材料科學基礎第3章 No2 Fe-C合金-Joe LEE

1、第四章 鐵碳合金,4.2 Fe-Fe3C相圖分析,4.3 鐵碳合金的平衡結晶過程及其組織,4.4 含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響,4.5 鋼中雜質元素及鋼錠組織,4.1 鐵碳合金的組元及基本相,L+Fe3C,Fe-Fe3C 相圖,1.熟練掌握鐵碳合金相圖、組元及基本相；,2.鐵碳合金的平衡結晶過程及得到的組織；,3.含碳量對鐵碳合金組織與性能的影響。,本章要求,4.0 緒言,A,N,G,純鐵的冷卻曲線,Fe-Fe3C相圖（局部）,鐵-碳合金相圖 鐵碳合金碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應用最廣的合金。 含碳量為0.0218% 2.11%的稱鋼。 含碳量為2.11% 6.69%的稱鑄鐵。 鐵和碳可形成一

2、系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它 們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分(6.69%) 時，合金太脆，已無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相 圖是Fe- Fe3C相圖。,4.1 鐵碳合金的組元和相 組元：Fe、 Fe3C 純鐵(Fe) 同素異構轉變：,純鐵： 塑性好(延伸率：30-50%) ； 強度低： (抗拉強度:180-270MPa)； 一般不用作結構材料。, 和 相是bcc相， 是fcc相。,4.1 鐵碳合金的組元及基本相,鑄鐵中的石墨,鋼中的滲碳體, 滲碳體(Fe3C)： 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 是鐵和碳形成的間隙化合物，具有復雜結構(正交點陣)。

3、 硬度高、強度低, 脆性大, 塑性幾乎為零。 熔點：1227；磁性轉變溫度：230。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中 主要以Fe3C或石墨的形式存在。,鐵素體,2. 合金相 鐵素體： 碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體, 用F 或 表示。 碳在-Fe中的固溶體稱-鐵素 體，用表示。 兩者都是體心立方間隙固溶體。 鐵素體的溶碳能力很低，在-Fe 中的最大溶解度為0.09% (1495), 在 -Fe中的最大溶解度為 0.0218% (727) ，室溫下僅為0.0008%。 鐵素體的組織為多邊形晶粒，性 能與純鐵相似。,奧氏體,奧氏體: 碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏 體。用A或

4、表示。 是面心立方晶格的間隙固溶 體。溶碳能力比鐵素體大， 1148時最大為2.11%。 組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶 界較直。 強度低、塑性好，鋼材熱加工 都在 區(qū)進行. 碳鋼室溫組織中無奧氏體。,4.2 鐵碳合金相圖的分析 1. 特征點,4.2 Fe-Fe3C相圖分析,英語圈國家鐵碳合金相圖,日文版鐵碳合金相圖,Fe-Fe3C 相圖,2. 特征線 液相線ABCD， 固相線AHJECFD 三條水平線： HJB：包晶線,共晶產物：萊氏體, 用Ld表示。 +Fe3C(共晶滲碳體)。 發(fā)生共晶轉變的鐵碳合金為鑄鐵。, ECF：共晶線, PSK：共析線，也稱A1線,共析產物：珠光體，用P表示。 +Fe

5、3C(共析滲碳體)。, 其它相線 GS，GP 固溶體轉變線， GS又稱A3 線。 HN，JN 固溶體轉變線， ES碳在 -Fe中的固溶線。又 稱Acm線。 從A中析出滲碳體，稱為二次滲碳體(Fe3C)，以區(qū)別 從液體中經CD線析出的一次滲 碳體(Fe3C)。 PQ碳在-Fe中的固溶線。鐵 素體中析出滲碳體，稱為三次 滲碳體 (Fe3C)。 鐵素體磁性轉變溫度(770)， 也稱A2線。 滲碳體磁性轉變溫度(230)， 也稱A0線。,3. 相區(qū) 五個單相區(qū)： L、Fe3C 七個兩相區(qū): L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、 +Fe3C 三個三相區(qū)： 即三條水平線 HJB (L+) E

6、CF (L+ Fe3C) PSK (+ Fe3C),鐵碳合金，按C含量可分為三類： 工業(yè)純鐵 (0.0218%) 鋼 (0.02182.11%) 亞共析鋼 (0.02180.77%) 共析鋼 (0.77%) 過共析鋼 (0.772.11%) 白口鑄鐵 (2.116.69%) 亞共晶白口鑄鐵(2.114.3%) 共晶白口鑄鐵 (4.3%) 過共晶白口鑄鐵(4.36.69%),4.3 鐵碳合金的平衡結晶過程及其組織,工業(yè)純鐵(0.0218%C)的結晶過程 1-2點間L 3-4點間 5-6點間 7點后，從中析出Fe3C 室溫下組織為 + Fe3C,1-2,工業(yè)純鐵的結晶過程,從鐵素體中析出的Fe3C

7、以不連續(xù)網狀或片狀分布于晶界。 隨溫度下降，Fe3C量不斷增加，室溫下Fe3C最大量為:,工業(yè)純鐵的室溫組織,1-2點間L 3點(共析轉變)： SP+Fe3C 全部轉變?yōu)镻。 3點以下： 共析 中析出Fe3C， 與共析Fe3C結合不易分 辨。室溫組織仍為P。, 共析鋼(0.77%C)的結晶過程,共析鋼的結晶過程,珠光體,珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布，性能介于兩相之 間，層片越細，其強度越高，韌性和塑性也好。 轉變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：,思考：室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？,共析鋼的室溫組織,室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？,三、亞共析鋼的結晶過

8、程 0.090.53%C亞共析鋼冷卻 時發(fā)生包晶反應。 以0.45%C的鋼為例 1-2點間L 2點 2-3點間L 3-4點間全部為 4-5點間 5點 5點之后，從中析出Fe3C，由于與共析Fe3C結合，且量 少，忽略不計。 室溫下組織： +P,亞共析鋼的結晶過程,Wc=0.20 %,Wc=0.40 %,亞共析鋼的室溫組織,共析溫度下相的相對重量為：,組織組成物的相對重量為：,室溫下相的相對重量百分比為：,室溫下組織組成物的相對重量百分比為：,利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共 析鋼的含碳量: Qp = (c % 0.0008%)/ (0.77% 0.0008%) c %/0

9、.77% C %= Qp 0.77% P面積% 0.77%,亞共析鋼室溫下的組織為+P。在0.0218%0.77%C范圍內珠光體的量隨含碳量增加而增加。,（四） 過共析鋼的結晶過程 合金在12點轉變?yōu)?，到3點，開始析出Fe3C。Fe3C沿晶界呈網狀分布，溫度下降，Fe3C量增加。到4點， 成分沿ES線變化到S點，余下的 轉變?yōu)镻。室溫組織為P+ Fe3C。,過共析鋼的結晶過程,硝酸酒精浸蝕,苦味酸浸蝕,過共析鋼的室溫組織,含1.4%C鋼的組織,室溫下兩相的相對重量百分比：,Fe3C量隨含碳量而增加，含碳量為2.11%時，Fe3C量最大：,室溫下兩組織組成物的相對重量百分比：,Fe3C,五、共

10、晶白口鐵的結晶過程 合金冷卻到C點發(fā)生共晶反應全部轉變?yōu)槿R氏體(Ld)，萊氏體是共晶 與共晶Fe3C的機械混合物，呈蜂窩狀。 萊氏體以Fe3C為基，性能硬而脆。,Ld,共晶轉變結束時，兩相的相對重量百分比為:,C點以下， 成分沿ES線變化，共晶 將析出Fe3C。Fe3C與 共晶Fe3C 結合，不易分辨。,在2點，共晶 發(fā)生共析反應，轉變?yōu)橹楣怏w，這種由P與 Fe3C 組成的共晶體稱低溫萊氏體，又稱變態(tài)萊氏體，用Ld表示。 2 點以下，共晶體中P 的變化同共析鋼。,溫度降到2點， 成分達到0.77 %，此時，相的相對重量：,共晶白口鐵結晶過程,共晶白口鐵的結晶過程,共晶白口鑄鐵室溫組織為Ld (

11、P+ Fe3C)，它保留了共晶轉變產 物的形態(tài)特征。 室溫下兩相的相對重量百分比為：,共晶白口鐵的室溫組織,（六）亞共晶白口鑄鐵的結晶過程 合金在12點間析出 。到2點，液相成分變到C點，并轉變?yōu)長d（ +Fe3C）。23點間從中析出Fe3C，初生的Fe3C被共晶 襯托出來。到3點，所有 轉變?yōu)镻。 室溫組織：P+ Fe3C+Ld，先共晶一般具有樹枝晶的形貌。,LdLd P,亞共晶白口鐵的結晶過程,思考:室溫下相的相對重量百分比?,亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3C+Ld，室溫下組織組成物相 對重量百分比為：,2C/EC：析出 的份額； (2.11-0.77)/(6.69-0.77)： Fe3

12、C析出最大的量；,亞共晶白口鐵結晶過程,亞共晶白口鐵的室溫組織,（七）過共晶白口鐵的結晶過程 12點間從液相中析出Fe3C。到2點，余下的液相成分變到C點并轉變?yōu)長d。2點以下，Fe3C成分重量不再發(fā)生變化，Ld變化同共晶合金。 室溫組織：Ld+ Fe3C，Fe3C呈粗條片狀。,過共晶白口鐵結晶過程,過共晶白口鐵的室溫組織,過共晶白口鐵室溫結晶組織,過共晶白口鐵的結晶過程,過共晶白口鐵的結晶過程,鐵碳合金平衡凝固過程小結,組織組成物與相組成物標注區(qū)別主要在+ Fe3C和+Fe3C兩個兩相區(qū)。 + Fe3C兩相區(qū)中有四個組織組成物區(qū)。+Fe3C兩相區(qū)中有六個組織組成物區(qū)。,4.4 組織組成物在鐵

13、碳合金相圖上的標注,4.5 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 1. 含碳量對室溫平衡組織的影響 含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關系為：,2. 含碳量對力學性能的影響 是通過改變顯微組織及相的相 對量來實現(鐵素體是軟韌相， 滲碳體是硬脆相)。所以鐵碳合 金的各項性能與碳含量之間大 致都具有直線關系。 亞共析鋼隨含碳量增加，P 量 增加，鋼的強度、硬度升高， 塑性、韌性下降。 0.77%C時，組織為100% P, 鋼 的性能即P的性能。 1.0%C，Fe3C為晶界連續(xù) 網狀，強度下降, 但硬度仍上 升。 2.11%C，組織中有以Fe3C為 基的Ld，合金硬而脆，抗磨損。,3. 對工藝性能

14、的影響 (1). 切削加工性能 材料的硬度太軟，容易粘刀，切削熱大，影響表面粗糙度； 材料的硬度太硬，刀具磨損嚴重。 鋼的硬度為HB170250時，切削加工性能較好。 (2). 可鍛性 低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨含碳量增加，可鍛性變差。,(3). 鑄造性： 共晶成分的鑄鐵流動性好，縮孔集中，偏析小，鑄造性好； 液相線和固相線距離越大，流動性差，分散縮孔多，偏析大，鑄造性越差。所以，鋼的鑄造性差。,一、雜質元素對鋼性能的影響 少量的錳、硅、硫、磷及微量的氧、氫、氮等元素，它們會影響到鋼的質量和性能。 （一）錳的影響 脫氧劑。 有益元素，碳鋼中不超過0.8%， （1）固溶強化； （2）形成MnS，

15、消除硫的有害影響。,4.6 鋼中雜質元素及鋼錠組織,（二）硅的影響 脫氧劑，有益元素，碳鋼中含量不超過0.5%， 固溶強化。,（三）硫的影響 有害元素，礦石和燃料帶入。 以FeS夾雜物形式存在晶界上 “熱脆”， 原因：形成Fe+FeS共晶，熔點為989，低于熱加工的加熱溫度1150，而導致熱加工時開裂。 若鋼中含氧量高時，還會形成熔點更低（940）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。,防止熱脆： （1）降硫： 普通碳素結構鋼要求： S0.040%0.050% （2）改變硫的存在方式： 加入適當的Mn，Mn與S的化學親和力大于Fe，優(yōu)先形成MnS，MnS的熔點1600，高于熱加工溫度，可避

16、免熱脆的發(fā)生。,（四）磷的影響 有害雜質元素， 礦石和生鐵等煉鋼原料帶入。,磷在鋼中固溶強化作用很強，但同時劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，使韌脆轉變溫度升高，稱為“冷脆”。,韌性降低體現在兩方面： (1) 沖擊功Ak；,(2) 韌脆轉變溫度Tk,韌性區(qū),脆性區(qū),韌脆轉變溫度,（五）氮、氫、氧等微量氣體的影響 1、氮 煉鋼時氮通過爐氣進入鋼中。鋼件快速冷卻時氮因來不及析出而過飽和固溶在鐵素體中。在隨后放置中逐漸以Fe4N形式析出，降低鋼的韌性。 稱為藍脆(因300上下應變時最易產生) 藍脆是造成船舶、橋梁災難性事故的原因之一。 消除方法：加Al形成AlN,2、氫 高溫下氫大量溶于鋼中。隨溫

17、度下降，氫在鋼中的溶解度急劇降低，但氫來不及逸出表面，過飽和氫逐漸在晶界等缺陷處偏聚，并逐漸形成氫氣，體積膨脹引起大的內應力，導致微裂紋，這種氫使鋼變脆的現象稱為氫脆嚴重的缺陷。 消除方法： 鍛后緩冷。尤大型鍛件。,合金鋼中多見,3、氧： 氧化物夾雜物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，對鋼的塑性、韌性、疲勞強度等影響很大。 有害元素的利用： S、P在易切鋼中的應用。 P在炮彈鋼中的應用。,鋼錠組織示意圖,鎮(zhèn)靜鋼,沸騰鋼,4.5 鋼中雜質元素及鋼錠組織,習題與思考題 1 何謂鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體、變態(tài)萊氏體？分別寫出它們的符號和性能特點。 2 一堆鋼材由于混雜，不知道化學成分，現抽出一根進行金相分析，其組織為鐵素體加珠光體，其中珠光體的面積大約占40，由于珠光體與鐵素體的比容相近，可用顯微組織中珠光體與鐵素體的面積百分數替代二者的重量百分數，試估算該鋼材的含碳量。 3 已知珠光體的HBS180，20，鐵素體的HBS80，50，試計算含碳量為0.45的碳鋼的硬度和伸長率。(提示：合金的性能值大約是它的各組織組成物的性能值與它的各組織組成物在合金中的含量的乘積和，或稱為加權平均值)。,4 何謂共析轉變和共晶轉變？寫出它們的反應式 5 指出下列名詞的主要區(qū)別：一次滲碳體、二次滲碳體、三次滲碳體、共晶滲碳體、共析滲碳體。 6