第四章 铁碳合金相图.docx

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第四章铁碳合金相图

第四章铁碳合金相图

第一节

一、纯铁的同素异晶转变δ-Fe→γ-Fe→α-Fe体心面心体心

铁碳合金

铁碳合金的相结构与性能

同素异晶转变——固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。

特点：

是形核与长大的过程（重结晶）将导致体积变化（产生内应力）通过热处理改变其组织、结构→性能二、铁碳合金的基本相

基本相铁素体F奥氏体A渗碳体Fe3C定义碳在α-Fe中的间隙固溶体碳在γ-Fe中的间隙固溶体Fe与C的金属化合物力学性能强度,硬度低，塑性,韧性好硬度低，塑性好硬而脆800HBW,δ↑=αk=0溶碳量最大0.0218%最大2.11%9.69%

第二节铁碳合金相图

一、相图分析两组元：

Fe、Fe3C上半部分图形（二元共晶相图）共晶转变：

1148℃1148℃727℃727℃

L4.3→A2.11+Fe3C→P+Ld′Fe3C莱氏体Ld′

2、下半部分图形（共析相图）两个基本相：

F、Fe3C共析转变：

727℃727℃

A0.77→F0.0218+Fe3C

珠光体P

二、典型合金结晶过程分类：

分类：

三条重要的特性曲线①GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.②ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727C时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300C以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727C冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.

工业纯铁（<0.0218%C）钢（0.0218-2.11%C）——亚共析钢、共析钢（0.77%C）、过共析钢白口铸铁（2.11-6.69%C）——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁

L→L+A→A→P（F+Fe3C）

L→L+A→A→A+F→P+F

L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ

4、共晶白口铸铁L→Ld（A+Fe3C）→Ld（A+Fe3C+Fe3CⅡ）→Ld′（P+Fe3C+Fe3CⅡ）

5、亚共晶白口铸铁L→Ld（A+Fe3C）+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld′+P+Fe3CⅡ

6、过共晶白口铸铁L→Ld（A+Fe3C）+Fe3C→Ld+Fe3C→Ld′+Fe3C→

三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系铁碳合金的成分、1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响

四、铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用2、在铸造、锻造和焊接方面的应用3、在热处理方面的应用

碳钢（非合金钢）第三节碳钢（非合金钢）

碳钢是指ωc≤2.11%，并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。

铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能，且价格低廉，故广泛应用。

一、杂质元素对碳钢性能的影响

1、锰Mn+FeO→MnO+Fe

炉渣

（脱氧）

Mn+S→MnS（去硫）Mn溶入铁素体→固溶强化Mn溶入Fe3C→形成合金渗碳体（Fe,Mn）3C2、硅Si+FeO→SiO2+Fe（脱氧）Si溶入铁素体→固溶强化Si<0.4%，对性能影响不大3、硫

Mn<0.8%，对性能影响不大

钢中S+Fe→FeS。

FeS与Fe形成低熔点的共晶体（985℃）分布在晶界上，当钢在

热加工（1000~1200℃）时，共晶体熔化，导致开裂——热脆热脆消除热脆：

Mn+S→MnS（熔点高1620℃并有一定塑性）硫是一种有害元素4、磷钢中磷全部溶于铁素体，产生强烈固溶强化，低温时更加严重——冷脆冷脆磷是一种有害元素杂质元素SiMnSP来源炼钢时残留炼钢时残留矿石中矿石中作用→固溶强化——有益溶入F→固溶强化有益溶入F→固溶强化→固溶强化——有益有益热脆性——有害有害热脆性冷脆性——有害有害冷脆性

二、碳钢的分类按含碳量分：

低碳钢（0.0218～0.25）、中碳钢（0.25～0.6）高碳钢、（0.6～2.06%）按质量分类：

普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢（S、P含量）按用途分类：

碳素结构钢、碳素工具钢三、碳钢的牌号、性能和应用碳钢的牌号、1、碳素结构钢GB700-88GB700-79应用：

Q195,Q215——塑性高，用于冲压件、铆钉、型钢等；Q235——强度较高，用于轴、拉杆、连杆等；Q255,Q275——强度更高，用于轧辊、主轴、吊钩等。

2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢：

优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）牌号：

08F——冲压件；45——齿轮、连杆、轴类；65Mn——弹簧、弹簧垫圈、轧辊等。

3、碳素工具钢牌号：

T8、T8A——木工工具；T10、T10A——手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模；T12、T12A——锉刀、绞刀、量具。

4、铸钢表示方法：

用力学性能表示ZG200-400（σs≥200Mpa，σb≥400Mpa）用化学成分表示ZG30（0.3%C）用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件，如轧钢机架、缸体、制动Q195,Q215,Q235,Q255,Q275（五大类，20个钢种）A1,A2,A3,A4,A5

Q235-AF表示：

σs≥235Mpa，质量等级为A，沸腾钢。

轮、曲轴等。

.状态图中的特性点Fe-Fe3C相图中各点的温度、浓度及其含义

Fe-Fe3C

相图中各特性点的符号及意义

特性点ABCDEFGHJKNPSQ

温度（温度（C）153814951148122711481148912149514957271394727727600

含碳量（%）含碳量（%）00.534.306.692.116.6900.090.176.6900.02180.770.008

特性点的含义纯铁的熔点包晶转变的液相成分共晶点渗碳体熔点碳在奥氏体中最大溶解度共晶渗碳体成分点α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点（A3）碳在δ-Fe中的最大溶解度包晶成分点共析渗碳体成分点γ-Fe←→δ-Fe同素异够转变点（A4）碳在铁素体中最大溶解度共析点碳在铁素体中溶解度

二.状态图中的特性线

Fe-C合金相图中的特性线

特性线ABCDAHJECFNHJNGSGPPQESHJBECFPSKMO230C水平虚

特性线的含义铁碳合金的液相线铁碳合金的固相线δ固溶体向奥氏体转变开始温度线即碳在δ固溶体中的溶解度线δ固溶体向奥氏体转变终了温度线（A4）奥氏体向铁素体转变开始温度线（A3）奥氏体向铁素体转变终了温度线碳在铁素体中的溶解度线又叫固溶线碳在奥氏体中的溶解度线（Acm）LB+CH←→AJ包晶转变线LC←→AE+Fe3C共晶转变线AS←→FP+Fe3共析转变线（A1）铁素体的磁性转变线（A2）渗碳体的磁性转变线（A.）

线

三.状态图中的相区在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.五个单相区是:

ABCD以上——液相区（L）AHNA——δ固溶体区（δ）α、δNJESGN——奥氏体区（γ或A）

GPQG——铁素体区（α或F）DFKL——渗碳体区（Fe3C或Cm）两相区是:

L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+Fe3C和α+Fe3C.三个三相区是:

HJB线、ECF线和PSK线.1.工业纯铁（含C≤0.0218%）——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.2.钢（含C在0.0218~2.11%）——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:

①亚共析钢（0.0218

是碳在α-Fe中形成的固溶体，常用“δ”或“F”表示。

铁素体在770C以上具有顺磁性，在770C以下时呈铁磁性。

通常把这种磁性转变称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。

碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体，在1495C时其最大溶碳量为0.09%。

2.顺磁性：

就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩，无外磁场时，由于热运动各分子磁矩的取向无规则，宏观上不显示磁性；在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性。

3.铁磁性：

就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性。

4.奥氏体：

是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示。

奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性。

碳在γ-Fe中是有限溶解其最大溶解度为2.11%（1148C）。

5.渗碳体：

是铁与碳的稳定化合物，Fe3C用“C”表示，其含碳量为6.69%。

由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230C以上铁磁性就消失了所以230C是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.渗碳体的熔点为1227C.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C（石墨）6.珠光体：

是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示。

珠光体存在于727C以下至室温。

五.铁碳合金相图的应用

（一）在选材方面的应用若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢（含碳为0.10~0.25%）;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢（含碳为0.25~0.60%）;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢（含碳为0.60~1.3%）.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.

（二）在制定热加工工艺方面的应用铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.六.应用铁碳相图应注意的几个问题1.铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.2.可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.3.相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.

第二部分晶体结构一.金属键1.金属键:

金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键.2.在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.二.晶体结构1.晶体:

凡是原子（或离子、分子）在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.2.晶体结构:

是指晶体中原子（或离子、分子、原子集团）的具体排列情况也就是晶体中这些质点（原子或离子、分子、原子集团）在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.

3.三种典型的金属晶体结构a.体心立方晶格:

晶胞的三个棱边长度相等三个轴间夹角均为90构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外在立方体的中心还有一个原子.b.面心立方晶格:

在晶胞的八个角上各有一个原子构成立方体在立方体6个面的中心各有一个原子.c.密排六方晶格:

在晶胞的12个角上各有一个原子构成六方柱体上底面和下底面的中心各有一个原子晶胞内还有3个原子.三.固溶体1.固溶体:

合金的组元以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体.2.置换固溶体:

是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.3.间隙固溶体:

是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中.4.金属化合物:

是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称为中间相其晶格类型和性能均不同于任一组元一般可以用分子式大致表示其组成.除了固溶体外合金中另一类相是金属化合物.金属的结晶四.金属的结晶1.金属的结晶:

金属由液态转变为固态的过程称为凝固由于凝固后的固态金属通常是晶体所以又将这一转变过程称之为结晶.2.杠杆定律的应用.在合金的结晶过程中合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量就需要应用杠杆定律.对于二元合金（两相共存时）两个平衡相的成分固定不变.五.同素异构转变当外部条件（如温度和压强）改变时金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变.晶体的各向异性六.晶体的各向异性各向异性是晶体的一个重要特性是区别于非晶体的一个重要标志.晶体具有各向异性的原因是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同意味着原子之间的距离不同从而导致原子之间的结合力不同使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.

第三部分元素的影响1.锰和硅的影响锰和硅的影响:

锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的FeO还原成铁并生成MnO和SiO2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中冷至室温后即溶于铁素体中提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响它能提高钢的强度和硬度当含锰量低于0.8%时可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.

碳钢中的含硅量一般小于0.5%它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用显著的提高了钢的强度和硬度但含量较高时将使钢的塑性和韧性下降.2.硫的影响硫的影响:

硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中在固态中几乎不能溶解而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰形成MnS可以避免产生热脆.硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中含硫量通常为0.08%~0.2%同时含锰量为0.50%~1.20%.3.磷的影响磷的影响:

一般来说磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温磷在铁中具有较大的溶解度所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用它使钢的强度、硬度显著提高但剧烈地降低钢的韧性尤其是低温韧性称为冷脆磷的有害影响主要就在于此.4.氮的影响:

一般认为钢中的氮是有害元素但是氮作为钢中合金元素的应用已日益受到重视.氮的影响5.氢的影响氢的影响:

氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的.6.氧及其它非金属夹杂物的影响氧及其它非金属夹杂物的影响:

氧在钢中的溶解度非常小几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性在静载荷和动载荷的作用下往往成为裂纹的起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此对非金属夹杂物应严加控制.

第四部分热处理一.热处理的作用1.热处理:

是将钢在固态下加热到预定的温度保温一定的时间然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺.钢中组织转变的规律是热处理的理论基础称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体.钢在加热和冷却时临界温度的意义如下:

Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度;Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度;Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度;Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度.通常把加热时的临界温度加注下标“C”而把冷却时的临界温度加注下标“r”.

2.珠光体转变——是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变.珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组.由于相变在较高温度下发生铁、碳原子都能进行扩散所以珠光体转变是典型的扩散型相变.无论珠光体、索氏体还是屈氏体都属于珠光体类型的组织.它们的本质是相同的都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物.它们之间的差别只是片层间距的大小不同而已.珠光体的片层间距:

450～150nm形成于A1～650℃温度范围内.索氏体的片层间距:

150～80nm形成于650～600℃温度范围内.屈氏体的片层间距:

80～30nm形成于600～550℃温度范围内.3.马氏体转变——是指钢从奥氏体化状态快速冷却抑制其扩散性分解在较低温度下（低于Ms点）发生的转变.马氏体转变属于低温转变.钢中马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体具有很高的强度和硬度.由于马氏体转变发生在较低温度下此时铁原子和碳原子都不能进行扩散马氏体转变过程中的Fe的晶格改组是通过切变方式完成的因此马氏体转变是典型的非扩散型相变.二.热处理工艺1.退火和正火:

将金属及其合金加热保温和冷却使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或回火.A.低温退火（去应力退火）:

是指钢材及各类合金为消除内应力而施行的退火.加热温度

加热温度>TrTr+150～250℃C.扩散退火:

是指为了改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性而实行的退火.

（1）通过扩散退火可以使在高温下固溶于钢中的有害气体（主要是氢）脱溶析出这时称为脱氢退火.

（2）均匀化退火的任务在于消除枝晶成分偏析改善某些可以溶入固溶体夹杂物（如硫化物）的状态从而使钢的组织与性能趋与均一.扩散退火的加热温度>Ac3Acm在固相线以下高温加热同时也要考虑不使奥氏体晶粒过于长大.碳钢1100～1200℃D.完全退火:

是指将充分奥氏体化的钢缓慢冷却而完成重结晶过程的退火.加热温度Ac3+30～50℃E.等温退火:

是指将奥氏体用较快的速度冷却到临界点以下较高温度范围进行珠光体等温转变的退火.加热温度Ac3～Ac1碳钢及低

2.正火:

是指将碳合金加热到临界点Ac3以上适当温度并保持一定时间然后在空气中冷却的工艺方法.过共析钢正火后可消除网状碳化物而低碳钢正火后将显著改善钢的切削加工性.所有的钢铁材料通过正火均可使锻件过热晶粒细化和消除内应力.正火比退火的冷却速度快正火后的组织比退火后的组织细.3.淬火与回火

（1）.淬火:

是指将钢通过加热、保温和大于临界淬火速度（Vc）的冷却是过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法.

（2）.钢的淬透性:

就是钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的一个属性.（3）.当淬火应力在工件内超过材料的强度极限时在应力集中处将导致开裂.（4）.回火:

本质上是淬火马氏体分解以及碳化物析出、聚集长大的过程.它与淬火不同点是由非平衡态向平衡态（稳定态）的转变.4.化学热处理:

是将工件放在一定的活性介质中加热使非金属或金属元素扩散到工件表层中、改变表面化学成分的热处理工艺.（如:

渗入碳、氮、硼、钒、铌、铬、硅等元素）

第五部分宏观检验一.宏观检验主要可分为低倍组织及缺陷酸蚀检验、断口检验、硫印检验等.二.酸蚀试验在宏观检验领域中酸蚀检验是最常用的检验金属材料缺陷、评定钢铁产品质量的方法.如果一批钢材在酸蚀中显示出不允许存在的缺陷或超过允许程度的缺陷时其它检验可不必进行.1.酸蚀试验:

是用酸蚀方法来显示金属或合金的不均匀性.

（1）热酸浸蚀实验方法

（2）冷酸浸蚀实验方法（3）电解腐蚀实验方法2.酸蚀试验所检验的常见组织和缺陷A:

偏析:

是钢中化学成分不均匀现象的总称.在酸蚀面上偏析若是易蚀物质和气体夹杂物析集的结果将呈现出颜色深暗、形状不规则而略凹陷、底部平坦的斑点;若是抗蚀性较强元素析集的结果则呈颜色浅淡、形状不规则、比较光滑微凸的斑点.根据偏析的位置和形状可分为中心偏析、锭型偏析（或称方框偏析）、点状偏析、白斑和树枝状组织.中心偏析:

出现在试面中心部位形状不规则的深暗色斑点.锭型偏析:

具有原钢锭横截面形状的、集中在一条宽窄不同的闭合带上的深暗色斑点.B.疏松:

这种缺陷是钢凝固过程中由于晶间部分低熔点物最后凝固收缩和放出气体而产生的孔隙.在横向酸蚀面上这种孔隙一般呈不规则多边形、底部尖狭的凹坑这种凹坑多出现在偏析斑点之内.根据疏松分布的情况可分为中心疏松和一般疏松.C.夹