第四章 铁碳相图

材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience第四章Fe-Fe3C相图Fe-Fe3Cphasediagram4.1铁碳合金的组元及基本相4.2Fe-Fe3C相图分析★★★★4.3铁碳合金平衡结晶过程★★★★4.4含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响★★4.5钢中的杂质元素及钢锭组织★Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，铁碳相图有两类：Ⅰ液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％Ⅱ液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％。123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L4.1铁碳合金中的组元及基本相4.1.1纯铁（iron）1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe力学性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2应用：主要应用于电子材料，作为铁芯。碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。铁素体（Ferrite）碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）4.1.2渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。珠光体（Pearlite）F＋Fe3C的一种机械混合物，用符号P表示，其组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好。莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。4.2Fe-Fe3C相图分析FeT°Fe3C符号温度/℃ω（C）/%说明A1538℃0纯铁的熔点B1495℃0.53包晶转变时液态合金的成分C1148℃4.30共晶点D1227℃6.69渗碳体的熔点E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反应生成的渗碳体G912℃0α-Fe向γ-Fe转变温度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J1495℃0.17包晶点K727℃6.69共析反应生成的渗碳体M770℃0纯铁的磁性转变点N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析点（A1）Q600℃0.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C七个两相区：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ，α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB——包晶转变线ECF——共晶转变线PSK——共析转变线1.包晶转变反应式:LB+HAJ1495℃3.共析转变反应式:AS(FP+Fe3C)P727℃2.共晶转变反应式:LC(AE+Fe3C)Ld1148℃4.2.5三条重要的特性曲线GS线：A3线——冷却过程中奥氏体析出铁素体的开始线。ES线：Acm线——C在奥氏体中的溶解度曲线。PQ线——C在铁素体中的溶解度曲线。共晶反应析出的Fe3C为一次渗碳体。奥氏体中析出的Fe3C为二次渗碳体。铁素体中析出的Fe3C为三次渗碳体。4.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织工业纯铁(iron)：C%0.0218%钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为：共析钢(eutectoidsteel)：C%：0.77%亚共析钢(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%过共析钢(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%铸铁(castiron)：C%：2.11～6.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutecticcastiron)：C%：4.30%亚共晶铸铁(hypoeutecticcastiron)：C%：2.11～4.30%过共晶铸铁(hypereutecticcastiron)：C%：4.30～6.69%4.3.1工业纯铁(Wc0.0218%)纯铁组织金相图4.3.2共析钢(Wc=0.77%)共析钢组织金相图相组成：α+Fe3C组织组成：P%8869.677.069.6%%12%881%CFe3共析钢(Wc=0.77%)4.3.3亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图组织组成：α+P%6.4177.045.077.0%%4.58%6.411%P亚共析钢(Wc=0.45%)%3.9369.645.069.6%%7.6%3.931%CFe3相组成：α+Fe3Ca)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc4.3.4过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图组织组成：Fe3C+P%26.777.069.677.02.1%CFe3%74.92%26.71%P过共析钢(Wc=1.2%)%1.8269.62.169.6%%9.17%1.821%CFe3相组成：α+Fe3Ca)硝酸酒精浸蚀b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体浅白色为殊光体4.3.5共晶白口铸铁(Wc=4.3%)共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P——Ld‘%5.1577.069.677.03.4%CFe3%5.84%5.151%P共晶白口铸铁(Wc=4.3%)%7.3569.63.469.6%%3.64%7.351%CFe3相组成：α+Fe3C4.3.6亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P+Ld’——？亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)%2.5569.60.369.6%%8.44%2.551%CFe3相组成：α+Fe3C4.3.7过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)过共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+Ld‘%3.293.469.63.40.5%CFe3%7.70%3.291%Ld'过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)%3.2569.60.569.6%%7.74%3.251%CFe3相组成：α+Fe3C总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ和Ld’。LdFe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)碳含量相组成组织组成工业纯铁0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响4.4.1碳对平衡组织的影响00.02180.772.114.350%100%FCmⅡCmⅠLdC%P室温组织组成相对量图表0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相组成相对量图表4.4.2碳对力学性能的影响纯铁与珠光体性能对比纯铁σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％HB＝50～80珠光体σb＝1000MPaσ0.2＝600MPaδ＝10％，ψ＝12～15％HB＝2414.4.3碳对工艺性能的影响1.切削加工性能2.可锻性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。奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低，以免塑性变差。3.铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向。（1）流动性：C量增加，结晶温度间隔增大，流动性应该变差。但是，随C量增加，液相线温度降低。因此，同样浇铸温度下，含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利。铸铁液相线较低，流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。（2）收缩性：两个主要影响因素：化学成分和浇注温度化学成分一定，浇注温度越高，液态收缩越大；浇注温度一定，碳含量增加，体积收缩增大；固态收缩减小。（3）偏析倾向：固液相线的水平距离和垂直距离越大，偏析越严重。铸铁成分越靠近共晶点，偏析越小。炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO。降低钢种脆性，提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为非金属夹杂物。1.Mn的影响4.54.5.1钢中常见杂质元素残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。是钢中的有益元素。钢中Si含量通常小于0.5%，脱氧时进入，形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物。Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。含量不超过1％时，不降低钢的塑性和韧性。所以，认为Si是钢中的有益元素。2.Si的影响冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾钢。硅钢中的Si提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效。S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeS。FeS与γ铁形成熔点为989℃的（Fe＋FeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间。（Fe＋FeS）共晶体的量很少，几乎都是离异共晶。网状FeS对钢的力学性能损害极大。3.S的影响如果钢中存在（Fe＋FeS）共晶体，在加热到1150～1200℃之间时，会成为液体。变形过程中会开裂，称这种现象为热脆或红脆。如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（Fe＋FeO＋FeS)三相共晶体，其危害更大。可以加Mn防止——MnS。所以，S是一