第三章 鐵碳合金相圖

1、純金屬的結晶純金屬的結晶 鐵碳合金相圖對于了解鋼鐵材料平衡狀態(tài)下的組織鐵碳合金相圖對于了解鋼鐵材料平衡狀態(tài)下的組織和性能有重要意義，對于指定鐵碳合金材料的鑄、鍛、和性能有重要意義，對于指定鐵碳合金材料的鑄、鍛、焊及熱處理等工藝有直接指導意義。焊及熱處理等工藝有直接指導意義。3.1 純鐵及鐵碳合金的基本組織純鐵及鐵碳合金的基本組織一、純鐵一、純鐵第第3 3章章 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖 Fe Fe是元素周期表中第是元素周期表中第2626號元素，相對分子質號元素，相對分子質量量5656、熔點、熔點15381538Fe-Fe-Fe液液 相相體心立方體心立方體心立方體心立方面

2、心立方面心立方溫度溫度 時間時間/s室溫室溫返回返回純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線1.1.同素異構體的轉變同素異構體的轉變 金屬在固態(tài)下由于溫度的改金屬在固態(tài)下由于溫度的改變而發(fā)生晶格類型轉變的現象，變而發(fā)生晶格類型轉變的現象，稱為稱為同素異晶轉變同素異晶轉變。 （液體） 1538 ( 體心) 1394 (面心 ) 912 ( 體心) 金屬的同素異構轉變的意義金屬的同素異構轉變的意義 可以用熱處理的方法即可通可以用熱處理的方法即可通過加熱、保溫、冷卻來改變材料過加熱、保溫、冷卻來改變材料的組織，從而達到改善材料性能的組織，從而達到改善材料性能的目的。的目的。 -Fe-Fe、 -Fe-Fe為為體心

3、立方結構體心立方結構(BCC)(BCC)， -Fe-Fe為為面心立方結構面心立方結構(FCC)(FCC)。都是鐵的。都是鐵的同素異構體同素異構體。 -Fe -Fe 純鐵在純鐵在770 770 時發(fā)生磁性轉變，在時發(fā)生磁性轉變，在770 770 以下，呈鐵磁性；以下，呈鐵磁性；在在770 770 以上，的磁性消失，以上，的磁性消失，770 770 稱為居里點，用稱為居里點，用A A2 2表示。表示。 純鐵的純鐵的力學性能特點力學性能特點：強度、硬度低，塑性、：強度、硬度低，塑性、韌性好，一般不用于結構件。在工業(yè)上應用最廣韌性好，一般不用于結構件。在工業(yè)上應用最廣的是鐵碳合金。的是鐵碳合金。1 1

4、、合金、合金 合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。例如碳鋼就是鐵和碳組成的合金例如碳鋼就是鐵和碳組成的合金2 2、組元（元）、組元（元） 組成合金的基本的物質稱為組元。組成合金的基本的物質稱為組元。組元組元1 1組元組元2 2組元組元3 3合合 金金 二、合金的基本概念二、合金的基本概念如：銅和鋅就是黃銅的組元；如：銅和鋅就是黃銅的組元；穩(wěn)定的金屬化合物也可以看作組元穩(wěn)定的金屬化合物也可以看作組元如：鐵碳合金中的如：鐵碳合金中的Fe3C3 3、合金系、合金系 給定組元按不同比

5、例可以配制一系列不同成分的合金，給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構成一個合金系。構成一個合金系。 如：如：Cu-Ni, Fe-FeCu-Ni, Fe-Fe3 3C, Cu-ZnC, Cu-Zn等。等。 4 4、相、相 相相是指在金屬組織中是指在金屬組織中化學成分化學成分、晶體結構晶體結構和和物理性能物理性能相同的組分。相同的組分。 相與相之間具有明顯的界面。相與相之間具有明顯的界面。 液態(tài)物質稱為液態(tài)物質稱為液相液相; ;固態(tài)物質稱為固態(tài)物質稱為固相固相名稱名稱A A金屬金屬B B金屬金屬晶格類型晶格類型bccbccbccbcc熔點熔點高高低低合金合金1 1100%100%0%

6、0%合金合金2 290%90%10%10%合金合金3 380%80%20%20%. .合金合金9 920%20%80%80%合金合金101010%10%90%90%合金合金11110%0%100%100%不同成分以及經過不同加工處理的合金具有不同的性能。不同成分以及經過不同加工處理的合金具有不同的性能。這種現象就是由其不同的相結構和組織引起的。這種現象就是由其不同的相結構和組織引起的。合金中相的晶體結構稱為相結構合金中相的晶體結構稱為相結構 在顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形在顯微鏡下觀察到的具有某種形態(tài)或形貌特征的組成部分總稱為組織。貌特征的組成部分總稱為組織。合金中的各種相是組成合金的基本

7、單元；合金中的各種相是組成合金的基本單元；合金組織是合金中各種相的綜合體。合金組織是合金中各種相的綜合體。不同含碳量的顯微組織不同含碳量的顯微組織 根據構成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合根據構成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相可分為金的相可分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩大類。兩大類。1 1）固溶體）固溶體 固溶體是指合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形固溶體是指合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相。成的均勻相。二二. .合金的相結構合金的相結構固溶體固溶體置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體 溶質原子置換了部分溶劑晶格結點上某些原子而形成溶質原子置

8、換了部分溶劑晶格結點上某些原子而形成的固溶體。的固溶體。 形成置換固形成置換固溶體時，溶質原溶體時，溶質原子在溶劑晶格中子在溶劑晶格中的溶解度主要取的溶解度主要取決于兩者的晶格決于兩者的晶格類型、原子直徑類型、原子直徑及它們在周期表及它們在周期表中的位置。中的位置。 間隙固溶體間隙固溶體 溶質原子分布于溶劑的晶格間隙中所形成的固溶體稱為間隙固溶體，如圖所示。 由于溶劑晶格的間隙有限，所以間隙固溶體只能是有限溶解溶質原子,因此是有限固溶體。例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成所形成的鐵素體、奧氏體。的鐵素體、奧氏體。鐵碳合金都是間隙固溶體。碳的鐵碳合金都是間隙固溶體。碳的溶解度是有限的

9、，屬于有限固溶溶解度是有限的，屬于有限固溶體，碳在鐵中的溶解度主要取決體，碳在鐵中的溶解度主要取決于鐵的晶格類型，并隨溫度的升于鐵的晶格類型，并隨溫度的升高而增加。高而增加。n固溶強化固溶強化形成固溶體時，溶劑的晶格產生不形成固溶體時，溶劑的晶格產生不同程度的畸變，這種畸變使塑性變形阻力增加，同程度的畸變，這種畸變使塑性變形阻力增加，表現為固溶體的強度、硬度增加，這種現象稱為表現為固溶體的強度、硬度增加，這種現象稱為固溶強化。固溶強化。 不管不管溶質原子處于溶劑原子的間隙中溶質原子處于溶劑原子的間隙中或者或者代替了溶劑原代替了溶劑原子子都會使固溶體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，都會使固溶

10、體的晶格發(fā)生畸變，使塑性變形抗力增大，結果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質元結果使金屬材料的強度、硬度增高。這種通過溶入溶質元素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現象，稱素形成固溶體，使金屬材料的強度、硬度升高的現象，稱為為固溶強化固溶強化。 是強化金屬材料的重要途徑是強化金屬材料的重要途徑2 2、金屬化合物、金屬化合物 1 1）金屬化合物金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元，它具有一定的金屬性質。一組元，它具有一定的金屬性質。 例如滲碳體例如滲碳體FeFe

11、3 3C C是金屬化合物，硬度是金屬化合物，硬度極高極高800HBS800HBS，可以劃玻璃，塑性韌性，可以劃玻璃，塑性韌性極低，伸長率和沖擊韌性近于零。極低，伸長率和沖擊韌性近于零。滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解：滲碳體在一定條件下可發(fā)生分解： Fe3C3Fe+C Fe3C3Fe+C石墨石墨2）分類）分類正?；衔镎；衔镫娮踊衔镫娮踊衔镩g隙化合物間隙化合物3）特點）特點溶點高、硬度高、脆性大。溶點高、硬度高、脆性大。FeFe3 3C C的晶體結構的晶體結構 金屬化合物的性能不同于任一組元，其金屬化合物的性能不同于任一組元，其溶溶點一般較高、硬而脆點一般較高、硬而脆。當它呈細小顆粒均勻分

12、布。當它呈細小顆粒均勻分布在固溶體基體上時，將使合金的在固溶體基體上時，將使合金的強度、硬度和耐強度、硬度和耐磨性磨性明顯提高，這一現象稱為明顯提高，這一現象稱為彌散強化彌散強化。金屬化。金屬化合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金合物在合金中常作為強化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。鋼、有色金屬和硬質合金的重要組成相。 絕大多數合金的組織都是固溶體與少量金屬化絕大多數合金的組織都是固溶體與少量金屬化合物組成的混合物，其性質取決于固溶體與金屬化合物組成的混合物，其性質取決于固溶體與金屬化合物的合物的數量、大小、形態(tài)和分布數量、大小、形態(tài)和分布狀況。狀況。 機械混合物

13、是在結晶過程中形成的兩相組織，例如可機械混合物是在結晶過程中形成的兩相組織，例如可以是純金屬、固溶體、或化合物的混合物，各相保持原有以是純金屬、固溶體、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各組成相之間，和各相的形狀、的晶格，混合物的性能介于各組成相之間，和各相的形狀、大小、和分布有關。大小、和分布有關。 鐵碳合金中的機械混合物有鐵碳合金中的機械混合物有珠光體珠光體和和萊氏體。萊氏體。三、鐵碳合金的基本組織三、鐵碳合金的基本組織 機械混合物機械混合物1 1、鐵素體、鐵素體u 鐵素體鐵素體（F或或）定義：碳溶于定義：碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體中所形成的間隙固溶體,它保持體心

14、立方晶格結構。它保持體心立方晶格結構。溶解度（溶解度（0.008% 0.02%），故性質接近純鐵，強度、硬度低，塑性、），故性質接近純鐵，強度、硬度低，塑性、韌性好。韌性好。 晶格結構：晶格結構：bcc 碳的最大溶解度：碳的最大溶解度：0.0218%0.0218%（727727） 性能：性能： RmRm=180=180230MPa R230MPa Rr0.2r0.2=100=100170MPa HBS=50170MPa HBS=508080 A=30% A=30%50% Z=70%50% Z=70%80% a80% ak k=160=160200J/cm 200J/cm 2 22.2.奧氏體（

15、奧氏體（A A） 碳溶于碳溶于 中中形成的間隙固溶體形成的間隙固溶體，保持面心立方晶格，保持面心立方晶格結構。溶解度（結構。溶解度（0.77%0.77% 2.11%2.11%），其強度和硬度略高于鐵），其強度和硬度略高于鐵素體，塑性、韌性較好。素體，塑性、韌性較好。 Fe 晶格結構：晶格結構：fcc 最大溶解度：最大溶解度：2.11%（1148） 性能：性能： Rm400MPa HBS=170220 A=40%50% 高高塑性、無磁塑性、無磁 3、滲碳體（FeFe3 3C C）晶格結構：復雜正交晶格結構：復雜正交性能：性能：b b30MPa HBS=800 0 30MPa HBS=800 0

16、00 硬而脆（耐磨性好）硬而脆（耐磨性好）理論熔點理論熔點1227，碳質量分數，碳質量分數6.69%合金滲碳體：合金滲碳體： （FeFe、MeMe）3 3C CFeFe3 3（ C C、N N）或）或 FeFe3 3（ C C、B B）Fe3C3Fe+G（石墨）（石墨） 定義：定義：Fe 與與 C 所形成的金屬化合物，復雜斜方晶體結構。所形成的金屬化合物，復雜斜方晶體結構。含碳量為含碳量為6.69%，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆，其硬度很高，塑性、韌性幾乎為零，脆性極大，在一定條件下分解為鐵和石墨。性極大，在一定條件下分解為鐵和石墨。 4 4、珠光體（、珠光體（P P）u 定義：定義：F

17、與與 FeFe3 3C C 所形成的機械混合物（平均含碳量：所形成的機械混合物（平均含碳量：0.77%0.77%）。其顯微組織珠光體強度較高，塑性、韌性和硬。其顯微組織珠光體強度較高，塑性、韌性和硬度介于滲碳體和鐵素體之間。度介于滲碳體和鐵素體之間。 性能：性能：Rm750MPa HBS=180 A20%Rm750MPa HBS=180 A20%25% 25% a ak k=30=3040J/cm 40J/cm 2 2 綜合性能綜合性能5 5、萊氏體（、萊氏體（P P）定義：定義：A與與 FeFe3 3C C 所形成的機械混合物（平均含碳量：所形成的機械混合物（平均含碳量：4.3%4.3%）性

18、能：性能：727以上為高溫以上為高溫Ld （A+ Fe 3C）727以下為以下為低溫低溫Ld（ P+ Fe 3C）力學性能與）力學性能與 Fe 3C 相似相似硬而脆硬而脆3.2 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖實際上是鐵碳合金相圖實際上是Fe-Fe3C相圖相圖 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(

19、P+Fe3C ) 相圖上的特性線和點如下：相圖上的特性線和點如下： 2）AECFAECF線（固相線）線（固相線）。當合金冷卻到此線時，金屬液全。當合金冷卻到此線時，金屬液全部結晶為固相，在此線以下區(qū)域為固相。部結晶為固相，在此線以下區(qū)域為固相。 1）ACDACD線（液相線）線（液相線）。當金屬液冷卻到此線時開始結晶，。當金屬液冷卻到此線時開始結晶，在此線以上區(qū)域為液相。在此線以上區(qū)域為液相。3）A A點點。純鐵的熔點（。純鐵的熔點（15381538）。）。4 4）D D點點。滲碳體的熔點（。滲碳體的熔點（12271227 ）。）。 5 5）C C點點。共晶點，溫度。共晶點，溫度11481148

20、0 0C C，成分，成分4.3%C4.3%C。共晶：共晶：指合指合金在一定的條件金在一定的條件( (溫度、成分溫度、成分) )下，由液體合金中同時結下，由液體合金中同時結晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的晶出兩種不同的晶體，而形成一種特殊的共晶體組織的轉變。轉變。即即 6.69%C32.11%C4.3%CC11484.3%CCFeALdL06 6）ECFECF線（共晶線）線（共晶線）。含碳量在。含碳量在2.11%2.11%6.69%6.69%的鐵碳合金，的鐵碳合金，冷卻到此線時（冷卻到此線時（11481148度），將發(fā)生共晶反應，同時結晶出度），將發(fā)生共晶反應，同時結晶出奧氏體和

21、滲碳體的機械混合物萊氏體（奧氏體和滲碳體的機械混合物萊氏體（LdLd）。）。 7 7）ESES線線。是碳在。是碳在 中的溶解度曲線，中的溶解度曲線，E E點表示在點表示在114811480 0C C時碳在時碳在 中的最大溶解度為中的最大溶解度為2.11%2.11%。隨著溫度降。隨著溫度降低，溶解度下降，即含碳量大于低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%0.77%的奧氏體冷卻過程的奧氏體冷卻過程中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為中都將從奧氏體中析出滲碳體（次生滲碳體），常稱為A Acmcm線線FeFe8 8）GSGS線線。 是冷卻過程不同含碳量的奧氏體中析出鐵素體的是冷卻過程不同含

22、碳量的奧氏體中析出鐵素體的轉變線，常稱為轉變線，常稱為A A3 3線。線。1212）S S點。共析點，點。共析點，溫度溫度7277270 0C C，成分，成分0.77%0.77%。共析轉變：共析轉變：指合金在一定條件下，由一種固相轉變成兩個固相的機指合金在一定條件下，由一種固相轉變成兩個固相的機械混合物的過程。械混合物的過程。 即：即： 6.69%C30.02%C0.77%C7270.77%CCFeFPA0 C9）E E點。點。碳在碳在-Fe中的最大溶解度（中的最大溶解度（1148148）。）。1010）F F點。點。滲碳體的成分（滲碳體的成分（11481148 ）。）。 1111）P P點點

23、。碳在。碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度1313）PSKPSK線（共析線）。線（共析線）。 含碳量含碳量0.0218%0.0218%的鐵碳的鐵碳合金，冷卻到此線時（合金，冷卻到此線時（7277270 0C C），將發(fā)生共析反應，），將發(fā)生共析反應，從奧氏體中同時結晶出鐵素體和滲碳體的機械混從奧氏體中同時結晶出鐵素體和滲碳體的機械混合物珠光體（合物珠光體（P P）。）。A A1 1為共析溫度。為共析溫度。 根據含碳量的不同，鐵碳合金可分為根據含碳量的不同，鐵碳合金可分為鋼鋼和和鑄鐵鑄鐵兩兩大類：大類： 第一類第一類 鋼鋼 含碳量小于含碳量小于2.11的鐵碳合金，按室溫組織的鐵碳合金，按室溫

24、組織不同又可分為三類，以不同又可分為三類，以0.77為界：為界： *亞共析鋼亞共析鋼含碳量含碳量0.77 * 共析鋼共析鋼含碳量含碳量0.77 *過共析鋼過共析鋼含碳量含碳量0.77 第二類第二類 鑄鐵鑄鐵 即生鐵即生鐵 含碳量為含碳量為2.116.69的鐵碳合的鐵碳合金，安室溫組織的不同，分為三類：金，安室溫組織的不同，分為三類： *亞共晶鑄鐵亞共晶鑄鐵含碳量含碳量4.3 * 共晶鑄鐵共晶鑄鐵含碳量含碳量4.3 *過共晶鑄鐵過共晶鑄鐵含碳量含碳量4.3第三節(jié)、典型鐵碳合金的結晶過程及其組織第三節(jié)、典型鐵碳合金的結晶過程及其組織 1. 鋼的結晶過程鋼的結晶過程1）共析鋼（）共析鋼（T8鋼鋼，

25、Wc = 0.77% ） 1點以上點以上 L 12 LA 23 A 3點點 AP 3點以下點以下 P共析鋼的結晶過程共析鋼的結晶過程 室溫組織室溫組織: P: P 共析鋼組織金相圖共析鋼組織金相圖亞共析鋼的結晶過程亞共析鋼的結晶過程 1 1點以上點以上 L L 1 12 L2 L 2 23 A+L 3 A+L 3 34 A4 A 45 A+F 45 A+F 5 5點點 APAP 5 5點以下點以下 P+FP+F2）亞共析鋼）亞共析鋼(45鋼，鋼，0.0218%Wc0.77% ） 亞共析鋼組織金相亞共析鋼組織金相圖圖P+Fe3CP+Fe3C（網狀）（網狀）過共析鋼的結晶過程過共析鋼的結晶過程 1

26、點以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4點 AP 4點以下 P+Fe3CII3 3）過共析鋼（）過共析鋼（T10,0.77% WcT10,0.77% Wc 2.11% 2.11% ) ) 過共析鋼組織金相過共析鋼組織金相圖圖返回返回5.5.共晶白口鐵共晶白口鐵 ( Wc = 4.3% )( Wc = 4.3% )室溫組織室溫組織: : （P P + + FeFe3C CII + + （低溫）萊氏體（低溫）萊氏體 Le ）, ,萊氏體萊氏體 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆 共晶白口鐵組織金相共晶白口鐵組織金相圖圖( () )亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 (2.11%(2.

27、11%WcWc % 4.3 % ) % 4.3 % )結晶過程結晶過程室溫組織室溫組織: :Le+ P + FeLe+ P + Fe3C CII 亞共晶白口鐵組織金相圖亞共晶白口鐵組織金相圖( () )過共晶白口鐵過共晶白口鐵 ( (4.3%4.3%WcWc % 6.69 % % 6.69 % ) )結晶過程結晶過程室溫組織室溫組織: :LeLe+ + FeFe3C CI 過共晶白口鐵組織金相圖過共晶白口鐵組織金相圖過共晶白口鐵的室溫組織過共晶白口鐵的室溫組織當碳的質量分數增加地，組織中當碳的質量分數增加地，組織中 數量增加，且數量增加，且 在組織中的形態(tài)也發(fā)生變化。在組織中的形態(tài)也發(fā)生變化。

28、 1.4 1.4 碳的質量分數對鐵碳合金組織、碳的質量分數對鐵碳合金組織、性能的影響和鐵碳合金相圖的應用性能的影響和鐵碳合金相圖的應用一、碳的質量分數對鐵碳合金組織的影響一、碳的質量分數對鐵碳合金組織的影響 由相圖可知，隨著碳的質量分數的增加，鐵碳合金顯由相圖可知，隨著碳的質量分數的增加，鐵碳合金顯微組織發(fā)生如下變化。微組織發(fā)生如下變化。333FPPFe CPFe CLdLdLdFe C3Fe C3Fe C 碳的質量分數不同的鐵碳合金具有不同的組織，因此碳的質量分數不同的鐵碳合金具有不同的組織，因此它們具有不同的性能。它們具有不同的性能。二、碳的質量分數對力學性能的影響二、碳的質量分數對力學性能的影響1、硬度、塑性和韌性、硬度、塑性和韌性 由于硬度對組織形態(tài)不敏由于硬度對組織形態(tài)不敏感，所以鋼中碳的質量分數增感，所以鋼中碳的質量分數增加，高硬度的加，高硬度的 增加，低增加，低硬度的硬度的 減少，故鋼的硬度減少，故鋼的硬度呈直線增加，而塑性、韌性不呈直線增加，而塑性、韌性不斷下降。斷下降。3Fe CF2、強度、強度強度隨碳的