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1、第三节第三节 铁铁-碳合金相图碳合金相图 钢铁材料是现代制造业中使用最广泛的金属材料。 纯铁的塑性很好，但强度、硬度较低，所以，很少用它制造机械零件。当往铁中加入少量碳后，则组织和性能就发生了显著的变化。在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是:在液态时，铁和碳以无限互溶；在固态时，铁和碳互相结合的方式有两种，一种是碳溶于铁中形成固溶体固溶体，一种是碳与铁形成金属化合物金属化合物。此外，还可以由固溶体和金属化合物组成机械混合物。 铁碳相图对正确选择和使用材料、制订合理的材料成型工艺等都具有重要的指导意义。 铁碳合金状态图在生产实践中的应用是很广泛的，它不仅可作为选材的依据，还是制定铸造、压力加工和
2、热处理等加工工艺的重要依据。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe5 铁铁-碳碳合金相合金相图图一、铁碳合金的基本相一、铁碳合金的基本相Fe和Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。由于铁与碳之间的相互作用不同，使铁碳合金固态下的相结构也有固固溶溶体体和金金属属化化合合物物两类。属于固溶体相有铁素体铁素体与奥氏体奥氏体，属于金属化合物相的有渗碳体渗碳体。1铁素体铁素体-碳溶于碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号中的间隙固溶
3、体，以符号F表示。表示。纯铁在912t以下为具有体心立方晶格的-Fe。由于-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727时溶碳量最大可达00218。随着温度的下降，铁素体的溶碳量逐渐减小，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，即铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。其数值见表2-3。铁素体在770C以下具有铁磁性，而在770C以上则失去铁磁性。表2-3铁素体的性能5 铁铁-碳碳合金相合金相图图2奥氏体奥氏体-碳溶于碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号中的间隙固溶体，以符号A表示表示。-Fe是面心立方晶格结构，由于它的晶格间的最大空隙要比-Fe大，所
4、以溶碳能力比较大。-Fe在1148时溶碳量最大可达211，随着温度的下降，溶碳量逐渐减少，在727时溶碳量最低为077。奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的抗拉强度：b =400Mpa,硬度为170220HBS，伸长率为4050，易于锻压成形。由于碳的大量溶入，使奥氏体具有一定的强度和硬度，但因它是单一固溶体，所以塑性很好。钢在锻造或轧制时加热到高温，其目的就是使其组织转变成奥氏体，以降低钢的强度和硬度，提高塑性，而易于加工成形。奥氏体为非铁磁性相组织。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图3渗碳体渗碳体-是一种具有复杂晶格
5、结构的间隙化合物是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物 分分子子式式为为Fe3C(图2-16),没有同素异晶转变;渗碳体的碳质量分数为669；溶点为1227左右。Fe3C有磁性转变，它在230以下具有弱铁磁性，而在230以上则失去铁磁性。Fe3C的硬度很高(800HBW)，而塑性和冲击韧度几乎等于零，脆性极大。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。Fe3c是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图4.4.
6、珠光体珠光体P P-铁素体铁素体和渗碳体渗碳体组成的两相机械混合物。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，具有良好的力学性能(b750MPa，硬度为180HBS，20)。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图5.5.莱氏体莱氏体Ld Ld -奥氏体奥氏体和渗碳体渗碳体组成的两相机械混合物。 它存在于高温区(7271148)，在在727727以下时变成渗碳体以下时变成渗碳体和珠光体的混合物，称为低温莱氏体，用符号和珠光体的混合物，称为低温莱氏体，用符号LdLd表示表示。 由于莱氏体中含有大量的渗碳体，所以塑性、韧性很差，是硬而脆的组织。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图二、铁一碳合金相图二、铁一碳合金相图铁和碳是
7、钢铁中两个最基本的元素，故称为铁碳合金铁碳合金。在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元。因此一般所说的铁碳合金相图，实际上是指铁一渗碳体(FeFe3C)相图，如图2-20所示为简化图简化图。(掌握背熟掌握背熟)纯铁的晶体结构：1538OC以上（L），1538OC1394OC（体心立方Fe）,1394OC-912OC(面心立方Fe),912OC以下体心立方-Fe。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图特性点温度含碳量%含义ACDEFGKPSQ1538114712271147114791272772772760004.306.672.06
8、6.6706.670.020.770.006纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在-Fe中的最大溶解度点渗碳体的成分-Fe与-Fe的同素异晶转变点渗碳体的成分碳在-Fe中的最大溶解度点共析点600时碳在-Fe中的最大溶解度1、相图分析、相图分析（1 1）铁碳合金状态图中的各特性点列表）铁碳合金状态图中的各特性点列表5 铁铁-碳碳合金相合金相图图（2）相图中的特征线）相图中的特征线图3-13Fe-Fe3C相图主要由包包晶晶、共共晶晶和共共析析三个恒温转变组成。1)ACD线为液相线液相线，AECF线为固相线固相线。2)在ECF水平线(1148)发生共共晶晶转转变变LCE + Fe3C ，其转变产物是奥氏
9、体和渗碳体的机械混合物，即莱莱氏氏体体。碳的质量分数为211669的铁碳合金都发生这种转变。3)在PSK水平线(727)发生共共析析转转变变S P + Fe3C ，其转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。所有碳质量分数超过002的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度常标为A1温度。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图Fe-Fe3C相图中三条重要的固态转变线固态转变线1)GS线线奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称此温度为A3温度温度。2)ES线线碳在奥氏体中的溶解限度线。此温度常称ACM温温度度。低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于
10、从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。3)PQ线线碳在铁素体中的溶解度线。在727，碳在铁素体中的最大溶解度为00218，因此，铁素体从727冷却下来时，也将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CIII。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图2 2、典型铁碳合金结晶过程、典型铁碳合金结晶过程（1 1）铁碳合金分类）铁碳合金分类 铁碳合金状态图上的各种合金，按其含碳量和常温组织的不同，一般可分为下列三类： 1 1）工业纯铁）工业纯铁(0.02C)：常温组织为F。 2 2）钢）钢(0.0082.06C)其中又分为： 亚共析钢亚共析钢(0.0080.82.06C)常温组织为P+Fe3CII。 3 3）生铁）
11、生铁(2.066.67C)其中又分为：亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.064.36.67C)常温组织为Li(P+Fe3CII+Fe3C)+Fe3CI。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图（）几种典型铁碳合金结晶过程分析（）几种典型铁碳合金结晶过程分析铁碳合金状态图上几种典型合金的位置5 铁铁-碳碳合金相合金相图图共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程含碳量为0.77的铁碳合金(图3-14中合金)的结晶过程 该合金在1点以上温度时，全部为成分均匀的液体，缓慢冷却，温度降到1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量不断增加，直至2点，液体全部结晶成奥氏体，2点以下到S点以上为奥氏体的冷却，没有组织
12、变化，当温度下降到S点(727)时，奥氏体发生共析反应，全部转变成珠光体，3点以下至室温，组织基本上不再变化，而仅为珠光体的冷却。这种含碳量为0.77的铁碳合金叫共析钢，共析钢的常温组织为珠光体。其组织转变过程如图所示。 组织特征图图组织转变过程5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 共析钢组织金相图共析钢组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析含碳量为0.0080.77的铁碳合金的结晶过程 开始阶段合金的结晶过程与合金2)类似，当冷却到3点(即GS线上的点)时，便从均匀的奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的下降，铁素体量逐渐增多，未转变的奥氏体中的含碳量沿G
13、S线逐渐增加，即趋近于s点的成分，当温度降至4点(727)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量增至O.77，因此发生共析反应转变为珠光体，4点以下再继续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量O.772.06的铁碳合金叫过共析钢，所有过共析钢常温时的组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。组织转变如下图。 过共析钢组织转变5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图共晶白口铁的结晶过程分析共晶白口铁的结晶过程分析 含碳量为4.3的铁碳合金在C点以上是液体，温度降到C点(1147)时，在恒温下发生共晶反应，全部液体均转变为莱氏体，在继续冷却的过程中，莱氏体内
14、奥氏体的含碳量沿ES线逐渐减少的同时，不断析出二次渗碳体.冷却到PSK线上2点(727)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量已降到0.77，因而发生共析反应，转变成珠光体。室温时的组织为珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体，称为低温或变态莱氏体。将这种含碳量为4.3%的铁碳合金叫做共晶白口铁。常温组织为变态莱氏体，可表示为Le(P+Fe3C+Fe3C)。共晶生铁的组织转变如下图。 共晶生铁的组织转变共晶白口铁的室温组织5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 共晶白口铁组织金相图共晶白口铁组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图亚共晶白口铁的结晶过程分析亚共晶白口铁的结晶过程分析图3-14中的合金是碳质量分数在2.
15、11-4.3的亚共晶白口铁。当亚共晶白口铁冷却到l点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE变化，而剩余液相量逐渐减少，其成分沿液相线AC变化。当冷却到与共晶线ECF相交于2点温度时，已结晶的奥氏体碳质量分数为2.11，液相的碳质量分数正好为共晶成分(WC=4.3)，因此，剩余的液相就发生共晶转变形成莱氏体。在2到3点之间冷却时，与共晶白口铁相同，奥氏体中不断析出二次渗碳体。到3点温度，奥氏体的碳质量分数正好是0.77，故发生共析转变，形成珠光体。亚亚共共晶晶白白口口铁铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低
16、温莱氏体。图3-19为其室温显微组织。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图过共晶白口铁的结晶过程分析过共晶白口铁的结晶过程分析图3-14中的合金是碳质量分数在4.36.69C的过共晶白口铁。冷却到1点温度时，液相中开始结晶出一次渗碳体。随着温度的下降，结晶出的渗碳体量不断增加，剩余的液相量逐渐减少，其成分沿液相线DC变化。当冷却到与共晶线ECF相交于2点的温度时，液相的碳质量分数正好为共晶成分，因此，剩余的液相就发生共晶转变形成莱氏体。在2到3点间冷却时，奥氏体中同样要析出二次渗碳体，并在3点的温度，奥氏体发生共析转变形成珠
17、光体。过过共共晶晶白白口口铸铸铁铁的的室室温温组组织织为为一一次次渗渗碳碳体体和和低低温温莱莱氏体氏体，如图3-20。过共晶白口铸铁的室温组织5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图5 铁铁-碳碳合金相合金相图图第四节第四节 铁碳合金成分、组织和性能关系及相图的应用铁碳合金成分、组织和性能关系及相图的应用 含碳量含碳量对室温平衡室温平衡组织的影响的影响（图3-22） 含碳量与含碳量与缓冷后相及冷后相及组织组成物之成物之间的定量关系的定量关系为： 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口
18、铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体5 铁铁-碳碳合金相合金相图图2碳含量对力学性能的影响碳含量对力学性能的影响图3-23为碳含量对碳钢的力学性能的影响。当钢的碳含量小于0.9时，随着钢中碳含量的增加，钢的强度、硬度直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中碳含量大于0.9时，因网状渗碳体的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一
19、步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的碳质量分数一般都不超过1.31.4。碳含量大于2.11的白口铁中存在较多的渗碳体，在性能上显得特别硬而脆，难以切削加工，因此在机械制造业中很少应用。图3-23钢的成分对组织、力学性能的影响5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 3在选材方面的应用在选材方面的应用 (熟练掌握)Fe-Fe3C相图总结了铁碳合金的组织、性能随成分变化的规律，因此在选择材料时，Fe-Fe3C相图就成为很重要的工具。例如，一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于025的低碳
20、钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.30.55的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.60.85的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.70.9的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.01.3的钢制造。 白口铁中都存在莱氏体组织，具有很高的硬度和脆性，既难以切削加工，也不能锻造。但白口铁具有很高的抗磨损能力，可用于制作需要耐磨而不受冲击载荷的工件。如拔丝模、球磨机的铁球等。此外，白口铁还用作生产可锻铸铁的毛坯。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图 4. 含碳量含碳
21、量对工工艺性能的影响性能的影响 切削性能切削性能: 中碳中碳钢合适合适 可可锻性能性能: 低碳低碳钢好好 焊接性能接性能: 低碳低碳钢好好 铸造性能造性能: 共晶合金好共晶合金好 热处理性能理性能: 后面介后面介绍铸铸造造焊焊缝缝组组织织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨5 铁铁-碳碳合金相合金相图图生产实践中使用生产实践中使用FeFe3C相图时应注意以下两点：相图时应注意以下两点：(1)通常使用的铁碳合金中，除含铁、碳两元素外，尚有其他多多种种合合金金元元素素或或少少量量的的杂杂质质元元素，素，这些元素对相图都有影响，应予以考虑。(2)FeFe3C相图虽然表示了
22、铁碳合金在不同温度下的组织状态，但这种组织都是从高温，以极其缓慢冷却速度得到的，是一种平衡组织。而实际生产中的冷却速度不可能如此缓慢。当冷却速度较快时，合金的临界点及其冷却后的组织都将可能与FeFe3C相图中不同。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图本章小结本章小结本章主要讨论机械工程材料凝固与结晶的基本规律，主要介绍了纯金属及其合金两个层次。在纯金属结晶过程中结晶的充分与必要条件、结晶的规律以及影响因素等必须明确；合金的结晶离不开相图，其中匀晶相图是基础、共晶相图是根本而铁碳相图由于其在钢铁工业中作为基础而显得尤为重要。在铁碳合金相图中默画铁碳相图是前提，分析合金的结晶过程特别是钢的平衡结晶过程是基础，杠杆定律用于计算钢中相组分、组织组分的相对质量分数应做到灵活运用，铁碳合金的化学成分、相图与性能之间的关系莫忽略，反复练习与讨论，是重中之重。作业题作业题 P46: 3-1、6(2)(3)、7、8、9。5 铁铁-碳碳合金相合金相图图
