鐵碳相圖

1、鐵碳相圖,王學武,概述,鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應用最廣泛的材料，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，就必須學習鐵碳合金相圖。,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，鋼能夠進行多種熱處理就是因為鐵能夠在固態(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）、滲碳體三個基本相。這些基本相以機械混合物的形式結(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，但單個間隙體積較小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃時)，室溫時幾乎為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,鐵素體的力學性能特點是塑性、韌性好，而強度、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，但當含碳量接近共析成分時，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，但單個間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%(1148℃時)，727℃時為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行熱變形加工，如鍛造、熱軋等時，都應將其加熱成奧氏體狀態(tài)，所謂“趁熱打鐵”正是這個意思。σb=400MPa，170~220HBS，δ=40%~50%

6、。另外奧氏體還有一個重要的性能，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雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學分子式“Fe3C”表示。它的碳質(zhì)量分數(shù)Wc=6.69％，熔點為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，所以可以認為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點是十分重要的。,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， 此時相圖的組元為Fe和Fe3C。 由于實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際上就是Fe—Fe3C相圖。,鐵碳相圖分析,Fe—Fe3C相圖看起平比較復雜，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，強韌性較好。其抗拉強度為750 ~900MPa，180 ~280HBS，伸長率為20 ~25%，沖擊功為24 ~32J。力學性能介

12、于鐵素體與滲碳體之間，強度較高，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。當放大倍數(shù)較高時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；當放大倍數(shù)較低時，珠光體中的滲碳體只能看到一條黑線；而當放大倍數(shù)繼續(xù)降低或珠光體變細時，珠光體的層片狀結(jié)構(gòu)就不能分辨了，此時珠光體呈黑色的

13、一團。,3、相圖中的一些特征點,相圖中應該掌握的特征點有：A、D、E、C、G（A3點）、S（A1點），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為共晶反應線。 碳質(zhì)量分數(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。   &#

14、160; 水平線PSK為共析反應線。 碳質(zhì)量分數(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。PSK線亦稱A1線。,4、鐵碳相圖中的特性線,GS線是合金冷卻時自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A中溶碳量最大可達2.11%, 而在727℃時僅為0.77%， 因此碳質(zhì)量分數(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F中溶碳量最大可達0.0218%, 室溫時僅為0.0008%, 因此碳質(zhì)量分數(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)中應用量最多的材料，它冶煉方便、價格便宜，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,提高鋼的強度和硬度。,Si — 有很強的固溶強化作用,能脫氧。,1.有益元素,2.有害元素:,P — 有很強的固溶強化作用,低溫韌性差 ( 冷脆 )。,S —形成低熔點的Fe

19、S，能引起鋼在熱加工時或高溫工作下開裂 ，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發(fā)生時效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時效 傾向。 O：鋼中的氧化物易成為疲勞裂源。 H：原子態(tài)的過飽和氫時將降低韌性, 引起氫脆。當氫在缺陷處以分子態(tài)析出時，會產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成裂紋，內(nèi)壁為白色，稱白點或發(fā)裂。,,二、碳鋼的分類　　 1.按碳的含量分類 低碳鋼: C%0.60%