5、+鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖-1

第1篇金屬學(xué)根本原理第1篇金屬學(xué)根本原理第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖

吃透并熟練記憶鐵碳相圖；掌握鋼鐵合金中的根本相及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；熟悉鋼、鑄鐵的概念；掌握各類鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程，組成相的相對(duì)量及組織形貌特點(diǎn)。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖碳鋼(Steels)和鑄鐵(Castirons)是應(yīng)用最廣的金屬材料，雖然它們的種類很多，成分不一，但是它們的根本組成都是鐵(Fe)和碳(C)兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金〔alloysoftheiron－carbonsystem〕。鐵碳相圖是研究鋼鐵材料的組織、性能及其熱加工和熱處理工藝的重要工具。因此，學(xué)習(xí)鐵碳相圖、掌握應(yīng)用鐵碳相圖的規(guī)律解決實(shí)際問題是非常重要的。鋼鐵材料的生產(chǎn)已有幾千年的歷史。礦石Fe3O4、Fe2O3Fe(C)合金2007年我國鋼年產(chǎn)量為億噸；2021年為億噸。2021年全世界鋼年產(chǎn)量為13億噸。預(yù)計(jì)2021年我國鋼年產(chǎn)量為億噸。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖鐵碳相圖是一個(gè)較復(fù)雜的二元合金相圖，它概括了鋼鐵材料的成分、溫度與組織之間的關(guān)系。在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，整個(gè)Fe-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四個(gè)局部。由于Fe和C化合物是硬脆相，后面三局部相圖實(shí)際上沒有應(yīng)用價(jià)值〔工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5％〕。通常所說的鐵碳相圖就是Fe-Fe3C局部。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖鐵碳相圖§4.1Fe-C合金的組元及根本相4.1.1合金中的組元一、純鐵〔Fe〕物理性能：元素周期表中第26號(hào)元素，屬于過渡族元素，相對(duì)原子量為，在一個(gè)大氣壓下，熔點(diǎn)為1538℃，在2738℃時(shí)氣化，密度為3。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：δ-Feγ-Feα-Fe。磁性轉(zhuǎn)變：純鐵具有磁性轉(zhuǎn)變。高溫順磁性低溫鐵磁性機(jī)械性能：純鐵的強(qiáng)度低，塑性好，很少用于結(jié)構(gòu)材料。主要利用其鐵磁性，制造儀器、儀表的鐵芯等。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖1394℃912℃768℃4.1.1合金中的組元純鐵的顯微組織第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖二、滲碳體〔Fe3C〕Fe-C合金中，在非平衡凝固過程中，碳以化合物Fe3C形式出現(xiàn)的，即具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常稱為滲碳體，用“Fe3C或Cm〞表示。Fe3C熔點(diǎn)為1227℃，F(xiàn)e3C是一種亞穩(wěn)化合物。在一定條件下〔高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫〕，滲碳體可以分解形成石墨狀的自由碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)這一過程對(duì)于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。所以Fe-Fe3C相圖又叫亞穩(wěn)定系相圖，F(xiàn)e-C相圖稱為穩(wěn)定系相圖，假設(shè)把Fe-Fe3C相圖與Fe-C相圖畫在同一圖上，稱為Fe-C合金雙重相圖。通常情況下，由于凝固過程不可能是無限緩慢的平衡過程，鐵碳合金是按Fe-Fe3C系進(jìn)行轉(zhuǎn)變的。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3C和Fe-C雙重相圖Fe3C機(jī)械性能：

Fe3C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網(wǎng)狀和板條狀，其各種形態(tài)對(duì)應(yīng)不同的宏觀性能。滲碳體相硬而脆(HB800)，塑性極低，延伸率接近于零。它是鋼鐵材料中的主要強(qiáng)化相。

Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C為基的固溶體。Fe被Cr、Mn等金屬原子置換，形成以Fe3C為基的固溶體，稱為合金滲碳體。如：(Fe,Cr)3C，(Fe,Mn)3C滲碳體高溫?zé)o磁性低溫具有一定鐵磁性。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖230℃4.1.2合金中的相在Fe-Fe3C相圖中，F(xiàn)e-C合金在不同條件(成分/溫度)下,有六個(gè)根本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相和石墨。液相L：Fe與C的液溶體。δ相:又稱高溫鐵素體(hightemperatureferrite)，是C在δ-Fe中的間隙固溶體，呈bcc晶格，在1394℃以上存在，在1495℃時(shí)溶碳量最大，為0.09%。α相：也稱鐵素體(Ferrite)，用符號(hào)F或α表示，是碳在α-Fe中的間隙固溶體，呈bcc晶格。鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時(shí)約為0.0008%，600℃時(shí)為0.0057%，在727℃時(shí)溶碳量最大，為0.0218%。鐵素體性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。稱為工業(yè)純鐵。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖γ相：稱為奧氏體(Austenite)，用符號(hào)A或γ表示，是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，為fcc結(jié)構(gòu)。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148℃時(shí)溶碳量最大達(dá)2.11%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面體間隙的中心。單相γ區(qū)存在于NJESGN區(qū)域內(nèi)(7271459℃)(見P74相圖〕。奧氏體的強(qiáng)度較低，硬度較低(HB170220)，塑性高(延伸率δ為40%50%)，易于塑性變形。γ鐵是順磁性，具有fcc結(jié)構(gòu)。晶粒呈平直多邊形。奧氏體的顯微組織見以下圖:第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖奧氏體的顯微組織第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖Fe3C相(Cementite)：它具有復(fù)雜的晶格(斜方晶系)，F(xiàn)e3C是由C原子構(gòu)成的一個(gè)斜方晶格，C原子周圍有六個(gè)Fe原子，構(gòu)成一個(gè)八面體，而每個(gè)Fe原子屬于兩個(gè)八面體共有，晶胞中有12個(gè)Fe原子和4個(gè)C原子，F(xiàn)e:C=3:1。其晶體結(jié)構(gòu)如圖：Fe3C在Fe-C合金中有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，通過熱處理改變其形狀和分布，對(duì)鐵碳合金的機(jī)械性能有很大影響。石墨〔C〕〔graphite〕：在一定條件下，碳可以以游離態(tài)石墨穩(wěn)定相存在，六方結(jié)構(gòu)。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖碳在鋼鐵中的存在形式碳原子溶于α-Fe形成的間隙固溶體---鐵素體F(bcc)碳原子溶于γ-Fe形成的間隙固溶體---奧氏體A(fcc)與鐵原子形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物---Fe3C、Cm(斜方點(diǎn)陣〕也可能以游離態(tài)石墨〔六方結(jié)構(gòu)〕穩(wěn)定相存在于基體中?！?.2Fe-Fe3C相圖分析4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖圍繞三條水平線可把Fe-Fe3C相圖分解為三個(gè)局部考慮：左上角的包晶局部、右邊的共晶局部、左下角的共析局部。我們從分析相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)，特別是重要的點(diǎn)、三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線、重要的相界線入手。到達(dá)掌握整個(gè)相圖的目的。4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖相圖中重要的點(diǎn)和線第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖液相線ABCD固相線AHJECF包晶線HJB，包晶點(diǎn)JL+δ0.09

A共晶線ECF，共晶點(diǎn)CL4.3(A+Fe3C)高溫萊氏體,Le或Ld共析線PSK，共析點(diǎn)SA0.77(F+Fe3C)珠光體,PES線：C在A中的固溶線PQ線：C在F中的固溶線第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖符號(hào)溫度,℃碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)W(C)%

含義A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分C11484.30共晶點(diǎn)Lc

→

AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe→

γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A3)H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)LB+δH

→

AJ

K7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe→

δ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)(A4)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)(A1)AS→FP+Fe3CQ室溫0.0008室溫時(shí)碳在α-Fe中的溶解度4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖一、相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義〔1〕相圖中的點(diǎn)〔最重要的點(diǎn)〕J點(diǎn)：包晶點(diǎn)，合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1495℃時(shí)，B點(diǎn)成分的L與H點(diǎn)成分的δ發(fā)生包晶反響，生成J點(diǎn)成分的A。LB＋δHAJorL＋δA反響時(shí)三相共存，在恒溫下進(jìn)行。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖1495℃1495℃4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖C點(diǎn)：共晶點(diǎn)，合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到1148℃時(shí)，C點(diǎn)成分的L發(fā)生共晶反響，生成E點(diǎn)成分的A和Fe3C。LCAE＋Fe3CorL4.3A＋Fe3C反響時(shí)三相共存，在恒溫下進(jìn)行。共晶反響的產(chǎn)物是A與滲碳體的共晶混和物，稱為萊氏體(Ledeburite)，以符號(hào)Le表示。L4.3Le〔A+Fe3C〕注意：萊氏體中的滲碳體稱共晶滲碳體。在顯微鏡下萊氏體的形態(tài)是：塊狀或粒狀A(yù)(室溫時(shí)為珠光體)分布在滲碳體基體上。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖1148℃1148℃1148℃4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖S點(diǎn)：共析點(diǎn)，合金在平衡結(jié)晶過程中冷卻到727℃時(shí)，S點(diǎn)成分的A發(fā)生共析反響，生成P點(diǎn)成分的F和Fe3C。ASFP＋Fe3CorA0.77F＋Fe3C共析反響的產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的共析混合物，稱珠光體(Pearlite)，以符號(hào)P表示。珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖727℃727℃第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。在顯微鏡下珠光體的形態(tài)呈層片狀。在放大倍數(shù)很高時(shí)，可清楚看到相間分布的滲碳體片(窄條)與鐵素體片(寬條)。

w(Fe3C)＝1－w(F)＝11.3%∴w(Fe3C)/w(F)≈1:8故顯微鏡下鐵素體片寬，而滲碳體片窄。4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖〔2〕相圖中的線〔重要的線〕ABCD線－液相線AHJECF線－固相線水平線HJB－包晶反響線，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%－0.53%的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反響。水平線ECF－共晶反響線，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)生共晶反響。水平線PSK－共析反響線，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)生共析反響。PSK線亦稱A1線。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖GS線－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。合金加熱時(shí)F轉(zhuǎn)變?yōu)锳的終了線。GS線是由G點(diǎn)〔A3點(diǎn)〕演變而來，隨著C含量的增加，使γ向α的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，從A3點(diǎn)延伸為A3線。ES線－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。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖PQ線—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Fe3CIII的臨界溫度線。Fe3CIII數(shù)量極少，往往予以忽略。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.1Fe-Fe3C平衡相圖〔3〕相圖中的區(qū)五個(gè)單相區(qū):L、δ、A〔γ〕、F〔α〕、Fe3C〔Cm〕七個(gè)雙相區(qū):L＋δ、L＋γ、L＋Fe3C、δ＋γ、γ＋α、γ＋Fe3C、α＋Fe3C三個(gè)三相共存線區(qū)：HJB、ECF、PSK線第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖§4.2Fe-Fe3C相圖分析4.2.2典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及平衡組織4.2.2.1鋼鐵材料的劃分根據(jù)Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金可分為三類：工業(yè)純鐵[Wc%＜0.0218%]鋼[0.0218%≤Wc%≤2.11%]

亞共析鋼

0.0218%≤Wc%＜0.77%共析鋼

Wc%＝0.77%過共析鋼

0.77%＜Wc%

≤

2.11%類型亞共析鋼共析鋼過共析鋼鋼號(hào)20

45

60T8T10

T12WC%0.20

0.45

0.600.801.00

1.204.2.2典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及平衡組織白口鑄鐵[2.11%＜Wc%＜6.69%]其特點(diǎn)液態(tài)合金結(jié)晶時(shí)都發(fā)生共晶反響，液態(tài)時(shí)有良好的流動(dòng)性，因而鑄鐵都具有良好的鑄造性能。但因共晶產(chǎn)物是以Fe3C為基的萊氏體組織，所以性能很脆，不能鍛造。它們的斷口呈銀白色，故稱為白口鑄鐵?？梢奧c＝2.11%是鋼和鑄鐵(生鐵)的理論分界線。根據(jù)白口鑄鐵室溫組織不同，可分為三種：亞共晶白口鑄鐵:2.11%＜Wc%＜4.3%共晶白口鑄鐵:Wc%＝4.3%過共晶白口鑄鐵:4.3%＜Wc%＜6.69%第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖亞共析鋼過共析鋼過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵共析鋼共晶白口鐵4.2.2典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及平衡組織4.2.2.2工業(yè)純鐵[Wc%≤0.0218%]以Wc%＝0.01%的鐵碳合金為例室溫組成相：F+Fe3C室溫平衡組織：F+Fe3CIII；F呈白色塊狀，F(xiàn)e3CIII量極少，呈小白片狀分布于F晶界處。假設(shè)忽略Fe3CIII，那么組織全為F。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.2工業(yè)純鐵[Wc%≤0.0218%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.2工業(yè)純鐵[Wc%≤0.0218%]可見，Wc%=0.01%的工業(yè)純鐵轉(zhuǎn)變過程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+Fe3CⅢ其室溫組織組成物為：α+Fe3CⅢ工業(yè)純鐵室溫組織圖〔200×〕Fe3CⅢ最多為0.33%第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.3共析鋼[Wc%=0.77%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖0.774.2.2.3共析鋼[Wc%=0.77%]室溫組織：P，P呈層片狀，是α和Fe3C的層片交替重疊的機(jī)械混合物。白色片狀為α，黑色片狀為Fe3C。勻晶轉(zhuǎn)變＋共析轉(zhuǎn)變＋脫溶沉淀組成相：F和Fe3C，它們的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.3共析鋼[Wc%=0.77%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖顯微組織示意圖4.2.2.3共析鋼[Wc%=0.77%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖顯微組織圖4.2.2.3共析鋼[Wc%=0.77%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖共析鋼的室溫平衡組織〔500×〕4.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖0.44.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]室溫組織：F＋PF呈白色塊狀；P呈層片狀，放大倍數(shù)不高時(shí)呈黑色塊狀。珠光體的室溫平衡組織第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]室溫組織為F+P，由于F是發(fā)生在共析轉(zhuǎn)變之前，我們稱之為先共析鐵素體。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖顯微組織示意圖4.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.6%的亞共析鋼，室溫平衡組織中的F常呈白色網(wǎng)狀，包圍在P周圍.第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖亞共析鋼的室溫組織〔200×〕4.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]組織組成物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：組成相：F和Fe3C

相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.4亞共析鋼[0.0218%<w(C)<0.77%]近似計(jì)算：亞共析鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的估算假設(shè)將F中的碳含量忽略不計(jì)，那么鋼中的碳含量全部在P中，因此由鋼中P的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可求出鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中，W(C%)表示鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，W(P%)表示鋼中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由于P和F的密度相近，鋼中P和F的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以近似用P和F的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)來估算。4.2.2.5過共析鋼[0.77%＜w(C)≤2.11%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖1.24.2.2.5過共析鋼[0.77%＜w(C)≤2.11%]室溫組織：P＋Fe3CⅡ

Fe3CII呈網(wǎng)狀分布在片層狀P周圍第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖硝酸酒精浸蝕：白色網(wǎng)狀為Fe3CII，暗黑色為P苦味酸鈉浸蝕：黑色為Fe3CII，淺白色為P4.2.2.5過共析鋼[0.77%＜w(C)≤2.11%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖鐵碳合金的室溫平衡組織：P＋Fe3CII室溫平衡組織中的P顯微組織示意圖4.2.2.5過共析鋼[0.77%＜w(C)≤2.11%]室溫組織為：P+Fe3CⅡ，組織轉(zhuǎn)變示意圖如下：第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖顯微組織示意圖4.2.2.5過共析鋼[0.77%＜w(C)≤2.11%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖過共析鋼的室溫組織〔500×〕4.2.2.5過共析鋼[0.77%＜w(C)≤2.11%]組織組成物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：組成相：F和Fe3C

相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.6共晶白口鐵[w(C)=4.3%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.34.2.2.6共晶白口鐵[w(C)=4.3%]室溫組織：〔P＋Fe3CⅡ＋Fe3C〕〔L'd〕由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成室溫組成相：F＋Fe3C第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.7亞共晶白口鐵[2.11%<w(C)<4.3%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖3.04.2.2.7亞共晶白口鐵[2.11%<w(C)<4.3%]室溫組織：P＋Fe3CⅡ＋L'dL'd=P＋Fe3CⅡ＋Fe3C網(wǎng)狀Fe3CII分布在粗大塊狀P〔黑色〕的周圍，L'd那么由條狀或粒狀P和Fe3C基體組成第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.2.2.8過共晶白口鐵[4.3%<w(C)<6.69%]第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖5.04.2.2.8過共晶白口鐵[4.3%<w(C)<6.69%]室溫組織：Fe3CⅠ＋L'd

L'd=P＋Fe3CⅡ＋Fe3CFe3CI呈長(zhǎng)條狀，L'd由黑色條狀或粒狀P和白色Fe3C基體組成。室溫組成相：F＋Fe3C第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖△！注意區(qū)別組織中的滲碳體一次滲碳體Fe3CⅠ，長(zhǎng)條狀，尺寸較大；共晶滲碳體Fe3C，作為基體；二次滲碳體Fe3CⅡ，延A周圍析出；共析滲碳體Fe3C，在P中呈片層狀；三次滲碳體Fe3CⅢ，量極少，一般忽略。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3C相圖分析第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖工業(yè)純鐵亞共析鋼過共析鋼過共晶白口鐵亞共晶白口鐵共析鋼共晶白口鐵包晶溫度共晶溫度共析溫度§4.3鐵碳合金的成分與平衡組織和性能的關(guān)系4.3.1含碳量對(duì)平衡組織的影響室溫下，碳含量不同時(shí)，F(xiàn)和Fe3C兩相相互組合的形態(tài)即合金的組織在變化。隨碳含量增大，組織按以下順序變化：F→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+L'd→L'd→L'd+Fe3CI→Fe3C各個(gè)區(qū)間的組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)用杠桿定律求出。w(C)＜0.0218%，合金的組織全部為F；w(C)＝0.77%，合金的組織全部為P；w(C)＝4.3%，合金的組織全部為L(zhǎng)′d；w(C)＝6.69%，合金的組織全部為Fe3C；在上述碳含量之間，那么為相應(yīng)組織組成物的混合物。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖室溫下的組織都由F和Fe3C兩相組成，兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由杠桿定律確定。隨碳含量的增加，F(xiàn)的量逐漸變少，由100%按直線關(guān)系變至0%(w(C)=6.69%時(shí))；Fe3C的量那么逐漸增多，由0%按直線關(guān)系變至100%。隨著含碳量的增加,Fe-C合金的組織發(fā)生以下變化：α+Fe3CⅢ→α+P→P→P+Fe3CⅡ→Fe3CⅡ+L’d+P→L’d→Fe3CⅠ+L’d稱為組織組成物。所有Fe-Fe3C合金的室溫組織都是由鐵素體F和滲碳體Fe3C兩相組成，所以，鐵素體和滲碳體稱為Fe-C合金的相組成物。注：隨著Wc的增加，F(xiàn)e-C合金中F的量逐漸減少，F(xiàn)e3C的量逐漸增多，其變化呈線性關(guān)系。隨碳含量的增加，F(xiàn)e3C的量增加，F(xiàn)e3C形態(tài)也發(fā)生變化，由片狀及球狀形式分布在F根本內(nèi)(P)，F(xiàn)e3CⅡ成網(wǎng)狀分布在原A晶界上，當(dāng)L’d形成時(shí)，F(xiàn)e3C成為基體。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.3.1含碳量對(duì)平衡組織的影響含碳量與Fe-Fe3C合金相組成物相對(duì)量、組織組成物相對(duì)量的關(guān)系圖示第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖§4.3鐵碳合金的成分與平衡組織和性能的關(guān)系4.3.2含碳量對(duì)機(jī)械性能的影響4.3.2.1含碳量－組織－硬度關(guān)系硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨碳含量的增加，由于硬度高的Fe3C增多，硬度低的F減少，合金的硬度呈直線關(guān)系增大，由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時(shí)的約800HB。圖示如下：第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.3.2.1含碳量－組織－硬度關(guān)系第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖含碳量與組成相含碳量與硬度4.3.2.2含碳量－組織－強(qiáng)度關(guān)系強(qiáng)度對(duì)組織形態(tài)很敏感亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大。隨碳含量的增加，亞共析鋼中P增多而F減少。F的強(qiáng)度較低而P的強(qiáng)度比較高，強(qiáng)度決定于P大小與細(xì)密程度有關(guān)，組織越細(xì)密，那么強(qiáng)度值越高。鋼在w(C)=0.9%時(shí)獲得最大強(qiáng)度當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過共析成分之后，由于強(qiáng)度很低的Fe3CII沿晶界出現(xiàn)，合金強(qiáng)度的增高變慢，到約0.9%C時(shí)，獲得最大強(qiáng)度。鋼在w(C)>0.9%時(shí)，F(xiàn)e3CII沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低，隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，強(qiáng)度不斷下降。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.3.2.2含碳量－組織－強(qiáng)度關(guān)系w(C)＞2.11%后，合金中出現(xiàn)Le，強(qiáng)度降到很低的值。再增加碳含量時(shí)，由于合金基體都為脆性很高的Fe3C，強(qiáng)度變化不大且值很低，趨于Fe3C的強(qiáng)度(20MPa30MPa)。F為軟韌相，F(xiàn)e3C為硬脆相，故Fe-C合金的力學(xué)性能取決于F和Fe3C兩相的相對(duì)量及它們的相互分布特征。珠光體的強(qiáng)度比F高，比Fe3C低，而P的韌性和塑性比F低，比Fe3C高，而且P的強(qiáng)度隨P片間距的減小而增大。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖在鋼中Fe3C是一種強(qiáng)化相，隨鋼中Wc的增加使Fe-C合金強(qiáng)度升高，當(dāng)Wc超過0.77%后，先析出F消失而Fe3CⅡ出現(xiàn)，合金強(qiáng)度增加變緩；當(dāng)Wc到達(dá)0.90%時(shí)，由于沿晶界上形成網(wǎng)狀分布，強(qiáng)度開始迅速下降。當(dāng)?shù)竭_(dá)2.11%時(shí)，出現(xiàn)L’d，強(qiáng)度降到最低。鋼的塑性完全由F來提供，Wc的增加使F減少，塑性和韌性顯著下降，當(dāng)基體為Fe3C后，塑性就接近于0。為保證鋼有足夠的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性配合，其Wc一般不超過～1.4%。對(duì)于白口鑄鐵，組織中存在大量的L’d，而L’d是以Fe3C為基的硬脆組織，因此白口鑄鐵具有很大的脆性。但由于大量的Fe3C存在，鑄鐵的硬度和耐磨性很高。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.3.2.2含碳量－組織－強(qiáng)度關(guān)系第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖含碳量與組成相含碳量與強(qiáng)度4.3.2.3含碳量－組織－塑性關(guān)系鐵碳合金中Fe3C是極脆的相，沒有塑性。合金的塑性變形全部由F提供。所以隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減少時(shí)，合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時(shí)，塑性就降到近于零值。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖含碳量與組成相含碳量與塑性4.3.2含碳量對(duì)機(jī)械性能的影響綜上所述，Wc對(duì)鐵碳合金的機(jī)械性能的影響如下圖第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.3.2含碳量對(duì)機(jī)械性能的影響亞共析鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下的估算：硬度≈80×w(F)+180×w(P)

(HB)硬度≈80×w(F)+800×w(Fe3C)

(HB)強(qiáng)度(σb)≈230×w(F)＋770×w(P)

(MPa)延伸率(δ)≈50×w(F)＋20×w(P)

(%)式中的數(shù)字相應(yīng)為F、P或Fe3C的大概硬度、強(qiáng)度和延伸率；w〔F〕、w〔P〕、w(Fe3C)相應(yīng)表示組織中F、P或Fe3C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖§4.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用4.4.1在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖所說明的成分－組織－性能的規(guī)律，為鋼鐵材料的選用提供了根據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，選用碳含量較低的鋼材。機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，選用碳含量適中的中碳鋼。

工具要用硬度高和耐磨性好的材料，那么選碳含量高的鋼種。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.4.1在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用純鐵的強(qiáng)度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導(dǎo)磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等。白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.4.2在加工工藝制定方面的應(yīng)用4.4.2.1在鑄造工藝上的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50℃－100℃。純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好，它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動(dòng)性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%－0.6%之間，因?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。第4章鐵碳合金及Fe-Fe3C相圖4.4.2.2在熱鍛、熱軋工藝方面的應(yīng)用

鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)進(jìn)行；原因：鋼處于奧氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較低，塑性較好。始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100℃－200℃范圍內(nèi)，約為1150℃－1250℃。原因：一方面降低變形抗力，節(jié)約能源，減小設(shè)備噸位；另一方面防止鋼材嚴(yán)重?zé)龘p或過燒〔晶界熔化〕。終鍛、終軋溫度750℃－850℃亞共析鋼：GS線以上一點(diǎn)過共析鋼：PSK線以上一點(diǎn)原因：一方面防止鋼材因溫度低塑性差而發(fā)生開裂；另一方面防止亞共析鋼中出現(xiàn)F，使合金韌性降低；把過共析鋼中的網(wǎng)狀Fe3CⅡ打碎。終軋溫度不能過高，以防止再結(jié)晶后A的晶粒粗大。