Fe—C合金的组织和性能.

Fe—C合金的组织和性能钢(Steels)和铸铁(Castirons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheiron－carbonsystem）。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。铁碳相图(如图7.50)是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。Fe-Fe3C相图1.Fe—C合金中的组元铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）(1)纯铁（Fe）纯铁（pureiron）WFe99.8%，原子序数26，原子相对质量55.85，纯铁的熔点1538℃，汽化点2738℃，密度7.87g/㎝³。纯铁固态下具有同素异构转变（allotropictransformation）：912°C以下为体心立方(bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc)结构,1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetictransformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。纯铁的同素异构转变纯铁的显微组织(2)渗碳体(Fe3C)渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)，其晶体结构如图。Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1。Fe3C熔点为1227℃，Fe3c是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以Fe—Fe3C相图又叫介稳定系相图，Fe－C相图又叫稳定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为Fe－C合金双重相图.Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。渗碳体的晶格Fe-Fe3C双重相图2.Fe—C合金中的基本相－A在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C）（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）δ相[高温铁素体（hightemperatureferrite）]C在δ－Fe的间隙固溶体。在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，也称高温铁素体（hightemperatureferrite）。（3）渗碳体（cementite）前面已讨论过Fe—C合金中的基本相－B（4）奥氏体（austenite）奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。γ具有fcc结构。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C时最多可以溶解2.11%的碳，到727°C时含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，单相γ区存在于NJBESGN区域内（727---1459℃）。奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ为40%~50%)高。奥氏体的显微组织见下图。γ是顺磁性（paramagnetism），具有fcc结构。晶粒呈平直多边形。碳在γ－Fe晶格中的位置奥氏体的显微组织Fe—C合金中的基本相－C（5）铁素体（ferrite）铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。C原子溶于八面体间隙。单相α相在CPQ以左部分。铁素体的含碳量非常低，在727℃时C在α－Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有bcc结构。（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本相。3.Fe—Fe3C相图分析如图为Fe—Fe3C相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线Fe-Fe3C相图（1）Fe—Fe3C相图的点Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点（2）Fe—Fe3C相图的线Fe—Fe3C相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水平)和三条重要的相界线。Fe—Fe3C相图中各线的意义如表（讲义P4－51）A.三条水平恒温转变线①包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+δ0.09→α0.17（LB+δH→αJ）②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即：L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常用A1表示。B.两条磁性转变线①230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示②770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性，770℃以下为铁磁体。常用A2表示，又称居里点。C.几条重要的相界线(固态转变线)①GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时)γ的转变线。常用A3表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析α相开始析出线。常称为A3线或A3温度。②ES线：C在γ中溶解度曲线。常用Acm表示，称为Acm温度。低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为二次Fe3C。③PQ线：C在α中溶解度曲线。在727℃时，C在α中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，，称为三次Fe3C。以区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。（3）Fe—Fe3C相图中的区Fe—Fe3C相图中的区：·4个单相区：L、δ、γ、α·7个两相区：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C·3个三相共存区：L+γ+Fe3C（ECF线）、L+δ+γ（HJB线）、γ+α+Fe3C（PSK线）4.Fe—C合金分类Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pureiron）、碳钢（carbonsteel）、铸铁（castiron）。根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：（1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。（2）钢钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之间的Fe、C合金。其特点是：高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbonsteel）又可分为：共析钢（eutectoidsteel）：Wc=0.77%亚共析钢（hypoeutectoidsteel）：Wc=0.0218～0.77%过共析钢（hypereutectoidsteel）：Wc=0.77～2.11%（3）白口铸铁白口铸铁（whitecastiron）是含碳量在Wc=2.11～6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻断。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：共晶白口铸铁（eutectoidcastiron）：Wc=4.30%亚共晶白口铸铁（hypoeutectoidcastiron）：Wc=2.11～4.30%过共晶白口铸铁（hypereutectoidcastiron）：Wc=4.30～6.69%上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。5.碳素结构钢的分类和编号关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。一.分类1.根据钢的含碳量分类（1）低碳钢Wc≤0.25%（2）中碳钢Wc=0.25～0.60%（3）高碳钢Wc≥0.60%2.根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类（1）普通碳素钢Ws≤0.055%Wp≤0.045%（2）优质碳素钢Ws≤0.040%Wp≤0.040%（3）高级优质碳素钢Ws≤0.030%Wp≤0.030%3.根据钢的用途分类（1）碳素结构钢（2）碳素工具钢•二.碳钢的编号•我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，碳钢的具体编号方法如下：•1.普通碳素结构钢•该类钢牌号表示方法是用“Q+数字+符号”表示，其中Q代表屈服点的字母，数字表示屈服点数值（MPa），质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）等四部分按顺序组成。如Q235-A.F，表示屈服强度数值为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号表示普碳钢中杂质硫磷含量的高低，C，D级的含量最低，质量好。脱氧方法符号从F起依次分别表示沸腾钢，半镇静钢，镇静钢及特殊镇静钢，后两种钢牌号中的脱氧方法符号可省略。主要有：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275•2.优质碳素结构钢•该类钢的钢号用“两位数字或两位数字Mn”表示，其中两位数字表示钢中碳的平均含量，单位为万分之一；Mn表示对含锰量较高的钢，须将锰元素标出，一般锰的含量为0.70～1.0%，如：20、20Mn、45、40Mn。钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢；钢号20Mn表示碳的平均含量为0.20%、Mn表示锰的含量为0.70～1.0%的钢；钢号25Mn，表示平均含碳量为0.25%而含锰量为(0.7～1.0)%的钢。•沸腾钢，半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如15g，即平均含碳量为0.15%的锅炉钢；08F表示含碳量为0.08%的沸腾钢。•3.碳素工具钢•碳素工具钢是用“T+数字”表示，其中T为碳的拼音，其后数字表示钢中平均含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8”；T12表示碳的平均含量为1.2%的碳素工具钢。含锰量较高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。6.Fe—C合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁以Wc=0.01%