材料科学基础-铁碳合金综述

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1、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

2、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 Fe Fe Fe bcc fcc bcc 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变,A4,A3,A2(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Fe,3 纯铁(工业纯铁)的性能 强度低(b=180230MPa); 硬度低(50HBS80HBS)、软; 塑性好(:3050； :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：

3、（1）铁素体(或 F ) ： 定义: C在体心立方Fe中的间隙固溶体 但C在Fe中的溶解度极小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能: 强硬度低(50HBS80HBS)， 塑韧性好(:70 80 ; Ak=160J ) 与工业纯铁同,（2）奥氏体(或 A ) 定义：C在面心立方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

4、晶系。 性能 强度低：b= 30MPa; 硬度高：800HB 无塑性：=0; =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)：AFe3C；共晶反应产物 （6）变态莱氏体(Ld)：PFe3C,单相组织,两相组织,二、FeFe3C相图分析,实际组元： Fe-Fe3C,ES: 相的溶解度曲线 PQ: 相的溶解度曲线 GS: 先共

5、析相析出线,J点包晶点 1495 0.17% C C点共晶点 1148 4.3% C S点共析点 727 0.77%,E点的最大溶碳量 2.11% C P点的最大溶碳量 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,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 Wc0.0218 （2）共析钢 Wc=0.77 （3）亚共析钢 Wc=0.02180.77 （4）过共析钢 Wc=0.772.11 （5）共晶白口铁 Wc=4.3 （6）亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 （7）过共晶白口铁 Wc=4.3

6、06.69,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,合金 WC= 0.01% 的工业纯铁,常温下组织构成： F+Fe3C,合金：共析钢,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？,WF=SK/PK (C: 0.77%wt) =(6.690.77)/(6.690.0218)100% =88.7% W Fe3C = 188.7% = 11.3%,亚共析钢(0.4%C),常温下的组织构成： F先共析 P,L,L,Fe3C,先共析F,P,亚共析钢(0.45%C),计算WC=0.4%钢中的组织组成物,W F先 = (0.7

7、70.40) / (0.770.0218) 100% = 49.5% WP = 149.5% = 50.5%,先共析F 和 P 的含量？,计算相组成物,WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3% WFe3C = 194.3% = 5.7%,铁素体 和 Fe3C 的含量？,过共析钢( 1.0%C ),L,1.0 0.77 +Fe3C,P +Fe3C,相构成：F+ Fe3C 组织构成： Fe3C+P,Fe3C,P,合金 共晶白口铁,1148发生共晶转变 LC E+ Fe3C,K,合金亚共晶白口铁 组织构成： P + Ld,合金 过共晶白口铁 组织构成：

8、Fe3C+ Ld, + Fe3C,0.4%C,Fe3C + ,1%C,PFe3CLd,F,FFe3C,F先+P,P,P+Fe3C,LdFe3C,Ld,组织构成图,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,Have a break,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，,FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+L

9、dLd Fe3C+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。,一次渗碳体规则长条状；共晶渗碳体 粗大或鱼骨状 中析出二次渗碳体沿晶界 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

10、，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%,【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： FFe3C,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)

11、,亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB80w(F) % + 800w(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；,b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC) HRC 40 过共析钢： Fe3C先+P，为韧性组织脆性组织 与脆性组织(Fe3C先)的形态直接相关： C0.9%1.0%后，随C而陡降。,出现网状Fe3C,Fe3C为沿晶粒

12、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HB170250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: 流动性好，缩孔集中,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

13、。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

14、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：S0.040%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

15、： (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 引起氢脆；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