第3章 鐵碳合金相圖

第3章鐵碳合金相圖二○一五年三月

純鐵及鐵碳合金的基本組織鐵碳合金相圖分析碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織、性能的影響鐵碳合金相圖應(yīng)用2/3/202311.1純鐵-同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1純鐵及鐵碳合金的基本組織δ-Fe(體心立方晶格)γ-Fe(面心立方晶格)-Fe(體心立方晶格)金屬在固態(tài)下,隨溫度的改變,由一種晶格轉(zhuǎn)變成另一種晶格的現(xiàn)象。純鐵的熔點(diǎn)為1538℃鐵的體積會(huì)膨脹1％重結(jié)晶過(guò)程:轉(zhuǎn)變溫度—過(guò)冷—潛熱產(chǎn)生—形成晶核—晶核長(zhǎng)大純鐵在770℃時(shí)發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變。在770℃以下的-Fe呈鐵磁性，在770℃以上-Fe的磁性消失。770℃稱為居里點(diǎn)。工業(yè)純鐵塑性好，強(qiáng)度低，很少用它制造機(jī)械零件。δ-Feγ-Fe-Fe1394℃912℃γ-Fe

-Fe2/3/202321.2合金的基本概念和合金的相結(jié)構(gòu)1.2.1合金的基本概念合金：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬(Fe、C、Fe3C)元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼是鐵和碳組成的合金。組元：組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)單元稱為組元。組元可以是金屬(Fe)、非金屬(C）或穩(wěn)定化合物(Fe3C滲碳體)。相：在合金中成分、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分以界面分開(kāi)的均勻組成部分。如液相、固相、氣相等。相結(jié)構(gòu)：合金中相的晶體結(jié)構(gòu)。組織：指在金相顯微鏡下觀察到的材料的微觀形貌特征。相是組成合金的基本元素。組織是合金中相的綜合體。合金的力學(xué)性能不僅取決于它的化學(xué)成分，更取決于它的顯微組織。金屬通過(guò)熱處理可以在不改變化學(xué)成分的前提下獲得不同的組織，從而獲得不同的力學(xué)性能。2/3/202331.2.2合金的相結(jié)構(gòu)固溶體溶劑+溶質(zhì)一種固相能夠保持其原有晶格類型并與固溶體晶格相同的組元稱為溶劑。失去原有晶格類型的組元稱為溶質(zhì)，一般在合金中含量較少。合金中兩組元在液態(tài)和固態(tài)下都互相溶解，共同形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。間隙固溶體(有限)置換固溶體固溶體置換固溶體間隙固溶體固溶強(qiáng)化:由于溶質(zhì)原子的溶入，固溶體發(fā)生晶格畸變，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，使金屬的變形抗力增大，強(qiáng)度、硬度升高。固溶體2/3/20234固溶體與純金屬相比，強(qiáng)度、硬度升高，它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。固溶體的強(qiáng)度和塑性、韌性之間有較好的配合，所以，其綜合性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。碳在-Fe

中形成的間隙固溶體(鐵素體)銅和金形成的置換固溶體α2/3/20235正常價(jià)化合物電子化合物間隙化合物一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆，工業(yè)上無(wú)法應(yīng)用。合金中出現(xiàn)金屬間化合物時(shí)，常能提高合金的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但會(huì)降低塑性和韌性。金屬間化合物Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)金屬間化合物合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相，用分子式可表示(Fe3C)。2/3/202361.2.3鐵碳合金基本組織鐵碳合金在液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，可分為：鐵素體：碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)F表示。在727℃時(shí)，溶碳能力最大，c＝0.0218％，顯微鏡下呈明亮多邊形晶粒。鐵素體的力學(xué)性能：塑性、韌性較好，強(qiáng)度、硬度較低。奧氏體：碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體，用符號(hào)A表示。在1148℃時(shí)溶碳能力最大，c＝2.11％,在727℃時(shí)為0.77％。顯微組織與F相似，但晶界較F平直。奧氏體是一個(gè)硬度較低、塑性較高的相，適宜于鍛造。碳溶解在鐵中形成固溶體；碳與鐵形成金屬間化合物；固溶體與金屬間化合物組成的機(jī)械混合物。

2/3/20237滲碳體：鐵與碳形成的金屬間化合物，用Fe3C表示。滲碳體中的c=6.69％，熔點(diǎn)大致為1227℃。滲碳體的硬度很高，塑性和韌性幾乎為零，是鋼中的主要強(qiáng)化相。珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用P表示。珠光體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％的奧氏體在727℃時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。顯微組織在放大倍數(shù)較大時(shí)可看到鐵素體和滲碳體交錯(cuò)排列。珠光體力學(xué)性能：介于鐵素體和滲碳體之間。萊氏體：奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，常用Ld表示，它是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3％的鐵碳合金液體在1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。在727℃以下，萊氏體中的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，由珠光體與滲碳體組成的機(jī)械混合物，稱為低溫萊氏體，用符號(hào)Ld′表示。萊氏體的硬度很高，塑性、韌性極差。2/3/20238符號(hào)相結(jié)構(gòu)組織碳含量ωc（%）b(MPa)(%)硬度(HBS)F固溶體（C溶于α-Fe)單相固溶體0.0218727℃180-28030-5050-80A固溶體（C溶于γ-Fe)單相固溶體0.77（727℃）2.11（1148℃）40040-50170-270Fe3C金屬間化合物單相金屬間化合物6.690800HBWPF+Fe3C機(jī)械混合物77020-35180LdA+Fe3C機(jī)械混合物0高鐵素體F奧氏體A滲碳體Fe3C珠光體P萊氏體Ld2/3/202392.1二元合金相圖2鐵碳合金相圖分析液相固相液、固兩相Cu-Ni相圖：在平衡條件下給定合金系中合金的成分、溫度與其相和組織狀態(tài)之間關(guān)系的一種圖解。2/3/2023102.2鐵碳合金相圖組元:Fe-Fe3C2/3/2023112.3鐵碳合金相圖分析單相區(qū)液相L鐵素體F奧氏體A滲碳體Fe3C珠光體P萊氏體Ld2/3/202312特性點(diǎn)：A純鐵熔點(diǎn)C共晶點(diǎn)DFe3C熔點(diǎn)E碳在

-Fe中的最大溶解度G（912℃）-Fe和-Fe間同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變P碳在-Fe中的最大溶解度S共析點(diǎn)Q室溫下碳在

-Fe中最大溶解度2/3/202313特性線：ACD液相線AECF固相線ECF共晶線LLdPSK共析線（A1）APESAFe3CⅡ

（Acm）GS

AF(A3）PQFFe3CⅢ600A1AcmA32/3/202314共晶轉(zhuǎn)變：ECF共晶線1148°CC共晶點(diǎn)

ωC

=4.3%LCLd(A+Fe3C)室溫下：LdLd′低溫萊氏體Ld′

(P+Fe3CⅡ+Fe3C)共析轉(zhuǎn)變：PSK共析線S

共析點(diǎn)

ωC

=0.77%ASP(F+Fe3C)室溫下：P600ACMA1A32/3/202315相區(qū)單相區(qū)：ACD以上L相區(qū)AESGAA相區(qū)GPQGF相區(qū)DFKFe3C兩相區(qū):L+AL+Fe3CⅠ

A+FA+Fe3CⅡF+Fe3CⅢA+Fe3CⅡ+LdFe3CⅠ+LdP+FP+Fe3CⅡ

+Ld′Fe3CⅠ

+Ld′6002/3/2023161.工業(yè)純鐵ωC%<=0.0218%鋼0.0218%<ωC%<=2.11%亞共析鋼

0.0218%<ωC%<0.77%共析鋼0.77%過(guò)共析鋼

0.77%<ωC%<=2.11%3．白口鑄鐵2.11%<ωC%<6.69%亞共晶白口鑄鐵

2.11%<ωC%<4.3%共晶白口鑄鐵

4.3%過(guò)共晶白口鑄鐵4.3%<ωC%<6.69%2.4鐵碳合金分類．2/3/2023170.772.114.36.690.0218鋼白口鑄鐵

2/3/202318共析鋼

亞共析鋼

過(guò)共析鋼

2.5鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程及其組織2/3/202319共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵

過(guò)共晶白口鑄鐵2/3/2023203碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織、性能的影響FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Le’Le’Le’+Fe3C

Fe3C含碳量——組織變化情況如下含碳量%↑→F%↓，F(xiàn)e3C%↑3.1對(duì)組織的影響碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，組織中Fe3C數(shù)量增加，F(xiàn)e3C在組織中的形態(tài)也發(fā)生變化，經(jīng)歷由分布在F晶界上（如Fe3CⅢ）,變?yōu)榉植荚贔的基體內(nèi)（如P），進(jìn)而分布在原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后形成Ld′時(shí)，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，鐵碳合金的組織和性能也不同。

2/3/202321硬度：ωc↑→Fe3C↑→HB↑強(qiáng)度：ωc<0.77%

塑性、韌性：ωc↑→Fe3C↑→塑性↓、韌性↓ωc↑→P↑F↓σ↑0.77%<ωc<0.9%強(qiáng)度增加緩慢ωc>0.9%→σ↓主要表現(xiàn)在對(duì)切削加工性、可鍛性、鑄造性和焊接性能的影響。3.2對(duì)力學(xué)性能的影響3.3對(duì)工藝性能的影響2/3/202322切削加工性：指金屬經(jīng)切削加工形成工件的難易程度。低碳鋼切削加工性差。高碳鋼中Fe3C多，刀具磨損嚴(yán)重，切削加工性也差。中碳鋼中F和Fe3C的比例適當(dāng)，切削加工性好。鍛造性：指金屬經(jīng)壓力加工改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鍛造時(shí)金屬被加熱到高溫得到單相A組織，可鍛性好。低碳鋼中F多，可鍛性好。隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，金屬的可鍛性下降。鑄造性：金屬經(jīng)鑄造獲得合格的完整制件的能力。鑄造性取決于相圖中液相線和固相線的水平距離和垂直距離。距離越大，合金的鑄造性越差。低碳鋼的液相線與固相線距離很小，有較好的鑄造性，但其液相線溫度較高，鋼液過(guò)熱度小，流動(dòng)性較差。隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的結(jié)晶溫度間隔增大，鑄造性變差。共晶成份附近的鑄鐵，液相線與固相線的距離最小，液相線溫度也最低，其流動(dòng)性好，鑄造性也好。焊接性：金屬通過(guò)焊接獲得優(yōu)良合格制件的能力。隨碳含量升高，鋼的塑性下降，焊接性也下降。要獲得好的焊接接頭，應(yīng)優(yōu)先選用低碳鋼。（ωC%小于0