铁碳合金相图

LOGO刘伯洋铁碳合金二元相图海洋材料科学与工程研究院纯铁的冷却曲线纯铁屈服强度(σ0.2)：100~170MPa抗拉强度(σb)：180~270MPa伸长率(δ)：30％~50％断面收缩率(ψ)；70％~80％冲击韧度(αK)；160~200J/cm2硬度HBS：50~80纯铁的塑性韧性好，但强度硬度低，很少用作结构材料。由于纯铁具有高的磁导率，软磁材料纯铁的冷却曲线奥氏体（γ或A）低温铁素体（α或F）溶解碳溶解碳铁碳合金的相结构溶解碳高温铁素体（δ）铁素体铁素体：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，用符号“α”（或F）表示，呈体心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度极小，在727℃时达到最大溶解度0.0218%。铁素体的显微组织为多边形晶粒。铁素体性能：铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。（δ=30%~50%，AKU=128~160J）,σb=180~280MPa，50~80HBS）奥氏体奥氏体：是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“γ”（或A）表示，呈面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒。奥氏体性能：相对于铁素体具有一定的强度和硬度，塑性和韧性也好。（σb=400MPa，170~220HBS），塑性和韧性也好（δ=40%~50%）。具有顺磁性，可作为无磁钢。无磁钢：没有铁磁性从而不能被磁化的稳定奥氏体钢。Fe-Mn-Al-C系列奥氏体，其电磁性能(磁导率)，组织稳定，力学性能优良，磁导率低而电阻率高，在磁场中的涡流损耗极小。无磁钢的用途：（1）石油钻井无线随钻侧斜系统(MWD)：是在油田钻井过程中的专业定向仪器。一般用于定向井，而定向井需要测斜度及方位的，测斜时仪器在无磁钻具内部可以免受外界磁场的影响从而保证结果的准确性。（2）高压电器和大中型变压器油箱内壁、铁芯拉板、线圈夹件、螺栓、套管、法兰盘等漏磁场中的结构件；（3）起重电磁铁吸盘、磁选设备筒体、选箱以及除铁器、选矿设备等；NMS-140双相不锈钢(DSS，DuplexStainlessSteel)：是指不锈钢中既有奥氏体又有铁素体组织结构的钢种，习惯称α+γ双相不锈钢或双相不锈钢。Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢（316L）与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。主要用于海水淡化。渗碳体渗碳体(中间相-尺寸因素化合物-间隙化合物)：当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解度限度时，多余的碳主要和铁形成的一种具有复杂晶格的金属化合物Fe3C。是它的碳质量分数Wc=6.69％。渗碳体性能：其力学性能特点是硬度高(约800HBW)，脆性大，塑性几乎为零。弱铁磁性（＜230℃），理论熔点1227℃。介稳定化合物，分解：Fe3C→3Fe+C（石墨碳）。石墨：六方晶系；化学键：σ键+π键C从Fe中析出时，通常以Fe3C的形式存在，而非石墨，因为形成前者碳原子扩散距离短。铁碳合金相图实线：Fe-Fe3C介稳定系相图虚线：Fe-C（石墨）稳定系相图图中各特性点的符号是国际通用的，不能随意更换。单相区5个双相区7个三相区3个γL+γ包晶转变线（HJB）：含碳0.53%的液相与含碳0.09%的δ铁素体发生反应，生成含碳0.17%的奥氏体。碳含量小于2.11%的合金在冷却的历程中，都可在一个温度区间得到单相的奥氏体。简化的铁碳相图对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。包晶偏析造成钢凝固剩余有δ相，其与γ相致密度不同会造成巨大的组织应力，使铸坯出现热裂纹，尤其对连铸坯，这种包晶钢的热裂纹仍是一个需要克服的难题。转变产物是γ相和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（Ld）。其中Fe3C称为共晶渗碳体。γ共晶相图莱氏体（组织）莱氏体：是铁碳合金冷却到1148℃时共晶转变的产物，是介稳相。由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号“Ldˊ”表示，组织由渗碳体和珠光体组成。莱氏体性能：莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。转变产物为珠光体，用符号P表示。组织中的Fe3C称为共析渗碳体。γ珠光体珠光体：珠光体是奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物，由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示。显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织。珠光体性能：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。PQ线：碳在α中的固溶度曲线。碳在α中的最大固溶度：727℃时ωc为0.0218%，600℃时降为0.008％，300℃时约为0.001％，α从727℃冷却下来时，将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CⅢ770℃线为α的磁性转变温度．230℃水平线为渗碳体的磁性转变温度。重要固态转变线GS线：GS线又称A3线，冷却时，γ析出α的开始线，或加热时α全部溶入γ的终了线。ES线：碳在γ中的固溶度曲线。常称Acm线。当温度低于此线，γ将析出Fe3C、即二次渗碳体Fe3CⅡ，从液相中经CD线析出一次渗碳体Fe3CⅠ。铁碳合金分类工业纯铁亚共析钢过共析钢共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁ωc0.0218%为工业纯铁；ωc2.11％为铸铁；0.0218%ωc2.11％的为碳钢。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，断口呈白亮色，称为白口铸铁。按Fe-C系结晶的铸铁，断口呈灰色，称灰口铸铁。钢的共同点：在高温下都可以进入奥氏体单相区，铸铁的共同点：都含有共晶体。种类分类名称ωc(%)室温平衡组织铁工业纯铁0.0218铁素体；或铁素体+三次渗碳体钢亚共析钢共析钢过共析钢0.0218~0.770.770.77~2.11先共析铁素体+珠光体珠光体先共析二次渗碳体+珠光体铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁2.11~4.34.34.3~6.69珠光体+二次渗碳体+莱氏体莱氏体一次渗碳体+莱氏体铁碳合金结晶过程1234567片状、网状沿晶界析出的渗碳体。或粗大铁素体中出现点状渗碳体。组织组成计算0.77100%0.770.0218c先0.0218100%0.770.0218Pc30.0218100%6.690.0218FeCc6.69100%6.690.0218c亚共析钢的组织所有的亚共析钢室温组织都是由铁素体和珠光体组成，其差别仅是铁素体与珠光体的相对量不同，Wc越高，珠光体越多，铁素体越少。过共析钢：先共析Fe3C＋珠光体Fe3C沿γ晶界呈网状分布，先共析二次渗碳体量：30.77100%6.690.77FeCc2.113:()LdFeC共晶莱氏体33:()LdPFeCFeC室温莱氏体33FeCFeC3.02.11100%40.6%4.32.11Ld4.33.06.692.11100%46%4.32.116.690.77P34.33.02.110.77100%13.4%4.32.116.690.77FeC亚共晶白口铸铁(Wc=3%)6.695.0100%71%6.694.3Ld35.04.3100%29%6.694.3FeC过共晶白口铸铁(Wc=5%)铁碳合金的组织α+PP+Fe3CIIPP+Fe3CII+Ld’Fe3CI+Ld’Ld’α+Fe3CIII随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在γ晶界上——形成莱氏体时，渗碳体则成了基体。）含碳量对（普碳钢）力学性能的影响硬度WC增加，硬度增加；强度WC1%时，WC增加，强度提高，在晶界上析出的二次渗碳体一般还未形成连续网状。WC1%时，WC增加，强度降低；塑性、韧性WC增加，塑性、韧性下降；为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性、韧性，碳素钢的含碳量一般不超过1.4%。思考题随着钢中碳含量的增加，钢中的渗碳体增多，硬度也随之升高，基本上呈直线上升。在Wc＝0.8％以前，强度也是呈直线上升的。但在Wc＞0.8％以后，随碳量的继续增加，组织中将会出现网状渗碳体，致使强度很快下降。在Wc＝0.8％时，组织全为珠光体，所以T8强度最高。含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的强度最高。45、T8、T12钢的硬度、强度和塑性有何不同？绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；而起重机吊重物用钢丝绳除要求有一定的强度，还要有很高的弹性极限，而60、65、70、75钢有高的强度。这样在吊重物时不会断裂。锻造铸造组织经过锻造方法热加工变形后使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。钢的可锻性首先与含碳量有关，低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加。可锻性逐渐变差。（C%2.11%）一般要把钢材加热到始锻温度（固相线以下100~200℃，约1150~1250℃）下，在奥氏体区进行锻造。钢液的流动性随含碳量的提高而提高。铸铁流动性总是比钢好。共晶成分的铸铁因其结晶温度最低，同时又是在恒温下凝固，结晶的温度间隔为零，所以流动性最好。适合铸造：2.11%～4.3%，流动性好。适合热处理：0.0218-2.11%，有固态相变。铁碳相图的应用塑性、韧性高的材料，选用铁素体低碳钢（Wc0.25%）强度、塑性和韧性等均好的材料，应选用组织为铁素体和珠光体的中碳钢（0.25%Wc0.6%）硬度、耐磨性好的材料，应选用组织为珠光体或珠光体和二次渗碳体的高碳钢（1.3%Wc0.6%）形状复杂的及其底座和箱体等零件，可选用熔点低、流动性号的铸铁材料，成分为共晶或接近于共晶。杂质元素的影响碳钢：是指碳的质量分数Wc2.11%，并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。Mn的影响:由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（锰铁）中带入的Mn能溶于铁素体中，形成含锰铁素体，也能溶于渗碳体，形成合金渗碳体，产生固溶强化作用，使强度、硬度提高。锰能增加珠光体的相对含量，并细化珠光体，提高钢的强度。锰能降低S对钢的危害。一般碳素钢中把锰控制在小于0.8%。Si的影响Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。Si比锰脱氧能力强，硅溶于F，具有固溶强化作用，提高钢的强度和硬度，但会使塑性和韧性降低。硅在碳素钢中一般小于0.5%。硅与氧的亲和力很强，形成氧化硅在钢中以夹杂物形式存在，影响钢的质量。S的影响：由矿石和燃料带入钢中。S在钢中与Fe化合成FeS，而FeS又与Fe形成低熔点（985℃）的共晶体，分布于奥氏体晶界上。当钢材在1150～1250℃进行轧制或锻压时，由于共晶体熔化而使晶粒分离，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。Mn与S形成熔点为1620℃的高温有一定塑性的MnS，消除热脆。硫对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝