單元三鐵碳合金和碳鋼鐵碳合金相圖01

典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程02碳鋼03本章內(nèi)容鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解與掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用、各種熱加工工藝的開發(fā)以及工藝廢品原因的分析都有很重要的指導(dǎo)意義。Fe-Fe3C（滲碳體）相圖是一個典型的二元合金相圖。在Fe-Fe3C相圖中包含了二元典型的包晶、共晶、共析反應(yīng)，同時還有一個穩(wěn)定化合物，掌握鐵碳合金相圖的分析方法，對我們學(xué)習(xí)二元合金相圖具有重要的幫助。在鋼鐵材料中，應(yīng)用最廣泛的是碳鋼。這是因為碳鋼冶煉簡便，價格低廉，在一般情況下能滿足使用要求。因此，本單元重點介紹了工業(yè)用碳鋼的分類、編號和性能。項目概述項目目標(biāo)了解碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響；03了解和掌握鐵碳合金相圖的基本特征，會分析鐵碳合金相圖；01掌握典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程；021、了解碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響鋼鐵材料是鐵碳合金系少具有實用價值的部分，是目前人類社會中應(yīng)用最為廣泛的工程材料。普通碳鋼和鑄鐵均屬鐵碳合金范疇，合金鋼和合金鑄鐵實際上有意加入合金元素的鐵碳合金。為了熟悉鋼鐵材料的組織和性能，以便在生產(chǎn)中合理使用，首先必須研究鐵碳合金的相圖。反映鐵碳合金的化學(xué)成分、相、組織與溫度關(guān)系及其變化規(guī)律的相圖已誕生了一百多年，是人類經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐和大量科學(xué)試驗總結(jié)出來的。本單元將較詳細(xì)地介紹鐵碳相圖中只有實用價值的部分的Fe-Fe3C

相圖，并介紹與此相圖相對應(yīng)的、工業(yè)用量頗大的碳素鋼。一、鐵碳合金中的相與基本組織從冷卻曲線上可知，第一個1583℃的平臺是鐵的結(jié)晶溫度，結(jié)晶后是體心立方晶格δ-Fe。當(dāng)溫度降到1394℃出現(xiàn)第二個平臺。這是Fe在固態(tài)下第一次同素異晶轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變成為面心立方的γ-Fe。當(dāng)繼續(xù)冷卻到912℃時出現(xiàn)第三個平臺，這是Fe的第二次同素異晶轉(zhuǎn)變。變成體心立方的β-Fe。當(dāng)溫度降低到912℃以下，鐵的結(jié)構(gòu)不再發(fā)生變化。正因為Fe具有這種同素異晶轉(zhuǎn)變，才使得鋼也存在多種固體相變，為鋼的合金化和熱處理打下了基礎(chǔ)。2.鐵與碳相互作用構(gòu)成的基本相Fe-Fe3C是組成Fe-Fe3C相圖的兩個基本組元。在Fe-Fe3C二元合金系中，由于鐵和碳之間相互作用不同，鐵和碳既可形成固溶體，也可形成金屬化合物。鐵素體、奧氏體和滲碳體是鐵-碳合金的三個基本相。（1）鐵素體。鐵素體是碳在α-Fe中形成的固溶體，常用“F（或α）”表示，是間隙固溶體，α-Fe為溶劑，保持體心立方晶格。由于α-Fe的晶格間隙比碳原子的半徑小得多，因此，溶碳能力極差。在727℃時溶碳量最大，僅為0.02%，室溫時溶碳量為0.0008%。而且，碳原子一般存在于晶格缺陷處。在顯微鏡下觀察，鐵素體如圖3-2所示。圖3-2鐵素體的顯微組織示意圖一、鐵碳合金中的相與基本組織（2）奧氏體。奧氏體是碳在γ-Fe中形成的固溶體，常用“A”表示，奧氏體也是間隙固溶體，因其晶格間隙尺寸較大，故碳在γ-Fe中的溶解度較大，在727℃時，溶碳量為0.77%，隨著溫度的升高溶碳量逐漸增大。在1148℃時溶碳量最大，為2.11%。奧氏體在顯微鏡下的形態(tài)如圖3-3所示。圖3-3奧氏體的顯微組織示意圖一、鐵碳合金中的相與基本組織二、鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的基礎(chǔ)，鐵和碳可形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C和FeC，由于含碳量高于6.69%的鐵碳合金脆性極大，沒有使用價值，因而只研究Fe-Fe3C相圖部分，F(xiàn)e-Fe3C相圖如圖3-4所示。2.Fe-Fe3C相圖中的特性線ABCD線：液相線，ABCD線以上區(qū)域，鐵碳合金處于液態(tài)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc≤4.3%的鐵碳合金在AC線開始結(jié)晶出奧氏體（A）；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc＞4.3%的鐵碳合金在CD線開始結(jié)晶出滲碳體，稱為一次滲碳，常用Fe3CI表示。AHJECF：固相線，固相線以下區(qū)域，鐵碳合金呈固態(tài)。整個相圖主要是由包晶、共晶和共析三個恒溫轉(zhuǎn)變組成的。HJB線。包晶轉(zhuǎn)變線，在這條線上發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變LB

δH

γJ，產(chǎn)物為奧氏體二、鐵碳合金相圖分析2.典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程一、鐵碳合金的分類鐵碳合金按其含碳量及室溫組織可分為三大類：工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵。典型鐵碳合金的成分與室溫組織見表3-2。表3-2典型鐵碳合金的成分與室溫組織種類名稱含碳量/%室溫組織工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵＜0.0218鐵素體和微量三次滲碳體鋼亞共析鋼0.0218~0.77鐵素體和珠光體共析鋼0.77珠光體過共析鋼0.77~2.11珠光體和二次滲碳體白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵2.11~4.3珠光體、二次滲碳體和萊氏體共晶白口鐵4.3萊氏體過共晶白口鐵4.3~6.69一次滲碳體和萊氏體二、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析EC溫度l/℃γLFe3CaGNAFed3S3322223J34H1111B1211232756P544⑥⑤⑦典型鐵碳合金的結(jié)晶過程，如圖3-5所示。①③ ② ④圖3-5wc（%）典型鐵碳合金結(jié)晶過程工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程及其組織轉(zhuǎn)變以含碳量為0.01%的工業(yè)純鐵為例，其結(jié)晶過程如下：1點以上：L。1～2點：發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變結(jié)晶出δ固溶體，即L→δ。2～3點：δ。3～4點：發(fā)生δ固溶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即δ→A。4～5點：A。5～6點：發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，即A→F。6～7點：F。7

點以下：碳在鐵素體中的溶解量達(dá)到飽和，將從鐵素體中析出三次滲碳體，即F→Fe3CIII。工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程如圖3-6所示，其室溫組織（F+Fe3CIII）如圖3-7所示。

。二、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析LAL1以上L3~42~31~2F+Fe3CⅡFe3CⅡ時間→溫度→5~66~77~8FFFA4~5A+FA56F78231

AL+

+A4圖3-6工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程示意圖 圖3-7工業(yè)純鐵的室溫組織二、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析三、碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響1.含碳量對平衡組織的影響根據(jù)杠桿定律計算，可求得含碳量與鐵碳合金緩冷后的組織組成物及相組成物間的定量關(guān)系，如圖3-20所示。圖3-20含碳量對平衡組織的影響含碳量的變化，不僅引起鐵素體和滲碳體相對量的變化，而且引起組織的變化。顯然，這是由于成分的變化，引起不同性質(zhì)的結(jié)晶過程，從而使相發(fā)生變化造成的。四、Fe-Fe3C相圖在工業(yè)中應(yīng)用鐵碳合金相圖反映了鐵碳合金組織隨溫度和成分變化的規(guī)律，利用它可以分析不同成分的鐵碳合金的性能。鐵碳合金相圖在選材和制定熱加工工藝等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在選材方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖總結(jié)了鐵碳合金的平衡組織和性能隨成分變化的規(guī)律，這就便于根據(jù)工件的服役條件和性能要求，來選擇合適的材料。若零件要求塑性、韌性好，如建筑結(jié)構(gòu)和容器等，應(yīng)選用低碳鋼（0.10%～0.25%C）；若零件要求強(qiáng)度、塑性、韌性都較好，如軸等，應(yīng)選用中碳鋼（0.25%～0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，應(yīng)選用高碳鋼（0.6%～1.3%C）。在制定熱加工工藝方面的應(yīng)用（1）鑄造。根據(jù)相圖可以確定碳鋼和鑄鐵的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。根據(jù)相圖上液相線和固相線間距離估計鑄造性能的好壞，距離越小，鑄造性能越好，因此，共晶成分的鑄鐵常用來澆注鑄件，其流動性好，分散縮孔少，顯微偏析少。3.碳鋼通常將含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱為碳鋼。碳鋼具有一定的力學(xué)性能，且工藝性能良好，價格低廉，便于獲得，因而在機(jī)械制造中得到了廣泛的使用。為了在生產(chǎn)上合理選擇，正確使用各種碳鋼，必須簡單地了解我國碳鋼的分類、編號和用途，以及一些常存元素對鋼性能的影響。一、碳鋼的分類碳鋼分類方法很多，比較常用的有三種，即按鋼的含碳量、質(zhì)量和用途分類。按含碳量分類低碳鋼：Wc≤0.25%。中碳鋼：Wc＝0.25～0.6%。高碳鋼：Wc＞0.6%。按質(zhì)量分類（即含有雜質(zhì)元素S、P的多少分類）普通碳素鋼：Ws≤0.055%；WP≤0.045%。優(yōu)質(zhì)碳素鋼：Ws、WP≤0.035%。高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼：Ws≤0.02%；WP≤0.03%。按用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)，一般屬于低、中碳鋼。碳素工具鋼：主要用于制造各種加工工具，如刃具、量具和模具，一般屬于高碳鋼。二、碳鋼的牌號和用途1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母（Q）、屈服點值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）及脫氧方法符號等四個部分按順序組成。其中質(zhì)量等級為A、B、C、D的碳素結(jié)構(gòu)鋼中硫、磷的含量依次降低；脫氧方法符號的含義如下：“F”表示沸騰鋼，“b”為半鎮(zhèn)靜鋼，“Z”表示鎮(zhèn)靜鋼（一般省略不寫），“TZ”表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼一般情況下都不經(jīng)熱處理，而是在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。通常Q195（A1）、Q215（A2）、Q235（A3）含碳量低，有一定強(qiáng)度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等鋼結(jié)構(gòu)，也可制造普通的鉚釘、螺釘、螺母、墊圈、地腳螺栓、軸套、銷軸等。Q255（A4）和Q275（A5）鋼強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好，可進(jìn)行焊接。通常軋制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造連桿、鍵、銷、簡單機(jī)械上的齒輪、軸節(jié)等。2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號以兩位數(shù)字表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)，鋼中含錳較高（WMn=0.

8%～1.2%）時，則在數(shù)字后面加Mn。優(yōu)質(zhì)碳素合金結(jié)構(gòu)鋼的含硫、磷量均限制嚴(yán)格，在0.

04%

以下。非金屬夾雜物也很少。出廠時，既保證化學(xué)成分，又保證力學(xué)性能。因此，塑性和韌性都比碳素結(jié)構(gòu)鋼要好，主要用作機(jī)械零件及彈簧等。當(dāng)然，含碳量不同，不同鋼的用途也不盡相同。為了滿足機(jī)械零件能夠承受動載荷的要求，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼都要經(jīng)過熱處理，以提高其機(jī)械性能。3.碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號一般用符號“T”加上碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍表示。其中符號“T”是碳字的漢語拼音首字母。一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼不加質(zhì)量等級符號，而高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在其數(shù)字后面再加上“A”字母。碳素工具鋼經(jīng)過熱處理（淬火+

低溫回火）后具有更高的硬度和耐磨性，因此，常用于制造各種量具、刃具、模具等。二、碳鋼的牌號和用途三、鋼中常存雜質(zhì)元素對鋼的性能的影響在鋼的冶煉過程中，不可能除盡所有的雜質(zhì)，所以實際使用的碳鋼中，除碳以外，還含有少量的錳、硅、硫、磷這四種元素，它們的存在，會影響鋼的質(zhì)量和性能。錳和硅的影響錳和硅是煉鋼過程中必須加入的脫氧劑，用以去除溶于鋼液中的氧。在碳鋼中含錳量通常＜0.80%，含硅量通常＜0.35%。脫氧劑中的錳和硅總會有一部分溶于鋼液中，冷至室溫后即溶于鐵素體中，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性提高，而塑性、韌性降低。錳除了脫氧作用外，還有除硫作用，即與鋼液中的硫結(jié)合成MnS，從而在相當(dāng)大的程度上消除了硫在鋼中的有害影響。此外，一小部分的錳溶于Fe3C中，形成合金滲碳體，提高了鋼的強(qiáng)度。一部分硅存在于硅酸鹽夾雜中。當(dāng)錳和硅的含量不多時，對鋼的性能影響并不顯著。硫的影響硫是煉鋼時由原材料礦石和燃料帶入的，固態(tài)下，硫在鐵中的溶解度極低，主要以化合物FeS

形式存在。FeS

的塑性極差，使含硫量高的鋼的脆性增大。FeS

會與Fe形成共晶，并分布于奧氏體的晶界上，當(dāng)鋼材在1

000℃～1

200℃壓力加工時，由于FeS-Fe共晶（熔點只有989℃）已經(jīng)熔化，并使晶粒脫開，鋼材將變得極脆，這種脆性現(xiàn)象稱為熱脆。因此，鋼中含硫量必須嚴(yán)格控制，普通鋼含S量應(yīng)≤0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)≤0.040%，高級優(yōu)質(zhì)鋼含硫量應(yīng)≤0.030%。三、鋼中常存雜質(zhì)元素對鋼的性能的影響3.磷的影響

磷是煉鋼時由原材料礦石和燃料帶入的，磷在鐵中具有較大的溶解度，而磷具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，它使鋼的強(qiáng)度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性，稱為冷脆。冷脆對在低溫條件和高