1、3.1 fe-fe3c系合金系合金的組元和基本相的組元和基本相3.2 fe-fe3c相圖相圖3.3鐵碳合金的平衡結晶鐵碳合金的平衡結晶3.4含碳量對鐵碳合金組織與力學性能的影響含碳量對鐵碳合金組織與力學性能的影響3.5鋼中的雜質元素鋼中的雜質元素3.6金屬鑄錠宏觀組織金屬鑄錠宏觀組織 n 碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，是使用最廣泛的金屬材料。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金的重要工具，了解和掌握鐵碳合金相圖，對于鋼鐵材料的研究和使用，各種熱加工工藝的制訂以及工藝廢品原因分析有很重要的指導意義。n n鐵和碳兩個組元可以形成一系列的化合物：，由于鋼中的含碳量最多不超過2.11%,鑄鐵中的含碳量最多不超過5%,

2、所以在研究鐵碳合金相圖時一般僅研究fe-fe3c部分(碳含量不超過6.69%)。n 鐵碳合金中的和在通常情況下，碳以fe3c形式存在。但fe3c是一個亞溫相，在一定條件下可以分解為更穩定的fe和石墨。n所以，鐵碳相圖就有fe-fe3c和fe-石墨兩種形式，我們只研究前一種。介紹鐵元素3.1 fe-fe3c系合金系合金的組元和基本相的組元和基本相1394153410006008001200溫度時間16001500500700900110013001400912 - fe - fe - fen是鐵與碳形成的間隙化合物，含碳量為6.69%,用符號cm表示,也是鐵碳相圖中的重要n滲碳體的晶體結構非常復

3、雜。n滲碳體的性能：在低溫下具有一定的鐵磁性，但在230以上這種磁性就消失了。所以， 230是滲碳體的磁性轉變溫度，稱為滲碳體的熔點為1227。nfe-fe3c相圖中除了高溫時存在的，外，還有碳溶于鐵形成的幾種間隙固溶體相：碳溶于-fe中的間隙固溶體，為體心立方晶格，用符號表示。是碳溶于a-fe中的間隙固溶體，為體心立方晶格，用符號f或a表示。鐵素體中溶解碳的能力很小，最大溶解度在727時，為0.0218%，隨著溫度的降低，其溶解度逐漸減小，室溫時鐵素體中只能溶解0.0008%的碳。其力學性能與工業純鐵相當。是碳溶于-fe中的間隙固溶體，為面心立方晶格，用符號 a或表示。奧氏體的強度、硬度低，

4、塑性、韌性高。在鐵碳合金平衡狀態時，奧氏體為高溫下存在的基本相，也是絕大多數鋼種進行鍛壓、軋制等加工變形所要求的組織。 和a 都是碳在體心立方的鐵中的僅是存在溫度區間不同，溶解度不同。3.2 fe-fe3c相圖相圖fetfe3c相圖中各特性區的符號是國際通用的，不能隨意更換。分別是以及 p、s、e、c、k。 ef、es、gs、fk。包晶轉變反應式、共晶轉變反應式、共析轉變反應式。 1148 、727 。點溫度碳量含 義a15380純鐵熔點b14950.53包晶轉變時的液相成分c11484.3共晶點 lc - (ae+fe3c) ldd12276.69fe3c熔點e11482.11c在-fe中的

5、最大溶解度f11486.69共晶fe3c成分點g9120-fe-fe同素異構轉變點h14950.09c在-fe中的最大溶解度j14950.17包晶成分點 lb+h - ajk7276.69共析fe3c成分點n13940-fe-fe同素異構轉變點p7270.0218c在-fe中的最大溶解度s7270.77共析點 as - (fp+fe3c) pq室溫0.0008 n通過鐵碳合金相圖分析包晶、共晶、共析轉變。acdefgspq1148727lal+al+ fe3c4.3%c2.11%c0.0218%c6.69%cfe fe3c t( a+fe3c )ldld+fe3ca+ld+fe3cfa+fa+

6、 fe3c( f+ fe3c )pp+f0.77%cp+fe3cldld+fe3cp+ld+fe3ck共晶相圖共晶相圖共析相圖共析相圖勻晶相圖勻晶相圖( p+fe3c )lb + h aj1495lc ( ae + fe3c ) le 1148as ( fp + fe3c ) p 727碳在奧氏體中的溶解度曲線，由于在11480c 時碳在奧氏體中最大溶解度可達2.11，而在 7270c時僅為0.77， 因此含碳量大于0.77的鐵碳合金自11480c 至7270c的過程中，均將從奧氏體中析出滲碳體。此時的滲碳體為二次滲碳體（ fe3c）。 通常稱為線，即從奧氏體中開始析出fe3c的臨界溫度線。碳

7、在鐵素體中的溶解度曲線。由于在727時碳在鐵素體中最大溶解度可達0.02，而在室溫時僅為0.0008，因此含碳量大于0.0008的鐵碳合金自7270c 冷至室溫的過程中，均將從鐵素體中析出滲碳體。此時的滲碳體為三次滲碳體（ fe3c）。 即從鐵素體中開始析出fe3c的臨界溫度線。由于fe3c數量極少，往往予以忽略 。合金冷卻時奧氏體冷卻時自奧氏體中開始析出鐵素體的臨界溫度線，通常稱為線。本節中講的一次滲碳體（ fe3c ）主要線主要線溫溫 度（度（）含含 義義abcd15381227液相線ahjecf15381148固相線hjb1495包晶轉變線ecf1148共晶線共晶線psk727共析線共析

8、線 a1es1148727c在在-fe中的溶解度線中的溶解度線 acmpq727600c在在-fe中的溶解度線中的溶解度線 gs912727a向f轉變的開始線 a3gp912727a向f轉變的終了線n 一般，將鐵碳合金按有無轉變分為兩大類：碳鋼和鑄鐵。n1）工業純鐵（c0.0218%）n2）亞共析鋼（c0.77%）。n5）亞共晶白口鑄鐵（c4.3%）。3.3鐵碳合金的平衡結晶鐵碳合金的平衡結晶n(1)1點開始結晶出固溶體.1-2之間按勻晶轉變固溶體量不斷增加.至2點,液相全部轉變為固溶體.n(2)2-3之間, 固溶體不發生變化.至3點, 固溶體發生同素異晶轉變, 轉變為固溶體.這一轉變在4點結

9、束,合金全部轉變為單相奧氏體.n(3)4-5之間, 不發生變化.至5點,又發生同素異晶轉變, 轉變為鐵素體a,這一轉變在6點結束,合金全部轉變為單相鐵素體a.n(4)6-7之間,鐵素體a不發生變化.至7點,碳在鐵素體a中的溶解量達到飽和,三次滲碳體將從鐵素體a中呈片狀析出.n 室溫下,三次滲碳體數量很少，常沿a晶界呈片狀析出。往往不考慮其對組織和性能的影響。n 所以，n合金在溫度1以上全部為液體。n（1）降溫時，在第1點與第2點溫度之間，從液相（l）中結晶出奧氏體 ，隨著溫度的不斷降低，液相越來越少，奧氏體越來越多，液相的成分沿著bc線變化，而奧氏體的成分則沿著je線變化，在第2點結晶完畢。n

10、（2）第2點與3點溫度之間，是奧氏體的單相冷卻。奧氏體 不發生變化。n（3）當溫度降到第s點時，奧氏體要發生共析反應：奧氏體最終奧氏體全部轉變為n（4）在隨后的冷卻過程中，鐵素體a 中的滲碳體沿pq線變化，析出三次滲碳體fe3c。但此fe3c在鐵素體a 和滲碳體fe3c的相界上形成，與滲碳體fe3c連接在一起，在顯微鏡下難以分辨，數量也少，對珠光體的組織和性能沒有明顯影響。所以，2. 2. 共析鋼共析鋼 ( wc = 0.77% )( wc = 0.77% )n（1）當合金冷卻到第1點時，開始從液相析出，至第2點(1495)時， 鐵素體的含碳量為0.09%,此時液相的含碳量為0.53%,液相和

11、鐵素體發生但由于0.4%的含碳量大于0.17%的包晶點,所以包晶轉變完成以后仍然有液相存在,剩余的液相在2-3點之間繼續結晶成奧氏體,液相的成分沿bc線變化,固相的成分沿je線變化.至3點,合金全部由含碳量為0.4%的奧氏體所組成.n(2)3-4點之間,奧氏體不發生變化.n(3)冷卻到第4點，從奧氏體中析出鐵素體a ，同時奧氏體相中碳濃度發生變化,此時鐵素體a 的成分沿gp線變化,奧氏體 的成分沿變化。n(4)到第5點即727時，奧氏體中的含碳量沿gs線而到達s點(0.77%)，其組織剩余的奧氏體相發生共析反應,s ap+fe3c(p),轉變為n(5)在5點以下,先共析鐵素體和珠光體中的鐵素體

12、都會析出三次滲碳體,但數量很少,一般可以忽略.n 所以，亞共析鋼先前析出的鐵素體保持不變。且隨著含碳量的增加，珠光體量也增加。3.3.亞共析鋼亞共析鋼 ( wc = 0.45% )( wc = 0.45% )n組織組成物是：nw a=5s/ps=(0.77-0.4)/(0.77-0.0218)=49.5%nwp=p5/ps=(0.4-0.0218)/(0.77-0.0218)=50.5%n也可以用wp=1- w a=50.5%nw a=（6.69-0.4)/(6.69-0.0218)=94.3%nw fe3c=1-94.3%=5.7% 組織組成物組織組成物:f ; fe3cf ; p 0.77

13、-0.45f = 100%=43% 0.77-0.02 0.45-0.02p = 100% = 57% 0.77-0.02相組成物相組成物: 6.69-0.45f = 100% = 94% 6.69-0.02p = 1 wf = 57%fe3c = 1 - wf = 6%0.020.450.776.69n（1）合金冷卻到1點時，從液相結晶出奧氏體，2點凝固完畢，形成單相奧氏體，此為勻晶轉變。（2）2-3點之間，奧氏體不發生變化。n（3）冷卻到第3點時，此時冷卻線與es線相遇，開始從奧氏體中沿晶界析出網狀分布的二次滲碳體（fe3c），呈網狀包圍奧氏體晶粒。n（4）冷卻到第4點時，奧氏體中碳的質量

14、分數降為0.77%，于是發生共析轉變： ns ap+fe3c(p），形成珠光體。n 所以，過共析鋼的：仍然為相組成含量與亞共析鋼一樣，組織組成物的含量也一樣，二次滲碳體最大量出現在碳含量為2.11%時，用杠桿定律計算為22.6%。n n(1)合金在1點(1148)發生共晶反應lc e+fe3c，形成萊氏體ld，即由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。n（2）在12點區間，共晶奧氏體會析出二次滲碳體，它依附在共晶滲碳體上析出并長大，難以分辨。n（3）到2點即727時，剩余的奧氏體會發生共析反應，轉變為珠光體。 n室溫下，共晶白口鑄鐵的組織是珠光體和共晶滲碳體的混合物，保持了共晶萊氏體的形態特征，但組成相

15、發生了改變。通常把它稱為以表示。n所以，共晶白口鐵的為。仍然為5.5.共晶白口鐵共晶白口鐵 ( wc = 4.3% )( wc = 4.3% )n（1）合金冷卻至1點時，開始從液相中結晶出“先共晶奧氏體”。隨溫度的降低，奧氏體不斷增多，同時奧氏體的成分沿je 線變化，液相的成分沿bc線變化。n（2）到第2點（1148）時，液相中wc為4.3%，發生共晶反應：，形成萊氏體，而先生奧氏體保持不變。n（3）繼續冷卻，先共晶奧氏體和共晶奧氏體都析出二次滲碳體，奧氏體的含碳量沿es線逐漸降低。n（4）到第3點（727）時，奧氏體的成分到達s點，wc降為0.77%，發生共析轉變： 形成珠光體，此時，。n

16、所以，亞共晶白口鑄鐵的為。仍然為。n初晶奧氏體的含量為：w=(4.3-3.0)/(4.3-2.11)=59.4%n萊氏體的含量為：1-59.4%=40.6%n從初晶中析出二次滲碳體的含量為：nwfe3c=（2.11-0.77)/(6.69-0.77)=13.4%n（1）合金冷至1點時，開始從液相中結晶出先共晶滲碳體，也叫一次滲碳體（fe3c），一次滲碳體呈粗大片狀，隨著一次滲碳體的增多，液相的成分沿dc線變化。n（2）當溫度繼續下降到2點時，剩余液相wc達到4.3%，這時發生共晶轉變，轉變為萊氏體。n（3）在隨后的繼續冷卻過程中，共晶奧氏體先析出二次滲碳體，然后于727發生共析轉變，生成珠光體

17、。（這是低溫萊氏體）n過共晶白口鑄鐵的為與。仍然為。n 運用杠桿定律計算的結果，將鐵碳合金成分與平衡結晶后的組織n 從看，鐵碳合金在室溫下的平衡組織皆由鐵素體和滲碳體所組成。當含碳量為零時，合金全部由鐵素體所組成，隨著含碳量的增加，鐵素體的含量呈直線減少，直到wc為6.69時降為零.與此相反,滲碳體的含量則由零增至百分之百.3.4含碳量對鐵碳合金組織與力學性能的影響含碳量對鐵碳合金組織與力學性能的影響n含碳量對鐵碳合金平衡組織的影響n 含碳量的變化,不但引起鐵素體和滲碳體的相對量的變化,而且可以引起主要是成分變化引起不同性質的結晶過程。n 并且，同一種組成相，由于生成條件不同，雖然相的本質未變

18、，但其形態可以有較大的差異。奧氏體中析出的鐵素體呈而共析反應生成的珠光體中的鐵素體與滲碳體相互制約，呈交替的由于生成的條件不同，也各不相同。當碳含量非常低時，是三次滲碳體從鐵素體中析出，共析滲碳體是共析反應生成的，而從奧氏體中析出的二次滲碳體，則以共晶滲碳體是與奧氏體相關形成的，在萊氏體中為一次滲碳體則從液相中直接析出，n 由此可見，成分的變化不僅引起相的相對含量的變化，而且引起組織的變化，對鐵碳合金的性能產生很大的影響由鐵素體和滲碳體所組成，鐵素體是軟韌相，滲碳體是脆硬相，滲碳體以細片狀分布于鐵素體基體上，起了強化作用。因此，珠光體具有較高的強度和硬度，但塑性較差。并且，珠光體的層片越細，則

19、強度越高。n 從下圖可以看出，在亞共析鋼中，隨著含碳量的增加，珠光體逐漸增多，強度、硬度升高，而塑性、韌性下降；當含碳量達到0.77%時，其性能就是珠光體的性能；在過共析鋼中，含碳量接近1%時強度達到最大值，含碳量繼續增加，強度則下降。n 是由于脆性的二次滲碳體在含碳量高于1%時于晶界形成連續的網絡，使鋼的脆性大大增加，抗拉強度下降。 當wc0.9時，由于滲碳體在晶界呈網狀分布，使鋼的強度下降。 隨wc的增加而提高。 隨wc的增加而迅速降低。隨wc的增加而迅速降低。 n 滲碳體硬度很高，但脆性極大，不能使合金的塑性提高，合金的塑性變形主要有鐵素體提供。n 因此，合金中的含碳量增加而使鐵素體減少時，鐵碳合金的塑性不斷降低，當組織出現萊氏體時，塑性降低到接近零值。此性能對組織非常敏感。含碳量增加，脆性的滲碳體增多，當出現網狀的二次滲碳體時，韌性急劇下降。對組織組成物和相的形態不十分敏感，大小主要