分享铁碳相图1.doc

1、可达 0ksksk 1铁碳合金相图钢铁应该是机械行业使用最广泛的合金,先来看看纯铁，纯铁中铁的质量百分比在 99.8-99.9，在 1538结晶为 -fe，晶格为体心立方（还记得体心立方的晶格是啥样吧），在 1394是晶体结构发生转变，变为 -fe，晶格为面心立方，在 912时再次发生转变，变为-fe，晶格为体心立方，这是铁的三种同素异晶状态。这种固态下的同素异晶转变称之为重结晶，它与钢的合金化与热处理有密切关系。那么铁碳合金又是怎么回事呢？碳可以溶于 -fe 和 -fe 中，以间歇原子的形势存在。在 1394时，碳溶于 -fe，称为奥氏体，这时碳一般存在于面心立方的 8 面体空隙中，在 91

2、2时，碳溶于 -fe，称为铁素体，碳存在于体心立方的 8 面体空隙中。其实碳也能溶于 -fe，0.09%，太少了。说了这么多，纯铁的塑性和韧性很好，但是强度太低了，所以工业上一般都是用的铁碳合金。碳可以溶于铁中，但是溶量有限，于是剩下的碳以两种形式存在，一种形式是与铁的间歇化合物 fe3c，称为渗碳体，一种是石墨。ok，我们来看看 fe-fe3c 合金相图（本来已开始想写一篇相图的 blog，但是感觉没有什么好写的）。可达 0ksksk 2可达 0ksksk 3由图我们可以看到碳的含量最高可以到 6.69%，处于 ABCD 连线以上的部分为液相区，AHJECF 连线以下为固相区，HJB 线这一

3、段发生了包晶转变，包晶转变是指在结晶过程中，已成为固相的部分被液相部分包围从而转变成另一种固相部分，液相的 B 和 相的 H 转变为 相的 J,我们可以看到，这条线非常的短，说明发生转变的区域碳的含量范围很窄为 0.09%-0.53%。ECF 线发生了共晶转变，共晶转变是指某液相在结晶时同时转变为两种固相，液相 C 转变为 相 E 和 fe3c,-fe 和 fe3c 的机械混合物称为莱氏体，这条线就比较长了，说明发生转变的碳的范围比较宽，为 2.11%-6.69%。PSK 线发成的是共析转变，共析转变是指由一种固相转变为两种固相的变化，-fe 转变为 -fe 和 fe3c，-fe 和 fe3c

4、 的机械混合物称为珠光体，可以看到发生这个转变的碳的含量范围是相当的宽了，超过 0.0218%的碳含量的合金都要发生这个转变。GS 线，这条线说明了碳含量的不同 中开始析出 的温度是怎样变化的，我们可以看到，随着碳的含量从 0-0.77%不断升高，转变开始的温度在不断降低。ES 线，碳在 中的溶解度线，当某浓度的碳在低于相应的这个温度时，开始析出 fe3c，我们可以看到随着碳的含量在 0.77-2.11 不断升高时，开始析出 fe3c 的温度在不断升高。PQ 线，碳在 中的溶解度线，道理同 ES 线，当碳的含量在 0-0.0218 不断升高时，析出 fe3c 的温度不断升高。可达 0ksksk

5、 4通常按照会不会发生共晶转变来区分碳钢和铸铁，由相图我们可以看到，碳含量小于 2.11 时不发生共析转变，那么碳含量小于 2.11 的合金称为碳钢，大于的称为铸铁。根据相图，我们把铁碳合金按照碳含量划分为 7 种类型：T1 T1T2 T2T3 T3T4 TT43 过共析钢（1.2C）合金在 BC 线温度以上为液相 L；在 BC 线JE 线温度之间，发生匀晶反应，从液相中析出奥氏体相；在 JE 线ES 线温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；在 ES 线PSK 线温度之间，从奥氏体中析出二次渗碳体相（先共析渗碳体） ，合金为AFe 3C 两相；在 PSK 线上 727时，未转变的奥氏体发生共析

6、反应，转变为珠光体组织；从 727直到室温，合金温度降低，没有发生组织转变。室温下的相：F+Fe 3C室温组织：珠光体二次渗碳体。组织形态：片状 P 和二次渗碳体呈网状分布在 A 晶界。在过共析钢中，当碳含量小于 0.9时，二次渗碳体呈片状分布在 A 晶界；当碳含量大于 0.9时，二次渗碳体成为网状沿晶界分布。室温下组织组成物的质量百分数的计算：4白口铸铁的平衡结晶过程（略）七FeFe 3C 相图的应用（一） 、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响1含碳量对合金平衡组织的影响可达 0ksksk 13FFe3CIII 三次Fe 3C呈细小的薄片分布于 F的晶界。F+P 先共析F呈块状，P 中Fe 3

7、C呈层片状与F片相间 。P Fe3CIIP P中Fe 3C与F呈层片状相间分布。P中Fe 3C片与F片相间 ，二次Fe 3C 沿晶界呈网状分布。PFe 3CIILd P中Fe 3C片与F片混合（相间 ） ，莱氏体中Fe 3C作为基体Ld 莱氏体中珠光体分布在Fe 3C的基体上Ld +Fe3CI 一次Fe 3C为粗大长片状，莱氏体中 Fe3C作为基体含碳量逐渐增加Fe3C 的形态：含碳量的增加，钢的平衡组织 中铁素体量减少，渗碳体量增加；在亚共析钢中，随碳含量增加，铁素体减少，珠光体量增多；在过共析钢中，珠光体减少，渗碳体增多；到白口铸铁时，组织中以渗碳体作 为基体。2含碳量对力学性能的影响铁素

8、体(F)：软而韧，硬度极低；渗碳体 (Fe3C)：硬而脆。所以，（1）含碳量增加，硬度增加；塑性韧性降低。（2）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）：当碳含量在小于 0.9时，渗碳体含量越多，分布越均匀，铁碳合金强度越高；当碳含量超过 0.9时，渗碳体在钢的组织中呈网状分布在晶界，而在白口铸铁的组织中作为基体存在，使强度降低。3含碳量对工艺性能的影响切削加工性能：一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在 HB200 左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。可锻性：低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在单相奥氏体

9、状态下进行。铸造工艺性能：铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来看，凝固温度区间越大，可达 0ksksk 14越容易形成分散缩孔和偏析，铸造工艺性能越差。可焊性：一般，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。（二） 、FeFe 3C 相图的应用1为制定热加工工艺提供依据。（1）制定热处理工艺的依据 （2）为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理。铸造方面 铸造合金成分的确定和浇注温度的确定。锻造方面 确定始锻温度和终锻温度。焊接方面 分析热影响区的组织。热处理方面 确定热处理加热的

10、温度。2为选材提供成分依据。 工业纯铁：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成；强度低，塑性、韧性好；作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。含碳量在 0.15-0.25%的亚共析钢 ：属低碳钢，为工程结构用钢。这类钢主要用于房屋，桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或正火状态下使用。含碳量在 0.30-0.50%的亚共析钢 ，属中碳钢，为机械结构用钢。主要用于制造各种机械零部件，如轴类、齿轮等。它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。含碳量在 0.60.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构

11、用钢。主要用于制造各种弹性元件，如弹簧。它要求有较高的弹性极限和疲劳强度。这类钢通常在淬火后再中温回火后使用，常称之为弹簧钢。含碳量在 0.7%以上的共析钢和过共析钢，属于高碳钢，属工具钢类。主要用于制作刃具、量具、模具、轧制工具及耐磨损工具等。要求有高强度、高硬度和高耐磨性等。含碳量大于 2.11%的铁碳合金称为铸铁。铸铁具有较低的熔点，优良的铸造工艺性能和良好的抗震性，且生产工艺简单，成本低廉，用途非常广泛。如：各类机器的机身或底座，土建工程中的铸铁管，冶金工业中的钢锭模及轧辊等。可达 0ksksk 15铁碳合金相图可达 0ksksk 16从 某 种 意 义 上 讲 ， 铁 碳 合 金 相

12、 图 是 研 究 铁 碳 合 金 的 工 具 ， 是 研 究 碳 钢 和 铸 铁 成 分 、温 度 、 组 织 和 性 能 之 间 关 系 的 理 论 基 础 ， 也 是 制 定 各 种 热 加 工 工 艺 的 依 据 。一 、 铁 碳 合 金 中 的 基 本 相铁 碳 合 金 相 图 实 际 上 是 Fe-Fe3C 相 图 ， 铁 碳 合 金 的 基 本 组 元 也 应 该 是 纯 铁 和 Fe3C。 铁 存 在 着 同 素 异 晶 转 变 ， 即 在 固 态 下 有 不 同 的 结 构 。 不 同 结 构 的 铁 与 碳 可 以 形 成不 同 的 固 溶 体 ， FeFe3C 相 图 上

13、的 固 溶 体 都 是 间 隙 固 溶 体 。 由 于 -Fe 和 -Fe 晶格 中 的 孔 隙 特 点 不 同 ， 因 而 两 者 的 溶 碳 能 力 也 不 同 。1,铁 素 体 (ferrite) 可达 0ksksk 17铁 素 体 是 碳 在 -Fe 中 的 间 隙 固 溶 体 ,用 符 号 “F“(或 )表 示 ,体 心 立 方 晶 格 ;虽 然 BCC 的 间 隙 总 体 积 较 大 ,但 单 个 间 隙 体 积 较 小 ,所 以 它 的 溶 碳 量 很 小 ,最 多 只有 0.0218%(727 时 ),室 温 时 几 乎 为 0,因 此 铁 素 体 的 性 能 与 纯 铁 相

14、似 ,硬 度 低 而 塑 性高 ,并 有 铁 磁 性 .铁 碳 合 金 中 的 基 本 相铁 素 体 的 力 学 性 能 特 点 是 塑 性 ,韧 性 好 ,而 强 度 ,硬 度 低 .=30%50%,AKU=128160J b=180280MPa,5080HBS.铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 铁 素 体 的 显 微 组 织 与 纯 铁 相 同 ,用 4%硝 酸 酒 精 溶 液 浸 蚀 后 ,在 显 微 镜 下 呈 现 明 亮的 多 边 形 等 轴 晶 粒 ,在 亚 共 析 钢 中 铁 素 体 呈 白 色 块 状 分 布 ,但 当 含 碳 量 接 近 共 析 成 分 时 ,铁素 体 因

15、量 少 而 呈 断 续 的 网 状 分 布 在 珠 光 体 的 周 围 .铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 2,奥 氏 体 (Austenite )奥 氏 体 是 碳 在 -Fe 中 的 间 隙 固 溶 体 ,用 符 号 “A“(或 )表 示 ,面 心 立 方 晶 格 ;虽 然 FCC 的 间 隙 总 体 积 较 小 ,但 单 个 间 隙 体 积 较 大 ,所 以 它 的 溶 碳 量 较 大 ,最 多 有2.11%(1148 时 ),727 时 为 0.77%.铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 在 一 般 情 况 下 , 奥 氏 体 是 一 种 高 温 组 织 ,稳 定 存 在 的 温 度

16、 范 围 为 7271394 ,故奥 氏 体 的 硬 度 低 ,塑 性 较 高 ,通 常 在 对 钢 铁 材 料 进 行 热 变 形 加 工 ,如 锻 造 ,热 轧 等 时 ,都 应将 其 加 热 成 奥 氏 体 状 态 ,所 谓 “趁 热 打 铁 “正 是 这 个 意 思 .b=400MPa,170220HBS,=40%50%.另 外 奥 氏 体 还 有 一 个 重 要 的 性 能 ,就 是 它 具 有 顺 磁 性 ,可 用 于 要 求 不 受 磁 场 的 零 件或 部 件 .铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 奥 氏 体 的 组 织 与 铁 素 体 相 似 ,但 晶 界 较 为 平 直 ,

17、且 常 有 孪 晶 存 在 .铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 3,渗 碳 体 (Cementite)渗 碳 体 “Fe3C“是 铁 和 碳 形 成 的 具 有 复 杂 结 构 的 金 属 化 合 物 ,用 化 学 分 子 式 “Fe3C“表 示 .它 的 碳 质 量 分 数 Wc=6.69%,熔 点 为 1227 ,质 硬 而 脆 ,耐 腐 蚀 .用 4%硝 酸 酒 精 溶 液 浸 蚀 后 ,在 显 微 镜 下 呈 白 色 ,如 果 用 4%苦 味酸 溶 液 浸 蚀 ,渗 碳 体 呈 暗 黑 色 .铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 渗 碳 体 是 钢 中 的 强 化 相 ,根 据 生 成

18、 条 件 不 同 渗 碳 体 有 条 状 ,网 状 ,片 状 ,粒 状 等 形 态 ,它 们 的 大 小 ,数 量 ,分 布 对 铁 碳 合 金 性 能 有 很 大 影 响 .铁 碳 合 金 中 的 基 本 相 总 结 :在 铁 碳 合 金 中 一 共 有 三 个 相 ,即 铁 素 体 ,奥 氏 体 和 渗 碳 体 .但 奥 氏 体 一 般 仅 存 在 于 高温 下 ,所 以 室 温 下 所 有 的 铁 碳 合 金 中 只 有 两 个 相 ,就 是 铁 素 体 和 渗 碳 体 .由 于 铁 素 体 中 的可达 0ksksk 18含 碳 量 非 常 少 ,所 以 可 以 认 为 铁 碳 合 金

19、中 的 碳 绝 大 部 分 存 在 于 渗 碳 体 中 .这 一 点 是 十 分重 要 的 .铁 和 碳 可 以 形 成 一 系 列 化 合 物 ,如 Fe3C,Fe2C,FeC 等 ,有 实 用 意 义 并 被 深 入 研 究的 只 是 Fe-Fe3C 部 分 ,通 常 称 其 为 Fe-Fe3C 相 图 , 此 时 相 图 的 组 元 为 Fe 和 Fe3C._由 于 实 际 使 用 的 铁 碳 合 金 其 含 碳 量 多 在 5%以 下 ,因 此 成 分 轴 从 06.69%.所 谓的 铁 碳 合 金 相 图 实 际 上 就 是 FeFe3C 相 图 .二 、 铁 碳 合 金 相 图 分

20、 析1 铁 碳 相 图 分 析FeFe3C 相 图 看 起 平 比 较 复 杂 ,但 它 仍 然 是 由 一 些 基 本 相 图 组 成 的 ,我 们 可 以 将FeFe3C 相 图 分 成 上 下 两 个 部 分 来 分 析 .1,上 半 部 分 -共 晶 转 变在 1148 ,4.3%C 的 液 相 发 生 共 晶 转 变 :Lc (AE+Fe3C),转 变 的 产 物 称 为 莱 氏 体 ,用 符 号 Ld 表 示 .存 在 于 1148 727 之 间 的 莱 氏 体 称 为 高 温 莱 氏 体 ,用 符 号 Ld 表 示 ,组 织 由 奥 氏体 和 渗 碳 体 组 成 ;存 在 于

21、727 以 下 的 莱 氏 体 称 为 变 态 莱 氏 体 或 称 低 温 莱 氏 体 ,用 符 号Ld 表 示 ,组 织 由 渗 碳 体 和 珠 光 体 组 成 .低 温 莱 氏 体 是 由 珠 光 体 ,Fe3C 和 共 晶 Fe3C 组 成 的 机 械 混 合 物 .经 4%硝 酸 酒 精溶 液 浸 蚀 后 在 显 微 镜 下 观 察 ,其 中 珠 光 体 呈 黑 色 颗 粒 状 或 短 棒 状 分 布 在 Fe3C 基 体 上 ,Fe3C 和 共 晶 Fe3C 交 织 在 一 起 ,一 般 无 法 分 辨 .2,下 半 部 分 -共 析 转 变 在 727 ,0.77%的 奥 氏 体

22、发 生 共 析 转 变 :AS (F+Fe3C),转 变 的 产 物 称 为 珠 光 体 .共 析 转 变 与 共 晶 转 变 的 区 别 是 转 变 物 是 固 体 而 不 是 液 体 .3,相 图 中 的 一 些 特 征 点相 图 中 应 该 掌 握 的 特 征 点 有 :A,D,E,C,G(A3 点 ),S(A1 点 ),它 们 的 含 义 一 定 要 搞 清楚 .4, 铁 碳 相 图 中 的 特 性 线相 图 中 的 一 些 线 应 该 掌 握 的 线 有 :ECF 线 ,PSK 线 (A1 线 ),GS 线 (A3 线 ),ES 线 (ACM 线 ) 水 平 线 ECF 为 共 晶

23、反 应 线 .碳 质 量 分 数 在 2.11% 6.69%之 间 的 铁 碳 合 金 , 在 平 衡 结 晶 过 程 中 均 发 生 共 晶 反应 . 水 平 线 PSK 为 共 析 反 应 线 .碳 质 量 分 数 为 0.0218% 6.69%的 铁 碳 合 金 , 在 平 衡 结 晶 过 程 中 均 发 生 共 析 反 应 .PSK 线 亦 称 A1 线 . GS 线 是 合 金 冷 却 时 自 A 中 开 始 析 出 F 的 临 界 温 度 线 , 通 常 称 A3 线 . 可达 0ksksk 19ES 线 是 碳 在 A 中 的 固 溶 线 , 通 常 叫 做 Acm 线 .由 于

24、 在 1148 时 A 中 溶 碳 量 最 大可 达 2.11%, 而 在 727 时 仅 为 0.77%, 因 此 碳 质 量 分 数 大 于 0.77%的 铁 碳 合 金 自1148 冷 至 727 的 过 程 中 , 将 从 A 中 析 出 Fe3C.析 出 的 渗 碳 体 称 为 二 次 渗 碳 体 (Fe3CII). Acm 线 亦 为 从 A 中 开 始 析 出 Fe3CII 的 临 界 温 度 线 . PQ 线 是 碳 在 F 中 固 溶 线 .在 727 时 F 中 溶 碳 量 最 大 可 达 0.0218%, 室 温 时 仅为 0.0008%, 因 此 碳 质 量 分 数 大

25、 于 0.0008%的 铁 碳 合 金 自 727 冷 至 室 温 的 过 程 中 , 将 从 F 中 析 出 Fe3C.析 出 的 渗 碳 体 称 为 三 次 渗 碳 体 (Fe3CIII).PQ 线 亦 为 从 F 中 开 始析 出 Fe3CIII 的 临 界 温 度 线 .Fe3CIII 数 量 极 少 ,往 往 予 以 忽 略 .三 、 含 碳 量 对 铁 碳 合 金 组 织 和 性 能 的 影 响1 含 碳 量 对 铁 碳 合 金 平 衡 组 织 的 影 响按 杠 杆 定 律 计 算 ， 可 总 结 出 含 碳 量 与 铁 碳 合 金 室 温 时 的 组 织 组 成 物 和 相 组

26、成 物 间 的定 量 关 系2 含 碳 量 对 机 械 性 能 的 影 响渗 碳 体 含 量 越 多 ， 分 布 越 均 匀 ， 材 料 的 硬 度 和 强 度 越 高 ， 塑 性 和 韧 性 越 低 ； 但 当 渗碳 体 分 布 在 晶 界 或 作 为 基 体 存 在 时 ， 则 材 料 的 塑 性 和 韧 性 大 为 下 降 ， 且 强 度 也 随 之 降 低。3 含 碳 量 对 工 艺 性 能 的 影 响对 切 削 加 工 性 来 说 ， 一 般 认 为 中 碳 钢 的 塑 性 比 较 适 中 ， 硬 度 在 HB200 左 右 ， 切削 加 工 性 能 最 好 。 含 碳 量 过 高

27、或 过 低 ， 都 会 降 低 其 切 削 加 工 性 能 。对 可 锻 性 而 言 ， 低 碳 钢 比 高 碳 钢 好 。 由 于 钢 加 热 呈 单 相 奥 氏 体 状 态 时 ， 塑 性 好 、 强度 低 ， 便 于 塑 性 变 形 ， 所 以 一 般 锻 造 都 是 在 奥 氏 体 状 态 下 进 行 。 锻 造 时 必 须 根 据 铁 碳 相图 确 定 合 适 的 温 度 ， 始 轧 和 始 锻 温 度 不 能 过 高 ， 以 免 产 生 过 烧 ； 始 轧 和 温 度 也 不 能 过 低， 以 免 产 生 裂 纹 。对 铸 造 性 来 说 ， 铸 铁 的 流 动 性 比 钢 好 ， 易 于 铸 造 ， 特 别 是 靠 近 共 晶 成 分 的 铸 铁 ， 其结 晶 温 度 低 ， 流 动 性 也 好 ， 更 具 有 良 好 的 铸 造 性 能 。 从 相 图 的 角 度 来 讲 ， 凝 固 温 度 区 间越 大 ， 越 容 易 形 成 分 散 缩 孔 和 偏 析 ， 铸 造 性 能 越 差 。一 般 而 言 ， 含 碳 量 越 低 ， 钢 的 焊 接 性 能 越 好 ， 所 以 低 碳 钢 比 高 碳 钢 更 容 易 焊 接 。