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1、第三章 铁碳合金众所周知，钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，是现代工农业生产中应用最广泛的金属材料，它们是以铁和碳作为基本元素的合金，改变其化学成分和工艺条件，就可以获得不同的组织和性能，从而能满足生产和使用的多种需要。其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。由于碳的质量分数大于 6.69%时，铁碳合金的脆性很大，已无实用价值。所以，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在 6.69%以下。第一节 铁碳合金的组元及基本组织一、纯铁是B 族 26 号元素，具有一系列优良的物理及化学性质，大家都比较熟悉，Fe这里就不涉及，只讲铁在晶体结构上的一个性质多晶型性，即在不同的条件下，铁具有不同
2、的晶体结构，在条件改变时铁会发生同素异构转变。金属从一种晶格转变为另一种晶格，这种转变称为金属的同素异晶转变。现以纯铁为例来说明金属的同素异晶转变过程。图 3-1 纯铁的冷却曲线液态纯铁在 1538时结晶成具有体心立方晶格（b、c、c ）的 -Fe（不同于，晶格尺寸较大） ；冷却到 1394时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的 -FeFe 转变为面心立方晶格的 -Fe（f、c、c ） ；继续冷却到 912时又发生同素异晶转变，由面心立方晶格的 -Fe 转变为体心立方晶格的 -Fe（b、c、c ） 。金属发生同素异晶转变时，必然伴随着原子的重新排列，这种原子的重新排列过程，实际上就是一个结晶过程
3、，与液态金属结晶过程的不同点在于其是在固态下进行的，但它同样遵循结晶过程中的形核与长大规律。1二、铁素体（Ferrite）在铁碳合金中，由于含碳量和温度的不同，铁原子和碳原子相互作用可以形成铁素体、奥氏体和渗碳体等基本相。碳溶入 -Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号 F 表示。铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙分布较分散，所以间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在 727时碳的溶解度最大为 0.0218%，室温时几乎为零。铁素体的塑性、韧性很好（=3050%、a KU=160200Jcm 2） ，但强度、硬度较低( b=180280MPa、 s=100170MPa、硬度为 5080HBS)
4、。图 3-2 铁素体的显微组织（200） 图 3-3 奥氏体的显微组织示意图三、奥氏体（Austenite ）碳溶入 -Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号 A 表示。奥氏体具有面心立方晶格，其致密度较大，晶格间隙的总体积虽较铁素体小，但其分布相对集中，单个间隙的体积较大，所以 -Fe 的溶碳能力比 -Fe 大，727时溶解度为 0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148时其溶解度最大为 2.11%。奥氏体常存在于 727以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好( b400 MPa、 4050%、硬度为 160200HBS)，易锻压成形。四、渗碳体渗碳体是铁
5、和碳相互作用而形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，常用化学分子式 Fe3C 表示。渗碳体中碳的质量分数为 6.69%，熔点为 1227，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低( 0、 aKU0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。 是亚稳定化合物，在一定CFe3条件下，可以分解为 和石墨态的自由碳。Fe五、珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号 P 表示。珠光体中碳的质量2分数平均为 0.77%，由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度( b=770MPa)和塑性(
6、=2025%)，硬度适中（180HBS） 。六、莱氏体碳的质量分数为 4.3%的液态铁碳合金冷却到 1148时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号 Ld 表示。在 727以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号 Ld 表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。第二节 Fe-Fe 3C 相图分析图 3-4 以组织组成物标示的 Fe-Fe3C 相图 图 3-5 简化的 Fe-Fe3C 相图一、相图分析1、三根水平线： 17.014950.L Fe31.2C84.3 （A 1 线）)(08.70. 2、相图中的重要特性点：A 点纯铁的熔点；C 点共晶点； D
7、 点 Fe3C 的熔点；E 点是碳在 -Fe 中的最大溶解度，钢、铁分界点；G 点是同素异构转变点；P 点是碳在-Fe 中的最大溶解度；S 点是共析点；Q 点是铁的室温时碳在 -Fe 中的最大溶解度。3、相图中的主要特性线3ACD 线为液相线，在 ACD 线以上合金为液态，用符号 L 表示。液态合金冷却到此线时开始结晶，在 AC 线以下结晶出奥氏体，在 CD 线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用符号 Fe3CI表示。图 3-6 以相组成物标示的 Fe-Fe 3C 相图AECF 线为固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。ECF 线为共晶线，
8、温度为 1148。PSK 线为共析线，又称 A1线，温度为 727。即 S 点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度(727)时，同时析出 P 点成分的铁素体和渗碳体。共析转变后的产物称为珠光体， S 点称为共析点。凡是碳的质量分数为0.02186.69%的铁碳合金均会发生共析转变。ES 线是碳在 -Fe 中的溶解度曲线，又称 Acm 线。碳在 -Fe 中的溶解度随温度的下降而减小，在 1148时溶解度为 2.11%，到 727时降为 0.77%。GS 线，又称 A3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。 PQ 线是碳在 -Fe中的固态溶解度曲线。4、铁碳合金分类根据碳的质量分数和室温组织的不同，
9、可将铁碳合金分为以下三类：1. 工业纯铁：C%0.02182. 碳素钢：亚共析钢：0.0218-0.77C4共析钢：0.77C过共析钢：0.77-2.11C3. 白口铁：亚共晶白口铁：2.11-4.30%C共晶白口铁：4.30%C过共晶白口铁：4.30%-6.69%C二、典型铁碳合金的结晶过程及组织1、共析钢的结晶过程及组织图 3-7 共析钢结晶过程示意图 图 3-8 珠光体的显微组织结晶过程： L L A P。 在 12 点间合金按匀晶转变结晶出 A，在 2 点结晶结束，全部转变为奥氏体。冷到 3 点时（727） ，在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体 P，珠光体中的渗碳体称为共析渗
10、CFe302.7.0A碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线 PQ变化，析出三次渗碳体 ，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数3量少，可忽略。室温时组织组成物 P，含量 100%。相组成物： 。CFe3在共析温度下，珠光体中铁素体与渗碳体的相对重量可用杠杆定律计算： %8.1028.69.7%10KSQP 2.3CFe5珠光体的显微组织如图 3-8 所示。在显微镜放大倍数较高时，能清楚地看到铁素体和渗碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素体层片薄。2、亚共析钢的结晶过程及组织结晶过程： L L A F A F P图 3
11、-9 亚共析钢结晶过程示意图wc =0.45%的亚共析钢在 727温度下，其组织中铁素体和珠光体的相对量可用杠杆定律计算： %8.421028.7.045%1PSfQF .7. f所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，只是铁素体和珠光体的相对量不同。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。相组成：。CFe3图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体，这是因为放大倍数较低，无法分辨出珠光体中的层片，故呈黑色。a) wc =0.1% b) wc =0.25% c) wc =0.6%图 3-10 亚共析钢的显微组织根据显微组织中珠光体所占的面积可粗略地计算出亚共析钢中碳的质量分数。由于
12、室温下铁素体中碳的含量几乎为零，可以忽略不计，所以钢中碳的质量分数约等于珠光体中碳的含量，即：6wc =0.77%SP73、过共析钢的结晶过程及组织结晶过程： L L AFe 3C AFe 3C P图 3-11 过共析钢结晶过程示意图 图 3-12 过共析钢的显微组织wc =1.2%的过共析钢室温组织珠光体和二次渗碳体的相对量可用杠杆定律计算： %7.92107.69.2%10SKjQP 3.13 jCFe所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。只是随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。过共析钢的显微组织如图 3-12 所示。图中层片状黑白相间的组织为珠光体，白色网
13、状组织为二次渗碳体。相组成： CFe34、共晶白口铁的结晶过程及组织图 3-13 共晶白口铁结晶过程示意图 图 3-14 共晶白口铁的显微组织结晶过程： L Ld Ld共晶白口铁的显微组织如图 3-14 所示。图中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体。室温组织为莱氏体（Ld） ，它是由珠光体和渗碳体组成，用（ Ld）表示，而共析转变前的莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用 Ld 表示，二者形貌相似。相组成：8。CFe35、亚共晶白口铁的结晶过程及组织结晶过程： L A+Ld A+ Fe3C + Ld P+Fe3C +Ld图 3-15 亚共晶白口铁的结晶过程示意图 图 3-16 亚共晶白口铁的显微组织亚
14、共晶白口铁的显微组织如图 3-16 所示。图中黑色块状或呈树枝状分布的为由初生奥氏体转变成的珠光体，基体为变态莱氏体。组织中的二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，难以分辨。所有亚共晶白口铁的室温组织都是由珠光体和变态莱氏体组成。只是随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。相组成： 。CFe36、过共晶白口铁的结晶过程及组织 结晶过程： LFe 3C +Ld+Fe 3C +Ld图 3-17 过共晶白口铁的结晶过程示意图 图 3-18 过共晶白口铁的显微组织所有过共晶白口铁室温组织都是由一次渗碳体和变态莱氏体组成。只是随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。过共晶白口铁的显微组织如图 3-18 所
15、示。图中白色板条状为一次渗碳体，基体为变态莱氏体。相组成： 。CFe3三、碳含量对铁碳合金组织和性能的影响 1、碳含量对平衡组织的影响从上面分析可知，不同成分的铁碳合金在共析温度以下都是由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化，所以，不同成分的铁碳合金室温下具有不同的组织和性能。其室温组织变化情况如下：F+P P P+Fe3C P+Fe3C +Ld Ld Ld +Fe3C 9图 3-19 含碳量对平衡组织的影响2、含碳量对力学性能的影响钢中铁素体为基体，渗碳体为强化相，而且主要以珠光体的形式出现，使钢的强度和硬度提高，故钢中珠光体量愈多，其强度、硬度愈高，而塑性、韧性相应降低。但过共析钢中当渗碳体明显地以网状分布在晶界上，特别在白口铁中渗碳体成为基体或以板条状分布在莱氏体基体上，将使铁碳合金的塑性和韧性大大下降，以致合金的强度也随之降低，这就是高碳钢和白口铁脆性高的主要原因。图 3-16 含碳量对钢力学性能的影响由图可见，当钢中碳的质
