别出组成相的形貌。混合物的性能取决于各组成相的性能以及它们分布的形态、数量及大小。上一页返回4.2铁碳合金相图

钢铁材料是现代工业中应用最广的合金，其基本组元是铁和碳两种元素，故称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织、性能三者之间的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。由于钢铁材料的成分不同，因而组织和性能也不同，应用场合也不同。一、铁碳合金的相及组织在铁碳合金中，由于铁、碳两种组元间的相互作用不同，碳与铁可形成固溶体，也可形成金属化合物，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种组织。

1.铁素体碳溶解在α一Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体(Ferrite)，用符号F表示，其晶胞如图4-2所示。由于α一Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在α一Fe中的溶解度很小。下一页返回4.2铁碳合金相图在727℃时，碳在α一Fe中最大溶碳量仅为0.0218%。随着温度的降低，碳在α一Fe中的溶碳量逐渐减小，在600℃时约为0.0057%，室温时几乎为零。由于铁素体中含碳量很低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低(δ=30%~50%,σb=180~280MPa,50~80HBS)。图4-3为铁素体的显微组织，与纯铁相似，晶粒呈多边形。

2.奥氏体碳溶解在γ一Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(Austenite)，用符号A表示，其晶胞如图4-4所示。由于γ一Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故碳在γ一Fe中的溶解度较大。在1148℃时溶碳量可达2.11%，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在727℃时溶碳量为0.77%。奥氏体的力学性能与其含碳量和晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为170~220HBS，伸长率为40%~50%。可见，奥氏体的强度和硬度不高，但其具有良好的塑性，易于锻压成型，是大多数钢在高温进行锻造和轧制时所需要的组织。图4-5为奥氏体的显微组织，一般晶界较平直。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

3.渗碳体渗碳体是一种具有复杂晶格结构的金属化合物，其化学式为Fe3C，其晶体结构如图4-6所示。渗碳体的晶体结构为复杂的斜方晶体结构，与铁和碳的晶体结构完全不同。

渗碳体的含碳量为6.69%，其熔点约为1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性很差，伸长率和冲击韧性几乎为零，是一种硬而脆的组织。渗碳体的组织形态种类很多，在铁碳合金中与其他相共存时，可以呈片状、粒状、网状或板条状等。渗碳体是碳素钢中的主要强化相，它的数量、形态、大小与分布对钢的性能影响很大。渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下能分解成铁和石墨，这对铸铁具有重要意义。

4.珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。它是铁素体和渗碳体片层相间、交替排列形成的混合物，如图4-7所示为珠光体的显微组织。在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为0.77%。由于珠光体是软的铁素体和硬的渗碳体组成的混合物，所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图大体上是两者性能的平均值，故珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。

5.莱氏体莱氏体是含碳量为4.3%的液态铁碳合金，在1148℃时从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称低温莱氏体，用符号L’d来表示。如图4-8所示为低温莱氏体的显微组织。

莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。上述5种基本组织中，铁素体、奥氏体、渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相;珠光体、莱氏体是由基本相混合组成的多相组织。表4-1是铁碳合金基本组织的力学性能。

二、铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

1.铁碳合金相图的组成

在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C,Fe2C,FeC等，如图4-9所示。我们研究的铁碳合金只限于Fe一Fe3C(w(C)=6.69%)范围内，工业上使用的铁碳合金的含碳量一般不超过5%，这是因为含碳量再高的铁碳合金脆性很大，难于加工，无实用价值。故铁碳合金相图可认为是Fe一Fe3C相图。

图4-10是经简化后的Fe一Fe3C相图，图中纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量分数。这个简化后的Fe一Fe3C相图是将原来Fe一Fe3C相图上实用意义不大的左上角以及左下角部分予以省略，以便更容易地掌握和分析Fe一Fe3C相图。

2.Fe一Fe3C相图中点、线的含义

(1)Fe一Fe3C相图中几个主要特性点Fe一Fe3C相图中几个主要特性点的温度、含碳量及其物理含义如表4-2所示。

(2)Fe-Fe3C相图的特性线在Fe-Fe3C相图上，有若干合金状态的分界线，它们是不同成分合金具有相同含义的临界点的连线。主要几条特性线的物理含义如下。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图.ACD线:液相线。此线以上区域全部为液相，用L来表示。金属液冷却到此线开始结晶，在AC线以下从液相中结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体。

.AECF线:固相线。金属液冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。液相线与固相线之间为金属液的结晶区域。这个区域内金属液与固相并存，AEC区域内为金属液与奥氏体，CDF区域内为金属液与渗碳体。

.GS线:冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线(或加热时铁素体转变成奥氏体的终止线)常用符号A3表示。奥氏体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。

.ES线:是碳在奥氏体中的溶解度线，常用符号Acm表示。在1148℃时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11%(即E点含碳量)，在727℃时降到0.77%(相当于S点)。从1148℃缓慢冷却到727℃的过程中，由于碳在奥氏体中的溶解度减小，多余的碳将以渗碳体的形式从奥氏体中析出。为了与自金属液中直接结晶出的渗碳体(称为一次渗碳体)相区别，将奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

.ECF线:共晶线。当金属液冷却到此线时(1148℃)，将发生共晶转变，从金属液中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体。

.PSK线:共析线，常用符号A1表示。当合金冷却到此线时(727℃)，将发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。(一定成分的固溶体，在某一恒温下，同时析出两种固相的转变称为共析转变。)Fe一Fe3C相图的特性线及其含义归纳于表4-3。

3.铁碳合金的分类根据含碳量、组织转变的特点及室温组织，铁碳合金可分为以下几类。

(1)钢含碳量范围在0.0218%~2.11%的铁碳合金称为钢。根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为:

亚共析钢0.0218%<w(C)<0.77%;

共析钢w(C)=0.77%;

过共析钢0.77%<w(C)<2.11%。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

(2)白口铸铁含碳量为2.11%~6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据其含碳量及室温组织的不同，又可分为:

亚共晶白口铸铁2.11%≤w(C)<4.3%;

共晶白口铸铁w(C)=4.3%;

过共晶白口铸铁。4.3%<w(C)<6.69%。

三、典型铁碳合金的结晶过程下面以典型铁碳合金为例，分析它们的结晶过程及组织转变。

1.共析钢(含碳量为0.77%)

图4-11中合金I为含碳量0.77%的共析钢。其冷却曲线和结晶过程如图4-12所示。当金属液冷却到和AC线相交的1点时，液相(L)中开始结晶出奥氏体(A)，到2点时金属液结晶终了，此时合金全部由奥氏体组成。在2点到3点间，组织不发生变化。当合金冷却到3点时，奥氏体发生共析转变:

上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

此时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。温度再继续下降，组织不再发生变化。共析钢在室温时的组织是珠光体(图4-7)。

2.亚共析钢(含碳量为0.0218%~0.77%)

图4-11中合金Ⅱ是含碳量为0.45%的亚共析钢，其冷却曲线和结晶过程如图4-13所示。金属液冷却到1点时开始结晶出奥氏体，到2点结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，从奥氏体中开始析出铁素体。由于α一Fe只能溶解很少量的碳，所以合金中大部分碳留在奥氏体中而使其含碳量增加。随着温度下降，析出的铁素体量增多，剩余的奥氏体量减小，而奥氏体的含碳量沿GS线增加。当温度降至与PSK线相交的4点时，奥氏体的含碳量达到0.77%，此时剩余奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。4点以下至室温，合金组织不再发生变化。亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成。含碳量不同时，珠光体和铁素体的相对量也不同，含碳量越多，钢中的珠光体数量越多。含碳量为0.20%和0.45%的亚共析钢的显微组织如图4-14所示。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

3.过共析钢(含碳量为0.77%~2.11%)

图4-11中合金Ⅲ是含碳量为1.2%的过共析钢，其冷却曲线和结晶过程如图4-15所示。金属液冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点结晶完毕。2点到3点间为单相奥氏体。当合金冷却到与ES线相交的3点时，奥氏体中的含碳量达到饱和，继续冷却，由于碳在奥氏体中的溶解度减小，过剩的碳以渗碳体的形式从奥氏体中析出，称为二次渗碳体。它沿奥氏体晶界呈网状分布。继续冷却，析出的二次渗碳体的数量增多，剩余奥氏体中的含碳量降低，随着温度下降，奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中的含碳量达到0.77%，于是发生共析转变，奥氏体转变成珠光体。从4点以下至室温，合金组织不再发生变化。最后得到珠光体和网状二次渗碳体组织。所有过共析钢的结晶过程都和合金Ⅲ结晶过程相似，由于含碳量不同，它们室温组织中的二次渗碳体和珠光体的相对量也不同。钢中含碳量越多，二次渗碳体也越多。含碳量为1.2%的过共析钢的显微组织如图4-16所示。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

4.共晶白口铸铁(含碳量为4.3%)

图4-11中合金Ⅳ为含碳量4.3%的共晶白口铸铁，其冷却曲线和结晶过程如图4-17所示。当金属液冷却到1点时发生共晶转变，从金属液中结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体:

莱氏体的形态一般是粒状或条状的奥氏体均匀分布在渗碳体基体上。这种奥氏体称共晶奥氏体，这种渗碳体称共晶渗碳体。当继续冷却至1点以下时，共晶奥氏体中将析出二次渗碳体，当温度降至2点(727℃)时，共晶奥氏体发生共析转变，得到珠光体组织，继续冷却，合金组织不再发生变化。所以，共晶白口铸铁的室温组织是由珠光体和渗碳体组成的混合物，即低温莱氏体组织。图4-18为共晶白口铸铁的显微组织。亚共晶和过共晶白口铸铁的结晶过程，从共晶转变开始到室温，基本上和共晶白口铸铁相类似。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图所不同的是从液相线(AC,CD)到共晶转变线(ECF)之间，亚共晶白口铸铁先从金属液中结晶出奥氏体，而过共晶白口铸铁则先从金属液中结晶出一次渗碳体。图4-19和图4-20是亚共晶和过共晶白口铸铁的结晶过程。亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体(图4-21)，过共晶白口铸铁的室温组织是一次渗碳体+低温莱氏体(图4-22)。

四、铁碳合金的成分、组织与性能的关系根据铁碳合金相图的分析，铁碳合金在室温的组织都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体的量逐渐减少，而渗碳体的量则有所增加，如图4-23所示。随着含碳量的变化，不仅铁素体和渗碳体的相对量有变化，而且相互组合的形态也发生变化。随着含碳景的增加，合金的组织将按下列顺序发生变化:F→F+P→P→P+Fe3CⅡ

→P+Fe3CⅡ+L'd→L'd→L'd+Fe3CI(图4-23)。上一页下一页返回4.2铁碳合金相图

铁碳合金组织的变化，必然引起性能的变化。图4-24为含碳量对正火后碳素钢的力学性能的影响。由图可以知道，改变含碳量可以在很大范围内改变钢的力学性能。总之，含碳量越高，钢的强度和硬度越好，而塑性和韧性越差。这是由于含碳量越高，钢中的硬脆相Fe3C越多，但当含碳量超过0.9%时，由于二次渗碳体呈明显网状，使钢的强度有所降低。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的含碳量一般不超过1.4%。上一页返回4.3铁碳合金相图的应用

Fe一Fe3C相图在生产实践中具有重大的意义，主要应用在钢材料的选用和热加工工艺的制定两方面。一、作为选用钢材料的依据铁碳合金相图所表明的成分、组织和性能的规律，为钢材料的选用提供了依据。如要求制造塑性、韧性好，而强度不太高的构件，则应选用含碳量较低的钢;要求制造强度、塑性和韧性等综合性能较好的构件，则选用含碳量适中的钢;各种工具要求硬度高及耐磨性好，则应选用含碳量较高的钢。

二、制定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据

1.在铸造生产上的应用根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度。下一页返回4.3铁碳合金相图的应用从图4-25中，可以看到钢的熔化与浇注温度均比铸铁高，还可以看出，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间较小，故具有良好的铸造性能。这类合金适宜铸造，并在铸造生产中获得了广泛的应用。

2.在锻造工艺上的应用钢经加热后获得奥氏体组织，它的强度低，塑性好，便于塑性变形加工。因此，钢材轧制或锻造的温度范围多选择在单一奥氏体组织范围内。其选择原则是开始轧制或锻造的温度不得过高，以免钢材严重氧化，甚至发生奥氏体晶界部分熔化，使工件报废。终止温度也不能过低，以免钢材塑性差，锻造过程中产生裂纹。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度范围如