第三章铁碳合金

四、 Fe-Fe3 C相图的应用

Fe-Fe3 C相图在生产上有许多应用，其中主要应用在钢铁材料的选用和 热加工工艺的制定这两个方面。
上一页 下一页
返回
第二节 铁碳台金相图
四、 Fe-Fe3 C相图的应用 Fe-Fe3 C相图在生产上有许多应用，其中主要应用在钢铁材 料的选用和热加工工艺的制定这两个方面。

第二节 铁碳合金相图
共析钢结晶组织转变过程如图3-8所示。
图3 -8共析钢结晶过程组织转变示意图
上一页 下一页
返回
第二节 铁碳合金相图
2.亚共析钢

含碳量小于0. 77%的亚共析钢 从液态到结晶终了时，合金全 部转变为单相奥氏体。

当亚共析钢继续冷却到与GS线相 交的温度时，从奥氏体中开始析出 铁素体，获得铁素体和奥氏体组织。 随着温度的不断下降，析出的铁素 体逐渐增多，剩余的奥氏体量逐渐 减少，而奥氏体的溶碳量沿GS线 逐渐增加。


多个区域，它们表示了平衡条件下铁碳合金在对应的成分和温度 下所具有的相(合金中成分、结构、性能相同的组成部分称为相)或 组织状态，分别用不同的符号表示。
第二节 铁碳合金相图
1.符号的含义及各组织 的性能特点
第二节 铁碳合金相图
2. Fe-Fe3 C相图中
主要特性点的含义
相图中主要特性点的 温度、含碳量及其物理含 义

1.作为选用钢铁材料的依据 铁碳合金相图总结了铁碳合金的成分、组织的变化规律，由组织可以判 断出钢的力学性能，为钢材的选用提供了基本的依据。 2.制定铸、锻、焊和热处理等热加工工艺的依据 铁碳合金相图总结了铁碳合金的组织随温度变化的规律，为制定热加工 工艺提供了依据。 (1)在铸造生产上的应用 根据铁碳合金相图可以找出不同成分铁碳合金的熔点，从而确定合适的 熔化、浇注温度，如图3-15所示。
当温度下降到与PSK线相交的温度(727℃)时，奥氏体的溶碳量达到0. 77%，此时剩余的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。 再继续冷却至室温，合金的组织不再发生变化。

第二节 铁碳合金相图
亚共析钢结晶组织转变过程如图3 -9所示。
图3-9亚共析钢结晶过程组织转变示意图
图3-10亚共析 钢的显微组织

图3-3奥氏体原子排列示意图
图3-4奥氏体的显微组织 上一页 下一页
返回
第一节 铁碳台金的基本组织
3.渗碳体（常用分子式Fe
3
C表示）
渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂斜
方晶体结构的金属化合物。 特点：1、渗碳体是碳钢中的主要强化相，它以多 种晶粒形态存在于钢中。 2、渗碳体晶粒的形状、大小、数量和分布情 况对钢的力学性能影响很大。
第二节 铁碳合金相图
3.Fe-Fe3 C相图中主要特 性线的含义
相图的特性线及其含义归纳
第二节 铁碳合金相图
二、铁碳合金的分类
根据含碳量和室温平衡组织，铁碳合金的分类见表
3-4。
表3 -4铁碳合金的分类和室温平衡组织
上一页 下一页 返回
第二节 铁碳合金相图
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程

上一页 下一页
返回
第三节 碳素钢
4.磷的影响 磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素，磷在钢中能全部溶入铁素体，使 钢的强度、硬度有所提高，但却使常温下钢的塑性、韧性急剧降低，使 钢变脆，这种情况在低温时更为严重，称为冷脆。一般希望冷脆转变温 度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。而磷在结晶过程中，由于容易 产生晶内偏析，使局部区域含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而 发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重 的危害性，此外，磷的偏析还会使钢材在热轧后形成带状组织。 在钢中要严格控制磷的含量，一般钢中含磷量应小于0. 045%。
第三章 铁碳合金
1 2
第一节 铁碳合金的基本组织
第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢
3
返回

铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。


含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢
含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。

含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，
已无实用价值。
第一节 铁碳台金的基本组织

上一页 下一页
返回
第二节 铁碳台金相图
(3)焊接方面的应用 焊接时从焊缝到基体金属各位置上的加热温度是不相同的。由铁碳合金 相图可知，铁碳合金在不同的加热温度下会获得不同的组织，因此在随 后的冷却中，从焊缝到基体金属的各位置会出现不同的组织和性能。由 此可见，根据铁碳合金相图可分析焊缝及其热影响区组织变化的部分原 因，使Fe-Fe3 C相图为改进焊接方法或焊后热处理提供了部分理论依据。 (4)在热处理工艺上的应用 铁碳合金在进行热处理时，更是离不开Fe-Fe3 C相图。对不同材料的工 件所采取的退火、正火、淬火等各种热处理工艺的加热温度，都要参考 Fe-Fe3 C相图进行确定。

上一页
返回
第三节 碳素钢
一、常存元素对碳钢性能的影响
实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，其中还含有少量的锰、硅、硫、 磷等杂质元素，这些元素是在冶炼过程中由炼钢原料带入的，通常称为 常存元素，它们的存在会对钢的性能带来一定的影响。 1.锰的影响 锰在钢中是有益元素。锰主要是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。在 碳钢中大部分锰溶入铁素体，形成置换固溶体，起到固溶强化的作用， 提高了钢的强度和硬度;此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫的有害 作用。
图3-7经简化后的Fe-Fe3C合金相图
第二节 铁碳合金相图
相图分析
纵坐标表示温度，横坐标表 示含碳量的质量百分数； 左端原点表示纯铁(即含碳量 为0%)，右端点为Fe-Fe3 C(含碳量为6. 690/。 横坐标上，任意一个固定成 分均代表一种铁碳合金； 图中的线是由各铁碳合金的 临界点(金属结构发生转变的 温度称为临界点)连接而成。

上一页 下一页
返回
第三节 碳素钢
二、碳钢的分类


Байду номын сангаас

常用的碳钢分类方法主要有以下三种。 1.按钢的含碳量分类 1)低碳钢:含碳量≤ 0. 25%; 2)中碳钢:含碳量0. 25%~0. 60%; 3)高碳钢:含碳量≥ 0. 600/。 2.按钢的质量分类 根据钢中所含有害元素硫、磷的多少来分，碳钢可分为: 1)普通钢:含硫量≤ 0. 05%，含磷量≤ 0. 045%。
第一节 铁碳台金的基本组织
5.莱氏体
莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体。
高温莱氏体（用符号Ld来表示）：高温时，是奥氏体和渗碳体的
混合物。
低温莱氏体（用符号Ld’来表示）：由于奥氏体在727℃时还将转
变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成的混合物。 其显微组织如图3-6所示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度(> 700 HB W)很高，塑性很差。 上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁 碳合金的基本相;珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。
下一页
返回
第二节 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图的组成
相图的处理 1、只研究含碳量小于6. 69%的铁碳合金。
在生产中，由于碳的质量 分数超过6. 69%的铁碳合金 脆性很大，没有实用价值。
2、左上角很小部分以及左 下角左边部分予以省略。
为便于研究分析，对常温 组织和性能影响很小且实用 意义不大。
上一页
返回
第一节 铁碳合金的基本组织
总结：
上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和 渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本 相; 珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成 的多相组织。
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图是表示在平衡(缓慢冷却或缓慢加热)
条件下，不同成分的铁碳合金的组织或状态随温度 变化的图形。 功能作用：1、它是研究铁碳合金成分、组织和性 能变化规律的基本工具； 2、是合理选用钢铁材料、制定热加工工艺(热 处理、锻造、铸造)的依据。

特点：它仍保持α-Fe 的体心立方晶格，其原子排列如图3-1所示。 在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒，其显微组织如图3 2所示。
图3-1铁素体原子排列示意图
图3-2铁素体的显微组织
第一节 铁碳台金的基本组织
2.奥氏体（用符号A表示）
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。 特点：由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能 力比铁素体强。奥氏体原子排列如图3 -3所示。 奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温 进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体是一种高温组织，冷却至一定 温度时将发生组织转变;奥氏体没有磁性。其显微组织如图3-4所示。
上一页 下一页
返回
4.珠光体（用符号P表示）
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。
特点：1、在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为0. 77%； 2、组织形态为渗碳体与铁素体呈片层相间、交替排列 的混合物，如图3-5所示； 3、其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上 是两者性能的平均值。
图3-5珠光体组织
第二节 铁碳台金相图
4.含碳量对钢组织和性能的影响
对钢的结晶过程分析可知，不同类型的钢其室 温组织是不同的，并且在同一类的钢中，随着含碳 量的增加，其组织之间的相对量也随之发生变化， 因而造成钢组织和性能的差异。
上一页 下一页
返回
第二节 铁碳台金相图
如图3-13所示，随着含碳量的增加，在亚共析钢中，铁素体的量逐渐减 少，珠光体数量逐渐增多;到共析钢时，其组织全部是珠光体;对含碳量 超过0. 77%的过共析钢，则珠光体数量逐渐减少，而渗碳体量逐渐增多。 由于钢的组织随含碳量而变化，这必然引起钢性能的变化。钢的力学性 能与其含碳量的关系如图3-14所示。
上一页 下一页
返回
第二节 铁碳合金相图
3.过共析钢
图3-11所示为过共析钢的显微组织(图3-11中黑色为
层片状的珠光体，白色为网状的二次渗碳体)。
图3-11含碳量为1. 2%过 共析钢的显微组织
上一页 下一页
返回
第二节 铁碳台金相图
过共析钢结晶组织转变
过程如图3-12所示。
图3-12过共析钢结晶过程组织转变示意图

下一页
返回
第三节 碳素钢
2.硅的影响 钢中的硅也是来自于生铁和脱氧剂，在钢中也是一种有益的元素。其含 量一般在0. 4%以下，硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使 钢的强度、硬度提高，塑性和韧性降低。当硅含量不多、在碳钢中仅作 为少量杂质存在时，对钢的性能影响不显著。 3.硫的影响 硫是由生铁和炼钢燃料带入的杂质元素，在钢中是一种有害的元素。硫 在钢中不溶于铁，而与铁化合形成化合物FeS, FeS与Fe能形成低熔点 共晶体，熔点仅为985℃，且分布在奥氏体的晶界上。

铁碳合金中的铁和碳在液态时可以互相溶 解，在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成 均匀的固相，称为间隙固溶体。 当含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳 和铁会形成金属化合物Fe 3 C。 这些固溶体和化合物在一定条件下还可 以形成混合物。
下一页
返回
第一节 铁碳台金的基本组织
铁碳合金中的基本组织。
1.铁素体（用符号F表示） 碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。
上一页 下一页
返回
第二节 铁碳台金相图
此外，根据铁碳合金相图还可以看出，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔 点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能，所以在生产 上铸铁的成分总是选择在接近共晶的成分。 (2)在锻造工艺上的应用 由Fe-Fe3 C相图可知，钢在高温时可获得单相奥氏体组织，它的强度低、 塑性好，便于塑性变形加工。因此，钢材的轧制或锻造，多选择在奥氏 体单相区中的适当温度范围内进行，其选择原则是开始轧制或锻造的温 度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止轧制或锻造的温度又不能过低， 以免钢材塑性变差，导致裂纹产生。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度 范围，如图3-15所示。
1.共析钢
含碳量为0. 77%的共析钢从 液态冷却到和AC线(液相线) 相交的温度时，开始从液相 中结晶出奥氏体。 随着温度的降低，奥氏体不 断增加，而剩余液相逐渐减 少，当冷却到和AE线(固相线) 相交的温度时，结晶终了， 此时合金全部转变为单相奥 氏体组织；

然后继续冷却到S点(727 ℃)时，奥氏体发生共析转变:从奥氏体中 同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。 温度再继续下降，组织不再发生变化，室温下平衡组织为珠光体。