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1、第三章 铁碳合金,第三章 铁碳合金,铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，具有较广的力学性能，在现代工业中是应用最为广泛的金属材料。本章主要介绍铁碳合金的基本相和铁碳合金相图的意义和应用，对铁碳合金中典型的组织及其特点详细分析说明，碳素钢的分类和应用。,第三章 铁碳合金,第一节 铁碳合金的基本相,1纯铁的同素异构体转变,金属在固态下，随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。,在图3-1中给出的为纯铁的冷却曲线，当液态纯铁在1538进行结晶，得到具有体心立方晶格的Fe，继续冷却到1394时发生同素异构转变，Fe转变为面心立方晶格的Fe，再冷却到912时又发生同素异构转变，Fe
2、转变为体心立方晶格的Fe，如再继续冷却到室温，晶格的类型不再发生变化。,图3-1 铁的同素异构转变过程示意图,第一节 铁碳合金的基本相,2铁碳合金的基本组织,(1) 铁素体(F),图3-2为铁素体的显微组织。铁素体的显微组织与纯铁相同，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。,碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号“”表示。,第一节 铁碳合金的基本相,2铁碳合金的基本组织,(2)奥氏体(A),如图3-3所示,奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。,碳溶于Fe中形成
3、的间隙固溶体称为奥氏体，用符号表示。奥氏体仍保持Fe的面心立方晶格。,第一节 铁碳合金的基本相,2铁碳合金的基本组织,(3)渗碳体(Fe3C),如图3-3所示,奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。,碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号表示。奥氏体仍保持Fe的面心立方晶格。,第二节 FeFe3C相图,一、相图分析,第二节 FeFe3C相图,第二节 FeFe3C相图,2 FeFe3C相图中重要的线和相区,根据前期的知识，在相图中的AC和CD线为液相线，AE和ECF线为固相线。 除了上述区分物质状态的线外，还有三条特殊的线。 (1)ES线 它是碳在奥氏体中溶解度曲线。
4、在1148时，奥氏体中碳的质量分数为2.11%，而在727时，奥氏体中碳的质量分数为.77%。故凡是碳的质量分数0.77%的铁碳合金自1148冷至727时，都会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体(FeFe3C)。ES线又称Acm线。 (2)PQ线 它是碳在铁素体中的溶解度曲线。在727时，铁素体中碳的质量分数为0.0218%，而在室温时，铁素体中碳的质量分数为0.0008%。故一般铁碳合金由727冷至室温时，将由铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体(FeFe3C)。在碳的质量分数较高的合金中，因其数量极少可忽略不计。 (3)GS线 它是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常称为
5、3线。 在上述线间形成了四个单相区：液相区(L)、奥氏体区(A)、铁素体区(F)、渗碳体区(Fe3C)。 在相图中包括两个特征点：共晶点C、共析转变点S。,第二节 FeFe3C相图,二、典型铁碳合金结晶过程分析,1工业纯铁,图3-5 工业纯铁结晶示意图,合金的室温平衡组织为F+ Fe3C。F呈白色块状；Fe3C量极少，呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3C，则组织全为F。,第二节 FeFe3C相图,二、典型铁碳合金结晶过程分析,2共析钢,共析钢缓冷到室温的组织为珠光体。,图3-6 共析钢结晶过程示意图,第二节 FeFe3C相图,二、典型铁碳合金结晶过程分析,3亚共析钢,在室温下的显微组织都是
6、铁素体和珠光体。,图3-7 亚共析钢结晶过程示意图,第二节 FeFe3C相图,二、典型铁碳合金结晶过程分析,4 过共析钢,在显微镜下，Fe3C呈网状分布在层片状P周围。含1.2%碳的过共析钢的组成相为F和Fe3C；组织组成物为Fe3C和P。,图3-8 过共析钢结晶过程示意图,第二节 FeFe3C相图,二、典型铁碳合金结晶过程分析,5.共晶白口铸铁,图3-9共晶白口铸铁结晶过程示意图,过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体+低温莱氏体。,第二节 FeFe3C相图,二、典型铁碳合金结晶过程分析,6 亚共晶白口铸铁,图3-10 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图,亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体+二次渗碳体
7、+低温莱氏体。,第二节 FeFe3C相图,三、铁碳合金成分、组织与性能之间的关系,第二节 FeFe3C相图,三、铁碳合金成分、组织与性能之间的关系,1.碳钢的机械性能与碳含量的关系,可知铁碳合金的含碳量和温度之间关系密切: 小于0.0218时组织全部为F；等于0.77时全部为P；等于4.3时全部为 ；,等于6.69时全部为Fe3C；在它们之间的组织则为相应组织的混合物。,硬度(HB)主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。随碳含量的增加，由于硬度高的Fe3C增多，硬度低的F减少，所以合金的硬度呈直线关系增大，由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe
8、3C时的约800 HB。,图3-13 性能随含碳量的变化,第二节 FeFe3C相图,四、Fe-Fe3C相图的应用,1.在钢铁材料选用方面的应用 FeFe3C相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材料选用提供了根据； 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材； 各种机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢； 各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种； 纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等； 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性
9、能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。,第二节 FeFe3C相图,四、Fe-Fe3C相图的应用,2.在铸造工艺方面的应用 根据FeFe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50100。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳含量规定在0.150.6%之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。,第二节 FeFe3C相图,四、Fe-Fe3C相图的应用,3.在热锻、热轧工艺方面的应用 FeFe3C相图能对热加工起到指导的作
10、用。钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。 一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内。温度高，钢的变形抗力小，节约能源，设备要求的吨位低，但温度过高，钢材会严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。 终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，避免变形时出现大量F，形成带状组织而使韧性降低。过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止温度不能太低，过高可导致再结晶后奥氏体晶粒粗大，热加工后的组织也粗大。,第二节 FeFe3C相图,四、Fe-Fe3C相图的应
11、用,4.在热处理工艺方面的应用 FeFe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据FeFe3C相图确定的。,第三节 碳钢,一、碳钢中杂质元素,1.锰和硅的影响 Si、Mn加入钢中，可将钢液中的FeO还原成Fe，并形成SiO2和MnO。Mn还与钢液中的S形成MnS而大大减轻S的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留钢中成为非金属夹杂。钢中含Mn量约为0.250.80%。钢中含Si量约为0.030.40%。 脱氧剂中的Si与Mn总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，产生固溶强化作用。在含量不高(1时)，可以提高钢的强度，而不降低钢的
12、塑性和韧性，一般认为Si与Mn是钢中有益元素。,第三节 碳钢,一、碳钢中杂质元素,1.锰和硅的影响 Si、Mn加入钢中，可将钢液中的FeO还原成Fe，并形成SiO2和MnO。Mn还与钢液中的S形成MnS而大大减轻S的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留钢中成为非金属夹杂。钢中含Mn量约为0.250.80%。钢中含Si量约为0.030.40%。 脱氧剂中的Si与Mn总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，产生固溶强化作用。在含量不高(1时)，可以提高钢的强度，而不降低钢的塑性和韧性，一般认为Si与Mn是钢中有益元素。,第三节 碳钢,一、碳钢中杂质元素,2.其它杂质的影响,S的影响。S
13、在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为1190的FeS，FeS又与Fe形成熔点更低的(985)共晶体。即使钢中含S量不高，由于严重偏析，凝固快完成时，钢中的S几乎全部残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的(Fe+FeS)共晶。含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工(加热温度一般在11501250之间)，分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。如果钢水脱氧不良，含有较多的FeO，还会形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶体，熔点更低（940），危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂；S也使焊件的焊缝处易发生热裂。,第三节 碳钢,一、碳钢中
14、杂质元素,2.其它杂质的影响,S的影响。S在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为1190的FeS，FeS又与Fe形成熔点更低的(985)共晶体。即使钢中含S量不高，由于严重偏析，凝固快完成时，钢中的S几乎全部残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的(Fe+FeS)共晶。含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工(加热温度一般在11501250之间)，分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。如果钢水脱氧不良，含有较多的FeO，还会形成（Fe+FeO+FeS）三相共晶体，熔点更低（940），危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂；S也使焊件的焊
15、缝处易发生热裂。,第三节 碳钢,一、碳钢中杂质元素,2.其它杂质的影响,P的影响。P在铁中固溶度较大，钢中的P一般都固溶于铁中。P溶入铁素体后，有较之其他元素更强的固溶强化能力，尤其是较高的含P量，使钢显著提高强度、硬度的同时，剧烈地降低钢的塑、韧性，并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性很低，脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。,第三节 碳钢,一、碳钢中杂质元素,2.其它杂质的影响,O、H、N的影响。O在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物夹杂形式存在，如FeO、Al2O3、SiO2、MnO2等，这些非金属夹杂使钢的力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度等危害很大。 H
16、在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑、韧性，增大钢的脆性，这种现象称为氢脆。 少量N存在于钢中，会起强化作用。N的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象，即含N的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后，随时间的延长，钢的强度、硬度上升，塑、韧性下降，脆性增大，同时脆性转变温度也提高了，造成了许多焊接工程结构和容器突然断裂事故。,第三节 碳钢,一、碳钢中杂质元素,2.其它杂质的影响,O、H、N的影响。O在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物夹杂形式存在，如FeO、Al2O3、SiO2、MnO2等，这些非金属夹杂使钢的力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度等危害很大。 H在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑、韧性，增大钢的脆性，这种现象称
