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1、第四章 铁碳合金,碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分重要的意义。铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。现在，仅研究铁-渗碳体的部分。这不仅简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-Fe3C相图十分必要。,4.1 铁碳合金的组元及基本相,4.1.1 纯铁,1. 铁的同素异晶转变 图4.1是铁的冷却曲线。纯铁在1538结晶为-Fe。当温度继续冷却至1394时，-Fe转变为-Fe，通常把-Fe-Fe的转变称为A4转变，
2、转变的平衡临界点称为A4点。当温度继续冷却至912时，-Fe又转变为-Fe，把-Fe-Fe的转变称为A3转变，转变的平衡临界点称为A3点。912以下，铁的晶体结构不再发生变化。因此，铁具有三种同素异晶状态，即-Fe、-Fe和-Fe。,4.1 纯铁的冷却曲线,固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程，为了与液态结晶相区别，将这种固态下的相变结晶过程称为重结晶。应当指出，-Fe在770还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁磁性状态。通常把这种磁性转变称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。,(a)初生的-
3、Fe晶粒 (b)重结晶后的-Fe晶粒 (c)A3转变后的-Fe晶粒图4.2 纯铁结晶后的组织,铁素体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号F或表示。奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号A或表示。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多。奥氏体的最大溶碳量为2.11%(在温度为1148时)，而铁素体的最大溶碳量仅为0.0218%(在温度为727时)，在室温下的溶碳能力更低，一般在0.008%以下。 面心立方晶格比体心立方晶格具有较大的致密度，而奥氏体比铁素体具有较大的溶碳能力的原因是与晶体结构中的间隙尺寸有关。 碳溶于体心立方晶格-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以
4、表示，于1495时的最大溶碳量为0.09%。 铁素体的性能与纯铁基本相同，居里点也是770。奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。,2. 铁素体与奥氏体,纯铁的力学性能其大致范围如下： 屈服强度：98MPa166MPa 抗拉强度：176MPa274MPa 延伸率：30%50% 断面收缩率：70%80% 冲击韧性：160J/cm2200J/cm2 硬度：50HB80HB 纯铁有很好塑性和韧性，但其强度和硬度很低，很少用作结构材料。纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，可用于要求软磁性的场合，如各种仪器仪表的铁芯等。,3. 纯铁的性能与应用,4.1.2 碳与
5、渗碳体,1. 碳自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合金中碳不会以金刚石形态存在。石墨的空间点阵属于六方晶系，具有简单六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为0.142nm，层间距为0.340nm，碳原子在六方层中具有很强的共价键，层与层之间则结合较弱，因此石墨很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有3HB5HB，而塑性几乎接近于零。铁碳合金中的石墨常用符号G或C表示。,在铁碳合金中，铁与碳可以形成间隙化合物Fe3C，其含碳量为6.69%，称为渗碳体，可用符号Cm表示，是铁碳合金中重要的基本相。渗碳体属于正交晶系，晶体结构十分复杂，三个晶格常数分别为a0.4524nm，b0.5089nm，c
6、0.6743nm。,2. 渗碳体,4.3 渗碳体晶胞中的原子位置,图4.4 渗碳体晶胞中的原子数,渗碳体具有很高的硬度，约为800HB，但塑性很差，伸长率接近于零。渗碳体于低温下具有一定的铁磁性，但是在230以上，铁磁性就消失了，所以230是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为l227。,4.2 Fe-Fe3C相图分析,4.2.1 相图中的点、线、区及其意义,图4.5 Fe-Fe3C相图,相图上的液相线是ABCD，固相线是AHJECF，相图中有五个单相区，分别是：ABCD以上液相区(L)AHNA固溶体区()NJESGN奥氏体区()GPQG铁素体区()DFKL渗碳体区
7、(Fe3C或Cm)相图上有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间，这些两相区分别是：ABJHA液相固溶体区(L)JBCEJ液相奥氏体区(L)DCFD液相渗碳体区(LFe3C)HJNH固溶体奥氏体区()GSPG铁素体奥氏体区()ECFKSE奥氏体渗碳体(Fe3C),相图上有三条水平线，分别是：HJB包晶转变线ECF共晶转变线PSK共析转变线下面围绕三条水平线分三个部分进行分析。,表4-1 铁碳合金相图中的特征点,在1495的恒温下，含碳量为0.53%的液相与含碳量为0.09%的铁素体发生包晶反应，形成含碳量为0.17%的奥氏体，其反应式为 LBH J 进行包晶反应时，奥氏体沿相与液相的界面
8、形核，并向相和液相两个方向长大。包晶反应终了时，相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量在0.09%0.17%之间的合金，由于铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分铁素体。这部分相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成奥氏体。含碳量在0.17%0.53%之间的合金，由于反应前的相较少，液相较多，所以在包晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体。可见，凡是含碳量在0.09%0.53%的合金，都要经历包晶转变过程，而且不论在包晶转变前后转变过程如何，最终都要获得单相奥氏体。,3.2.2 包晶转变(水平线HJB),对于含碳量低于0.09%的合金，
9、在按匀晶转变凝固为固溶体之后，继续冷却时将在NH与NJ线之间发生固溶体的同素异晶转变，转变为单相奥氏体。含碳量在0.53%2.11%之间的合金，按匀晶转变后，组织也是单相奥氏体。 总之，含碳量低于2.11%的合金在冷却过程中，都可在一定的温度区间内得到单相的奥氏体组织。这类合金叫做钢。 应当指出，对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。,Fe-Fe3C相图上的共晶转变是在1148的恒温下，由含碳量为4.3%的液相转变为含碳量为2.11%的奥氏体和含碳量为6.69%的渗碳体组成的混合物。其反应
10、式为 LC Fe3C 共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，用Ld表示。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈短棒状分布在渗碳体的基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。 莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出 52% 1-52%48% 含碳量在2.11%6.69%之间的合金，都要进行共晶转变，这类合金叫做铸铁，因组织中都含有莱氏体，并因断口呈银白色而叫做白口铸铁。,3.2.3 共晶转变(水平线ECF),其中，碳含量在2.11%4.30%之间的合金叫亚共晶白口铸铁。这类合金由液相开始凝固时，从BC线开始析出先共晶奥氏体，然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为
11、莱氏体。先共晶奥氏体一般具有树枝晶的形貌。值得指出的是在共晶温度1148与共析温度727之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中的碳含量都将从2.11%降至0.77%，并析出二次渗碳体(用Fe3C表示)，随后又都在727转变为珠光体。 含碳量为4.3%6.69%范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这类合金冷却时，冷却到CD线开始从液相中析出先共晶渗碳体，然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先共晶渗碳体呈板片状，也称为一次渗碳体(用Fe3C)。,Fe-Fe3C相图上的共析转变是在727恒温下，由含碳量为0.77%的奥氏体转变为含碳量为0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物，其反应式为 s Fe3C
12、 共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示。共析转变的水平线PSK，称为共析线或共析温度，常用符号A1表示。凡是含碳量大于0.0218%的铁碳合金都将发生共析转变。 经共析转变形成的珠光体是层片状的，其中的铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律进行计算： = = 100%=88.7% =1-88.7%=11.3% 渗碳体与铁素体含量的比值为 / 1/8。这就是说，如果忽略铁素体和渗碳体比体积上的微小差别，则铁素体的体积是渗碳体的8倍，在金相显微镜下观察时，珠光体组织中较厚的片是铁素体，较薄的片是渗碳体。,3.2.4 共析转变(PSK线),(a) 500 (b) 1000图4.6 不同放大倍数下的珠光
13、体,图4.6是不同放大倍数下的珠光体组织照片。珠光体组织中片层排列方向相同的领域叫做一个珠光体领域或珠光体团。相邻珠光体团的取向不同，在显微镜下，不同的珠光体团的片层粗细不同，这是由于它们的取向不同所致。,3.2.5 Fe-Fe3C相图中三条重要的特征线,1. GS线 GS线又称A3线，它是在冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的开始线，或者说在加热过程中，铁素体溶入奥氏体的终了线。实际上，GS线是由G点(A3)演变而来的，随着含碳量的增加，使奥氏体向铁素体的同素异晶转变温度逐渐下降，从而由A3点变成了A3线。2. ES线 ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。当温度低于此曲线时，从奥氏体中析出次生的渗
14、碳体，通常称之为二次渗碳体，因此该曲线又是二次渗碳体析出的开始线。ES线又叫Acm线。 由相图可以看出，E点表示奥氏体的最大溶碳量，即奥氏体的含碳量在1148时为2.11%，其物质的量比相当于9.1%。可以表明，此时铁与碳的物质的量比差不多是101，相当于2.5个奥氏体晶胞中才有1个碳原子。,3. PQ线 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体中的最大碳的溶解度，在727时达到最大值为0.0218%。随着温度的降低，铁素体的溶碳量逐渐降低，在300以下，溶碳量小于0.001%。因此，当铁素体从727冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，通常用Fe3C表示。,铁碳合金的组织是液
15、态结晶和固态重结晶的综合结果，研究铁碳合金的结晶过程，目的在于分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。为了讨论方便，先将铁碳合金进行分类。通常将其分为三大类，即含碳量低于0.0218%的为工业纯铁，含碳量在0.0218%2.11%的为碳钢，含碳量大于2.11%的为铸铁。Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁。,根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型。 工业纯铁：含碳量低于0.0218%； 共析钢：含碳量为0.77%； 亚共析钢：含碳量为0.0218%0.77%； 过共析钢：含碳量为0.77%2.11%； 共晶白口铸铁：含碳量为4.30%； 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%4.30%； 过共晶白口铸铁：含碳量为4.30%6.69%。,
