05--《工程材料》第五章

主编：东南大学戴枝荣张远明主讲：张建学时：54工程材料（工程材料及机械制造基础Ⅰ）第五章铁碳合金第一节铁碳合金的相结构与性能1.铁素体铁素体：是碳在α−Fe中形成的间隙固溶体。符号：常用“F”(Ferrite)表示晶格：体心立方晶格溶碳能力：727℃最大，为0.0218%；室温为0.0008%性能：强度、硬度低，塑性、韧性好2.奥氏体奥氏体：是碳在γ−Fe中形成的间隙固溶体符号：常用“A”(Austenite)表示晶格：面心立方晶格溶碳能力：1148℃最大，为2.11%；727℃为0.77%性能：强度、硬度低，塑性、韧性好铁素体奥氏体3.渗碳体渗碳体：是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。分子式：Fe3C含碳量：6.69%性能：强度、硬度极高，极脆4.珠光体珠光体：铁素体与渗碳体的片层状机械混合物。符号：P性能：强度、硬度较高，有一定的塑性、韧性5.莱氏体莱氏体：珠光体与渗碳体的片层状机械混合物。符号：Ld性能：强度、硬度极高，极脆6.δ固溶体δ固溶体：是碳在δ−Fe中形成的间隙固溶体。珠光体莱氏体铁碳合金中的Fe3C第二节铁碳合金相图一、相图分析1.特性点：A:纯铁熔点，1538℃B:包晶反应时液态合金的浓度，1495℃，0.53%CC:共晶点，1148℃，4.30%C，D:渗碳体熔点（计算值），1227℃，6.69%CE:碳在γ−Fe中的最大溶解度点，1148℃，2.11%CG:α−Fe⇔γ−Fe同素异构转变点，912℃H:碳在δ−Fe中的最大溶解度，1495℃，0.09%CJ:包晶转变点1495℃，0.17%CN:γ−Fe⇔δ−Fe同素异构转变点，1394℃P:碳在α−Fe中的最大溶解度点，727℃，0.0218%CS:共析点，727℃，0.77%CQ:碳在α−Fe中的溶解度点,室温，0.0008%C2.特性线ABCD线：液相线AHJECF：固相线HJB线：包晶转变线ECF线：共晶转变线PSK线：共析转变线。ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线GS线：析出铁素体的开始线，又称A3线GP线：铁素体析出的终了线PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线3.组织区域已在相图上标出铁碳合金的匀晶转变：有三种情况。①含碳量≤0.53%：由液体直接析出δ固溶体；②含碳量0.53%～4.3%：由液体直接析出A；③含碳量＞4.3%：由液体直接析出Fe3CI。铁碳合金的包晶转变图铁碳合金的包晶转变：在1495℃时，由含碳量为0.09%的δ固溶体与含碳量为0.53%的液体相互作用，生成含碳量为0.17%的奥氏体的过程。①成分低于H点：温度到达AB线，直接析出δ固溶体；到达HJB线，全部转变成δ固溶体；②成分在H与J之间：温度到达AB线，先析出0.09%C的δ固溶体，液体的含碳量升高；温度到达HJB线，液体达0.53%C,部分δ固溶体与全部液体发生包晶转变③成分J点：温度到达AB线，先析出0.09%C的δ固溶体,液体的含碳量升高；温度到达HJB线，液体达0.53%C,产生包晶转变；④成分在J与B之间：温度到达AB线，先析出0.09%C的δ固溶体，液体的含碳量升高；温度到达HJB线，液体达0.53%C,全部δ固溶体与部分液体发生包晶转变铁碳合金的共析转变图铁碳合金的共析转变：含碳量为0.77%的A，在727℃时，同时析出F、Fe3C，生成P的过程.①成分低于P点：温度到达GS线，开始析出F；温度到达GP线，A全部转变成F;②成分在P与S之间：温度到达GS线，开始析出F，A的含碳量升高；温度到达PSK线，A的含碳量达到0.77%，发生共析转变；③成分在S点：温度降到S点，发生共析转变，即含碳量为0.77%的A，在727℃时直接析出F、Fe3C；④成分在S与E之间：温度到达SE线，开始析出Fe3C,A的含碳量降低；温度到达PSK线，A的含碳量达到0.77%，发生共析转变铁碳合金的共晶转变图铁碳合金的共晶转变：含碳量为4.3%的液体，在1148℃时,同时析出A、Fe3C，生成Ld的过程。①成分在E与C之间：温度达到BC线，开始析出含碳量为2.11%的A，液体含碳量升高；温度达到ECF线，液体含碳量达4.3%，发生共晶转变；②成分在C点：温度达到C点，发生共晶转变，即含碳量为4.3%的液体，在1148℃时同时析出A、Fe3C；③成分在C与F之间：温度达到CD线，开始析出Fe3C，液体含碳量降低；温度达到ECF线,液体含碳量达4.3%，发生共晶转变二、典型铁碳合金结晶过程(一)工业纯铁(0.0218%C)——组织为铁素体。(二)钢（0.0218%～2.11%C）1.亚共析钢(0.77%C)——组织为铁素体和珠光体2.共析钢(=0.77%C)——组织为珠光体3.过共析钢(0.77%C)——组织为珠光体和二次渗碳体(三)白口铸铁（2.11～6.69%）1.亚共晶白口铁(4.3%C)——组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体；2.共晶白口铁(=4.3%C)——组织为莱氏体；3.过共晶白口铁(4.3%C)——组织为一次渗碳体和莱氏体；1.含碳0.01%的工业纯铁的结晶过程分析（合金①）冷却曲线：如下图结晶过程:①匀晶转变：合金溶液在1-2点温度区间按匀晶转变结晶出δ固溶体。②同素异构转变：δ固溶体冷却到3点时发生固溶体的同素异构转变，δ→A，A不断在δ固溶体的晶界上形核并长大，在4点结束，全部呈单相A。③同素异构转变：冷却到5-6间又发生同素异构转变A→F，F同样在A的晶界形核并长大，6点以下全部是铁素体。④析出Fe3CⅢ：冷却到7点时，碳在F的溶解量达到饱和,将从F中析出三次渗碳体Fe3CⅢ。室温组织：F相组成物：F、Fe3C2.含碳0.77%的共析钢结晶过程分析（合金②）冷却曲线：如下图结晶过程:①匀晶转变：在1-2点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。②共析转变：冷到3点时(727℃)，在恒温下发生共析转变，A0.77→F0.0218+Fe3C，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体③析出Fe3CⅢ：温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化,析出三次渗碳体Fe3CⅢ，它常与共析渗碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。室温组织：P，含P量100%。相组成物：F、Fe3C3.含碳0.40%的亚共析钢结晶过程分析（合金③）冷却曲线：如下图结晶过程:①匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出δ固溶体.②包晶转变：到2点，δ含0.09%的C，液体含0.53%的C，在恒温下发生包晶转变,δ0.09+L0.53→A0.17。有液相剩余。③匀晶转变：在2-3点间液相继续转变为A0.53。所有A的成分均沿JE线变化冷到3点，合金全部由含碳0.40%的奥氏体所组成。④析出F：到4点时，开始析出F，4-5点A成分沿GS线变化,A含碳量升高，铁素体成分沿GP线变化。⑤共析转变：到5点时，奥氏体的成分达到S点成分(含碳0.77%)便发生共析转变⑥析出Fe3CⅢ：温度下降，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出Fe3CⅢ，Fe3CⅢ量很少，可忽略。4.含碳1.2%的过共析钢结晶过程分析（合金④）冷却曲线：如下图结晶过程：①匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体。②析出Fe3CⅡ：到3点，开始从奥氏体析出二次渗碳体Fe3CⅡ，Fe3CⅡ沿奥氏体的晶界析出，呈网状分布，3-4间Fe3CⅡ不断析出，奥氏体成分沿ES线变化。③共析转变：当温度到达4点（727℃）时，其含碳量降0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠光体，此时先析出的Fe3CⅡ保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的组织为先共析Fe3CⅡ和P，忽略Fe3CⅢ。室温组织：二次渗碳体和珠光体。相组成物：F、Fe3C5.含碳4.3%的共晶白口铁结晶过程分析：（合金⑤）冷却曲线：如下图结晶过程：①共晶转变：合金溶液冷却到1点(1148℃)时，在恒温下发生共晶转变，L4.3→A2.11+Fe3C，全部为莱氏体(Ld)，其中的奥氏体称为共晶奥氏体，而渗碳体称为共晶渗碳体。②析出Fe3CⅡ：1-2间共晶奥氏体中析出Fe3CⅡ，依附在共晶渗碳体上分辨不出，其含碳量降低.③共析转变：到2点(727℃)时，共晶奥氏体的成分为S点(0.77%C)，在恒温下发生共析转变，形成珠光体；而共晶渗碳体不发生变化，忽略2～室温之间Fe3CⅢ的析出，其组织是低温莱氏体,用(Ld’)表示，与Ld形貌相似。室温组织：Ld’相组成物：F、Fe3C6.含碳3.0%的亚共晶白口铁结晶过程分析（合金⑥）冷却曲线：如下图结晶过程：①匀晶转变：1-2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，称为初生奥氏体，其成分沿JE线变化，液相沿BC线变化，其含碳量升高。②共晶转变：到2点时，初生奥氏体成分为2.11%C，液相成分为C点(4.3%C)，此时在恒温下发生共晶转变。③析出Fe3CⅡ：在2-3点之间，初生奥氏体和共晶奥氏体中不断析出Fe3CⅡ，成分沿ES线变化,其含碳量降低。④共析转变：到3点时，所有奥氏体的成分为0.77%C，发生共析转变，形成珠光体，共析转变时,共晶渗碳体和二次渗碳体保持不变。室温组织：珠光体、二次渗碳体和莱氏体（二次渗碳体依附在共晶渗碳体上很难分辨）7.含碳5.0%的过共晶白口铁结晶过程分析（合金⑦）冷却曲线：如下图结晶过程：①匀晶转变：1-2间结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ，液相沿BC线变化，其含碳量降低。②共晶转变：到2点时，液相成分为4.3%C，此时在恒温下发生共晶转变。③析出Fe3CⅡ:在2-3点之间，初生奥氏体和共晶奥氏体中不断析出Fe3CⅡ，成分沿ES线变化,其含碳量降低。④共析转变：当温度到达3点时，所有奥氏体的成分为0.77%C，发生共析转变，形成珠光体，共析转变时，共晶渗碳体和二次渗碳体保持不变。室温组织：一次渗碳体和莱氏体(Fe3CⅠ+Ld’)相组成物：F、Fe3C三、铁碳合金的成分与性能的关系(一)铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对量(二)含碳量对铁碳合金机械性能的影响第三节碳钢一、常存杂质元素对碳钢性能的影响常存的杂质元素:Si、Mn、S、P、O、N、H1.Mn：一般认为Mn在钢中是一种有益的元素。①Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；②另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，成熔点为1620℃，能减轻S的有害作用。③Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。来源：钢中的Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。含量：在碳钢中含锰量通常＜0.80%；在含锰合金钢中,含锰量一般控制在1.0-1.2%范围内。2.Si：一般认为Si在钢中是一种有益的元素。①Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。②有一部分Si则存在于硅酸盐夹杂中。③当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影响并不显著。来源：也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁含量：在碳钢中含Si量通常＜0.35%3.S：一般认为S在钢中是一种有害的元素。①硫不溶于铁，而生成FeS，FeS与Fe形成共晶体（熔点为989℃），分布于奥氏体晶界。当钢材在1000℃-1200℃压力加工时，共晶已经熔化,并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。②在钢中增加含锰量，可消除S的有害作用，Mn能与S形成熔点为1620℃的MnS,而且MnS在高温时具有塑性，这样避免了热脆现象。来源：生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的元素。含量：硫必须严格控制，普通钢含S量应≤0.055%，优质钢含硫量应≤0.040%，高级优质钢含硫量应≤0.030%。4.P：一般认为P在钢中是一种有害的元素。①全部溶于铁素体，可使铁素体的强度、硬度有所提高，但室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。②磷的存在还会使钢的焊接性能变坏③在适当的情况下，S、P也有一些有益的作用，对S，当钢中含硫较高（