鐵碳相圖

1、鐵碳相圖,王學(xué)武,概述,鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的材料，其基本組成元素是鐵和碳，故稱為鐵碳合金。普通碳鋼和鑄鐵就屬于鐵碳合金的范疇，而合金鋼則是有意加入一些合金元素的鐵碳合金。為了研究鐵碳合金的組織和性能以及它們與成分、溫度的關(guān)系，就必須學(xué)習(xí)鐵碳合金相圖。,概述,鐵碳合金相圖最早是在1889年測定的，距今已有100多年了，但仍在不斷地完善，在不同的書籍中相圖中的數(shù)據(jù)可能不盡相同，這是正常的。,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,α-Fe

2、 γ-Fe δ-Fe BCC （912℃） FCC 1394℃） BCC金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠錈崽幚硖峁┗A(chǔ)，鋼能夠進(jìn)行多種熱處理就是因?yàn)殍F能夠在固態(tài)下發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。,,,鐵碳合金中的基本相,鐵碳合金中的 Fe 和 C 可形成鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體三個(gè)基本相。這些基本相以機(jī)械混合物的形式結(jié)合還可形成珠光體（P）和萊氏體（Ld)。鐵碳合金中這些基

3、本組織性能各異，其數(shù)量、形態(tài)、分布直接決定了鐵碳合金的性能。,鐵碳合金中的基本相,1、鐵素體（ferrite） 鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體，用符號“F”（或α）表示，體心立方晶格；雖然BCC的間隙總體積較大，但單個(gè)間隙體積較小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃時(shí))，室溫時(shí)幾乎為0，因此鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。,鐵碳合金中的基本相,鐵素體的力學(xué)性能特點(diǎn)是塑性、韌性好，而強(qiáng)度、硬度

4、低。δ=30%~50%，AKU=128~160J σb=180~280MPa，50~80HBS。,鐵碳合金中的基本相,鐵素體的顯微組織與純鐵相同，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒，在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布，但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí)，鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍。,,鐵碳合金中的基本相,2、奧氏體（Austenite ）奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，用符號“A”（或γ）表

5、示，面心立方晶格；雖然FCC的間隙總體積較小，但單個(gè)間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%(1148℃時(shí))，727℃時(shí)為0.77%。,鐵碳合金中的基本相,在一般情況下， 奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為727~1394℃，故奧氏體的硬度低、塑性較高，通常在對鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工，如鍛造、熱軋等時(shí)，都應(yīng)將其加熱成奧氏體狀態(tài)，所謂“趁熱打鐵”正是這個(gè)意思。σb=400MPa，170~220HBS，δ=40%~50%

6、。另外奧氏體還有一個(gè)重要的性能，就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場的零件或部件。,鐵碳合金中的基本相,奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。,,鐵碳合金中的基本相,3、滲碳體（Cementite）滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學(xué)分子式“Fe3C”表示。它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69％，熔點(diǎn)為1227℃，質(zhì)硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲

7、碳體呈暗黑色。,鐵碳合金中的基本相,滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相，根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，它們的大小、數(shù)量、分布對鐵碳合金性能有很大影響。,鐵碳合金中的基本相,總結(jié)：在鐵碳合金中一共有三個(gè)相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相，就是鐵素體和滲碳體。由于鐵素體中的含碳量非常少，所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點(diǎn)是十分重要的。,鐵碳合金相圖

8、,鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為 Fe-Fe3C相圖， 此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C。 由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分軸從0~6.69%。所謂的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe—Fe3C相圖。,鐵碳相圖分析,Fe—Fe3C相圖看起平比較復(fù)雜，但它仍然是由一些基本相圖組成的，我們可以將Fe—Fe3C相圖分成上下兩個(gè)部分來分

9、析。,1、上半部分-------共晶轉(zhuǎn)變,在1148℃，4.3%C的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變: Lc (AE+Fe3C)， 轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為萊氏體，用符號Ld表示。,,,存在于1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示，組織由奧氏體和滲碳體組成；存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號Ldˊ表示，組織由滲碳體和珠光體組成。,,低

10、溫萊氏體是由珠光體、Fe3CⅡ和共晶Fe3C組成的機(jī)械混合物。經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后在顯微鏡下觀察，其中珠光體呈黑色顆粒狀或短棒狀分布在Fe3C基體上，F(xiàn)e3CⅡ和共晶Fe3C交織在一起，一般無法分辨。,,2、下半部分-----共析轉(zhuǎn)變,在727℃，0.77%的奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：AS (F+Fe3C),轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為珠光體。共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別是轉(zhuǎn)變物是固體而不非液體。,,珠光體,珠光體是由鐵素

11、體和滲碳體以層片狀結(jié)構(gòu)組成的機(jī)械混合物，是鋼中的重要組織。平均含碳量為0.77%，在珠光體中鐵素體占88%，滲碳體占12%，由于鐵素體的數(shù)量大大多于滲碳體，所以鐵素體層片要比滲碳體厚得多。在球化退火條件下，珠光體中的滲碳休也可呈粒狀，這樣的珠光體稱為粒狀珠光體。,珠光體,珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)韌性較好。其抗拉強(qiáng)度為750 ~900MPa，180 ~280HBS，伸長率為20 ~25%，沖擊功為24 ~32J。力學(xué)性能介

12、于鐵素體與滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%、AKU=24~32J）。,珠光體,經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在不同放大倍數(shù)的顯微鏡下可以觀察到不同特征的珠光體組織。當(dāng)放大倍數(shù)較高時(shí)可以清晰地看到珠光體中平行排列分布的寬條鐵素體和窄條滲碳體；當(dāng)放大倍數(shù)較低時(shí)，珠光體中的滲碳體只能看到一條黑線；而當(dāng)放大倍數(shù)繼續(xù)降低或珠光體變細(xì)時(shí)，珠光體的層片狀結(jié)構(gòu)就不能分辨了，此時(shí)珠光體呈黑色的

13、一團(tuán)。,3、相圖中的一些特征點(diǎn),相圖中應(yīng)該掌握的特征點(diǎn)有：A、D、E、C、G（A3點(diǎn)）、S（A1點(diǎn)），它們的含義一定要搞清楚。,4、 鐵碳相圖中的特性線,4、相圖中的一些線應(yīng)該掌握的線有：ECF線、PSK線（A1線）、GS線（A3線）、ES線（ACM線）,4、 鐵碳相圖中的特性線,水平線ECF為共晶反應(yīng)線。 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%～6.69%之間的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。   &#

14、160; 水平線PSK為共析反應(yīng)線。 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～6.69%的鐵碳合金, 在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線亦稱A1線。,4、鐵碳相圖中的特性線,GS線是合金冷卻時(shí)自A中開始析出F的臨界溫度線, 通常稱A3線。  ES線是碳在A中的固溶線, 通常叫做Acm線。由于在1148℃時(shí)A中溶碳量最大可達(dá)2.11%, 而在727℃時(shí)僅為0.77%， 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷

15、至727℃的過程中, 將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII)。 Acm線亦為從A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線。,4、 鐵碳相圖中的特性線,PQ線是碳在F中固溶線。在727℃時(shí)F中溶碳量最大可達(dá)0.0218%, 室溫時(shí)僅為0.0008%, 因此碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.0008%的鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中, 將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。PQ線亦為從F中開始析出Fe3

16、CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少，往往予以忽略。,,（二）典型鐵碳合金的冷卻過程及其組織 1.鐵碳合金的分類 按含碳量和室溫下顯微組織不同，鐵碳合金分為三類： （1）工業(yè)純鐵 Wc < 0.0218% 顯微組織為鐵素體,（2）鋼 0.0218% < Wc < 2.11% 按室溫顯微組織又

17、分為： ①亞共析鋼 0.0218% < Wc < 0.77% 組織為珠光體 + 鐵素體 ②共析鋼 Wc = 0.77% 組織為珠光體 ③過共析鋼 0.77% < Wc < 2.1

18、1% 組織為珠光體 + 滲碳體,§4.4 碳　　鋼,碳鋼是工業(yè)中應(yīng)用量最多的材料，它冶煉方便、價(jià)格便宜，性能能滿足一般的工程需要。,一、碳鋼中的常存雜質(zhì)元素及其作用,Mn — 脫氧、去硫,提高鋼的強(qiáng)度和硬度。,Si — 有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,能脫氧。,1.有益元素,2.有害元素:,P — 有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,低溫韌性差 ( 冷脆 )。,S —形成低熔點(diǎn)的Fe

19、S，能引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂 ，造成熱裂。,3.氣體元素,N：鋼中過飽和N在常溫放置過程中會(huì)發(fā)生時(shí)效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時(shí)效 傾向。 O：鋼中的氧化物易成為疲勞裂源。 H：原子態(tài)的過飽和氫時(shí)將降低韌性, 引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成裂紋，內(nèi)壁為白色，稱白點(diǎn)或發(fā)裂。,,二、碳鋼的分類　　 1.按碳的含量分類 低碳鋼: C%0.60%