材料科學(xué)基礎(chǔ)第五章鐵碳合金及相圖

2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－1第五章鐵碳合金及相圖2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－2前言c%2.11wt.%：碳鋼c%2.11wt.%：鑄鐵

2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－3第一節(jié)Fe-Fe3C相圖Fe-C合金的基本相及組織

Fe-Fe3C相圖

基本內(nèi)容：Lessons2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－41.Fe-C合金的基本相及組織1.純Fe（pureiron):①C%0.0218wt.%，Tm=1538℃，有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：

1394℃：-Fe-Fe（A4轉(zhuǎn)變），晶體結(jié)構(gòu)由bccfcc912℃：-Fe-Fe（A3轉(zhuǎn)變），晶體結(jié)構(gòu)由fccbcc②-Fe在770℃恒溫下發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變（A2轉(zhuǎn)變）；2.C在Fe中的間隙固溶體①鐵素體（ferrite）

C在-Fe中的固溶體，bcc晶格，含C量低，C%max=0.0218wt.%

（727℃），常用或F表示；②奧氏體（austenite）

C在-Fe中的固溶體，fcc晶格，C%max=2.11wt.%（1148℃），

常用或A表示2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－51.Fe-C合金的基本相及組織(續(xù))3.滲碳體（Fe3C,cementite）Fe3C：Fe與C的化合物（復(fù)雜間隙相，C%=6.69wt.%）

硬而脆，塑性差，網(wǎng)狀、粒狀、條狀等（由熱處理條件決定）

4.珠光體（pearlite)

共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（共析體)，與Fe3C的機(jī)械混合物，常用P表示，

性能位于與Fe3C之間。5.萊氏體（ledeburite）共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（共晶體），共析線以上溫度為與Fe3C的機(jī)械混

合物——高溫萊氏體（Ld）；共析線以下溫度為P與Fe3C的機(jī)械混

合物——低溫萊氏體（Ld’）。來氏體通常硬而脆，通常呈魚骨狀。

6.石墨（graphite）單質(zhì)的C（100%C），多出現(xiàn)在鑄鐵組織中，強(qiáng)度、硬度、塑性都

很低。2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－62.Fe-Fe3C相圖

1.三條水平線

①包晶轉(zhuǎn)變

1495℃，HJB：L0.53+δ0.090.17

；

②共晶轉(zhuǎn)變即LLd1148℃，ECF：L0.43(2.11

+Fe3C6.69)

③共析轉(zhuǎn)變即

P，727℃，PSK（A1線）：

0.77(0.0218+Fe3C6.69)本節(jié)的主要內(nèi)容是闡述相圖中的幾條重要線。Lessons2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－72.Fe-Fe3C相圖(續(xù))2.三條重要的固態(tài)相變線①GS線（A3線）合金在冷卻過程中，的開始

線，也是加熱時的終了線。②ES線（Acm線）

C在中的固溶線，合金從1148℃

到727℃時，從中析出Fe3CⅡ，

2.110.77+Fe3CⅡ6.69③PQ線C在中的固溶線，合金從1148℃

冷到室溫時，從中析出Fe3CⅢ，

0.0218

0.001+Fe3CⅢ6.692023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－82.Fe-Fe3C相圖(續(xù))3.其它線①A2線（770℃）

的磁性轉(zhuǎn)變線，770℃時為

鐵磁性②A0線（230℃）

Fe3C的磁性轉(zhuǎn)變線，230℃時

Fe3C為鐵磁性2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－92.Fe-Fe3C相圖(續(xù))4.以組織標(biāo)注的Fe-Fe3C相圖

2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－102.Fe-Fe3C相圖(續(xù))5.Fe-C合金的分類及其組織類別合金C%(wt.%)組織舉例純鐵0.0218+Fe3CⅢ

－－鋼亞共析鋼0.0218~0.77+P+Fe3CⅢ

45鋼、20鋼

共析鋼0.77PT8過共析鋼0.77~2.11P+Fe3CⅡ

T10、T12鑄鐵亞共晶白口鐵2.11~4.3高溫：+Ld+Fe3CⅡ

室溫：P+Ld’+Fe3CⅡ

－－共晶白口鐵4.3高溫：Ld室溫：Ld’－－過共晶白口鐵4.3~6.69高溫：Ld+Fe3CⅠ

室溫：Ld’+Fe3CⅠ

－－注：鑄鐵中的C以Fe3C形式存在，其斷口通常呈白亮色，故稱為白口鑄鐵。

2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－11第二節(jié)

碳鋼2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－121.C對Fe-C合金組織和性能的影響1-1.對組織的影響

碳含量對Fe-C合金組織的影響的示意圖如下：Material圖中，F(xiàn)——鐵素體；

P——燭光體；

Ld’——萊氏體；2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－131.C對Fe-C合金組織和性能的影響1-2.對性能的影響

Material含碳量對Fe-C合金力學(xué)性能的影響含碳量對Fe-C合金物理性能的影響2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－142.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響

鋼中所包含的元素大致有：碳、硅、硫、磷、錳等5大元素和其他一些元素。它們對鋼的作用如下：Definition

硅（Si）和錳（Mn）硫（S）——有害元素，產(chǎn)生熱脆磷（P）——有害元素，產(chǎn)生冷脆氮（N）氫（H）——產(chǎn)生氫脆氧（O）2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－152.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響

左圖所示的是Fe-S二元相圖，從圖中可以看出S導(dǎo)致鋼產(chǎn)生熱脆的原因。2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－162.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響

左圖所示的是Fe-P二元相圖，從圖中可以看出P導(dǎo)致鋼產(chǎn)生冷脆的原因。2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－172.雜質(zhì)元素對鋼的組織與性能的影響下面的Fe-N相圖表明，N對鋼的影響：使鋼的強(qiáng)度、硬度上升，但塑性、韌性下降。2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－183.碳鋼的分類和牌號

3-1分類①按質(zhì)量分類（按含S、P量分）②按化學(xué)成分分（按含C量分）③按組織分④按用途分Guidelines2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－193.碳鋼的分類和牌號(續(xù))

3-2牌號

①普通碳鋼

②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用含C量的萬分之幾表示

45鋼：C%=0.45%；20鋼：C%=0.20%

③碳素工具鋼用含C量的千分之幾表示

T8：C%=0.8%（共析鋼）；T10：C%=1.0%；T12：C%=1.2%2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－20第三節(jié)Fe-C（石墨）穩(wěn)定系相圖

2023/3/7IntroductiontoMaterialScience第五章－211.碳在鑄鐵中的兩種形態(tài)

Fe3CCg（石墨）

結(jié)

構(gòu)

復(fù)雜

簡單六方，層片狀

C%（wt.%）

6.69100結(jié)合鍵

金屬鍵為主

共價鍵為主

性

能

硬、脆

強(qiáng)度、硬度和塑性都很低

碳在鑄鐵中存在兩種形態(tài)：滲碳體（Fe3C）和石墨（Cg，單質(zhì)碳）其中Fe3C是亞穩(wěn)相，Cg是穩(wěn)定相。Fe