Fe-Fe3C合金相图

第三章铁碳合金及合金钢概述钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称。铁和碳是钢铁材料两个最基本的组元。碳的质量分数0.0218%Wc2.11%称为钢，2.11%Wc6.69%称为铁或铸铁。不特意加入合金元素的钢称为碳素钢（简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢。钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会中最为重要的金属材料。为了熟悉并合理利用钢铁材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的本质及其成分、组织结构与性能之间的关系。§3.1Fe-Fe3C合金相图§3.3合金钢概述§3.2碳钢本章主要内容§3.1Fe-Fe3C合金相图一、铁碳合金相图二、铁—碳合金中的组织及其性能六、铁碳相图的应用五、含碳量与力学性能的关系三、Fe-C合金的分类四、组织组成物与含碳量关系一、铁碳合金相图1.铁碳合金的组元2.铁碳合金中的相3.铁碳合金相图分析Fe2CFeCFe3C6.69%C所研究的Fe-Fe3C相图的位置FeCC%T一、铁碳合金相图1.铁碳合金的组元⑴Fe铁是过渡族元素，熔点为1538℃，密度是7.87g/cm3。⑵Fe3C是一种具有复杂结构的间隙化合物，通常称为渗碳体。含碳量6.69%，硬度很高，强度低，塑性韧性很差。理论熔化温度1227℃。是介稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的石墨C。碳质量分数超过6.69%的铁碳合金脆性很大，没有使用价值,所以有使用意义并被深入研究的只有Fe-Fe3C这一部分。固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。δ－Feα－Feγ－Fe1394℃912℃bccfccbcc固态铁的特性——同素异构转变Wc（%）Feδ2.铁碳合金中的相⑴液相L铁与碳的液溶体。⑵δ相是碳在δ—Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在1394℃以上存在，1495℃时溶碳量为0.09%。⑶α相是碳在α—Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。其中碳的固溶度室温时约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时为0.0218%。其性能特点是强度低、硬度低、塑性好⑷γ相是碳在γ—Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148℃时为2.11%。其性能特点是强度较低，硬度不高，易于塑性变形⑸Fe3C相是一个金属化合物（又称渗碳体），根据其生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。γαγ+Lδ+Lδ+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3Cα+γFe3C6.69L3.铁碳合金平衡状态图分析包晶转变匀晶转变共晶转变共析转变（1）铁碳相图中三种基本的转变FeFe3CGNA在1495℃发生包晶转变1495℃LB+HγJ在1148℃发生共晶转变1148℃LCγE+Fe3C在727℃发生共析转变727℃γSP+Fe3CSKP727℃LBJH1495℃ECF1148℃D1227℃共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。γβα共析转变：γ→α+β转变产物：共析组织Lβα共晶转变：L→α+β转变产物：共晶组织注意：共析转变与共晶转变的区别以相组成物表示的Fe-Fe3C相图（2）铁碳相图中主要的点、线、区含义(P68图4-3)(1)点(见P69)(2)线液相线固相线三条水平线三条特征线(3)区4个单相区1条垂直线7个双相区LL++L+L+Fe3C+Fe3C+Fe3C+以组织组成物表示的Fe-Fe3C相图(P68图4-3)以组织组成物和相组成物表示的Fe-Fe3C相图L+L+Fe3C+Fe3C++L+L+Fe3C二、铁—碳合金中的组织及其性能（P66）（一）奥氏体（A）（二）铁素体（F）（三）珠光体（P）（四）莱氏体（L'd）（五）渗碳体（Fe3CІ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ）相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号γ表示。组织：称为奥氏体，用符号A表示。含碳量：0~2.11%温度范围：727℃~1495℃力学性能：强度、硬度低；塑性好。钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制。奥氏体不锈钢（18－8型不锈钢）PGQSECJNBDFK2.11727℃1495℃（一）奥氏体（A）——C溶于-Fe形成的固溶体相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。组织：称为铁素体，用符号F表示。含碳量：0~0.0218%(727℃)0~0.0008%(室温)温度范围：912℃力学性能：强度、硬度低；塑性好。（二）铁素体（F）——C溶于-Fe形成的固溶体工业纯铁——0.02%C，冷轧提高强度，得到冷轧板。PGQSECJNBDFK912℃0.02180.0008工业纯铁室温组织FF晶界相：+Fe3C两种相组成组织：珠光体，用符号P表示含碳量：0.77%(称为共析钢)温度范围：727℃力学性能：强度、硬度较高；塑性较好。钢丝绳（三）珠光体（P）——和Fe3C形成的机械混合物SP（P+Fe3C）727℃⇌0.77GPQSECJNBDFK+Fe3C共析钢室温组织珠光体（P）P相：+Fe3C两种相。组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号L’d表示。含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁)温度范围：727℃（四）莱氏体（L’d）—P和Fe3C形成的机械混合物LCLd（E+Fe3C）1148℃⇌LdGPQSECJNBDFK+Fe3C1148℃727℃4.3L’d室温组织:L’d(P+Fe3CⅡ+Fe3C）s+Fe3CⅡ727℃+tP727℃-tL'd[(P+Fe3CⅡ)+Fe3C]共晶白口铸铁的室温组织L（五）渗碳体Fe3CⅠLFe3CⅡFe3CⅢFe3C共析片状Fe3C共晶基体1.C%4.3%LLFe3CⅠL+Fe3C即LdFe3CⅡ+Fe3C即P室温组织:Fe3CⅠ+L'd即Fe3CⅠ+[(P+Fe3CⅡ)+Fe3C]t1t2t3有关三种渗碳体的结晶过程的简单分析共晶转变共析转变2.2.11%C%4.3%t1t2t3LL初L共晶+Fe3C即Ld初Fe3CⅡ初+Fe3C即P共晶Fe3CⅡ室温组织：P+Fe3CⅡ+L'd共+Fe3C即P共晶转变共析转变3.0.77%C2.11%t2t3t4t1LLFe3CⅡ+Fe3C即P室温组织:P+Fe3CⅡ共析转变AF4.0.0008C0.0218%t1t2t3Fe3CⅢ室温组织:F+Fe3CⅢ三、铁碳合金的分类（P69）按其含碳量和在相图上的位置可分为:亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁——Wc0.02%——0.0218%Wc0.77%——Wc=0.77%——0.77%Wc2.11%——2.11%Wc4.3%——Wc=4.3%——4.3%Wc6.69%碳钢白口铸铁工业纯铁铁碳合金分类亚共析钢过共析钢过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁共析钢共晶白口铁（一）工业纯铁——Wc0.02%的铁碳合金组织：F或F+Fe3CⅢ，Fe3CⅢ通常沿晶界析出。工业纯铁室温组织性能：σb、HBS↓δ、Ak↑F晶界（二）亚共析钢（0.0218%Wc0.77%）组织：P＋F组织特征：随WC%↑，①P%↑，F%↓；②F形态由块状→断续网状。性能特点：随WC%↑，P%↑，σb、HBS↑，δ、Ak↓15钢FP45钢FP65钢FP钢中含碳量%＝Vp×0.77%＋VF×0.0008%在显微分析中常以P与F的面积数量比来估计亚共析钢的含碳量。即：C％＝50％P×0.8％C＝0.40％此钢含碳量约为0.40％，即40钢。磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：组织中含有50％P和50％F，例如，一种未知钢号的碳钢(退火态)，利用金相法估算此钢的碳含量。可忽略共析钢室温组织（三）共析钢（WC=0.77%）组织：P性能：良好的综合力学性能（具有强度较高和一定的塑、韧性）P组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈贝壳状T12钢退火组织（4%硝酸酒精浸蚀）（四）过共析钢（0.77%WC2.11%）组织：P+Fe3CⅡ性能特点：硬度高，塑、韧性低组织特征：Fe3CⅡ呈网状分布于层片状P周围PFe3CⅡT12钢退火组织（碱性苦味酸钠水溶液浸蚀）Fe3CⅡ（黑网）P（五）亚共晶白口铸铁（2.11%Wc4.3%）组织：P+Fe3CⅡ+L’d（L’d→P+Fe3CⅡ+Fe3C）性能：硬而脆。L’dAFe3CⅡP共晶白口铸铁的室温组织（六）共晶白口铸铁（Wc=4.3%）室温组织：低温莱氏体（L’d→P+Fe3CⅡ+Fe3C）高温组织：高温莱氏体（Ld→A+Fe3C）性能：硬而脆L'd过共晶白口铸铁室温组织（七）过共晶白口铸铁（4.3%Wc6.69%）组织：L’d+Fe3CІ（L’d→P+Fe3CⅡ+Fe3C）性能：硬而脆。L’dFe3CІ四、组织组成物与含碳量关系（P77）工业纯铁Wc0.02F+Fe3CⅢ亚共析钢0.0218Wc0.77F+P共析钢Wc=0.77P过共析钢0.77Wc2.11P+Fe3CⅡ亚共晶白口铸铁2.11Wc4.3P+Fe3CⅡ+L’d共晶白口铸铁Wc=4.3L’d过共晶白口铸铁4.3Wc6.69Fe3CⅠ+L’d类别名称含碳量Wc（%）室温平衡组织15钢45钢65钢T12Wc↑，则Fe3C↑，且其形态由点状→层片状→网状→基体→粗大板片状，而F↓且其形态由大块状→断续网状→层片状。L+ALP+Fe3CⅡ+L'd+AL+Fe3CⅠAF+LF+AF+Fe3CⅢA+Fe3CⅡFe3CⅠ+LdA+Fe3CⅡ+LdFe3CⅠ+L'dP+Fe3CⅡF+PFe3C随着含碳量的变化，铁碳合金的组织变化顺序为：FF＋Fe3CⅢF＋PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ＋Ld'Ld'Ld'＋Fe3CⅠLd'P0100Fe3CⅡFe3CⅠ组织组成物相对质量分数/％F0100Fe3C相组成物相对质量分数/％工业纯铁碳素钢白口铸铁由图可知：Wc≤1.0%时：随钢中Wc↑，则其HB、σb↑，δ、ΨAk↓；为保证工业用钢应具有足够的σb和一定的δ、Ak，故其碳含量一般都不超过Wc1.3%~1.4%。HBAkδΨσb1.0五、含碳量与力学性能的关系（P79）因钢中出现Fe3CⅡ网而导致钢的σb↓，但HB↑当Wc1.0%时：σb↓而HB↑。为什么？1.硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。2.强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc=0.9％时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。3.随碳含量的增大，F量不断减少，合金的塑性、韧性连续下降。工业上广泛使用的钢含碳量≤1.3％～1.4％。硬度≈80×F%+180×P%(HB)对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：或硬度≈80×F%+800×Fe3C%(HB)强度≈230×F%+770×P%(MPa)延伸率(δ)≈50×F%+20×P%(%)六、铁碳相图的应用1.在钢铁材料选用方面的应用●建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。●各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。●纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。2.在铸造工艺方面的应用根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的