第三章 鐵碳合金

1、第三章 鐵碳合金第一節(jié) 鐵碳合金基本知識一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變自然界中大多數(shù)金屬結(jié)晶后晶格類型都不再變化，但少數(shù)金屬，如鐵、錳、鈷等，結(jié)晶后隨著溫度或壓力的變化，晶格會有所不同，金屬這種在固態(tài)下晶格類型隨溫度（或壓力）變化的特性為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如圖3-1所示。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變可概括如下：-Fe 和-Fe都是體心立方晶格，-Fe為面心立方晶格。純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的特征，是鋼鐵材料能夠通過熱處理改善性能的重要依據(jù)。純鐵在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，由于晶格結(jié)構(gòu)變化，體積也隨之改變，這是加工過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的主要原因。二、鐵碳合金的基本組織在鐵碳合金中，由于鐵和碳的交互作用，可形成下列五種基本組織：1、

2、鐵素體（F）鐵素體是碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體，它仍保持-Fe的體心立方晶格結(jié)構(gòu)。由于-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218%（727），所以是幾乎不含碳的純鐵。鐵素體由于溶量小，力學(xué)性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強(qiáng)度、硬度較低。顯微鏡下觀察，鐵素體呈灰色并有明顯大小不一的顆粒形狀。2、奧氏體（A）奧氏體是碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體。它保持-Fe的面心立方晶格結(jié)構(gòu)。因其晶格間隙較大，所以溶碳能力比鐵素體強(qiáng)，在727時溶碳量為0.77%，1148時溶碳量達(dá)到2.11%。奧氏體的強(qiáng)度、硬度較低，但具有良好的塑性，是絕大多數(shù)鋼高溫進(jìn)行壓力加工的理想組織。

3、由于-Fe一般存在于7271394之間，所以奧氏體也只出現(xiàn)在高溫區(qū)域內(nèi)。顯微鏡觀察，奧氏體呈現(xiàn)外形不規(guī)則的顆粒狀結(jié)構(gòu)，并有明顯的界限。3、滲碳體（Fe3C）滲碳體是鐵與碳形成的具有復(fù)雜斜方結(jié)構(gòu)的間隙化合物，含碳量為6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韌性幾乎為零。主要作為鐵碳合金中的強(qiáng)化相存在。顯微鏡下觀察，滲碳體呈銀白色光澤，并在一定條件下可以分解出石墨。4、珠光體（P）珠光體是鐵素體和滲碳體組成的共析體（機(jī)械混合物）。珠光體的平均含碳量為0.77%，在727以下溫度范圍內(nèi)存在。力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，即綜合性能良好。顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因此得名

4、。5、萊氏體（Ld）萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的共晶體。鐵碳合金中含碳量為4.3%的液體冷卻到1148時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成高溫萊氏體（Ld）。合金繼續(xù)冷卻到727時，其中的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，故室溫時由珠光體和滲碳體組成，叫低溫萊氏體（Ld）。統(tǒng)稱萊氏體。萊氏體中由于大量滲碳體存在，其性能與滲碳體相似，即硬度高，塑性差。第二節(jié) 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是表示在緩慢冷卻的條件下，表明鐵碳合金成分、溫度、組織變化規(guī)律的簡明圖解，它也是選擇材料和制定有關(guān)熱處理工藝時的重要依據(jù)。由于WC>6.69%的鐵碳合金脆性很大，在工業(yè)生產(chǎn)中沒有使用價值，所以我們只研究WC小于6.69%的部分。WC=6.

5、69%對應(yīng)的正好全部是滲碳體，把它看作一個組元，實(shí)際上我們研究的鐵碳相圖是Fe-Fe3C相圖。為了便于研究分析將其簡化，便得到了簡化的Fe-Fe3C相圖，如圖3-4所示。一、相圖分析簡化的Fe-Fe3C相圖縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為碳的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，其中包括共晶和共析二種典型反應(yīng)。1、Fe-Fe3C相圖中典型點(diǎn)的含義 見表3-1表3-1 Fe-Fe3C相圖中幾個特性點(diǎn)符號溫度/含碳量（%）說 明A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)，D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度G9120純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)P7270.0218碳在中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)

6、，2、Fe-Fe3C相圖中特性線的意義 見表3-2。表3-2 簡化的Fe-Fe3C相圖中的特性線特性線含 義ACD液相線AECF固相線GSA3線，冷卻時不同含量的A中結(jié)晶F的開始線ESAcm線，碳在A中的固溶線ECF共晶線 PSK共析線，A1線。3、Fe-Fe3C相圖相區(qū)分析依據(jù)特性點(diǎn)和線的分析，簡化Fe-Fe3C相圖主要有四單相區(qū)：L、A、F、Fe3C；五個雙相區(qū)：L+A、A+F、L+ Fe3C、A+ Fe3C、F+ Fe3C。（見圖3-4所示）二、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析1、鐵碳合金分類(1)工業(yè)純鐵：Wc0.0218%；2、典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析依據(jù)成分垂線與相線相交情況，分析幾種典型

7、鐵碳合金結(jié)晶過程中組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。（1）共析鋼的結(jié)晶過程分析(如圖3-5、3-6所示)：（2）亞共析鋼的結(jié)晶過程分析（如圖3-7、3-8所示）：（3）過共析鋼的結(jié)晶過程分析（如圖3-9、3-10所示）：（4）共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程分析：（5）亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程分析：（6）過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程分析：第三節(jié) 鐵碳合金相圖的應(yīng)用一、含碳量對鐵碳合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律1、含碳量對平衡組織的影響 綜上所述，鐵碳合金在室溫的組織都是由F和Fe3C兩相組成，隨著含碳量增加，F(xiàn)不斷減小，而Fe3C逐漸增加，并且由于形成條件不同，F(xiàn)e3C的形態(tài)和分布有所變化。如圖3-11所示.2、含碳量對力學(xué)性能的影響 圖3-12為含碳量對碳鋼的力學(xué)性能的影響。由圖可見，隨著鋼中含碳量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，而塑性和韌性下降，這是由于組織中滲碳體量不斷增多，鐵素體量不斷減少的緣故。但當(dāng)WC=0.9%時，由于網(wǎng)狀二次滲碳體的存在，強(qiáng)度明顯下降。工業(yè)上使用的鋼含碳量一般不超過1.4%；而含碳量超過2.11%的白口鑄鐵，組織中大量滲碳體的存在，使性能硬而脆，難以切削加工，一般以鑄態(tài)使用。二、鐵碳相圖的應(yīng)用1、作為選材的主要依據(jù) 相圖表明了鋼鐵材料成分、組織