第四章 鐵碳相圖

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)Fundamentals of Materials Science第四章 Fe-Fe3C相圖Fe-Fe3Cphase diagram4.1 鐵碳合金的組元及基本相4.2 Fe-Fe3C相圖分析 4.3 鐵碳合金平衡結(jié)晶過程 4.4 含C量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響 4.5 鋼中的雜質(zhì)元素及鋼錠組織 Fe3CFe2CFeC溫度FeC(6.69%C) 滲碳體是個(gè)亞穩(wěn)定的相，石墨才是穩(wěn)定的相。但石墨的表面能很大，只有在極緩慢冷卻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，鐵碳相圖有兩類： 液體、固溶體和滲碳體之間亞穩(wěn)平衡，是緊靠鐵端部分，其中C含量的范圍是0

2、6.69 液體、固溶體和石墨之間的穩(wěn)定平衡，其中C含量的范圍是0100。 123456ABCDEFGHNJPMOSKQ15381394115411489107707387272301493LCm L+Cm CmFeFe3C+ L4.1 鐵碳合金中的組元及基本相 4.1.1 純鐵（iron）1394153810006008001200溫度時(shí)間16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe力學(xué)性能力學(xué)性能：b176274MPa 0.298166MPa 3050，7080 HB5080 aK1.52MNm/m2應(yīng)應(yīng) 用用：主要應(yīng)用于電子材料，作為鐵芯。

3、碳在-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，簡稱為鐵 素 體 ( ) ； 最 大 溶 碳 量 為 7 2 7 時(shí) 的wc=0.0218%，最小為室溫時(shí)的wc=0.0008%；性能為：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/2 、硬度80HB 。 碳在-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，()，最大溶碳量為1495時(shí)的0.09。鐵素體（Ferrite）n碳在-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體(A)，最高溶碳量為1148時(shí)的wc=2.11；奧氏體具有高塑性、低硬度和強(qiáng)度，其力學(xué)性能為：b400MPa、40%50%、170220HB。n奧氏體主要存在于727以上的高溫范

4、圍內(nèi)，利用這一特性，工程上常將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行塑性成形。奧氏體（Austenite）4.1.2 滲碳體（Cementite）滲碳體是指晶體點(diǎn)陣為復(fù)雜正交點(diǎn)陣，化學(xué)式近似于Fe3C的一種間隙式化合物，用符號Fe3C表示，其含碳量為wc=6.69%，滲碳體具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力學(xué)性能指標(biāo)大致為：硬度800HB、抗拉強(qiáng)度(b)30MPa、伸長率()0、沖擊韌度(k)0。珠光體（Pearlite）nFFe3C的一種機(jī)械混合物，用符號P表示，其組織為層片狀結(jié)構(gòu)，綜合了鐵素體和滲碳體優(yōu)點(diǎn)，其綜合力學(xué)性能好。萊氏體（Ledeburite）萊氏體是由AFe3C組成的一種機(jī)械混合物，

5、用符號Ld表示，其組織結(jié)構(gòu)為滲碳體基體上分布的奧氏體，主要體現(xiàn)了滲碳體特點(diǎn)，硬而脆。4.2 Fe - Fe3C 相圖分析FeTFe3C符 號溫 度/ （C）/%說 明A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶反應(yīng)生成的滲碳體G9120-Fe向-Fe轉(zhuǎn)變溫度（A3）H14950.09碳在-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)K7276.69共析反應(yīng)生成的滲碳體M7700純鐵的磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)N13940-Fe向-Fe的轉(zhuǎn)變溫度（A4）O7700.5（C）0.

6、5合金的磁性轉(zhuǎn)變溫度P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)（A1）Q6000.0057600時(shí)碳在-Fe中的溶解度液相線：ABCD固相線：AHJECF五個(gè)單相區(qū)：L，和Fe3C七個(gè)兩相區(qū)：L ，L ，L Fe3C， ， ， Fe3C， Fe3C兩條磁性轉(zhuǎn)變線：MO（鐵素體的）及過230的虛線（滲碳體的）三條水平相變線：HJB包晶轉(zhuǎn)變線 ECF共晶轉(zhuǎn)變線 PSK共析轉(zhuǎn)變線1.包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LB + H AJ14953.共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:AS ( FP + Fe3C ) P 7272.共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式:LC ( AE + Fe3C

7、 ) Ld 11484.2.5 三條重要的特性曲線GS線：A3線冷卻過程中奧氏體析出鐵素體的開始線。ES線：Acm線C在奧氏體中的溶解度曲線。PQ線C在鐵素體中的溶解度曲線。共晶反應(yīng)析出的Fe3C為一次滲碳體。奧氏體中析出的Fe3C為二次滲碳體。鐵素體中析出的Fe3C為三次滲碳體。4.3 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織工業(yè)純鐵(iron)：C%0.0218%鋼(steel)：C%：0.02182.11%，又分為：共析鋼(eutectoid steel)： C%： 0.77%亞共析鋼(hypeutectoid steel) ： C%： 0.02180.77%過共析鋼(hypereutectoid

8、steel) ： C%： 0.772.11%鑄鐵(cast iron)： C%： 2.116.69%，有較好的鑄造性能、質(zhì)脆，不能鍛造。又分為：共晶鑄鐵(eutectic cast iron)： C%： 4.30%亞共晶鑄鐵(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.114.30%過共晶鑄鐵(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.306.69%4.3.1 工業(yè)純鐵 ( Wc 0.0218% )純鐵組織金相圖4.3.2 共析鋼 ( Wc = 0.77% )共析鋼組織金相圖相組成：+Fe3C組織組成：P%8869. 677. 069. 6%12%8

9、81%CFe3 共析鋼 ( Wc = 0.77% )4.3.3 亞共析鋼 ( Wc = 0.45% ) 亞共析鋼組織金相圖組織組成： +P%6 .4177. 045. 077. 0%4 .58%6 .411%P亞共析鋼 ( Wc = 0.45% )%3 .9369. 645. 069. 6%7 . 6%3 .931%CFe3相組成： +Fe3Cn a)含碳量0.20 b)含碳量0.40c)含碳量0.60abc4.3.4 過共析鋼 ( Wc = 1.2% ) 過共析鋼組織金相圖組織組成： Fe3C+P%26. 777. 069. 677. 02 . 1%CFe3%74.92%26. 71%P過共

10、析鋼 ( Wc = 1.2% )%1 .8269. 62 . 169. 6%9 .17%1 .821%CFe3相組成： +Fe3Ca) 硝酸酒精浸蝕 b) 苦味酸鈉的浸蝕白色網(wǎng)狀相為二次滲碳體 黑色網(wǎng)狀為二次滲碳體暗黑色為珠光體 淺白色為殊光體4.3.5 共晶白口鑄鐵 ( Wc = 4.3% ) 共晶白口鑄鐵組織金相圖組織組成： Fe3C+PLd%5 .1577. 069. 677. 03 . 4%CFe3%5 .84%5 .151%P共晶白口鑄鐵 ( Wc = 4.3% )%7 .3569. 63 . 469. 6%3 .64%7 .351%CFe3相組成： +Fe3C4.3.6 亞共晶白口

11、鑄鐵 ( Wc = 3.0% ) 亞共晶白口鑄鐵組織金相圖組織組成： Fe3C+P+Ld？亞共晶白口鑄鐵 ( Wc = 3.0% )%2 .5569. 60 . 369. 6%8 .44%2 .551%CFe3相組成： +Fe3C4.3.7 過共晶白口鑄鐵 ( Wc = 5.0% ) 過共晶白口鑄鐵組織金相圖組織組成： Fe3C+Ld%3 .293 . 469. 63 . 40 . 5%CFe3%7 .70%3 .291%Ld過共晶白口鑄鐵 ( Wc = 5.0% )%3 .2569. 60 . 569. 6%7 .74%3 .251%CFe3相組成： +Fe3C 總結(jié)：從Fe-Fe3C相圖可

12、知，鐵碳合金室溫下的相組成物都是鐵素體和滲碳體，并且隨含碳量的增加，滲碳量不斷增多。而室溫組織組成物卻有、Fe3C、P、 Fe3C、Fe3C 和Ld。Ld Fe - Fe3C 相圖相圖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共晶相圖共晶相圖共析相圖共析相圖勻晶相圖勻晶相圖( P+Fe3C )碳含量相組成組織組成工業(yè)純鐵0.0218%F+Fe3C

13、F亞共析鋼0.0218-0.77% F+Fe3CF+P共析鋼0.77%F+Fe3CP過共析鋼0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亞共晶鑄鐵2.11-4.30%F+Fe3C Fe3C+P+Ld共晶鑄鐵4.30%F+Fe3CLd過共晶鑄鐵4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld4.4 含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響4.4.1 碳對平衡組織的影響00.02180.772.114.350%100%FCmCmLdC%P室溫組織組成相對 量圖表0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相組成相對量圖表4.4.2 碳對力學(xué)性能的影響純鐵與珠光體性能對比純鐵b176274

14、MPa0.298166MPa3050，7080 HB5080 珠光體b1000MPa0.2600MPa10，1215 HB241 4.4.3 碳對工藝性能的影響1. 切削加工性能2. 可鍛性鋼的可鍛性首先與含碳量有關(guān)。低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加，可鍛性逐漸變差。奧氏體具有良好的可鍛性，易于塑性變形。因此鋼材的始鍛或始軋溫度一般選在單相奧氏體區(qū)。終鍛溫度不能過低，以免塑性變差。3. 鑄造性包括金屬的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向。（1）流動(dòng)性：C量增加，結(jié)晶溫度間隔增大，流動(dòng)性應(yīng)該變差。但是，隨C量增加，液相線溫度降低。因此，同樣澆鑄溫度下，含C量高的鋼過熱度大，對鋼液的流動(dòng)性有利。鑄鐵液相

15、線較低，流動(dòng)性比鋼好。共晶成分鑄鐵流動(dòng)性最好。（2）收縮性：兩個(gè)主要影響因素：化學(xué)成分和澆注溫度化學(xué)成分一定，澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大；澆注溫度一定，碳含量增加，體積收縮增大；固態(tài)收縮減小。（3）偏析傾向：固液相線的水平距離和垂直距離越大，偏析越嚴(yán)重。鑄鐵成分越靠近共晶點(diǎn)，偏析越小。煉鋼脫氧時(shí)，Mn可把FeO還原成鐵，并形成MnO。降低鋼種脆性，提高強(qiáng)度和硬度。Mn還可與鋼液中的S形成MnS（熔點(diǎn)：1600oC），一定程度上消除S的影響。這些反應(yīng)產(chǎn)物大部分進(jìn)入爐渣，小部分殘留在鋼中成為 非金屬夾雜物。1. Mn的影響4.5 4.5.1 鋼中常見雜質(zhì)元素殘余的Mn，凝固后溶于奧氏體或鐵素體中，

16、起固溶強(qiáng)化作用。還可溶于滲碳體，形成合金滲碳體（Fe，Mn）3C。是鋼中的有益元素。鋼中Si含量通常小于0.5%，脫氧時(shí)進(jìn)入，形成SiO2進(jìn)入爐渣或者成為非金屬夾雜物。Si同樣可以溶于奧氏體或鐵素體中，起固溶強(qiáng)化作用。含量不超過1時(shí)，不降低鋼的塑性和韌性。所以，認(rèn)為認(rèn)為Si是鋼中的有益元素。是鋼中的有益元素。2. Si的影響冷鐓件和冷沖壓件的鋼材，因Si對鐵素體的強(qiáng)化作用，使鋼的彈性極限升高，以至在加工過程中造成模具的磨損過大，動(dòng)力消耗過大，因此冷鐓件和冷沖壓件常常采用含Si很低，不脫氧的沸騰鋼。硅鋼中的Si提高鐵的電阻率和最大磁導(dǎo)率，降低矯頑力、鐵芯損耗和磁時(shí)效。S可溶于液態(tài)鐵中，但在固態(tài)鐵

17、中的溶解度極小，并可與鐵形成FeS。FeS與鐵形成熔點(diǎn)為989的（FeFeS）的共晶體，這種共晶體將在鋼液凝固后期凝固，并存在于奧氏體枝晶間。（FeFeS）共晶體的量很少，幾乎都是離異共晶。網(wǎng)狀FeS對鋼的力學(xué)性能損害極大。3. S的影響如果鋼中存在（FeFeS）共晶體，在加熱到11501200之間時(shí)，會成為液體 。變形過程中會開裂，稱這種現(xiàn)象為熱脆或紅熱脆或紅脆脆。如果鋼液脫氧不良，含較多FeO，還會形成熔點(diǎn)更低的（FeFeOFeS)三相共晶體，其危害更大。可以加Mn防止MnS。 所以，S是一種有害元素是一種有害元素。普通質(zhì)量鋼中其含量0.055；優(yōu)質(zhì)鋼中其含量在0.040以下；高級優(yōu)質(zhì)鋼則

18、0.030；要求更高時(shí)，甚至限制其含量0.020。 高硫鋼又稱高硫合金鋼（HS），與傳統(tǒng)的純凈鋼概念相對應(yīng)，在傳統(tǒng)鋼材中，一般鋼的含硫量必須低于0.004，優(yōu)質(zhì)鋼不得高于0.003；而在高硫鋼中，含硫量在0.5-11%之間。 以含硫3032%的硫鐵為主要原料，用電弧爐，加入廢鋼和所需合金元素，16001650時(shí)加入硫鐵，最后加入脫氧劑，鎮(zhèn)靜后出鋼。鋼中含硫量0.511%，耐磨性提高?？扇〈?、鐵、銅及其銅合金（各種機(jī)器的軸瓦、蝸輪、滑塊等）的耐磨制品、延長使用壽命 高硫鋼具有耐高溫、自潤滑、耐磨損、抗粘結(jié)（咬和）的優(yōu)良性能，它可以廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機(jī)械、礦山、油田、港口、汽車、農(nóng)用車、結(jié)構(gòu)件，高

19、硫合金鋼取代低硫合金鋼，并具有長的使用壽命。 4. P的影響 由于Fe-P相圖中液相線和固相線距離很大，因此P在Fe中具有很強(qiáng)的偏析傾向。 在鐵基合金中，P對鐵素體較之其它元素具有更強(qiáng)的固溶強(qiáng)化能力，但在P含量較高時(shí)，它會劇烈地降低鋼的塑性和韌性。 P會降低鋼的沖擊韌性，提高鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度，提高鋼的冷脆。 P還會使鋼發(fā)生藍(lán)脆現(xiàn)象。藍(lán)脆就是指鋼在加熱到150300時(shí)，產(chǎn)生硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诳諝庵屑訜岬?50300時(shí)，由于氧化作用，鋼的表面呈現(xiàn)藍(lán)色。藍(lán)脆一般是有害的。 因此，在含量較高時(shí)，在含量較高時(shí)，P是一種有害元素是一種有害元素。一般情況下，普通鋼的P含量限制在0.0

20、45以下；優(yōu)質(zhì)鋼在0.04以下；高級優(yōu)質(zhì)鋼在0.035以下。高P鋼也可被利用： 1）在炮彈鋼中加入較多的P，可使炮彈在爆炸時(shí)產(chǎn)生更多的彈片，殺傷更多的敵人； 2）在易削鋼中使鐵素體適當(dāng)脆化，提高切削加工零件的表面光潔度； 3）P和Cu一起加入鋼中，可以提高鋼在大氣中的抗蝕性。2022-2-24/4:35:28高強(qiáng)深沖鋼及P的作用 隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和節(jié)約能源、減輕汽車自重的需要，高強(qiáng)度深沖鋼成為研發(fā)熱點(diǎn)。 目前日本開發(fā)的含P深沖鋼： 屈服強(qiáng)度：235MPa 抗拉強(qiáng)度：390MPa平爐鋼：0.0010.008純氧頂吹轉(zhuǎn)爐鋼：0.0030.006電爐鋼：0.0080.03。5. N的影響 將含

21、N較高的鋼從高溫快速冷卻（淬火），就會得到N的過飽和固溶體，室溫下長期放置或稍微加熱，N就會以FeN的形式析出，使鋼的強(qiáng)度、硬度增高，塑性、韌性降低。這種現(xiàn)象叫做淬火時(shí)效淬火時(shí)效?？梢约尤胱懔康腁l，與N形成AlN，固定N，從而減弱或消除時(shí)效現(xiàn)象。AlN還可以細(xì)化晶粒。 含有N的低碳鋼在冷塑性變形后，性能將隨時(shí)間變化，即強(qiáng)度、硬度增高，塑性、韌性降低。這種現(xiàn)象叫做應(yīng)變時(shí)效應(yīng)變時(shí)效。H溶入鋼中使鋼的塑性和韌性降低氫脆。H由原子態(tài)變?yōu)榉肿討B(tài)，體積膨脹形成裂紋白點(diǎn)。6. H的影響白點(diǎn)對鋼的性能影響：使鋼的力學(xué)性能大大下降，造成工件開裂、破壞或使用中嚴(yán)重失效，故在任何情況下，凡有白點(diǎn)的鋼材或工件都被禁

22、止使用。平爐鋼：0.020.03電爐鋼：0.010.02側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐鋼：0.040.07。700時(shí)，鐵能溶氧0.008500 以下降至0.001。常見的氧化物有Al2O3、MnO、SiO2、 FeO等，往往還會形成復(fù)合氧化物或硅酸鹽。7. O的影響 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 鋼錠的組織及其宏觀缺陷按澆注前鋼液的脫氧程度鋼錠分為：鎮(zhèn)靜鋼：鋼液澆注前用錳鐵、硅鐵、鋁進(jìn)行充分脫氧，澆注時(shí)鋼液不發(fā)生碳-氧反應(yīng)，處于鎮(zhèn)靜狀態(tài)。沸騰鋼：冶煉過程中僅用少量錳鐵輕度脫氧，鋼液含氧量高，澆注時(shí)發(fā)生碳-氧反應(yīng)，析出大量CO氣體，引起鋼液沸騰。半鎮(zhèn)靜鋼：介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間。鎮(zhèn)靜鋼 半沸騰鋼 沸騰鋼通常注成上大下小帶保溫帽的錠型，澆注時(shí)鋼液鎮(zhèn)靜不沸騰。由于錠模上部有保溫帽（在鋼液凝固時(shí)作補(bǔ)充鋼液用），這節(jié)帽頭在軋制開坯后需切除，故鋼的收得率低，但組織致密，偏析小，質(zhì)量均勻。優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。