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第三章 铁碳合金,§3-1 铁碳合金的基本相 一、Fe-Fe3C相图的组元,1．Fe组元 δ-Fe(bcc) —— γ-Fe(fcc)——α-Fe(bcc) (同素异构转变) 强度低、硬度低；韧性、塑性好 2．Fe3C （ Cementite， Cm） （在Fe-C相图中表现为位于6.69％C处的竖直线） 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零912℃,1394℃,二、Fe-Fe3C相图中的相,1．液相L 液相L是铁与碳的液溶体 2．δ相 又称高温铁素体，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 3．α相 也称铁素体，用符号F 或α表示，是碳在α—Fe 中的间隙固溶体，呈体心立方晶格 强度、硬度 低；塑性好 （室温：C%=0.0008%, 727 ℃： C%=0.0218%） 4．γ相 常称奥氏体，用符号A或γ表示，是碳在γ—Fe中 的间隙固溶体，呈面心立方晶格奥氏体中碳的 固溶度极大，在1148℃时碳溶量最大达2.11% 奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形 5．Fe3C相 是一个化合物相，渗碳体根据生成条件不同有条 状、网状、片状、粒状等形态，是钢中主要的强 化相，对铁碳合金的力学性能有很大影响。

§3–2 Fe—Fe3C相图的分析,一、重要点与线的分析 1、重要的点 A：纯铁的熔点，t=1538C，C=0 D：Fe3C的熔点，t=1227 C， C=6.69% G：纯铁同素异构转变点，- Fe- Fe t=912 C，C=0 E：C在- Fe中的最大溶解度点，t=1148 C ，C=2.11%，也是钢与白口铁的成分分界点 P： C在- Fe中最大溶解度点，t=727 C， C=0.0218%也是纯铁与钢的成分分界点 C：共晶点，t=1148 C， C=4.3% S：共析点，t=727 C ，C=0.77%,2、重要的线,ACD：液相线 AECF：固相线 ES：碳在奥氏体中的溶解度曲线以Acm表示 凡含C量高于0.77%的铁碳合金自1148 C 冷 到727C时，均会从奥氏体中沿晶界析出网状 Fe3C PQ：碳在铁素体中的溶解度曲线 凡含C量大于零的铁碳合金自727C 冷到室温 时均会从铁素体中析出 Fe3C I ，但是因含量很 少一般不予考虑GS：从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开 始线以A3表示 EFC：共晶线共晶反应发生在含碳为 2.11~ 6.69%的铁碳合金中。

PSK：共析线，以A1表示共析反应发生在含 碳为 0.0218~ 6.69%的铁碳合金中§3 –3 典型合金的结晶过程,1.铁碳合金的分类 根据Fe—Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： 1)工业纯铁[wc ≤0.0218%] 2)钢[0.0218% wc ≤2.11% 3)白口铸铁[2.11% wc 6.69%],,工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状由于其强度低、硬度低,不宜用作结构材料钢的共同特点是高温下都有塑性很好的A体组织，适合于压力加工白口铸铁因为在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压，而共晶成分合金的流动性好，适合于铸造2、典型合金的结晶,Ⅰ工业纯铁 （C%≤0.0218%）,工业纯铁结晶过程示意图,L——L+A——A——A+F——F——F+Fe3CIII 相组成物： Fe3C C%=6.69% F C%0.0008% 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）,1,2,3,4,5,Ⅱ共析钢 C%=0.77%,,珠光体 ( P ) --- Pearite,铁素体和渗碳体组成的机械混合物。

Ⅲ亚共析钢 0.0218%C%0.77%,2、亚共析钢LL+A A A+F P+F,L→L+A → A → A+F → A+P+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F、P P%= F%=,45钢金相,F,P,Ⅳ过共析钢,3、过共析钢LL+A A A+ Fe3C   P+ Fe3C ,含1.4%C钢的组织,钢的共同特点是高温下都有塑性很好的A体组织，适合于压力加工Ⅴ共晶白口铁（C%=4.3%）,二、白口铁的结晶过程与显微组织,1、共晶白口铁L Ld(A+Fe3C)  Ld(A + Fe3C  +Fe3C)  L'd(P + Fe3C  +Fe3C),莱氏体 ( Ld ) --- Ledeburite,奥氏体和渗碳体组成的机械混合物L→L+Ld→Ld(A+Fe3C共晶) →Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII) →Ld’(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：Ld',共晶白口铁 金相,Ⅵ亚共晶白口铸铁 ——2.11%C%4.3%,2、亚共晶白口铁 L L+A A+ Ld  A+ Fe3C  +Ld  P + Fe3C  +L 'd,相组成物： F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物： P，Ld’，Fe3CII,亚共晶白口铸铁金相,Ⅶ 过共晶白口铸铁,3、过共晶白口铁 L  L+ Fe3C  Fe3C  +Ld  Fe3C  +L ' d 因为白口铁在高温时都有脆性的共晶莱氏体，所以不能进行锻压，而共晶成分合金的流动性好，适合于铸造。

相组成物： F%= Fe3C%= 组织组成物：Ld’，Fe3C Fe3C%= Ld’%=Ld%=,过共晶白口铸铁金相,总结：铁碳合金相图,点：符号、成分、温度,莱氏体Le(A+ Fe3C) Le’(P+Fe3C),珠光体P(F+ Fe3C),复相组织组成物：,组织组成物标注,相区标注,线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线,,,,,,,,,,,,,,,S,Q,P,N,J,H,G,E,C,B,A,A+ Fe3C,A+F,L+A,A+ ,L+ ,F,,A,L,,,,,L+ Fe3C,F+ Fe3C,,,,,A+ Fe3CⅡ,A+ Fe3CⅡ+Ld,Ld,Ld+ Fe3CⅠ,Ld’+ Fe3CⅠ,Ld’,P+ Fe3CⅡ+Ld’,P+ Fe3CⅡ,P+F,P,F+ Fe3CⅢ,,,,温度,,K,F,D,C%,,,,,,,,,,杠杆定律的应用,3、铁碳合金的成分-组织-性能关系 1、成分变化： 铁碳合金在室温下的组织皆由F和Fe3C两相组成随碳 含量的增加，F的含量逐渐变少，由100%按直线关系减少到0%，Fe3C的含量则由0%增加到100% 2、组织变化： 铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C,（1）力学性能 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。

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当碳含量超过共析成分之后，由于强度很低的Fe3CⅡ沿晶界出现，合金强度的增加变慢，到约0.9％时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低 塑性合金的塑性变形全部由F提供所以随碳含量的增大，F量不断减少时，合金的塑性连续下降3、性能变化：,⒉ 含碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能 ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降, 但硬度仍上升 ＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le’,合金太脆.,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： 硬度≈80×F%+180×P%(HB) 或硬度≈80×F%+800×Fe3C%(HB) 强度≈230×F%+770×P%(MPa) 延伸率(δ)≈50×F%+20×P%(%),⒊ 含碳量对工艺性能的影响 ① 切削性能: 中碳钢合适 ② 可锻性能: 低碳钢好 ③ 焊接性能: 低碳钢好 ④ 铸造性能: 共晶合金好 ⑤ 热处理性能:,§3–4 Fe-Fe3C相图的应用 1.在钢铁材料选用方面的应用,(1)分析零件的工作条件, 根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。

(2)根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律 , 确定选定材料的工作范围●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浇注温度浇注温度一般在液相线以上50～100℃3.在热缎、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制要求好的塑性、变形抗力，选在单相奥氏体区内进行4.在热处理工艺方面的应用 Fe—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图确定的 在运用Fe—Fe3C相图时应注意以下两点： ①Fe—Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化 ②Fe—Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析了。

碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金§3–4 碳钢及其牌号,一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S和气体元素H、O 等1．锰 ——有益（0.25--0.80%） a. 脱氧剂： 降低FeO→↓脆性， b. 脱硫剂： Mn+S→MnS Mn能与S亲合力大，形成MnS， ，其熔点高（1620 Cº），常呈粒状分布在晶内，且具有一定的塑性，可降低FeS的有害作用热加工性能↑ c. 固溶强化： 使性能更优Mn可以溶于F中，强化钢；Mn可以增加P相对含量，并使P细化，钢强度提高,2．硅 ——有益 a. 脱氧→↓脆性 b. 固溶强化 Si溶于F中，提高钢的强度硬度和弹性；但硅使钢的塑性韧性降低，一般控制钢中含量小于0.35%3．磷 ——有害 P能部分溶入铁素体中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使钢在常温下塑性、韧性急剧下降，脆性转化温度提高，,冷脆,4．硫 —— 有害,硫在钢中与Fe形成FeS，FeS又与Fe形成低熔点985Cº的共晶体，并常分布在晶界，当钢在1000 Cº以上热加工时，低熔点的共晶熔化，导致钢沿晶界开裂，使钢产生“热脆”性 加入Mn→ Mn与S形成高熔点的MnS (1620℃) ，可消除硫的有害作用（除硫）,脱氧用硅铁,5．气体元素O、N、H O ——钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源，↓机械性 能 ，强度、塑性降低，有害元素 N ——钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆 化。

加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向; N是钢产生兰脆的主要原因，有害元素,钢中白点,H ——原子态的过饱和氢时将 降低韧性, 引起氢脆；当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂有害元素,1、按冶炼方法分,转炉炼钢,平炉炼钢,生沸腾这种钢成材率高，但不致密二、碳钢的分类,电弧炉炼钢,2、按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按用途。