第一節(jié)鐵碳合金相圖一、Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖分析分析Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖時.除了要理解其組元和組成相的結構、基本性質外.還要熟悉相圖中各個重要的點、線、相區(qū)及其物理意義.(一)Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖主要特性點Ａ點為純鐵的熔點.Ｄ點為滲碳體的熔點.Ｅ點為在１１４８℃時碳在γ－Ｆｅ中最大溶解度.能溶碳２.１１％.鋼與生鐵即以Ｅ點含碳量為界.凡含碳量小于２.１１％的鐵碳合金.稱為鋼.含碳量大于２.１１％的鐵碳合金.稱為生鐵.下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖Ｃ點為共晶點.這點上的液態(tài)合金將在恒溫下同時結晶出奧氏體和滲碳體所組成的細密的機械混合物(共晶體).Ｐ點為在７２７℃時碳在α－Ｆｅ中最大溶解度.Ｓ點為共析點.這點上的奧氏體將在恒溫下同時析出鐵素體和滲碳體的細密的機械混合物.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖(二)Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖中的特性線ＡＣＤ線為液相線.在此線以上合金處于液體狀態(tài).即液相(Ｌ).含碳小于４.３％的合金冷卻到ＡＣ線溫度時開始結晶出奧氏體(Ａ).含碳大于４.３％的合金冷卻到ＣＤ線溫度時開始結晶出滲碳體.稱為一次滲碳體.用Ｆｅ３ＣＩ表示.ＡＥＣＦ線為固相線.在此線以下.合金完成結晶.全部變?yōu)楣腆w狀態(tài).ＡＥ線是合金完成結晶.全部轉變?yōu)閵W氏體的溫度線.ＥＣＦ線叫共晶線.是一條水平恒溫線.液態(tài)合金冷卻到共晶線溫度(１１４８℃)時.將發(fā)生共晶轉變而生成萊氏體(Ｌｄ).含碳為２.１１％~６.６９％的鐵碳合金結晶時均會發(fā)生共晶轉變.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖ＥＳ線是碳在奧氏體中的溶解度曲線.通常稱為Ａｃｍ線.碳在奧氏體中的最大溶解度是Ｅ點(含碳２.１１％).隨著溫度的降低.碳在奧氏體中的溶解度減小.將由奧氏體中析出二次滲碳體.用Ｆｅ３ＣⅡ表示.ＧＳ線是奧氏體冷卻時開始向鐵素體轉變的溫度線.通常稱為Ａ３線.ＰＳＫ叫共析線.通常稱為Ａ１線.奧氏體冷卻到共析線溫度(７２７℃)時.將發(fā)生共析轉變?yōu)橹楣怏w(Ｐ).含碳大于０.０２１８％的鐵碳合金均會發(fā)生共析轉變.ＰＱ線是碳在鐵素體中的溶解度曲線.碳在鐵素體中最大溶量是Ｐ點(含碳０.０２１８％).上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖當溫度下降時.鐵素體中的溶碳量沿ＰＱ線逐漸減少.６００℃時鐵素體中的溶碳量為０.００５７％.從７２７℃冷卻到室溫的過程中.鐵素體內(nèi)多余的碳將以滲碳體的形式析出.稱為三次滲碳體.(三)Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖中的相區(qū)(１)四個單相區(qū):ＡＣＤ線以上區(qū)為液相區(qū)(Ｌ).ＡＥＳＧ區(qū)為奧氏體相區(qū)(Ａ).ＧＰＱ區(qū)為鐵素體相區(qū)(Ｆ).ＤＦＫ垂線為滲碳體相區(qū)(Ｆｅ３Ｃ).(２)五個兩相區(qū):Ｌ＋Ａ區(qū)、Ｌ＋Ｆｅ３ＣⅠ區(qū)、Ａ＋Ｆ區(qū)、Ａ＋Ｆｅ３Ｃ區(qū)和Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ區(qū).(３)兩個三相線:ＥＣＦ為(Ｌ＋Ａ＋Ｆｅ３Ｃ)三相線、ＰＳＫ為(Ａ＋Ｆ＋Ｆｅ３Ｃ)三相線.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖(四)Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖中鐵碳合金的分類Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖中.不同成分的鐵碳合金具有不同的顯微組織和性能.通常.根據(jù)相圖純鐵中Ｐ點和Ｅ點.可將鐵碳合金分為三大類:工業(yè)純鐵、碳鋼和白口鑄鐵.二、典型鐵碳合金的結晶過程分析下面以幾種典型的鐵碳合金為例.分析它們的結晶過程和冷卻過程中發(fā)生的平衡相變的規(guī)律.１.共析鋼圖４－２中的Ⅰ為含碳量０.７７％的鐵碳合金的成分垂線.溫度在１點以上.合金保持均勻液相(Ｌ)狀態(tài).緩冷稍低于１點溫度.開始從液相中結晶出奧氏體(Ａ).上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖隨著溫度的下降.結晶出的奧氏體不斷增加.其含碳量沿著固相線ＡＥ不斷增多(在含碳小于０.７７％的范圍內(nèi)).而剩余的液相數(shù)量不斷減少.其含碳量沿液相線ＡＣ不斷增多(在含碳大于０.７７％的范圍內(nèi)).從液相中結晶出的奧氏體的含碳量不斷增加.越來越接近于Ⅰ合金成分.已結晶出來的固相.由于溫度較高.原子擴散能力較強.使先后結晶出來的固相成分均勻化.同時含碳量趨向于Ⅰ合金成分.當溫度降到略低于２點溫度時.液相結晶結束.全部奧氏體的成分為Ⅰ合金成分.完成了勻晶轉變.從２點到３點溫度范圍內(nèi).鐵碳合金以單相奧氏體緩慢冷卻.其組織狀態(tài)不變.待溫度冷卻到稍低于３點(７２７℃)時.共析成分的奧氏體開始發(fā)生共析轉變:上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖即從含碳量為０.７７％的奧氏體中同時析出含碳量為０.０２％的鐵素體和含碳量為６.８９％的滲碳體.呈片層相間的兩相機械混合物.稱為珠光體組織(Ｐ).其結晶過程組織轉變?nèi)鐖D４－３所示.共析碳鋼在室溫下的顯微組織.全部為珠光體組織.圖４－４是珠光體的顯微組織.珠光體是層片狀組織.在高倍顯微鏡下能清楚地看出相界面.在低倍顯微鏡下便看不清相界面.其中白色基體為鐵素體.滲碳體呈條紋狀.倍數(shù)過低時.珠光體呈黑團狀.珠光體片層方向大致相同的區(qū)域稱珠光體晶團.由此可見.珠光體中滲碳體數(shù)量較鐵素體數(shù)量少得多.珠光體組織實為在鐵素體為基底上分布著窄層片狀的滲碳體.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖三、鐵碳合金的成分—平衡組織—性能之間的關系(一)含碳量與平衡組織間的關系根據(jù)對各種成分的鐵碳合金緩慢冷卻時進行的平衡相變過程的分析.將鐵碳合金室溫平衡組織綜合于表４－３.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖不同種類的鐵碳合金.其室溫組織是不同的.如圖４－１５所示.隨著含碳量的增加.鐵碳合金的室溫平衡組織變化是:根據(jù)鐵碳相圖可知.隨著含碳量的不斷增加.碳存在的形式、形態(tài)也隨之發(fā)生變化.即開始碳以原子狀態(tài).微量溶于α－Ｆｅ體心立方晶格中.形成鐵素體?以后以Ｆｅ３Ｃ的形式存在.分布在鐵素體的晶界上(Ｆｅ３ＣⅢ)與鐵素體形成機械混合物(Ｐ)?分布在奧氏體的晶界上(Ｆｅ３ＣⅡ).室溫下網(wǎng)狀存在?在共晶萊氏體中.滲碳體以基體出現(xiàn)?隨著含碳量的增多.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖在過共晶白口鐵中.以先結晶出的一次滲碳體且呈長條狀存在.這個過程.不僅滲碳體的相對量不斷增加.而且滲碳體的形態(tài)和分布也在變化.由此引起了性能的變化.(二)含碳量與力學性能之間的關系在鐵碳合金中.碳的存在形式、含碳量的多少.對機械性能有直接影響.含碳量很低的純鐵.由單相鐵素體構成.鐵素體在２００℃以下的溶碳能力很小.故塑性好.而強度、硬度較低.亞共析鋼的組織是由鐵素體和珠光體組成的.隨著含碳量的增加.組織中珠光體的數(shù)量相應增加.鋼的強度硬度直線上升.而塑性相應地降低.共析鋼是由片層狀的珠光體組成的.故其有較高的強度和硬度.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖但塑性較低.過共析鋼的組織是由珠光體和二次滲碳體組成的.含碳量的增加使二次滲碳體數(shù)量逐漸增加并形成網(wǎng)狀分布.從而使鋼的脆性增加.特別是白口鐵中滲碳體作為基體或以長條狀分布在萊氏體基體上時.使鐵碳合金的塑性和韌性大大下降.以致合金的強度也隨之降低.由圖可見.當鋼的含碳量小于０.９％時.隨著含碳量的增加.鋼的強度、硬度直線上升.而塑性、韌性不斷下降.當鋼中的含碳量大于０.９％時.雖然由于滲碳體增多而使硬度升高.但由于滲碳體呈網(wǎng)狀沿晶界分布.不僅使鋼的塑性、韌性進一步降低.而且強度也明顯下降.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖為了保證工業(yè)上使用的鋼具有足夠的強度.并具有一定的塑性和韌性.鋼中含碳量一般不超過１.５％.白口鐵中都存在萊氏體組織.具有很高的硬度和脆性.既難以切削加工.也不能鍛造.因此.白口鐵的應用受到一定的限制.但白口鐵具有很高的抗磨損能力.四、鐵碳相圖的應用(一)在選材方面的應用Ｆｅ３Ｃ相圖總結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.例如.若需要塑性好、韌性高的材料.可選用低碳鋼?若需要強度、硬度、塑性等都較好的材料.可選用中碳鋼?上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖若需要硬度高、耐磨性好的材料.可選用高碳鋼?若需要耐磨性能高.不受沖擊的工件所用材料.可選用白口鑄鐵材料.(二)制訂加工工藝方面的應用鐵碳合金相圖總結了不同成分的合金在緩慢加熱和冷卻時組織變化的規(guī)律.這就為制訂熱加工工藝提供了依據(jù).如圖４－１７所示.１.鑄造方面根據(jù)相圖中的液相線.確定不同成分的合金的澆注溫度.為制訂鑄造工藝提供基本數(shù)據(jù).由相圖可見.隨著合金含碳量的增加.合金的熔點越來越低.x上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖由相圖可見.隨著合金含碳量的增加.合金的熔點越來越低.所以.碳鋼鑄造時的熔化溫度與澆注溫度都要比生鐵鑄造時高得多.相圖還表明.共晶成分的鐵碳合金.熔點最低.結晶溫度范圍最小.具有較好的鑄造性能.因此.在鑄造生產(chǎn)中接近共晶成分的鑄鐵得到了廣泛的應用.２.鍛、軋方面奧氏體是面心立方晶格.強度較低.塑性較好.便于塑性變形.因此.鋼材的軋制或鍛造選擇在單相奧氏體區(qū)適當溫度范圍進行.一般鍛軋溫度控制在固相線以下１００℃~２００℃.溫度過高.不僅使材料嚴重氧化.甚至還會發(fā)生晶界熔化.終鍛、終軋溫度因鋼種不同而異.對于亞共析鋼.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖一般控制在奧氏體區(qū)ＧＳ線以上.以免鍛、軋時鐵素體呈帶狀組織.降低鋼的韌性?對于過共析鋼.則選擇在ＥＳ線以下某溫度范圍和ＰＳＫ線以上某溫度范圍.其目的是打碎網(wǎng)狀二次滲碳體.鍛、軋終止溫度不宜太高.否則.再結晶后奧氏體的晶粒粗大.使鋼的性能變壞.通常各種碳鋼的始鍛溫度為１１５０℃~１２５０℃.終鍛溫度為７５０℃~８５０℃.３.焊接方面焊接過程中.焊縫處在金屬熔融狀態(tài).從焊縫到母材的各區(qū)域溫度變化是不同的.把它與相圖上相應溫度區(qū)域對照比較.就可知其組織狀態(tài)和性能情況.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖在隨后的冷卻中.也可能出現(xiàn)不同的組織和性能變化.這就需要在焊接后采用熱處理方法加以改善.鐵碳合金相圖為焊接和焊接后的熱處理工藝提供了依據(jù).４.熱處理方面進行熱處理時.更是離不開Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖.如退火、正火、淬火的加熱溫度都得參考Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖加以選擇.上一頁下一頁返回第一節(jié)鐵碳合金相圖(三)生產(chǎn)實踐中使用Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖應注意的問題(１)Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖中只有鐵和碳兩種元素.生產(chǎn)實踐中使用的鐵碳合金.除含鐵、碳兩元素外.尚有其他多種雜質或合金元素.這些元素對相圖將有所影響.應予以考慮.(２)Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相圖雖然表示了鐵碳合金在不同溫度下的組織狀態(tài).但要特別注意.這種組織是以極緩慢冷卻速度冷卻得到的平衡組織.而實際生產(chǎn)中.冷卻速度不可能如此緩慢.在冷卻速度較大時.合金的臨界點及其冷卻后的組織都將與上述相圖中所表示的不同.上一頁返回第二節(jié)碳鋼一、常存雜質元素對碳鋼性能的影響實際使用的碳鋼并不是單純的鐵碳合金.其中或多或少包含一些雜質元素.常存的雜質元素有Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ四種.現(xiàn)分述如下.(一)硫的影響硫是在冶煉過程中由生鐵及燃料而帶入鋼中的雜質.在固態(tài)下.硫在鐵中的溶解度極小.硫在鋼中以ＦｅＳ的形式存在.而ＦｅＳ和Ｆｅ形成熔點較低(９８５℃)的共晶體.分布在奧氏體的晶界上.冷卻時最晚結晶.加熱時最先熔化.當鋼加熱到１０００℃~１２００℃進行熱加工時.ＦｅＳ共晶體已熔化.并使晶粒脫開.導致鋼材沿晶界開裂.使鋼材變得極脆.這種現(xiàn)象稱為熱脆.下一頁返回第二節(jié)碳鋼

硫對鋼的焊接有不良影響.導致焊縫容易產(chǎn)生熱裂.在焊接過程中硫易于氧化.生成ＳＯ２氣體.使焊縫中產(chǎn)生氣孔和疏松.鑄鋼件含硫高時.也會由于鑄造應力的作用發(fā)生熱裂.因此.為了避免熱脆.必須嚴格控制鋼中的含硫量.增加鋼中的含錳量.可以消除硫的有害作用.因為Ｍｎ與Ｓ的親和力比Ｆｅ和Ｓ的親和力大.Ｍｎ可以取代Ｆｅ而形成ＭｎＳ.ＭｎＳ的熔點(１６２０℃)高.在高溫下又有一定的塑性.且呈粒狀分布在晶粒內(nèi).避免了熱脆現(xiàn)象.在鋼中有較多的ＭｎＳ時.在切削加工中ＭｎＳ能起斷屑的作用.可改善鋼的切削加工性.上一頁下一頁返回第二節(jié)碳鋼

(二)磷的影響磷一般由生鐵帶入鋼中.室溫時磷在α－Ｆｅ中的溶解度大約略小于０.１％.因而在一般情況下.鋼中的磷能全部溶于鐵素體中.能使鋼的強度、硬度增加.但卻使室溫下的鋼的塑性和韌性大大下降.這種脆化現(xiàn)象在低溫時更嚴重.稱為冷脆.磷在合金結晶過程中容易偏析.使局部含磷增多.局部發(fā)生冷脆.磷的冷脆作用.有時可以利用.如把含磷量提高到０.０８％~０.１５％.使鐵素體適當脆化.可以提高鋼材的切削加工性.如.炮彈鋼Ｃ０.６％~０.９％.Ｍｎ０.８％~１.０％中加入較多的磷.使鋼的脆性增大.炮彈爆炸時.碎片增多.可增加殺傷力.上一頁下一頁返回第二節(jié)碳鋼

(三)錳的影響錳由生鐵和脫氧劑帶入鋼中.在碳鋼中一般含錳量在０.２５％~０.８％范圍之內(nèi).錳大部分溶于鐵素體中.形成置換固溶體并使鐵素體強化.錳與硫形成ＭｎＳ以消除硫的有害作用.錳還能增加珠光體的相對量.并細化珠光體.從而提高鋼的強度.錳作為小量雜質存在時.對鋼性能的影響并不顯著.(四)硅的影響硅由生鐵和脫氧劑帶入鋼中.硅在鋼中作為雜質存在時.通常小于０..４％.硅能溶于鐵素體.使鐵素體強化.從而使鋼的強度、硬度、彈性均提高.但塑性、韌性均降低.當硅含量不多.作為少量雜質存在時.對鋼性能的影響亦不顯著.上一頁下一頁返回第二節(jié)碳鋼

二、碳鋼的分類碳鋼的分類方法很多.這里只介紹幾種常用的分類方法.(一)按鋼的含碳量分類(１)低碳鋼:含碳量≤０.２５％的鋼.(２)中碳鋼:含碳量為０.２５％~０.６０％的鋼.(３)高碳鋼:含碳量≥０.６０％的鋼.(二)按鋼的用途分類１.碳素結構鋼這類鋼主要用于制造各類工程構件及各種機器零件.它多屬于低碳鋼和中碳鋼.上一頁下一頁返回第二節(jié)碳鋼

２.碳素工具鋼這類鋼主要用于制造各種刀具、量具和模具.這類鋼含碳量較高.一般屬于高碳鋼.(三)按質量分類按鋼中有害雜質硫、磷含量分為:１.普通鋼鋼中含硫量≤０.０５５％.含磷量≤０.０４５％.或硫、磷含量均≤０.０５０％.２.優(yōu)質鋼鋼中硫、磷含量均應≤０.０４０％.上一頁下一頁返回第二節(jié)碳鋼

３.高級優(yōu)質鋼鋼中含硫、磷雜質最少.含硫量≤０.０３０％.含磷量≤０.０３５％.(四)按冶煉方法分類工業(yè)用鋼可分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼三大類.每一類按照爐襯的材料還可分為堿性和酸性兩大類.根據(jù)煉鋼的脫氧程度.又可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼.上一頁下一頁返回第二節(jié)碳鋼

三、碳鋼的編號、性能和用途(一)碳素結構鋼這類鋼的雜質及非金屬夾雜物要求不高.冶煉容易.工藝