第4章 铁碳合金相图与碳钢

第4章 铁碳合金相图与碳钢
4.1 铁碳合金中的组元、基本相和组织
4.2 铁碳合金相图及其分析
4.3 铁碳合金成分、组织与性能关系及应用 4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
4.5 碳钢
第4章 铁碳合金相图与碳钢
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。
碳钢：含碳量为0.0218% ~2.11%
⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为铁素体和少量Fe3CIII，很少用
⑵ 碳钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相，易于变形
① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C)
③ 过共析钢 (0.77~2.11%C)
⑶ 白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好, 硬而脆 ① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C) ② 共晶白口铸铁 (4.3%C) ③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
纯铁的结构及同素异构转变
纯铁的结构 在很缓慢的冷却条件下
同素异构转变 物质在固态下其晶格类型会随温度变 化而发生变化。 包括形核和长大两个过程，是固态相变。
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
又称二次结晶或重结晶
锡疫
固态相变
在固态下物质有一种相转变为另一种相的过程。 同素异构转变和二次相析出均为固态相变
磷溶于铁素体中强烈地降低了钢的塑性、韧性， 尤其是低温韧性， 并使冷 脆转化温度升高；过多的磷也会生成 Fe3P化合物，在晶界 上偏析而增加脆性——冷脆。 硫、磷一般是有害元素，需严格控制其含量。 wS＜ 0.05%； wP ＜ 0.045%
4.2
特征点
铁碳合金相图及其分析
3个基本相图
5个基本相
5个单相区
7个两相区
⇄
⇄ ⇄
⇄
2013-9-11
⇄
4.2
特征点
点的符 号
铁碳合金相图及其分析
2个基本相图
含碳量/%
3个单相区
说 明
4个基本相
5个两相区
温度/℃
A C D E
F G K P S Q
1538 1148 1227 1148
1148 912 727 727 727 室温
铁碳合金的基本相及特征
纯铁及铁基固溶体
奥氏体：是碳固溶在 - Fe中的间隙固
溶体，用A或 表示。面心立方晶格，塑 性好，强度低（比铁素体高）。
铁素体组织（晶界平滑）
奥氏体组织（晶界平直）
纯铁的同素异构转变
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
渗碳体：是铁碳的间隙化合物。含碳量6.69%，用
钢中的渗碳体
铁碳合金中的片状Fe3C
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
铁碳合金的基本组织组成物
①δ（高温铁素体）； ② F（铁素体）； ③ A（奥氏体）； ④ Fe3C(渗碳体)； ⑤ P(珠光体)； ⑥ Ld（莱氏体）。 而δ（高温铁素体）在高温下才存在。
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
纯铁及铁基固溶体
铁素体：是碳固溶在α- Fe中的间隙固溶体，
用F 或 表示。体心立方晶格，塑韧性好，强 度硬度低。
碳在δ-Fe中的固溶体称δ铁素体，高温铁素体，
用δ表示。
纯铁的同素异构转变
铁素体组织（晶界平滑） 奥氏体组织（晶界平直）
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
组元：Fe、 Fe3C
室温平衡组织为 P + F
4.2
铁碳合金相图及其分析
过共析钢的结晶过程
碳质量分数1.2%为例
1～2点 L+A 2～ 3点 A 3～4点 A→Fe3CII, Fe3CII呈网状分布 在A晶界上。 4～ 4'点 A→P ， Fe3CII不变化。 4'～5点 P+Fe3CII
室温平衡组织为 P+ Fe3CII
铸铁：含碳量为 2.11%~ 6.69%
铁碳合金相图是研究铁碳合金的最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、 温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和 铸造等工艺的依据。 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为 纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时， 合金太脆，已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是 Fe- Fe3C相图
4.2
铁碳合金相图及其分析
4.2
铁碳合金相图及其分析
工业纯铁的结晶过程
碳质量分数0.01%为例
1点以上 液相L 1～2点 L+δ 2～ 3点 δ 3～4点 δ+A 4～ 5点 A 5～6点 A+F 6～ 7点 F 7～8点 F晶界析出Fe3CІІІ
室温平衡组织为 F+ Fe3CIII
4.2
铁碳合金相图及其分析
第4章 铁碳合金相图与碳钢
【重点内容】
1. 铁碳合金的各种基本组织的概念； 2. 铁碳合金相图中各点、线 、区的含义，了解成份、 温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分 析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程； 3. 铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系； 4. 钢中常见杂质对钢的性能的影响；
钢中常存的杂质元素有：Si、Mn、S、P、H、N、O
4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
1. Si和Mn的影响
好处： 硅、锰均可溶于铁素体，使钢的强度、硬度升高——固溶强化； 锰易与硫生成MnS，可降低硫的有害作用(热脆)。硅、锰都可作为脱氧 剂并提高淬透性。 坏处： 硅可显著降低钢的塑性、韧性；硅易与氧生成脆性夹杂物SiO2；MnS量过多 也会恶化钢的性能。
莱氏体
4.2
铁碳合金相图及其分析
PSK：共析线（A1线），温度727℃，含碳量（0.0218-6.69） 共析转变：S ⇄FP+ Fe3，产物为 与Fe3C的机械混合物，称作 珠光体，用P表示。两相呈层片状交替分布，性能介于两相之间。
珠光体
4.2
铁碳合金相图及其分析
6条固态转变线
⑶ 其它相线
室温平衡组织为 P+ Fe3CII+ Le'
4.2
铁碳合金相图及其分析
ห้องสมุดไป่ตู้
过共晶白口铸铁的结晶过程
碳质量分数为5%为例
1~2点间从液相中析出粗条状Fe3CⅠ。 到2点，余下的液相成分变到C点 并转变为Le。 2点以下, Fe3CⅠ成分重量不再 发生变化, Le变化同共晶合金
室温平衡组织为 Fe3CI+ Le'
Si、Mn量一般控制在：wSi ＜ 0.5%；wMn ＜ 0.8% （有益元素）。
4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
2. S和P的影响
好处：
适量的磷溶于铁素体，明显提高强度、硬度，提高切削加工性 害处： 硫的存在导致钢在热加工时产生脆性开裂 —— 热脆，使钢的疲劳强 度和韧性下降，S含量越高，热脆现象越严重。
0 4.3 6.69 2.11
6.69 0 6.69 0.0218 0.77 0.0008
纯铁熔点 共晶点LC ⇄ gE+ Fe3C 渗碳体的熔点 碳在g-Fe中的最大溶解度点
渗碳体 g-Fe ⇄ a-Fe同素异构转变点 渗碳体 碳在a-Fe中的最大溶解度点 共析点gS ⇄ aP+ Fe3C 室温下碳在a-Fe中的溶解度点
室温平衡组织为 Le'(P+ Fe3C)
4.2
铁碳合金相图及其分析
亚共晶白口铸铁的结晶过程
碳质量分数为3%为例 1～2点 L+A。
2～2'点 L→Le, 共晶反应结束 时:A+Le 2'～3点 A晶界析出Fe3CII 组织为 A+Fe3CII+Le 3～3'点 A→P; 高温莱氏体Le转 变为低温莱氏体Le' 3'～4点 P+Fe3CII+Le'
包括形核和长大两个过程
形核一般在某些特定部位发生
（晶界、晶内缺陷、特定晶面等）
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
固态相变的晶界形核
固态下扩散困难，因此固态
转变的过冷倾向大
固态转变常伴随着体积变化，
易产生很大内应力
4.1
铁碳合金中的组元、基本相和组织
组元：Fe、 Fe3C
铁碳合金的基本相及特征
P+F
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
4.3
铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用
铁碳合金成分对平衡组织的影响
4.3
铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用
铁碳合金成分对性能的影响
4.3
铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用
铁碳合金相图的应用
选材方面的应用
结合成分-组织-性能间的关系，合理选材。
加工工艺制定方面的应用
共析钢的结晶过程
碳质量分数0.77% 1～ 2点 2～ 3点 3～3'点 3'～4点 L+A A A→P P
珠光体
室温平衡组织为 P（ F+ Fe3C）
4.2
铁碳合金相图及其分析
亚共析钢的结晶过程
碳质量分数0.4%为例
1～2点 L+δ。 2～2'点 L+δ→A 反应结束还有L 2'～3点 L+A 3～ 4 点 A 4～5点 A+F 5～5'点 A→P F不变化 5'～6点 P+F
Fe-C合金的基本组织：
① F（铁素体）： ② A（奥氏体）：
由F单相构成一种组织；
由F和Fe3C两相组成的机械混合 由A单相构成一种组织； 物。 ③ Fe3C(渗碳体）： C=0.77%,F和Fe3C平行间隔排 由Fe3C单相构成一种组织； 列的片层组织。当放大倍数不大， ④ 珠光体P： 则Fe3C片小，只能见黑色的晶界， Fe3C被吞没。 由A(P)和Fe3C组成的机械混合物。 ⑤ Le（莱氏体）： 由小黑点或小黑杆状的P(室温）和围绕在P外的 Fe3CII和Fe3C基体构成Ldˊ,其C=4.3% .
4.2
特征线
铁碳合金相图及其分析
⑴ 液相线—ABCD，固相线—AHJECF ⑵ 三条水平线： HJB：包晶线，温度1495℃， 含碳量（0.09-0.53） 包晶转变：LB+δH⇄ J ， 产物为奥氏体。
ECF：共晶线，温度1148℃， 含碳量（2.11-6.69） 共晶转变：LC⇄ E+Fe3C 产物为 与Fe3C的机械混合 物，称作莱氏体, 用Le表示。 呈蜂窝状, 以Fe3C为基，性 能硬而脆。
Fe3C 或 Cm 表示。结构复杂，硬度极高，脆性极大，塑 性几乎为零。 渗碳体在一定条件下发生分解： Fe3C→3Fe + C (石墨)。 常温下，碳以渗碳体和石墨的形式存在。 其含碳量为6.69%，Fe3CI为板状，Fe3CII为网状， 铸铁中的石墨 Fe3CIII为片状，Fe3C共析为层状，Fe3C共晶为基体。
4.2
铁碳合金相图及其分析
共晶白口铸铁的结晶过程
碳质量分数为4.3%
1～1'点 L→Le 即L→(A+Fe3C)。
1'～2点 Le中的A析出Fe3CII。此时 的莱氏体由A+ Fe3CII+ Fe3C组成。 2～2'点 A→P，高温莱氏体Le 转变成低温莱氏体 Le'(P+ Fe3C)。 2'～3点 Le'
4.2 铁碳合金相图及其分析 组织组成物在铁碳合金相图上的标注
A

L+
H
温N 度
J
A
B
L
A+ L+A
D
E
S
P A+ Fe3CⅡ
C
L+ Fe3C
F
G
F
A+ Fe3C
Le A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ
P
Q Fe
A+F
K
F+ Fe3C
P+ Fe3CⅡ Le’ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
机械工程材料
主讲：胡耀华
2013年9月11日
机械工程材料
课程内容： 绪 论 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 第10章
材料的性能 材料的结构 材料的凝固 铁碳合金相图与碳钢 金属的塑性变形与再结晶 钢的热处理 工业用钢 铸铁 有色金属及其合金 零部件的失效与选材
GS,GP— ⇄ 固溶体转变线, GS又称A3 线。
HN,JN—δ⇄ 固溶体转变线。
ES—碳在 -Fe中的固溶线。又称Acm线。
PQ—碳在-Fe中的固溶线。 MO—A2线 UV—A0线 5种渗碳体
4.2
铁碳合金相图及其分析
典型铁碳合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：
① 切削性能: 中碳钢合适
② 可锻性能: 低碳钢好
③ 焊接性能: 低碳钢好 ④ 铸造性能: 共晶合金好 ⑤ 热处理性能: 第六章 介绍
4.4 钢中常存杂质元素对其性能的影响
杂质是非有意加入的在冶炼时残留于合金中的元素，如Mn、Si、P、S
气体元素及低熔点元素等，对钢的性能有害。
合金元素是为提高合金的性能而有意加入到合金中的元素，可以是金 属元素也可以是非金属元素，可以是一种也可以是多种。
5. 碳钢的分类，编号和用途。
第4章 铁碳合金相图与碳钢
【本章难点】 铁碳合金平衡结晶过程分析、杠杆定律的计算、含碳 量对铁碳合金性能的影响、碳钢的牌号与应用。
【基本要求】
1.熟练掌握铁碳合金中的相结构与性能； 2.熟练掌握铁碳合金状态图并利用状态图对典型合金的 结晶过程进行分析；会用杠杆定律计算铁碳合金中相组 成物与组织组成物的相对量； 3.掌握碳钢的牌号及用途；