第四章 铁碳合金的基本组织与状态图

机械混合物：由几个相组成的组织。例：珠光体：铁素体（间隙固溶体）与渗碳体（金属化合物）组成的机械混合物。例：80钢（含碳0.8%的碳素体）平衡状态下：粗珠光体或细珠光体或极细珠光体。1-5铁碳合金的基本组织与状态图1-5-1铁碳合金的基本组织液态：无限互溶固态：碳能溶于铁的晶体中，形成间隙固溶体，和固溶体与Fe3C构成机械混合物。(一)铁素体（F）碳溶于α—Fe（体心立方晶格）中形成间隙固溶体。由于体心立方晶格的间隙小，溶碳能力极差，在7270C时溶碳量为0.0218%，随着温度的下降溶碳逐渐减小，6000C时为0.0057%，室温时几乎为零。因此铁素体在室温时性能几乎与纯铁相同，其强度、硬度不高，但有良好的塑性与韧度。体心立方晶格的铁存在于9100C以下和1390～15350C两个温度范围内，故铁素体也存在于这两个温度范围内。为了区别，将低温区铁素体称为α铁素体或低温铁素体；高温区铁素体称为δ铁素体或高温铁素体。14950C时，碳在δ—Fe中最大溶解度为0.09%。(二)奥氏体（A）（英国金属学家Austen)碳溶于γ—Fe（面心立方）中形成间隙固溶体。由于晶格间的最大空隙比α—Fe大，溶碳能力较大11480C时为2.11%随温度下降溶碳量逐渐减小7270C时为0.77%。奥氏体存在于727～14950C的温度范围，强度低，塑性好，伸长率为40%，硬度（HB）为170～220，无铁磁性。奥氏体组织金相图(三)渗碳体（Fe3C）铁与碳形成的具有复杂结构的金属化合物，含碳量6.69%。铁碳合金中，碳的含量超过碳在铁中的溶解度时，多余的碳便形成Fe3C。渗碳体的晶格是复杂斜方晶格，晶格中Fe和C都正离子化，Fe3C有明显的金属特性，能导电、有金属光泽。渗碳体组织金相图Fe3C的结构决定了它极硬（可刻画玻璃）、极脆，是铁碳合金中的硬组元。熔点为12270C，无同素异晶转变。一定条件下（高温、长期保温）渗碳体可分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）铁素体和球状石墨铁素体和团絮状石墨球墨铸铁的显微组织(四)珠光体（P）铁素体与Fe3C形成的混合物。所有含碳量超过0.02%的合金中，均发生珠光体转变，影响范围包括任何成分的铁碳合金，室温下的平衡组织都有珠光体存在。4.珠光体(P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。(五)莱氏体（Ld）（德国学者Ledebur)奥氏体和Fe3C组成的机械混合物，此反应发生于含碳量为2.0～6.67%的合金中。莱氏体（ledeburite）莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为低温莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差5.莱氏体(Ld)奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。1-5-2Fe—Fe3C状态图几个概念：共晶转变：一定成分的液相在一定温度（恒温）下同时结晶出两个固相的转变。铁碳相图中C点。11480CL4.3%→Ld（A2.11%C+Fe3C）共析转变：一定成分的固溶体在一定的恒温下同时析出个新固体的转变。铁碳相图中S点7270CA0.77%C→P（F0.0218%C+Fe3C）Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)Fe-Fe3C相图的分析五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148℃、727℃。一二三四五六巧记铁碳相图：“一”指一种合金组织渗碳体（Fe3C）：特别需要注意从金属液态直接结晶出渗碳体称为一次渗碳体（Fe3CⅠ），而从A（奥氏体）中析出渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。很易把两者混淆。“二”指二个坐标：Ｃ/％、Ｔ／0C；在画的时候容易忘记这两坐标标注。“三”指三个单项：Ａ（奥氏体）、Ｐ（珠光体）、Ｌd（莱氏体）。在铁碳合金相图中，只有三个区域中是单项组织，其中在7270C以下含碳量为0.77％时，其成分只有Ｐ（珠光体），11480C以下含碳量为4.3％时，其成分只有Ｌd（莱氏体），在这些地方经常容易漏掉。“四”指四个含碳量：0.77％、2.11％、4.3％、6.69％；“五”指五种温度：15380C，11480C，12270C，9120C，7270C；六指六条线：(1)ACD液相线：其以上组织都是液态。(2)AECF固相线：其以下组织都是固态。(3)GS、A3线：奥氏体析出铁素体的开始线：奥氏体析出铁素体(4)ES、Acm线：溶解度线：奥氏体析出渗碳体称为二次渗碳体。(5)ECF共晶线：金属液态结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，莱氏体（Ld）。(6)PSK、A1共析线：当合金组织冷却到7270C以下奥氏体（A）全部转成珠光体（P）。结晶析出FFe3CFe3CL共晶反应（1148OC）727CPLdL'dA共析反应(7270C)1-5-3铁碳状态图上合金的分类及其组织根据相变特征和室温组织不同，可将铁碳状态图上的各种合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类：1、工业纯铁C＜0.0218%的铁碳合金。2、钢C0.0218～2.11%的铁碳合金。特点是高温固态组织为塑性很好的奥氏体，常用于热压力加工。根据相变特征和室温组织不同分为三种：1）亚共析钢含C＜0.77%的钢。所有亚共析钢冷到室温后，均由铁素体和珠光体组成。含碳量越高铁素体越少珠光体越多。亚共析钢组织金相图2）共析钢含C＝0.77%的钢。室温组织全部为珠光体，一般呈片状。共析钢组织金相图共析钢的室温组织3）过共析钢含C＞0.77%的钢。室温组织为珠光体和二次渗碳体构成。由于二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，显微组织呈网状分布。二次渗碳体的含量随钢中碳含量增加而增加，Ｃ＝２.11％时，其量达到最大。过共析钢组织金相图３.白口铸铁是C2.11～6.69%之间的铁碳合金。特点是液态结晶时都有共晶转变产物为以渗碳体为基的莱氏体组织，性能很脆，不能锻造。由含碳量和室温组织不同，分为三种。1）亚共晶白口铸铁C＜4.3%，室温组织由珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体组成。含碳量接近共晶成分的合金时，组织中莱氏体增多，大块珠光体减少。亚共晶白口铁组织金相图亚共晶合金组织形态2）共晶白口铸铁C＝4.3%，室温组织由珠光体、二次渗碳体和共结晶渗碳体组成低温莱氏体。显微镜下，珠光体呈黑色，白色基体为渗碳体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，无本质区别，不易分别。共晶白口铁组织金相图共晶合金组织形态3）过共晶白口铸铁C4.3～6.69%范围，室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体组成。显微组织中亮白色的条状（板状）为初生渗碳体（Fe3CⅠ），基体为低温莱氏体，其中黑点为珠光体、白色部分为渗碳体。白口铸铁基本都含有莱氏体，这是与钢区别的特点。过共晶白口铁组织金相图过共晶合金组织形态1-5-4碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响1、铁碳合金的组织随含碳量增加的变化是：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L‘d→L‘d→L‘d+Fe3CⅠ→Fe3C即：工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。含碳量增加时，组织中不仅Fe3CⅡ的数量增加，Fe3C的存在形式也在变化，由分布在铁素体的基体内（如P）变为分布在奥氏体的晶界上（Fe3CⅡ）最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。含碳量不同的钢铁有不同组织这是决定它们具有各自性质的原因。2、碳量对铁力学性能的影响当碳量＜0.9%，随着钢中含碳量增加，钢的强度、硬度直线上升，塑性、韧度不断降低难以加工。当碳量＞0.9%，因沿着晶界形成的二次渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、韧度进一步降低，强度也明显下降。故工业上使用的钢含碳量低于1.3～1.4%以保证钢材具有足够的强度一定的塑性和韧度。当碳量＞2.11%的白口铸铁，由于有较多的渗碳体在组织中以连成基体，性能上特别硬而脆，难以切削加工，除作为炼钢原料一般应用不广。3、铁碳相图的应用（1）在选材方面铁碳相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样可以根据零件的服役条件和性能要求选择合适的材料。建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，选用碳含量较低的钢材、低碳钢。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢。工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种、高碳钢。即需要塑性好、韧性好的材料可选低碳钢；需要强度、硬度、塑性好的材料可选中碳钢；需要硬度、耐磨性好的材料可选高碳钢。纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。例如：碳钢中加入Mn，可改变共析点的位置，组织中可提高珠光体相对含量，提高钢的硬度和强度。（2）在铸造成型方面根据相图中液相线的位置，可确定各种铸钢和铸铁的浇注温度，为铸造工艺提供依据。共晶成分的铸铁合金熔点最低，结晶温度范围小，有良好的铸造性能。因此在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。同铸铁相比钢的熔化温度和浇注温度要高的多，其铸造性能差，易产生收缩，因此钢的铸造工艺比较复杂。根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳含量规定在0.15-0.6%之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。3）在压力加工成型方面钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以上100℃～200℃范围内。一般始锻温度为1150℃～1250℃，终锻温度为750℃～850℃。4）在热处理工艺方面的应用Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。这将在热处理中详细阐述。在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。②Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析了。1-5-5杠杆定律及其应用杠杆定律表示平衡状态下两平衡相的化学成分与相对质量之间的关系。用来计算两平衡相分别占总合金的质量分数，即各相的相对质量，也可用来确定组织中各组成物的相对质量。因为求出两相的相对重量关系与杠杆定律很相似，故称为杠杆定律。1、只适用于平衡状态下；2、只适用于两相区；3、杠杆总长度为两平衡相的成分点之间的距离，杠杆的支点一般为合金成分点，杠杆的位置由所处的温度决定。4、用杠杆定律计算组织组成物时，必须依据该合金的平衡结晶过程分析，找出与组织相对应的两相区，使组织与相组成物相对应才能进行。例题：计算铁碳合金中二次渗碳体的最大相对量的白分比。解：铁碳合金中二次渗碳体含量最大的成分点为E点（2.11%），其室温组织为珠光体和二次渗碳体，用杠杆定律计算如下：W（Fe3CⅡ）=（2