1、第三章 鐵碳合金和鐵碳相圖l鐵碳合金鐵碳合金碳鋼碳鋼和和鑄鐵鑄鐵，是工業應用最，是工業應用最廣的合金；廣的合金；l含碳量為含碳量為0.0218% 2.11%的稱的稱鋼鋼；l含碳量為含碳量為 2.11% 6.69%的稱的稱鑄鐵鑄鐵；l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）時，合）時，合金太脆，已無實用價值；金太脆，已無實用價值；l實際所討論的鐵碳合金相圖是實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖相圖。鑄鐵鑄鐵碳鋼碳鋼3.1 Fe-Fe3C系合金的組元與基本相系合金的組元與基本相純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變l 物質在固態下晶體結構隨溫度變化而變化的物質在固態下晶體結構隨

2、溫度變化而變化的 現象稱現象稱同素異構轉變同素異構轉變（或或重結晶重結晶）。）。 同素異構轉變屬于相變之一：同素異構轉變屬于相變之一：固態相變固態相變。1. 純鐵純鐵1394912 -Fe -Fe -Fel鐵的同素異構轉變：鐵的同素異構轉變：鐵在固態冷卻過程中有兩鐵在固態冷卻過程中有兩次晶體結構變化，其變化為：次晶體結構變化，其變化為：l -Fe、 -Fe為為體心立方結構體心立方結構(bcc)， -Fe為為面心立方結構面心立方結構(fcc)，都是鐵的，都是鐵的同同素異構體素異構體。 -Fe -Fe2. Fe3Cl鐵素體：鐵素體：碳在碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體中的固溶體稱鐵素體, 用用或或F表

3、示表示。-Fe溶解碳的能力很小，隨溫度的溶解碳的能力很小，隨溫度的不同而不同。不同而不同。600時為時為0.006%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%, 727 時最大達時最大達0.02%，是體心立方是體心立方(bcc)間隙固溶體。間隙固溶體。鐵素體鐵素體性能：性能： -Fe叫工業純鐵，韌性很好，延伸率叫工業純鐵，韌性很好，延伸率=4550%，強度和硬度均不高，強度和硬度均不高， b =250MPa，HB80。晶粒為均勻明亮的多邊形。晶粒為均勻明亮的多邊形。l奧氏體：奧氏體：碳在碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏體，中的固溶體稱奧氏體，用用或或A表示表示，是，是面心立方面心立方(fcc) 間隙固

4、溶體間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，。溶碳能力比鐵素體大，1148時最大為時最大為2.11%。l組織為不規則多面體晶粒，晶界較直。組織為不規則多面體晶粒，晶界較直。l性能：性能：強度低、塑性好，強度低、塑性好， 鋼材熱加工都在鋼材熱加工都在區進行區進行。l碳鋼室溫組織中無奧氏體碳鋼室溫組織中無奧氏體奧氏體奧氏體l滲碳體：滲碳體：是是Fe和形成的穩定化合物，含量為和形成的穩定化合物，含量為6.69%，具有復雜的晶，具有復雜的晶格，格， 用用Fe3C表示。表示。l性能：性能：Fe3C硬度高硬度高(HB約約800)、強度低、強度低(b = 35 MPa), 脆性大脆性大, 塑性幾乎為零，其形狀可以是

5、片狀、塑性幾乎為零，其形狀可以是片狀、網狀和粒狀。網狀和粒狀。鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體l 由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，因而中的溶解度很小，因而常溫下碳在常溫下碳在鐵碳合金中主要以鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在或石墨的形式存在。3.2 Fe-Fe3C相圖 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 一、概述一、概述 特征點特征點萊氏體萊氏體l特征相線：特征相線：(1) 液相線液相線ABCD, 固相線固相線AHJECF;(2) 三條水平線：三條水平線：lHJB：包晶線包晶線 LB + H J lECF：共晶線共晶線 LC E + Fe3C，共

6、晶產，共晶產物是物是 與與Fe3C的機械混合物，稱作的機械混合物，稱作萊氏體萊氏體, 用用Le(或或d)表示。表示。為蜂窩狀為蜂窩狀, 以以Fe3C為基，為基，性能硬而脆。性能硬而脆。lPSK：共析線：共析線 S FP+ Fe3Cl共析轉變的產物是共析轉變的產物是 與與Fe3C的機械混合物，的機械混合物，稱作稱作珠光體珠光體，用，用P表示。表示。珠光體珠光體l珠光體的組織特點是兩相呈片珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布層相間分布, ,性能介于兩相之間。性能介于兩相之間。PSKPSK線又稱線又稱A A1 1線。線。l其它相線其它相線(1) GS,GP 固溶體轉變線固溶體轉變線, GS又稱又稱A

7、3 線。線。(2) HN,JN 固溶體轉變線。固溶體轉變線。(3) ES碳在碳在 -Fe中的固溶線，中的固溶線，又稱又稱Acm線。線。(4) PQ碳在碳在 -Fe中的固溶線。中的固溶線。l 相區相區(1) 五個單相區：五個單相區： L、 、 、 、Fe3C (2) 七個兩相區七個兩相區: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 三個三相區：三個三相區：HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三條三條水平線水平線 3.3 鐵碳合金的平衡結晶鐵碳合金的平衡結晶l鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：鐵碳相圖上的合金，按成分可

8、分為三類： 工業純鐵工業純鐵 ( 0.0218% C)，組織為單相鐵素體組織為單相鐵素體。 鋼鋼 (0.0218 2.11%C)，高溫組織為單相高溫組織為單相 亞共析鋼亞共析鋼 (0.0218 0.77%C)； 共析鋼共析鋼 (0.77%C)； 過共析鋼過共析鋼 (0.77 2.11%C) 白口鑄鐵白口鑄鐵 (2.116.69%C)，鑄造性能好鑄造性能好, 硬而脆硬而脆 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 (2.114.3%C)； 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵 (4.3%C)； 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵 (4.36.69%C)亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼共晶白口鐵共晶白口鐵過共晶白口

9、鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業純鐵工業純鐵NSJBH L+ + + （一）工業純鐵的結晶過程（一）工業純鐵的結晶過程l合金液體在合金液體在1-2點間轉變為點間轉變為 ，3-4點點間間 ，5-6點間點間 。到。到7點，從點，從 中析出中析出Fe3C。工業純鐵的結晶過程工業純鐵的結晶過程 隨溫度下降，隨溫度下降，Fe3C量不斷增加，量不斷增加，合金合金的室溫下組織為的室溫下組織為F+ Fe3C。l室溫下室溫下Fe3C最大量為最大量為: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql從鐵素體中析出的滲碳體稱從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，

10、三次滲碳體，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不連以不連續網狀或片狀分布于晶界續網狀或片狀分布于晶界。l 合金液體在合金液體在1-2點間轉變為點間轉變為 。 到到S點發生共析轉變：點發生共析轉變： S P+Fe3C, 全部轉變為全部轉變為珠光體珠光體(P)。（二）（二） 共析鋼的結晶過程共析鋼的結晶過程 共析鋼的結晶過程共析鋼的結晶過程珠光體珠光體Ql珠光體在光鏡下呈指紋狀珠光體在光鏡下呈指紋狀。l相變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：相變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：l珠光體中的滲碳體稱珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體共析滲碳體。lS點以下，共析點以下，共析 中析出中析出Fe3C，

11、與共析，與共析Fe3C結合不易分辨。結合不易分辨。室溫組織為室溫組織為P。%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 l室溫下，珠光體中兩相的相對重量室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？百分比是多少？Q43219 l0.090.53%C亞共析鋼亞共析鋼冷卻時發生冷卻時發生包晶反應包晶反應.l以以0.45%C的鋼為例的鋼為例l合金在合金在4點以前通過點以前通過勻晶勻晶包晶包晶勻晶反應勻晶反應全部轉變為全部轉變為 。到。到4點，由點，由中析出中析出。 到到5點點, 成分沿成分沿GS線變到線變到S點，點， 發生共析發生共析 反應轉變為珠光體。反

12、應轉變為珠光體。 +Fe3CGSPABJH溫度繼續下降，溫度繼續下降， 中析出中析出Fe3C，由于與共析，由于與共析Fe3C結合結合, 且量少且量少, 忽略不計。忽略不計。（三）亞共析鋼的結晶過程（三）亞共析鋼的結晶過程亞共析鋼的結晶過程亞共析鋼的結晶過程S共析溫度下相共析溫度下相( ( +Fe3C)的相對重量為：的相對重量為： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 組織組成物組織組成物( + P)的相對重量為：的相對重量為： %PSSQ%PSPQP10051005 ，l利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量似估

13、算亞共析鋼的含碳量:C%=P面積面積%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面積面積%=QP)l室溫下相的相對重量百分比為：室溫下相的相對重量百分比為：l室溫下組織組成物的相對重量百分比為：室溫下組織組成物的相對重量百分比為：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl亞共析鋼室溫下的組織為亞共析鋼室溫下的組織為F( )+P。l在在0.02180.77%C 范圍內范圍內珠光體的量隨含碳量增珠光體的量隨含碳量增加而增加加而增加。含含0.45%C鋼的組織鋼的組織含含

14、0.20%C鋼的組織鋼的組織含含0.60%C鋼的組織鋼的組織（四）過共析鋼的結晶過程（四）過共析鋼的結晶過程l合金在合金在12點轉變為點轉變為 , 到到3點點, 開始析開始析出出Fe3C。從奧氏體中析出的從奧氏體中析出的Fe3C稱稱二次滲碳體二次滲碳體, 用用Fe3C表示表示, 其其沿晶界沿晶界呈網狀分布呈網狀分布.l 溫度下降溫度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4點，點， 成分沿成分沿ES線變化到線變化到S點，余下的點，余下的 轉轉 變為變為P。在共析溫度下在共析溫度下FeFe3 3C C的相對量？的相對量？過共析鋼的結晶過程過共析鋼的結晶過程l室溫下兩相室溫下兩相( ( +Fe3C)的

15、相對重量百分比：的相對重量百分比：室溫下兩組織組成物室溫下兩組織組成物(P +Fe3C)的相對重量百分比：的相對重量百分比：12345SPCFePQ%L S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653 （五）共晶白口鐵的結晶過程（五）共晶白口鐵的結晶過程 Fe3C l合金冷卻到合金冷卻到C點發生共晶反應全部轉變為萊氏體點發生共晶反應全部轉變為萊氏體(Le)，萊氏體是共晶萊氏體是共晶 與與共晶共晶Fe3C的機械混合物的機械混合物, 呈蜂窩狀呈蜂窩狀。l共晶轉變結束時，兩相的相對重量百分比為共晶轉變結束時，兩相的相對重量百分比為:%.Q%.%.QCFe8472521001126

16、96346963 ， lC點以下點以下, 成成分沿分沿ES線變化，線變化，共晶共晶 將析出將析出Fe3C。 Fe3C與共晶與共晶Fe3C 結合，不結合，不易分辨。易分辨。12 Fe3Cl溫度降到溫度降到2 2點點, , 成分達到成分達到0.77%, 0.77%, 此時此時, , 相的相對重量相的相對重量: : 在在2點點, 共晶共晶 發生共析反應，轉變為發生共析反應，轉變為珠光體，這種珠光體，這種由由P與與 Fe3C組成的共組成的共晶體稱晶體稱低溫萊氏體低溫萊氏體, 用用Le表示表示. 2 點點以下，共晶體中以下，共晶體中P 的變化同共析鋼。的變化同共析鋼。%.Q%.%.QCFe6594401

17、00770696346963 ， Sl共晶白口鐵室溫組織為共晶白口鐵室溫組織為Le (P+ Fe3C), 它保留了共晶轉變產物的形態特征。它保留了共晶轉變產物的形態特征。室溫下兩相的相對重量百分比為：室溫下兩相的相對重量百分比為： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ （六）亞共晶白口鐵的結晶過程（六）亞共晶白口鐵的結晶過程 l合金在合金在12點間析出點間析出 。到。到2點，液相成分變到點，液相成分變到C點點,并轉變為并轉變為Le。23點間點間從從 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被共晶被共晶 襯托出來。到

18、襯托出來。到3點，點， 轉變為轉變為P。l亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵室溫組織為室溫組織為P+Fe3C+Le。l室溫下組織組成物相對重量百分比為室溫下組織組成物相對重量百分比為 ：IIIICFeLepCFeLeLeQQQECCQECEQQ33%10077. 069. 677. 011. 222ECFD1234N室溫下相的相對重量百分比室溫下相的相對重量百分比?l1 2點間點間從液相中析出從液相中析出Fe3C, 這種滲碳體這種滲碳體稱稱一次滲碳體一次滲碳體，用用 Fe3C表示，表示，呈粗條片狀。呈粗條片狀。到到2點，余下的液相成分變到點，余下的液相成分變到C點并轉變為點并轉變為Le。DFK3Fe3C

19、124（七）（七） 過共晶白口鐵的結晶過程過共晶白口鐵的結晶過程l2點以下點以下, Fe3C成分重量不再發生變化成分重量不再發生變化, Le變化同變化同共晶合金，其共晶合金，其室溫組織為室溫組織為Fe3C+Le。 l組織組成物與相組成物組織組成物與相組成物標注區別主要在標注區別主要在 + Fe3C和和 +Fe3C兩個相兩個相區區. + Fe3C相區中相區中有四有四個組織組成物區，個組織組成物區， +Fe3C相區中相區中有七個有七個組織組成物區。組織組成物區。 + Fe3C + Fe3C （八）（八） 組織組成物在鐵碳合金相圖上的標注組織組成物在鐵碳合金相圖上的標注FeFe3CSQPNKJHGF

20、EDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%溫度溫度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鋼鋼鐵素體鐵素體 亞共析鋼亞共析鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼共析鋼白白 口口 鑄鑄 鐵鐵二次滲碳體二次滲碳體工工業業純純鐵鐵珠光體珠光體萊氏體萊氏體一次滲碳體一次滲碳體Fe3C鋼鋼 鐵鐵分分 類類組織組組織組成物相成物

21、相對量對量%相組成相組成物相對物相對量量%含碳量含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體三次滲碳體l含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關系為：含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關系為：3.4.1 對平衡組織的影響對平衡組織的影響3.4.2 對力學性能的影響對力學性能的影響l亞共析鋼亞共析鋼隨含碳量增加，隨含碳量增加，P 量增加，量增加，鋼的強鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降度、硬度升高，塑性、韌性下降。l 0.77%C時，組織為時，組織為100% P, 鋼的性能即鋼的性能即P的性能的性能。l 0.9%C，Fe3C為晶界連續網狀，為晶界連續網狀，強

22、度下強度下降降, 但硬度仍上升但硬度仍上升。l 2.11%C，組織中有以，組織中有以Fe3C為基的為基的Le,合合金太脆金太脆.3.5 鋼中的雜質元素鋼中的雜質元素3.5.1 硅和錳的影響硅和錳的影響鋼中的雜質一般是指鋼中的雜質一般是指Mn、Si、P、S。是由原料帶入或脫氧殘留的元素。是由原料帶入或脫氧殘留的元素。lMn: 0.8%時為雜質。作用時為雜質。作用: (1) 強化鐵素體強化鐵素體; (2) 消除硫的有害作用。消除硫的有害作用。l Si： 0.5%時為雜質。作用為：時為雜質。作用為：(1) 強化鐵素體；強化鐵素體；(2)增加鋼液流動性。增加鋼液流動性。l S：常以常以FeS形式存在。

23、易與形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶在晶界上形成低熔點共晶(985)，熱加，熱加 工時工時(11501200)，由于其熔，由于其熔化而導致開裂，稱熱脆性。鋼中的硫應控制在化而導致開裂，稱熱脆性。鋼中的硫應控制在0.045%以下以下. Mn可消除硫的有害作用可消除硫的有害作用,FeS + Mn Fe + MnS，MnS熔點高熔點高 (1600)。l P：也是有害元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。也是有害元素。能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。P一般控制在一般控制在0.045%以下。以下。有益元素：有益元素：

24、有害元素：有害元素：3.6 金屬鑄錠宏觀組織金屬鑄錠宏觀組織l在實際生產中，液態金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，在實際生產中，液態金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。l鑄錠鑄錠(件件)的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能有著直接的影響。有著直接的影響。l鑄錠鑄錠(件件)的宏觀組織通常由三個區組成的宏觀組織通常由三個區組成:1、鑄錠、鑄錠(件件)的組織的組織 表層細晶區：表層細晶區：澆注時，由于冷模壁產生很大的澆注時，由于冷模壁產生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區。的等軸晶粒區。 柱狀晶區：柱狀晶區：由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區前沿液體由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區前沿液體的過冷度減小，形核