第四章 铁碳相图

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1、材料科学基础Fundamentals of Materials Science第四章 Fe-Fe3C相图Fe-Fe3Cphase diagram4.1 铁碳合金的组元及基本相4.2 Fe-Fe3C相图分析 4.3 铁碳合金平衡结晶过程 4.4 含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织 Fe3C Fe2CFeC温度FeC(6.69%C)渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，铁碳相图有两类：液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是06.

2、69 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0100。123456ABCDEFGHNJPMOSKQ15381394115411489107707387272301493LCm L+Cm CmFeFe3C+L4.1 铁碳合金中的组元及基本相 4.1.1 纯铁（iron）1394153810006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe -Fe-Fe力学性能力学性能：b176274MPa 0.298166MPa 3050，7080 HB5080 aK1.52MNm/m2应应 用用：主要应用于电子材料，作为铁芯。碳在-Fe中的间隙

3、固溶体称为铁素体，简称为铁 素 体()；最 大 溶 碳 量 为 727时 的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能 为：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/2、硬度80HB。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，()，最大溶碳量为1495时的0.09。铁素体（Ferrite）n碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148时的wc=2.11；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学 性 能 为：b400MPa、40%50%、170220HB。n奥氏体主要存在于727以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将

4、钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）4.1.2 渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(b)30MPa、伸长率()0、冲击韧度(k)0。珠光体（Pearlite）nFFe3C的一种机械混合物，用符号P表示，其组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好。莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由AFe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗

5、碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。4.2 Fe-Fe3C 相图分析FeTFe3C符 号温 度/（C）/%说 明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶反应生成的渗碳体G9120-Fe向-Fe转变温度（A3）H14950.09碳在-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69共析反应生成的渗碳体M7700纯铁的磁性转变点N13940-Fe向-Fe的转变温度（A4）O7700.5（C）0.5合金的磁性转变温度P7270.02

6、18碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）Q6000.0057600时碳在-Fe中的溶解度液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，和Fe3C七个两相区：L，L，L Fe3C，Fe3C，Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB包晶转变线 ECF共晶转变线 PSK共析转变线1.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB+H AJ14953.共析转变反应式共析转变反应式:AS (FP+Fe3C)P 7272.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC (AE+Fe3C)Ld 11484.2.5 三条重要的特性曲线GS线：A3线冷却过程中奥

7、氏体析出铁素体的开始线。ES线：Acm线C在奥氏体中的溶解度曲线。PQ线C在铁素体中的溶解度曲线。共晶反应析出的Fe3C为一次渗碳体。奥氏体中析出的Fe3C为二次渗碳体。铁素体中析出的Fe3C为三次渗碳体。4.3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织工业纯铁(iron)：C%0.0218%钢(steel)：C%：0.02182.11%，又分为：共析钢(eutectoid steel)：C%：0.77%亚共析钢(hypeutectoid steel)：C%：0.02180.77%过共析钢(hypereutectoid steel)：C%：0.772.11%铸铁(cast iron)：C%：2.116.6

8、9%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutectic cast iron)：C%：4.30%亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron)：C%：2.114.30%过共晶铸铁(hypereutectic cast iron)：C%：4.306.69%4.3.1 工业纯铁(Wc 0.0218%)纯铁组织金相图4.3.2 共析钢(Wc=0.77%)共析钢组织金相图相组成：+Fe3C组织组成：P 共析钢(Wc=0.77%)4.3.3 亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图组织组成：+P亚共析钢(Wc=0.45%)相组成：+Fe3Cn a)含碳量0.20 b)

9、含碳量0.40c)含碳量0.60abc4.3.4 过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图组织组成：Fe3C+P过共析钢(Wc=1.2%)相组成：+Fe3Ca)硝酸酒精浸蚀 b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体 黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体 浅白色为殊光体4.3.5 共晶白口铸铁(Wc=4.3%)共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+PLd共晶白口铸铁(Wc=4.3%)相组成：+Fe3C4.3.6 亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P+Ld？亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)相组成：+Fe3C4.3.7 过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)

10、过共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+Ld过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)相组成：+Fe3C 总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有、Fe3C、P、Fe3C、Fe3C 和Ld。Fe-Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T(A+Fe3C)LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+Fe3C(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析

11、相图共析相图匀晶相图匀晶相图(P+Fe3C)碳含量相组成组织组成工业纯铁0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3C Fe3C+P+Ld共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld4.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响4.4.1 碳对平衡组织的影响00.02180.772.114.350%100%FCmCmC%P室温组织组成相对 量图表0.02180.772.114.3050%100%F

12、CmC%相组成相对量图表4.4.2 碳对力学性能的影响纯铁与珠光体性能对比纯铁b176274MPa0.298166MPa3050，7080 HB5080 珠光体b1000MPa0.2600MPa10，1215 HB241 4.4.3 碳对工艺性能的影响1.切削加工性能2.可锻性钢的可锻性首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低，以免塑性变差。3.铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向。（1）流动性：C量增加，结晶温度间隔增大，流动性应该变差。但是，随C量增加，液

13、相线温度降低。因此，同样浇铸温度下，含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利。铸铁液相线较低，流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。（2）收缩性：两个主要影响因素：化学成分和浇注温度化学成分一定，浇注温度越高，液态收缩越大；浇注温度一定，碳含量增加，体积收缩增大；固态收缩减小。（3）偏析倾向：固液相线的水平距离和垂直距离越大，偏析越严重。铸铁成分越靠近共晶点，偏析越小。炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO。降低钢种脆性，提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为 非金属夹杂物。1.M

14、n的影响4.5 4.5.1 钢中常见杂质元素残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。是钢中的有益元素。钢中Si含量通常小于0.5%，脱氧时进入，形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物。Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。含量不超过1时，不降低钢的塑性和韧性。所以，认为认为Si是钢中的有益元素。是钢中的有益元素。2.Si的影响冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾钢。硅钢中的Si提高

15、铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效。S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeS。FeS与铁形成熔点为989的（FeFeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间。（FeFeS）共晶体的量很少，几乎都是离异共晶。网状FeS对钢的力学性能损害极大。3.S的影响如果钢中存在（FeFeS）共晶体，在加热到11501200之间时，会成为液体。变形过程中会开裂，称这种现象为热脆或红热脆或红脆脆。如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（FeFeOFeS)三相共晶体，其危害更大。可以加Mn防止MnS。所以，S是一种有害元素是一种有害元素

16、。普通质量钢中其含量0.055；优质钢中其含量在0.040以下；高级优质钢则0.030；要求更高时，甚至限制其含量0.020。高硫钢又称高硫合金钢（HS），与传统的纯净钢概念相对应，在传统钢材中，一般钢的含硫量必须低于0.004，优质钢不得高于0.003；而在高硫钢中，含硫量在0.5-11%之间。以含硫3032%的硫铁为主要原料，用电弧炉，加入废钢和所需合金元素，16001650时加入硫铁，最后加入脱氧剂，镇静后出钢。钢中含硫量0.511%，耐磨性提高。可取代钢、铁、铜及其铜合金（各种机器的轴瓦、蜗轮、滑块等）的耐磨制品、延长使用寿命 高硫钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗粘结（咬和）的优良性能

17、，它可以广泛应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件，高硫合金钢取代低硫合金钢，并具有长的使用寿命。4.P的影响 由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大，因此P在Fe中具有很强的偏析倾向。在铁基合金中，P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力，但在P含量较高时，它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。P会降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度，提高钢的冷脆。P还会使钢发生蓝脆现象。蓝脆就是指钢在加热到150300时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象。这是因为在空气中加热到150300时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。蓝脆一般是有害的。因此，在含量较高时，在含量较高时，P是一种有

18、害元素是一种有害元素。一般情况下，普通钢的P含量限制在0.045以下；优质钢在0.04以下；高级优质钢在0.035以下。高P钢也可被利用：1）在炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片，杀伤更多的敌人；2）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的表面光洁度；3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性。2024/5/2/22:53:34高强深冲钢及P的作用 随着汽车工业的快速发展和节约能源、减轻汽车自重的需要，高强度深冲钢成为研发热点。目前日本开发的含P深冲钢：屈服强度：235MPa 抗拉强度：390MPa平炉钢：0.0010.008纯氧顶吹转炉钢：0.0030.00

19、6电炉钢：0.0080.03。5.N的影响 将含N较高的钢从高温快速冷却（淬火），就会得到N的过饱和固溶体，室温下长期放置或稍微加热，N就会以FeN的形式析出，使钢的强度、硬度增高，塑性、韧性降低。这种现象叫做淬火时效淬火时效。可以加入足量的Al，与N形成AlN，固定N，从而减弱或消除时效现象。AlN还可以细化晶粒。含有N的低碳钢在冷塑性变形后，性能将随时间变化，即强度、硬度增高，塑性、韧性降低。这种现象叫做应变时效应变时效。H溶入钢中使钢的塑性和韧性降低氢脆。H由原子态变为分子态，体积膨胀形成裂纹白点。6.H的影响白点对钢的性能影响：使钢的力学性能大大下降，造成工件开裂、破坏或使用中严重失效

20、，故在任何情况下，凡有白点的钢材或工件都被禁止使用。平炉钢：0.020.03电炉钢：0.010.02侧吹碱性转炉钢：0.040.07。700时，铁能溶氧0.008500 以下降至0.001。常见的氧化物有Al2O3、MnO、SiO2、FeO等，往往还会形成复合氧化物或硅酸盐。7.O的影响 SpectrumO(at%)Mg(at%)Al(at%)Ca(at%)Fe(at%)TotalSpectrum 165.461.8522.363.996.34100.00Spectrum 264.6427.356.641.36100.004.5.2 钢锭的组织及其宏观缺陷按浇注前钢液的脱氧程度钢锭分为：镇静钢

21、：钢液浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，浇注时钢液不发生碳-氧反应，处于镇静状态。沸腾钢：冶炼过程中仅用少量锰铁轻度脱氧，钢液含氧量高，浇注时发生碳-氧反应，析出大量CO气体，引起钢液沸腾。半镇静钢：介于镇静钢与沸腾钢之间。镇静钢 半沸腾钢 沸腾钢通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢。1.镇静钢镇静钢锭上部硫磷杂质较多，而下部的硅酸盐夹杂较多，中间部分质量最好。常见缺陷：缩孔和疏松、气泡、偏析。与合金凝固过程中的缺陷及形成原

22、因相同。外壳层凝固速率很大，成分和钢的平均成分相同。在柱状晶形成和成长期间，杂质和合金元素富集在柱状晶间的隧道中。同时在钢锭中液相发生扩散以及钢液的循环流动，把柱状晶前沿富集杂质和合金元素的钢液带到锭子的心部，形成正偏析。在中心等轴晶形成期间，发生游离晶体下沉，游离晶体含杂质及合金元素少，它的下沉引起钢锭下部的负偏析。锭子的上部最后凝固，浓集了杂质和溶质，发生正偏析。钢锭心部大小不同枝晶的沉积，沉积层发生凝固收缩时，枝晶的沉积层妨碍钢液穿过，于是形成形偏析带。中心等轴晶带结晶初期晶体下沉时，被排挤的一部分钢液上升，这部分富集杂质及合金元素的钢液被仍在生长的柱晶带留住，形成了形偏析带。一般皆为低

23、碳钢。它是脱氧不完全的钢，浇注时钢水在锭模中放出大量一氧化碳气体，造成沸腾现象。与镇静钢比较，这种钢的收率大，成本低，表面质量好；但其内部质量不均匀。2.沸腾钢坚壳带：致密细小的等轴晶粒所组成。蜂窝气泡带：分布在柱状晶内的长形气泡，常分布在钢锭下半部。中心坚固带：没有气泡的柱状晶组成的区域。二次气泡带：碳氧反应在柱状晶间的小孔隙处反复发生，呈圆形气泡留在钢锭中。锭心带：粗大等轴晶液态完全混合，成分偏析大，头部硫化物多，尾部氧化物多。连铸坯本章小结铁碳相图碳及元素对碳钢性能的影响平衡凝固过程（纯铁、亚共析碳钢、共析碳钢、过共析碳钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）碳钢中主要的组元与相钢锭组织及宏观缺陷章节要点随碳含量变化，碳钢性能的变化碳钢平衡凝固后的组织和相组成及百分含量铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体、莱氏体钢中的元素：冷脆、热脆、蓝脆、氢脆