鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織

第九章鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織本章是本課程的重點(diǎn)章

本章目的：

1介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；

2分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程和其成分－組織－性能間關(guān)系。本章重點(diǎn)：（1）重要概念：鐵素體奧氏體珠光體萊氏體共晶滲碳體共析滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點(diǎn)、重要線意義；熟記鐵碳合金中各種相的本質(zhì)與特征；（3）典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對(duì)量的計(jì)算；熟悉各組織特征（4）掌握鐵碳合金的成分－組織－性能之間的關(guān)系

一、鐵碳合金與鐵碳相圖鋼和鑄鐵是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)中最重要的一大類(lèi)金屬材料，是以鐵為基礎(chǔ)的合金。在各種鋼和鑄鐵中均含有碳。在鐵碳二元系中把碳含量小于2.11%的合金稱(chēng)為鋼；碳含量大于2.11%的合金稱(chēng)為鑄鐵。工業(yè)用鋼和鑄鐵中除了含有鐵、碳外，還含有其他元素。為了研究方便，可將鋼和鑄鐵看成鐵碳二元合金。

鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金——應(yīng)用最廣泛的合金（碳鋼、鑄鐵）一、純鐵的晶體結(jié)構(gòu)與性能

1純鐵：室溫下，體心立方點(diǎn)陣，αFe，鐵磁性，力學(xué)性能。(P247)

純鐵冷卻中晶體結(jié)構(gòu)的變化：

1538℃1394℃912℃

L→δ－Fe→γ－Fe→α－Fe

bcc

fcc

bcc

體心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣

——純鐵在冷卻中經(jīng)歷同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變A4A3A2轉(zhuǎn)變(770℃)居里點(diǎn)(順磁性與鐵磁性轉(zhuǎn)變溫度)——具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一鐵的點(diǎn)陣未發(fā)生變化，磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變相變的溫度遲滯純鐵結(jié)晶后的組織相變的溫度遲滯現(xiàn)象在非平衡的加熱和冷卻時(shí)，相變不在A3發(fā)生，加熱時(shí)在A3以上某一溫度發(fā)生，冷卻是在A3以下某一溫度發(fā)生。當(dāng)加熱或冷卻的速度越大，實(shí)際發(fā)生相變的臨界點(diǎn)偏離A3的溫度間隔也愈大。區(qū)分非平衡加熱或冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)與平衡的臨界點(diǎn)(A3),分別用下標(biāo)c，r來(lái)標(biāo)注加熱和冷卻時(shí)實(shí)際發(fā)生相變的臨界點(diǎn)，記作為Ac3和Ar3注意：α-Fe的磁性轉(zhuǎn)變沒(méi)有轉(zhuǎn)變溫度遲滯現(xiàn)象通過(guò)結(jié)晶形成初生的δ鐵晶粒；經(jīng)過(guò)重結(jié)晶（A4相變）后，初生δ的鐵晶粒被改造為γ鐵晶粒；經(jīng)過(guò)又一次重結(jié)晶（A3相變）后得到的室溫α鐵晶粒純鐵結(jié)晶過(guò)程對(duì)應(yīng)組織變化2純鐵的顯微組織單相的α－Fe3工業(yè)純鐵的性能

強(qiáng)度低

硬度低

塑性好

鐵磁性4應(yīng)用：儀器儀表用軟磁鐵芯

1、θ碳化物（Fe3C）是Fe與C的一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物,通常稱(chēng)為滲碳體。磁性轉(zhuǎn)變溫度（居里點(diǎn)）210℃

滲碳體的機(jī)械性能

抗拉強(qiáng)度σb

延伸率δ斷面收縮率ψ

沖擊韌度ak

硬度

30MPa

000800HBFe3C晶胞

滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài),對(duì)鐵碳合金的機(jī)械性能有很大影響.

二、鐵的碳化物

2、χ碳化物（Hagg碳化物）化學(xué)式：Fe2.2C，F(xiàn)e5C2

具有底心單斜點(diǎn)陣，與Mn5C2同型。居里點(diǎn)：247℃3、ε碳化物化學(xué)式：Fe2.4C，F(xiàn)e2~3C或FexC，亞穩(wěn)相密集六角點(diǎn)陣，與Ni3C同型居里點(diǎn)：370℃4、碳化物的穩(wěn)定性高溫：θ碳化物>χ碳化物低溫：θ碳化物<χ碳化物,可轉(zhuǎn)變,臨界溫度在230-350℃之間。

ε碳化物穩(wěn)定性最好備注：χ碳化物，ε碳化物的形成方式P250

三、鐵碳合金中的基本相和基本組織

1基本組元：Fe、C2基本相：液相、滲碳體、χ碳化物、鐵素體和奧氏體（1）鐵素體：包括α鐵素體(α或F)和δ鐵素體。δ相區(qū)：δ相為高溫鐵素體，是碳在δ-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格bcc，在1394℃以上存在，在1495℃時(shí)溶碳量最大，為0.09%.

（結(jié)合鐵碳相圖進(jìn)行分析）

α相區(qū)：α相也稱(chēng)鐵素體，是碳在α-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時(shí)約為0.0008%，在727℃時(shí)溶碳量最大，為0.0218%。

性能:強(qiáng)硬度低、塑韌性好、居里點(diǎn)（770℃）——

與工業(yè)純鐵相同。良好塑韌性→鋼中基體相LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDBC%FeJNFe3C1148℃727℃4.32.110.770.02186.691495℃AL+δ0.00080.530.171538℃912℃H溫度1227

℃（2）奧氏體(γ或A)

γ相區(qū)：是C在面心立方γ-Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格fcc。奧氏體中碳的固溶度較大，在1148℃時(shí)溶碳量最大達(dá)2.11%。

性能:

強(qiáng)硬度較低；塑性較好,變形抗力較低；沖壓、彎曲等加工變形性好；順磁性。

（3）滲碳體(Fe3C)

定義：Fe與C形成的金屬化合物，含

6.69%C，屬于復(fù)雜晶系。符號(hào)：Cm

性能：強(qiáng)度低；硬度高；無(wú)塑性；弱的鐵磁性(<230℃)——硬、脆→鋼中強(qiáng)化相

滲碳體的鑒別

滲碳體硬而脆，硬度為HBW800，（相當(dāng)于HRC72～75）很耐磨；無(wú)延展性，強(qiáng)度很低，塑性、韌性幾乎為零。滲碳體在鋼和鑄鐵中與其它相共存時(shí)，可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。

滲碳體的特點(diǎn)

滲碳體是鋼中主要強(qiáng)化相，它的形態(tài)、大小及分布對(duì)相的性能有很大影響。具有金屬特性，定義為金屬化合物。

滲碳體是一種不穩(wěn)定的相，在一定條件下，能分解而形成石墨狀的自由碳，即

Fe3C→3Fe十C（石墨）

這一分解過(guò)程對(duì)于研究鋼和鑄鐵具有重大意義。

3組織

Fe-C合金成分范圍寬，相的構(gòu)成只有三個(gè)，但是鐵碳合金的性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或以單相或以混合相存在→不同組織（1）鐵素體(F)

（2）奧氏體(A)

（3）滲碳體(Fe3C)

（4）珠光體(P)：F＋Fe3C；共析反應(yīng)產(chǎn)物

（5）萊氏體(Ld)：A＋Fe3C；共晶反應(yīng)產(chǎn)物

（6）變態(tài)萊氏體(Ld′)：P＋Fe3C單相組織兩相組織（又叫低溫萊氏體）Fe―Fe3C相圖分析實(shí)際組元：Fe-Fe3C鐵和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常稱(chēng)其為Fe-Fe3C相圖,此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C.

LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDBC%FeJNFe3C鐵碳相圖中點(diǎn)、線、相區(qū)及其意義1148℃727℃4.32.110.770.02186.691495℃AL+δ0.00080.530.171538℃912℃H溫度1227

℃液相線：ABCD固相線：AHJECF五個(gè)單相區(qū)：ABCD以上液相區(qū)（L）AHNA—δ固溶體區(qū)（δ）NJESGN—奧氏體相區(qū)（γ或A）GPQG—鐵素體相區(qū)（α或A）DFKL—滲碳體相區(qū)（Fe3C）αAC%FeTHFe3CKLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3CCESPQGFD4.32.111148℃727℃0.770.02186.690.0008包晶線HJB

LB+δH

γJ共析線PSKγS

αP+Fe3C共晶線ECFLCγE+Fe3CB

JN1495℃L+δδ

H0.170.53萊氏體珠光體αAC%FeTHFe3CKLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3CCESPQGFD4.32.111148℃727℃0.770.02186.690.0008B

JN1495℃L+δδ

H0.170.53ES:Acm

線，從γ中析出Fe3CGS:A3線，是在冷卻過(guò)程中,由γ析出α的開(kāi)始線PQ:碳在α相的溶解度曲線三條重要特征曲線αAC%FeTHFe3CKLL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CL+Fe3CCESPQGFD4.32.111148℃727℃0.770.02186.690.0008B

JN1495℃L+δδ

H0.170.53J點(diǎn)―包晶點(diǎn)

1495℃0.17%CC點(diǎn)―共晶點(diǎn)

1148℃4.3%CS點(diǎn)―共析點(diǎn)

727℃0.77%E點(diǎn)―γ的最大溶碳量2.11%CP點(diǎn)―α的最大溶碳量0.0218%C727℃

鐵碳合金的平衡結(jié)晶過(guò)程及組織

1鐵碳合金分類(lèi)LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeT

JNHFe3C4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵鋼鑄鐵按照鐵碳相圖，根據(jù)碳含量不同分為三大類(lèi)：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類(lèi)型：（1）工業(yè)純鐵Wc＜0.0218％（2）亞共析鋼Wc=0.0218％～0.77％

（3）共析鋼Wc=0.77％（4）過(guò)共析鋼Wc=0.77％～2.11％（5）亞共晶白口鐵Wc=2.11％～4.3％（6）共晶白口鐵Wc=4.3％

（7）過(guò)共晶白口鐵Wc=4.3％～6.69％LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008工業(yè)純鐵共析鋼過(guò)共析鋼亞共晶白口鐵共晶白口鐵過(guò)共晶白口鐵亞共析鋼LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ0.0008合金①WC=0.01%的工業(yè)純鐵結(jié)晶過(guò)程δ常溫下的組織構(gòu)成：

F+Fe3CⅢ

(P256)12345671.工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程思考：為什么會(huì)有三次滲碳體的析出？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDAC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ合金②：共析鋼（Wc=0.77%）727℃時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

γS(αP＋Fe3C)=P常溫下的組織構(gòu)成：

PBH123不同放大倍數(shù)下P的顯微組織

計(jì)算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對(duì)含量？LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNHA1Fe3C4.32.111148℃727℃0.770.02181495℃L+δ0.0086.69WF=SK/PK=[(6.69－0.77)/(6.69－0.0218)]×100%=88.7%WFe3C=1－88.7%=11.3%LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGKFDABC%FeTJNA1Fe3C鐵碳相圖4.32.111148℃727℃0.770.02186.691495℃L+δ亞共析鋼(0.4%C)常溫下的組織構(gòu)成：

F先共析＋PL→δL＋δ→γγ→αγ→α＋Fe3C12435先共析FP0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計(jì)算WC=0.4%鋼中的組織組成物WF先=[(0.77－0.40)/(0.77－0.0218)]×100%=49.5%WP=1－49.5%=50.5%

——先共析F和P的含量？0.02186.690.77727℃F+Fe3C相區(qū)0.4計(jì)算相組成物WF=[(6.69－0.40)/(6.69－0.0218)]×100%=94.3%WFe3C=1－94.3%=5.7%

——鐵素體和Fe3C的含量？過(guò)共析鋼(1.0%C)L→γγγ1.0→γ0.77+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ相構(gòu)成：F+Fe3C

組織構(gòu)成：Fe3CⅡ+PFe3CⅡP1148727合金⑤共晶白口鐵

1148℃發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變

LC

γE+Fe3C萊氏體——Ld室溫組織：共析反應(yīng)后：變態(tài)萊氏體—Ld′(P+Fe3C)P+Fe3CK合金⑥亞共晶白口鐵組織構(gòu)成：P+Fe3CⅡ

+Ld′2.114.30.7711487276.692.114.30.7711487276.69

合金⑦過(guò)共晶白口鐵組織構(gòu)成：

Fe3CⅠ+Ld′一次滲碳體p255區(qū)別一次滲碳體、二次滲碳體和三次滲碳體（p256）一次滲碳體：過(guò)共晶白口鑄鐵在液態(tài)結(jié)晶時(shí)，從鐵碳合金液相中析出的滲碳體，稱(chēng)為一次滲碳體。一次滲碳體是從液態(tài)中析出的，長(zhǎng)大很少受阻，所以一般比較粗大。

二次滲碳體Fe3CII

鐵碳合金冷卻時(shí)，從奧氏體中析出的滲碳體稱(chēng)為二次滲碳體。二次滲碳體一般沿奧氏體晶界析出，所以一般呈網(wǎng)狀分布。

三次滲碳體

鐵碳合金冷卻時(shí)，從鐵素體中析出的滲碳體稱(chēng)為三次滲碳體。由于鐵素體溶碳量很低，析出三次滲碳體很少，往往可忽略不計(jì)。

一次滲碳體：液相中析出滲碳體：LFe3CⅠ二次滲碳體：奧氏體中析出滲碳體：rFe3CⅡ

三次滲碳體：鐵素體中析出滲碳體：αFe3CⅢ小結(jié)鐵碳合金含碳量增加，室溫下組織組成的變化工業(yè)純鐵：α+Fe3CⅢ

亞共析鋼：α+P共析鋼：P過(guò)共析鋼：Fe3CⅡ+P共晶白口鐵：Ld′亞共晶白口鐵：Fe3CⅡ+P+Ld′過(guò)共晶白口鐵：Fe3C