11材料科學(xué)基礎(chǔ)Chapter8鐵碳合金與鐵碳合金相圖28.1鐵碳合金基本組元、基本相8.2Fe-Fe3C相圖分析

8.3碳鋼.ChapterOutline38.1鐵碳合金基本組元、基本相8.1.1鐵碳合金基本組元及特性1．純鐵

42.滲碳體（Cementite）間隙化合物，正交晶系，含碳量為6.69%，其晶胞內(nèi)鐵原子數(shù)與碳原子數(shù)之比為3：1，故通常以Fe3C表示。

8.1.1鐵碳合金基本組元及特性滲碳體的硬度很高（800HBS），但強(qiáng)度很低（σb40MPa），塑性、韌性很差（δ0，ψ0，Ak0）。滲碳體是介穩(wěn)定化合物，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)，它將按下式分解Fe3C3Fe+C，這種分解出來(lái)的單質(zhì)狀態(tài)的碳稱為石墨碳。58.1.2鐵碳合金中的基本相、組織及其性能

1.基本相Lδ：碳在δ—Fe中的間隙固溶體。A(γ)：碳在γ—Fe中的間隙固溶體F(α)：碳在α—Fe中的間隙固溶體Fe3C(K)

62.基本組織及其性能鐵素體（Ferite）

碳溶于體心立方晶格的-Fe所形成的間隙固溶體，用F或表示。性能：強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。奧氏體（Austenite）

碳溶于面心立方晶格的-Fe所形成的間隙固溶體。用A

或表示。性能：強(qiáng)度、硬度不高，但塑性很好。7高溫鐵素體

碳溶于體心立方晶格的-Fe所形成的間隙固溶體稱為高溫體素體或固溶體，常用表示。高溫鐵素體與鐵素體的本質(zhì)相同，兩者的區(qū)別僅在于高溫鐵素體存在的溫度范圍較鐵素體為高。Fe3C

既是鐵碳合金中的組元，又是基本相。根據(jù)其生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。84.珠光體

(Pearite

）鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用P表示。Fe3C片狀分布于F基體上，呈貝殼狀。5.萊氏體

(Ledeburite）奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用Ld表示性能：硬而脆性能：良好的綜合力學(xué)性能（較高強(qiáng)度和一定的塑、韌性）98.2Fe-Fe3C相圖

（Iron-carbonequilibriumdiagram）分析108.2.1Fe-Fe3C相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)點(diǎn)：14個(gè)118.2.1Fe-Fe3C相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線

包晶共晶共析GS：奧氏體與鐵素體之間的轉(zhuǎn)變曲線

。

ES：碳在奧氏體中的溶解度曲線PQ：碳在鐵素體中的溶解度曲線。

12區(qū)：

5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)，1個(gè)三相區(qū)δ＋8.2.1Fe-Fe3C相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)138.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織鐵碳合金分類：工業(yè)純鐵（C%<0.0218%）

碳鋼（0.0218<C%<2.11%）鑄鐵（C%>2.11%）亞共析鋼0.0218~0.77%

共析鋼0.77%

過(guò)共析鋼0.77~2.11%

共晶白口鑄鐵4.3％亞共晶白口鑄鐵2.11~4.30%過(guò)共晶白口鑄鐵4.30～6.69％

14圖8-3七種典型鐵碳合金在相圖上的位置151.工業(yè)純鐵wC＝0.01%室溫組織為F+(Fe3C)III

相組成為

＋Fe3CFe3C（%）=1?99.85%0.03%

8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織16工業(yè)純鐵室溫組織：F或F+（Fe3C）

Ⅲ

F（等軸晶）（Fe3C）III（小片狀）8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織172.共析鋼(Eutectoidsteel)wC

＝0.77%室溫組織：P

相組成為：

和Fe3CFe3C(%)=1?88.5%=11.5%18共析鋼室溫組織193.亞共析鋼(Hypoeutectoidsteel)wC

＝0.4%室溫組織為P+F相組成物為

＋Fe3C

P(%)=1?48.1%51.9%

Fe3C(%)=1?94%6%

8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織20不同碳含量的亞共析鋼室溫平衡組織組織特征：

隨含碳量增加，P量逐漸增加，F(xiàn)量逐漸減少；形態(tài)從塊狀→斷續(xù)網(wǎng)狀。15鋼FP45鋼FP65鋼FP21在顯微分析中常以P與F的面積數(shù)量比來(lái)

估計(jì)亞共析鋼的含碳量。

鋼中含碳量%＝Vp×0.77%＋VF×0.0008%即：C％＝50％×0.8％＝0.40％此鋼含碳量約為0.40％，即40鋼。磨制好的金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織發(fā)現(xiàn)：組織中含有50％P和50％F，例如，一種未知鋼號(hào)的碳鋼(退火態(tài))，利用金相法估算此鋼的碳含量?？珊雎?.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織224.過(guò)共析鋼(Hypereutectoidsteel)wC

＝1.2％室溫平衡組織為P+(Fe3C)II(Fe3C)II(%)=1?92.7%7.3%

Fe3C(%)=1?82.1%17.9%

室溫相組成為＋Fe3C23T12鋼退火組織

PFe3CⅡ（4%硝酸酒精浸蝕）（堿性苦味酸鈉水溶液浸蝕）組織特征：Fe3CⅡ呈網(wǎng)狀分布于層片狀P周圍245.共晶白口鑄鐵

(Eutecticwhitecastiron)

wC4.30%室溫組織：低溫萊氏體Ld′（P+Fe3CⅡ+Fe3C）高溫組織：高溫萊氏體Ld（A+Fe3C）8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織25共晶白口鑄鐵的室溫組織

Ld′266.亞共晶白口鑄鐵

(Hhypoeutcticwhitecastiron)

wC＝3.0%8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織27室溫平衡組織：P+(Fe3C)II+Ld[P+(Fe3C)II+Fe3C]。

室溫相組成物：＋Fe3CFe3C%=1-47.7%=52.3%8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織(Fe3C)

Ⅱ%=1-63.5%-28%=27.635%28亞共晶白口鑄鐵室溫平衡組織Ld′Fe3CⅡAP297.過(guò)共晶白口鑄鐵

(Hypereutecticwhitecastiron)

wC＝5.0%室溫平衡組織Ld′+Fe3C?8.2.2典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及室溫平衡組織30過(guò)共晶白口鑄鐵室溫組織

Ld′Fe3C?31用組織組成物填寫的相圖328.2.3鐵碳合金的碳含量與平衡組織、

力學(xué)性能之間的關(guān)系（一）碳含量對(duì)平衡組織的影響15鋼45鋼65鋼T121.碳含量對(duì)平衡組織的影響33

組織：

F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Ld?→Ld?→Fe3CI+Ld?

Fe3C形態(tài)：Fe3CⅢ（薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀）共析Fe3C（層片狀）Fe3CⅡ（網(wǎng)狀）共晶Fe3C（基體）Fe3CⅠ（粗大片狀）8.2.3鐵碳合金的碳含量與平衡組織、

力學(xué)性能之間的關(guān)系342.碳含量對(duì)機(jī)械性能的影響Wc≤1.0％時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性不斷下降；Wc＞1.0％時(shí)，因出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體而導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度下降，但硬度仍會(huì)增加。工業(yè)上使用的鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般≤1.3～1.4％。8.2.3鐵碳合金的碳含量與平衡組織、

力學(xué)性能之間的關(guān)系358.2.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用1.為選材提供成分依據(jù)低碳鋼（0.10~0.25%C）：建筑結(jié)構(gòu)和容器等中碳鋼（0.25~0.60%C）：如軸等高碳鋼（0.6~1.3%C）：如工具等白口鐵：如拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等362.為制定熱加工工藝提供依據(jù)（1）在鑄造生產(chǎn)方面的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定鐵碳合金的澆注溫度，澆注溫度一般在液相線以上50℃～100℃。共晶成分的鑄鐵凝固區(qū)間最?。榱悖?，流動(dòng)性好，分散縮孔少，可使縮孔集中在冒口內(nèi)，有可能得到致密的鑄件得到較廣泛的應(yīng)用。

8.2.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用37鑄鋼（碳含量一般在wC＝0.15~0.60%之間）鑄鋼的鑄造性能不好。鑄態(tài)時(shí)晶粒粗大，常出現(xiàn)魏氏組織（鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體），使鋼的塑性和韌性顯著下降。另外，內(nèi)應(yīng)力較大。解決辦法：退火或正火應(yīng)用：用于一些形狀復(fù)雜、難以進(jìn)行鍛造或切削加工、而又要求較高強(qiáng)度和塑性的鑄造零件。8.2.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用382.在鍛造生產(chǎn)方面的應(yīng)用

一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下100℃～200℃范圍內(nèi)。一般始鍛溫度為1150℃～1250℃,終鍛溫度為750℃～850℃。

8.2.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用393.在熱處理生產(chǎn)方面的應(yīng)用

退火、正火、淬火的加熱溫度都要參考Fe-Fe3C相圖進(jìn)行選擇，

8.2.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用408.3碳鋼8.3.1鋼中常存雜質(zhì)元素的影響1.錳的影響（有益元素）脫氧、去硫，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。2.硅的影響（有益元素）很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，能脫氧。3.硫的影響（有害元素）引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂(熱脆

)。4.磷的影響（有害元素）很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,低溫韌性差(冷脆

)。418.3.2碳鋼的分類及應(yīng)用