教学材料《金属材料》-3

3.1铁碳合金的基本相一、纯铁的同素异晶转变在自然界中大多数金属结晶后晶格类型不再变化，但铁、钦、钻等少数金属，结晶后随着温度的变化，晶格会发生改变。金属这种在固态下晶格类型随温度变化的特性被称为同素异晶转变。铁碳合金是应用最广泛的金属材料，也是合金钢的基础。不同晶体结构的铁与碳可以形成不同的固溶体及化合物。正是由于纯铁能发生这种同素异晶转变，才使得铁碳合金也存在多种固体相变，在生产上才可以对钢铁材料通过热处理来改变其组织、改善其性能。纯铁的冷却曲线如图3-1所示。下一页

返回3.1铁碳合金的基本相二、铁碳合金的基本相1.铁素体碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号“F”表示。铁素体仍保持a-Fe的体心立方晶格，碳溶于a-Fe的晶格间隙中。铁素体的力学性能与纯铁基本相同，即强度、硬度较低，塑性、韧性很好。2.奥氏体碳在γ-Fe中的的间隙固溶体称为奥氏体，用符号“A”表示。奥氏体为面心立方晶格。上一页

下一页

返回3.1铁碳合金的基本相奥氏体塑性好，强度硬度略高于铁素体。绝大多数钢的热加工成形都要求加热到奥氏体状态，这样易于锻压成型。3.渗碳体在铁碳合金中，含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳便与铁形成化合物Fe3C，称为渗碳体。前面提到，渗碳体的硬度很高(相当于800HBW)，但塑性和韧性几乎为零。渗碳体不能单独使用，在钢铁中总是与铁素体混合在一起。一般来说，渗碳体在钢中能提高其硬度及耐磨性，降低塑性和韧性。上一页

下一页

返回3.1铁碳合金的基本相

在铁碳合金中共有铁素体、奥氏体和渗碳体三个基本相，但奥氏体一般只存在于高温中，所以室温下的铁碳合金中只有两相，即铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量很少，因此可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。除三个基本相F,A,Fe3C外，在铁碳合金中往往还存在上述基本相的机械混合物:珠光体和莱氏体。(1)珠光体。铁素体与渗碳体的两相混合物称为珠光体，用符号“P”表示，为层片状机械混合物含碳量为0.77%，强度、硬度及塑性适中，具有较好的综合机械性能。上一页

下一页

返回3.1铁碳合金的基本相(2)莱氏体。奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号“Ld”表示，此为高温莱氏体;室温下的莱氏体为珠光体与渗碳体的混合物，用符号“Ld’”表示，为低温莱氏体。上一页

返回3.2铁碳合金相图铁碳合金相图是在平衡条件下(极其缓慢加热或冷却)铁碳合金的成分、温度、相或组织)三者之间的关系图。研究和使用钢铁材料，离不开铁碳合金相图。一般的铁碳合金相图是以Fe为一个组元、Fe3C(含碳量为6.69%)为另一组元形成的Fe-Fe3C相图，简称为铁碳合金相图，如图3-3所示。一、铁碳合金相图分析Fe-Fe3C相图纵坐标为温度，横坐标为碳的质量百分数。分析铁碳合金相图，主要进行点、线、区分析(重点:C点、S点)。下一页

返回3.2铁碳合金相图1.Fe-Fe3C相图主要特性点Fe-Fe3C相图主要特性点及含义见表3-1所示。2.Fe-Fe3C相图主要特性线(相变线)Fe-Fe3C相图主要特性线及含义见表3-2所示。在上述特性点和特性线中，共晶点及共晶线、共析点及共析线对铁碳合金来说具有重要的意义。在共晶点C点，液态合金在恒温下同时结晶出奥氏体和渗碳体组成细密混合物—莱氏体(Ld)。这种在一定条件(成分、温度)下的液相同时结晶出两种固相物质的转变称为共晶转变。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图在共析点S点，奥氏体在恒温下同时生成铁素体和渗碳体组成细密混合物—珠光体(P)。这种一定成分的固相在一定温度下同时生成两种固相的转变称为共析转变。还要指出的是:一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳以及珠光体和莱氏体中的渗碳体(分别称为共析渗碳体和共晶渗碳体)，它们本身并无本质区别，都具有相同的化学成分、晶格结构和性质。只是出处不同，并由此造成其形态、大小以及在合金中的分布等情况有所不同。3.Fe-Fe3C相图相区分析观察相图，可以看出，相图主要有四个单相区和五个双相区。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图二、铁碳合金分类根据相图可知，铁碳合金含碳量不同，室温组织亦不同，据此，可将铁碳合金分为3大类7种(以相图中P、S、E、C点分界):上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图三、典型铁碳合金的结晶过程及组织为了进一步了解铁碳合金的组织及形成规律，下面重点分析一下钢和白口铸铁的结晶过程及在室温下的显微组织。1.共析钢(wC=0.77%)共析钢的结晶过程如图3-4所示。共析钢(合金I)在1点以上处于均匀的液相状态。在1~2点之间是它的结晶温度区间，是液相与奥氏体相的两相共存区。2~3点之间是奥氏体单相区，在这个温度区间内没有相变，只是奥氏体的简单冷却。当冷却到3点时发生共析转变，奥氏体转变成珠光体。继续冷却至室温，珠光体不再发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为珠光体。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图2.亚共析钢(0.0218%<wC<0.77%)从图3-4中可看到，亚共析钢(合金Ⅱ)在1点以上处于均匀的液相状态。在1~2点之间是它的结晶温度区间，在此温度之间从液相中不断结晶出奥氏体，冷却至2点以下全部为奥氏体，2~3点之间是单相奥氏体简单冷却，没有相变。3~4点之间不断从奥氏体中析出铁素体(这些铁素体称为先析铁素体)。缓冷至4点时，剩余的奥氏体发生共析转变生成珠光体。亚共析钢在室温时的组成物F和P两者的相对质量百分数是随具体合金含碳量的变化而变化的。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图3.过共析钢(0.77%<wC<2.11%)

图3-4中过共析钢(合金Ⅲ)在1点以上处于均匀的液相状态。在1~2点之间是该合金的结晶温度区间，为奥氏体和液相共存区，当温度降到1点以下从液相中结晶出奥氏体相，当温度降到2点时，液相全部结晶成单相奥氏体。2~3点之间奥氏体单相区只有奥氏体的简单冷却，无相变。3~4点之间，随着温度的下降，碳在奥氏作中的溶解度也下降，因而从奥氏体中以二次渗碳体(Fe3Cll)的形式析出多余的碳。当温度降到4点(727℃)时，奥氏体的wC

约为0.77%。于是奥氏体就发生共析转变，全部转变成珠光体。直到室温，组织不再变化。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图4.共晶白口铸铁(wC=4.3%)共晶白口铸铁在1点(1148℃)之上为均匀的液相，当温度降到1点时发生共晶转变，即液相全部结晶成高温莱氏体。组成高温莱氏体的奥氏体和渗碳体分别被称为共晶奥氏体和共晶渗碳体。共晶奥氏体通常以树枝状分布在共晶渗碳体的基体上。但当温度降到1点~2点之间时，随着温度的下降，碳在奥氏体中溶解度下降，高温莱氏体中的共晶奥氏体也同样会析出Fe3CⅡ。当温度降到2点(727℃)时共晶奥氏体的wC=0.77%，随即发生共析转变，共晶奥氏体转变成珠光体，从2点直到室温不再变化。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图5.亚共晶白口铸铁(2.11%<wC<4.3%)亚共晶白口铸铁温度在1点以上为均匀的液相，在1~2点间不断从液相中结晶出奥氏体(称为初晶奥氏体)，温度降至2点时，剩余液相的成分达到共晶成分，发生共晶转变，形成莱氏体，冷却到2点以下时，从初晶奥氏体和共晶奥氏体中析出Fe3CⅡ，所以奥氏体中的含碳量沿ES线降低当温度达到3点时，奥氏体成分为wC=0.77%，发生共析转变生成珠光体。6.过共晶白口铸铁(4.3%<wC<6.69%）上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图过共晶白口铸铁温度在1点以上为均匀的液相，在1~2点间，不断从液相中结晶出渗碳体，即一次渗碳体(Fe3CⅠ)，温度降至2点时，剩余液相的成分达到共晶成分，发生共晶转变生成莱氏体，在2点~3点中，共晶奥氏体中析出Fe3CⅡ，到3点时奥氏体成分为wC=0.77%，发生共析转变生成珠光体。四、铁碳合金成分与组织、性能之间的关系1.成分(含碳量)与平衡组织间的关系由Fe-Fe3C相图可知，随着碳的质量分数的增加，铁碳合金室温组织发生如下变化:上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，相应地也具有不同的性能。特别说明:铁碳合金相图是在无限缓慢冷却条件下得到的平衡组织相图，而实际生产中材料的加热和冷却是较快的，因此，不能直接用此相图来套钢铁的组织与结构。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图2.含碳量与力学性能间的关系Fe3C在铁碳合金中是一种强化相，渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低，如图3-10所示。但含碳量超过0.9%(过共析钢)之后，不断增多的Fe3Cll分布在晶界网上，不仅使钢的塑性、韧性降低，同时也削弱了钢的强度，此时，钢的强度不升反降。故工业领域使用的钢，其含碳量控制在1.5%以下。含碳量大于2.11%的白口铸铁，其基体组织即为Fe3C，表现出的性能是硬而脆，塑性、韧性极低，且难以加工，因此，一般在机械行业很少直接使用。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图3.含碳量与工艺性能间的关系(1)铸造性能。从相图的角度来讲，液相线与固相线之间的距离越大，结晶温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。(2)锻造性能。钢可加热到单一的奥氏体相区，所以其锻造性能良好，且低碳钢优于高碳钢。而白口铸铁不论低温还是高温，其组织都是以Fe3C为基体，因此不能锻造。(3)焊接性能含碳量越高，其焊接性能越差。(4)切削加工性能。衡量金属切削加工性能的指标有切削力、表面粗糙度、排屑与断屑、刀具磨损程度等。上一页

下一页

返回3.2铁碳合金相图五、铁碳合金相图的应用1.在选材方面的应用Fe-Fe3C相图给出了含碳量与钢铁组织及性能之间的关系。这便于根据零件所需的使用性能来合理选用适当碳含量的钢。显然相图可以指导我们对钢材的合理选用。