铁碳合金相图分析.ppt

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1、第七章 铁 碳 合 金,7.1 概 述 7.2 纯 铁 7.3 碳与铁碳合金中的相 7.4 Fe-Fe3C 7.5 Fe-C 7.6 铁碳合金成分、组织与性能间的关系 7.7 钢中的杂质,7.1 概 述,钢铁是铁与碳的合金，各种合金钢也是在铁与碳的基础上，为了具有某种特殊的性能而添加一些合金元素。钢铁是目前人类社会中最重要的金属材料。因此，铁与碳的合金是最重要的合金。 铁碳元素在地壳中占41.2，储量集中，易于开采，而且易于从矿石中还原成金属； 铁碳合金的强韧性配合得好；,铁碳合金可形成两个同素异构体，多种组织，性能变化范围宽； 776以下，具有铁磁性； 熔点为1538 ，热激活过程可以在不太

2、高的温度下进行。 可以有意无意地加入其它元素，得到各种各样的性能。,7.2 纯 铁,1. 铁元素的化学特性 化学元素铁的原子序数是26，在第四周期，属于过渡族，原子量是55.85，原子轨道是3d64s2。 铁的熔点是1538，汽化温度是2738，密度为7.87g/cm3。 2. 纯铁的多形性 从高温到低温，纯铁由液相依次发生了三种多形性变化：,液相（L） -Fe -Fe -Fe 其中： -Fe为体心立方晶体结构。 -Fe为面心立方晶体结构，此时发生第一次同素异形 转变； -Fe面心立方的边长为0.36563nm，最近原子间距为 0.25850nm，原子半径 0.12925nm，四面体间隙的边

3、长为0.02908nm，八面体间隙边长为 0.05350nm。 -Fe为体心立方晶体结构，此时发生第二次同素异形 转变； -Fe体心立方的边长为0.28663nm，最近原子间距为 0.24821nm，原子半径 0.12410nm，四面体间隙的边 长为0.03596nm，八面体间隙边长为 0.01862mm。,1538,1394,912,纯铁的性能与应用 力学性能：b176274MPa 0.298166MPa 3050，7080 HB5080 aK1.52MNm/m2 应 用：主要应用于电子材料，作为铁芯。,7.3 碳与铁碳合金中的相,碳的物理化学特性 碳的原子序数是6，原子量是12.01，密度

4、是2.25g/cm3。 碳的原子半径为0.34nm。碳有两种存在形式：石墨和金刚石，石墨较为广泛。 石墨是由碳原子层组成，层内原子呈正六边形。层内原子由共价键结合，原子间距为0.142nm。层间原子由弱金属键结合，间距为0.34nm。 石墨的晶体结构属于六方晶系，其中a0.46nm，c0.670nm，每个晶胞含有四个原子。,碳在铁中的固溶体 碳与铁通过相互作用可形成铁素体和奥氏体两种间隙固溶体以及化合物渗碳体。 铁素体是碳原子作为间隙式溶质溶入到体心立方晶体铁-Fe的间隙中形成的间隙式固溶体。C在-Fe的溶解度是：G(wt%)2.55exp（9700/RT），碳在体心立方中的溶解度十分有限，7

5、27时，C在-Fe中的溶解度是0.022。 铁素体有与纯铁相同的性能，居里点是770。常用符号：F或 奥氏体是碳原子作为间隙式溶质溶入到-Fe中的间隙形成的间隙式固溶体。,由于面心立方的八面体间隙较大，因此-Fe的溶碳能力较高，1147时碳在-Fe中有最大溶解度，2.14。 奥氏体有较好的塑性，具有顺磁性。常用A或表示。 渗碳体是铁与碳组成的化合物Fe3C。 渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中a0.4524nm，b0.5089nm，c0.6743nm。单胞中有12个Fe原子，4个碳原子，Fe：C3：1。晶胞中每个碳原子周围有6个铁原子，组成一个三角棱柱，碳原子位于三角棱柱的中心。含碳为6.69。

6、渗碳体具有很高的硬度，HV9501050，而塑性几乎为零，常温下具有铁磁性，居里点是230，熔点计算值为1227。,铁碳合金相图 渗碳体在热力学中上是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但在实际中，石墨的表面能很大，形核需要很高的能垒，一般条件下，碳大多和铁结合成渗碳体，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。 因此，铁碳相图有两类： 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是06.69 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0100。 通常，相图中有虚实两线，实线表示类，虚线表示类，无虚线部分表示两者共有，此称为双线铁

7、碳相图。,7.4 Fe-Fe3C相图,1. Fe-Fe3C相图,由上可知，Fe-Fe3C相图中有以下组成部分： 液相线：ABCD 固相线：AHJECF 五个单相区：L，和Fe3C 七个两相区：L ，L ，L Fe3C， ， ， Fe3C， Fe3C 两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230的虚线（渗碳体 的） 三条水平相变线：HJB包晶转变线 ECF共晶转变线 PSK共析转变线,三个相变 包晶转变： 1493时，B点成分的液相和H点成分的铁素体进行包晶反应生成J点成分的奥氏体，即LB+H=J 共晶转变： 1147时，C点成分的液相通过共晶转变生成E点成分的奥氏体和渗碳体，即LC EFe3C。

8、 反应得到的共晶体EFe3C称为莱氏体，用字母Ld表示。莱氏体继续冷却至727时，莱氏体中的奥氏体要发生相变，相变后的莱氏体用 表示。 共析反应： 727时，S点成分的奥氏体共析分解成P点成分的铁素体和渗碳体，即SPFe3C。 所得到的共析体PFe3C称为珠光体，用P表示。,3. 铁碳合金的平衡结晶和组织转变 1）铁碳合金的分类 工业纯铁：碳含量小于0.022的铁碳合金称为工业纯铁，其特点是在冷却过程中不发生共析反应。 钢：碳含量在0.0222.14之间的铁碳合金称为钢，其特点是结晶过程不发生共晶反应。根据室温组织的不同，钢又分为： 共析钢：碳含量为0.76 亚共析钢：碳含量在0.0220.7

9、6之间 过共析钢：碳含量在0.762.14之间 铸铁：碳含量在2.146.69之间的铁碳合金称为铸铁，又称白口铁。,白口铁的特点是结晶过程发生共晶转变，因而有较好的铸造性能。但渗碳体量很多，质脆，不能锻造。根据室温组织的不同，白口铁又分为： 共晶白口铁：碳含量为4.30 亚共晶白口铁：碳含量在2.114.30之间 过共晶白口铁：碳含量在4.306.69之间 2）各类铁碳合金的组织转变 工业纯铁,高温液相开始冷却： 在a1点温度开始从液相中结晶出铁素体 结晶完毕后在a2点温度开始形成单相 冷却至a3点温度时开始从相的晶界上中析出相，直至a4点温度 冷却至a5点温度时，在 相晶界上,析出铁素体，至

10、a6点温度时相全部转变为相 在a7点温度时， 铁素体中的碳达到饱和，继续冷却将从铁素体中析出Fe3C，分布在铁素体的晶界上。 室温下的平衡组织： 铁素体 Fe3C 共析钢,高温钢液开始冷却： b1温度时从液相中结晶析出相，直至b2点温度时完毕 单相一直保存至b3点温度 在b3点温度发生共析反应，得到珠光体 利用杠杆定律，可计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对量：,在珠光体团中，珠光体中铁素体和渗碳体是有一定位向关系的： 珠光体是由交替排列的片层铁素体和渗碳体构成的。,亚共析钢,当合金自液相冷却时： 在c1点温度开始结晶析出铁素体 在c2点温度时，发生包晶转换，即液相成分变到B点，相成分变到H点，转

11、变生成J点成分的相。此时相消失，但仍留有过剩的L相 剩余液相在继续冷却过程中，结晶生成相，至c3点温度结束，得到单相的相，直至c4点 在c4点温度时，开始在晶界位置处有相析出，继续降低温度， 相不断增多 在c5点温度，相成分变到S点，共析反应生成成分为P点的 相，形成珠光体。,通常将共析反应前从奥氏体中析出的铁素体称为先共析铁素体。 利用杠杆定律，设碳含量是0.3的亚共析钢，则共析反应后组织中的先共析铁素体和珠光体的相对量为：,此时，合金中与Fe3C两相的相对量为：,亚共析钢的室温平衡组织是先共析铁素体和珠光体。 亚共析钢中的先共析铁素体可能呈现不同的形态：先共析铁素体在奥氏体晶界上形核后，可

12、形成沿原奥氏体晶界的网状先共析铁素体；也可沿奥氏体晶内某特定晶面生长成相互平行的片状，即魏氏组织。 过共析钢,当合金从液相开始冷却： 在d1点温度开始结晶出相，直至d2点温度时结束，得到单相 在d3点温度时，奥氏体中的碳得到饱和，继续冷却时，奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C ，呈网状沿奥氏体晶界析出 在d4点温度时，发生共析转变，s点成分的奥氏体共析分解，形成珠光体。,共析反应后，过共析钢的室温组织是Fe3C和珠光体。 设有一碳含量为1.0的过共析钢，则应用杠杆定律，可知二者在组织中的相对量为： 过共析钢的网状碳化物随钢中含碳量的增多而增多，网状碳化物对钢的性能有极恶劣的影响，特别是造成钢的塑性

13、和冲击韧性的大幅降低，因此在实际生产中一定要避免或消除这种网状碳化物。,当合金自液相冷却时： 达到共晶温度，发生共晶反应，形成莱氏体，即奥氏体和渗碳体的两相混合物 继续冷却，莱氏体中的渗碳体不变，其中的奥氏体成分沿ES线变化，从奥氏体中析出Fe3C，附着在共晶体的渗碳体上，难以观察 冷却到共析温度时，奥氏体成分变到S点，莱氏体中的奥氏体发生共析分解形成珠光体（这种经共析反应的莱氏体称为低温莱氏体） 珠光体在低温时继续析出三次渗碳体。,共晶白口铁,共晶反应后莱氏体中两相的相对量是： 亚共晶白口铁,当合金自液相冷却时： 在f1点温度时开始结晶出奥氏体，之后液相成分沿BC线变化，相成分沿JE线变化

14、冷却到f2时，液相成分变化到C点， 相成分变化到E点，此时液相发生共晶转变，形成莱氏体 继续冷却，奥氏体成分沿ES线变化，达到f3点时，S点成分的奥氏体（包,括先共晶的奥氏体和莱氏体中的奥氏体）发生共析转变，形成珠光体，珠光体转变后的莱氏体称为低温莱氏体 继续冷却，从珠光体和低温莱氏体中的铁素体中都有三次渗碳体析出。 过共晶白口铁,当合金自液相冷却时： 在g1点温度，从液相中开始结晶出渗碳体（这种从液相中直接析出的渗碳体为一次渗碳体） 冷却到g2点温度时，剩余液相成分变到C点，发生共晶反应，得到莱氏体 继续冷却，奥氏体成分沿ES线变化，达到g3点时，S点成分的奥氏体发生共析转变，,形成珠光体，

15、共析转变后的莱氏体称为低温莱氏体 继续冷却，从珠光体和低温莱氏体中的铁素体中析出三次渗碳体。 总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而相比之下，室温组织组成物却有、Fe3C、P、 Fe3C、Fe3C 和 。,7.5 Fe-C相图,1. Fe-C相图,A,G,N,Q,G,与Fe-Fe3C相图的不同之处： 1）液相线：ABC 固相线：AHJ 2）在Fe-Fe3C相图中所有析出渗碳体的线、点，在Fe-C相图中除位置除有所改变外，都是析出石墨： 线析出初次石墨 线析出二次石墨 线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏体与片状石墨组成的团

16、状组织，即一个共晶领域是一个奥氏体石墨共晶团。,用扫描电镜可以观察到石墨的空间形态，由此可以证明，在一个共晶领域内石墨是相互连接成多枝状的。光学显微镜下观察到的条状石墨乃是这些多枝状石墨片的截面。 线上发生共析转变，得到的共析组织是铁素体与石墨组成。 石墨呈点状分布在铁素体基体上，但在含碳量大于2.08的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附在共晶石墨上生长。,2. 各类铁碳合金中的石墨形态 接近共晶成分的铁碳合金： A型 石墨无方向性均匀分布 B型 石墨呈片状与点状聚集成的菊花状分布 亚共晶成分的铁碳合金： 亚共晶合金如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较多的先共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体

17、石墨共晶只能在枝晶间生长。此时石墨呈D型分布。,石墨在枝晶间呈点片状分布,过共晶成分的铁碳合金： 过共析成分的铁碳合金凝固后组织中含有初次石墨 C型：初次石墨呈粗大的片状 F型：初次石墨呈星状分布,如果在亚共晶、过共晶或共晶合金浇注前，向液体中加入少量的镁或稀土元素，并加入硅进行变质处理，则合金凝固后的石墨呈球状。 碳含量大于2.08并按稳定系统发生共晶转变的合金，由于其断口呈灰色，叫做灰口铸铁，当石墨呈球状时，称为球墨铸铁。,7.6,含碳量低于2.11并按亚稳系统转变的合金 含碳量低于2.11的铁碳合金是纯铁和钢。而钢按碳含量的多少又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。其室温组织分别为： 纯 铁

18、铁素体和沿晶界分布的三次渗碳体，三次渗 碳体的含量随碳含量的增加而增加。 亚共析钢铁素体和珠光体，珠光体的含量随碳含量的 增加而直线增加。,铁碳合金的成分、组织 和性能之间的关系,过共析钢珠光体和二次渗碳体。随着碳含量的增加，二 次渗碳体的含量增多。二次渗碳体沿奥氏体晶 界析出，当数量足够多时，便会形成连续的网 络。 纯铁和各类钢室温下的相组成都是铁素体和渗碳体。随着碳含量的增加，渗碳体量逐渐增多。 根据合金的性能大体上是组成相性能的平均值这一规律，铁碳合金的各项性能与碳含量之间大致具有直线关系。如图所示为碳含量对缓冷钢力学性能与某些物理性能的影响：,由图可知，抗拉强度b在碳含量接近1.0是出

19、现峰值，这是因为由于脆性的二次渗碳体在碳含量高于1.0时会形成连续的网络，使钢的脆性大增，因而会使脆性的二次渗碳体处出现早期的裂纹并发展成断裂，使抗拉强度随之降低。 在拉伸实验中，拉伸曲线具有明显的上、下屈服点。（如图曲线a）同时还观察到应变时效现象。 应变时效：如果在超过下屈服点以后卸载并立即重新加载进行试验，试样将发生弹性变形直到第一次的卸载点为止，,在其后发生塑性变形时，不出现屈服点（如图曲线b）。如果在卸载后放置一段时间或在200左右短时间加热后再试验，则屈服点将重新出现，并伴有屈服应力提高（如图曲线c） 。,含碳量在2.116.69并按亚稳系统转变的 合金 1）组织特性 这类合金的组

20、织中至少含有总量为31.5的渗碳体，并以含有莱氏体为其特征。 亚共晶铸铁：随着碳含量的增加，莱氏体含量由0增至 100。 过共晶铸铁：随着碳含量的增加，莱氏体含量由100减 至0，但初次渗碳体的含量却由0增至 100。 2）性能特性 渗碳体很脆，莱氏体又是以渗碳体为基体的共晶体，因此这类合金都具有很大的脆性，但同时，硬度和耐磨性都很高，在某些条件下可用于表面要求很高硬度和耐磨性的零件。,按稳定系统转变的合金 1）组织特性 按稳定系统转变后，所有合金在室温下均由铁素体和石墨组成。 2）性能特性 这类合金的强度和塑性都很差，这是因为： 铁素体本来是个强度很低而塑性很高的相，而石墨本来几乎没有机械强

21、度。由这样两种相组成混合物时，石墨的存在一方面减少了铁素体承受机械载荷的有效断面积，另一方面又由于石墨呈片状，具有的尖端效应造成应力集中，几乎使合金的塑性丧失殆尽。,实际生产中的合金转变 实际上，含碳量小于2.11的合金在一般情况下都是按照亚稳系统转变的。 含碳量高于2.08的合金，在实际生产中是把成分控制在共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝固与转变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统转变得到珠光体。,L,2.08A,4.3 Ld,0.68A,0.0218F,Fe,G共晶,G二次,G共析,G三次,第一阶段,第二阶段,第三阶段,如图，铸铁经不同程度石墨化后所得的组织,5. 石墨化的

22、一些规律 1）合金元素 促进石墨化的合金元素：C、Si、Al、Ni、Co 阻碍石墨化的合金元素：Cr、W、Mo、Y、Mn、S 2）高温下长时间保温，可促进石墨化。 3）可锻铸铁和球墨铸铁的吸振性、铸造性、切削加工性较好。变质处理的球墨铸铁，其力学性能近于钢的水平。,7.7 钢中的杂质,钢中杂质的来源 由于原料和冶炼工艺的限制，实际使用的钢中都含有0.4Si、0.8Mn、0.07S、0.09P以及微量的气体元素O、H、N等。 其中，Si和Mn是在钢的冶炼过程中必须加入的脱氧剂，而S、P、O、N、H等则是从原料或大气中带来而在冶炼使不能去净的杂质。 2. 杂质元素对钢组织性能的影响 Si和Mn 在

23、钢脱氧时，Si和Mn可把FeO还原成铁，并形成SiO2和,MnO。Mn还可与钢液中的S形成MnS。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为 非金属夹杂物。 Si和Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，Mn还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。 溶于铁素体中的Si和Mn可提高铁素体的强度，因而也提高钢的强度。当它们的含量大约不超过1时，不降低钢的塑性和韧性。所以，认为Si和Mn是钢中的有益元素。 值得注意的是：冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾

24、钢。,S S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeS。FeS又可与铁形成熔点为989的（FeFeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间。由于S含量一般不超过0.1%,故（FeFeS）共晶体的量也很少，几乎都是离异共晶。 如果钢中存在（FeFeS）共晶体，在加热到11501200之间时，它们就会成为液体 ，一经锻打，钢就会沿晶界开裂。这种现象叫做热脆或红脆。即使不经压力加工，网状FeS的存在对钢的力学性能也是损害极大的。如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（FeFeOFeS)三相共晶体，其危害更大。,钢中的Mn可以减弱S对钢的有害作用

25、。由于Mn和S化学亲和力大于Fe和S的化学亲和力，所以在含Mn的钢中，S和Mn形成MnS，从而避免了FeS的形成。MnS的熔点在1600，高于热加工温度，并在高温下具有一定的塑性，故不会使钢发生热脆。但MnS毕竟是一种非金属夹杂物，起着割断钢的基体连续性的作用，会降低钢的疲劳强度、塑性和韧性。 此外，S含量过高，会使钢铸件在铸造应力的作用下发生热裂，对焊接件而言易于在焊缝处发生热裂，同时还易于在焊接过程中生成SO2气体，使焊缝产生气孔和疏松。 所以，S是一种有害元素。普通质量钢中其含量0.055；优质钢中其含量在0.040以下；高级优质钢则0.030；要求更高时，甚至限制其含量0.020。,但

26、S在个别情况下表现出对钢性能的有利作用。如在易削钢中同时提高Mn和S的含量，使钢中含有较多的MnS。MnS可降低钢的塑性，使切削易于断裂。MnS还在切削过程中起到一定的润滑作用，减小刀具与工件之间的摩擦，延长刀具的寿命。 P P在Fe中有最大溶解度，1049可达2.55。虽然随着温度的降低，溶解度将不断下降，但在室温仍达1左右，远大于钢中的一般P含量。因此在一般情况下，钢中的P全部存在于固溶体中。 由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大，因此P在Fe中具有很强的偏析倾向。,在铁基合金中，P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力，但在P含量较高时，它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。 P在低温下

27、会变脆，这种现象叫做冷脆，开始变脆的温度叫做韧脆转化温度，它与钢的成分和组织状态有关。P会降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度。 因此，在含量较高时，P是一种有害元素。一般情况下，普通钢的P含量限制在0.045以下；优质钢在0.04以下；高级优质钢在0.035以下。 高P钢也可被利用： 1）在炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片，杀伤更多的敌人；,2）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的表面光洁度； 3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性。 N N是在冶炼时由炉料以及炉气进入钢中的。在平炉钢中，N含量为0.0010.008，纯氧顶吹转炉中，约为0.00

28、30.006，电炉中约为0.0080.03。 N在铁中的溶解度较大，在铁中的溶解度较小。由于N在铁中的溶解度与室温下的溶解度差别较大，因此将含N较高的钢从高温淬冷时，铁素体中的N含量将达到过饱和，钢材长时间放置或稍行加热时，N将逐渐以氮化铁的形,式从铁素体中弥散析出。这会使低碳钢的强度、硬度上升，塑性、韧性下降，这种现象叫做时效硬化，是有害的。 含有N的低碳钢在冷塑性变形后，性能将随时间变化，即强度、硬度增高，塑性、韧性降低。这种现象叫做应变时效。 P还会使钢发生蓝脆现象。蓝脆就是指钢在加热到150300时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象。这是因为在空气中加热到150300时，由于氧化作用

29、，钢的表面呈现蓝色，故这种现象称为蓝脆。蓝脆一般是有害的。 H H是在冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大气带入钢中的。,H在铁中的溶解度很小，在钢中的含量一般很少，但对钢的危害却很大。这主要是由于H溶解于固态钢中时，对钢的屈服点和抗拉度没有明显的影响，但却剧烈的降低钢的韧性。若钢快冷，则过饱和的氢就会析出形成高压氢气使钢产生裂纹，即形成白点。 O 炼钢是靠氧化除去原料中的杂质的。尽管最后经过脱氧，但总有一定数量的氧残留在钢中。对低碳钢来说，平炉钢约为0.020.03，电炉钢约为0.010.02，而侧吹碱性转炉钢约为0.040.07。 O在钢中的溶解度很小，在700时，铁能溶氧0.008，而在500 以下降至小于0.001。常见的氧化物有Al2O3、MnO、SiO2、 FeO等，它们往往还会形成复合氧化,物或硅酸盐。 O含量对钢的性能的影响主要决定于氧化物的数量、大小、形状和分布，而这些又与氧化物的种类及钢的凝固、加工过程有关。总体来说，钢中O含量的增高，钢的塑性、韧性下降，韧脆转化温度升高，疲劳强度下降。在轧压温度下塑性较好的夹杂物，特别是硅酸盐，轧压时将沿压延方向伸长，且两端比较尖锐，对横向力学性能影响尤大。此外，这些夹杂物还是冷冲压性能及切削加工性变坏。,