铁碳合金相图全面分析.doc

铁碳平衡图
（The Iron-Carbon Diagrams）
连聪贤
ㄧ、目的及要求
本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。
二、内容
铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。铁碳合金状态图的实际应用。锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。碳铁的分类、编号、性能和用途。
三、学习要领
铁碳合金状态图是金属热处理的基础。必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。练习绘制铁碳合金状态图，对不同成分的合金结晶过程进行分析。
四、课程纲要
（一）铁碳合金的构成元素及基本相
1. 合金的构成元素与名词解释
（1）金属特性：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。
（2）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。
（3）相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分，物理上均质且可区分的部分。
（4）固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
（5）固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
（6）化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。 
（7）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。
（8）平衡：随着时间的进行，系统没有巨大的变化，谓之平衡。
（9）平衡相图：显示在不同压力、温度及成分时，会存在何种平衡稳定相的图示。材料科学中最常见的相图是温度－成分图。
（10）组织：金属材料各个晶粒的成分、粗细、形状、方向、相这些因素的组合，称金属的组织。
（11）晶粒：同一结构的物系，由于原子排列方向的不同，造成物系内包含许多各种方向的晶体，这些个别晶体称之晶粒。晶粒与晶粒间区域称之晶界（grain boundary）。
（12）平衡相图可提供的信息：含何种相及几相共存？各项成分为何？各相含量比例为何？
（13）杠杆定律：若组成与温度的交点落于两相区，则此两相含量的比例由杠杆定律求得。
2. 铁碳合金的基本相
(1) 铁素体(Ferrite)；(F)；(α-Fe)
组织:碳在α-Fe中的固溶体。
特性:呈体心立方晶格.固溶碳能力最小,最大为0.0218%;硬度和强度很低,HB=80-120,σb=250N/mm2;而塑性和韧性很好,δ=50%,ψ=70-80%.因此,含铁素体多的钢材(软钢)中用来做可压、挤、冲板与耐冲击震动的机件。铁素体在768℃以下具有铁磁性，在768℃以上则失去铁磁性。这类钢有超低碳钢,如 工业用纯铁,硅钢片等。
（2）奥氏体(Austensite)；(A)；(γ-Fe)
组织:碳在γ-Fe中的固溶体
特性:呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.11%,在一般情况下,具有高的塑性,但强度和硬度低,约170-220HB, δ为40~50%，因此塑性较高，易于缎压成形。奥氏体组织除了在高温转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏体不锈钢等。
（3）渗碳体(Cementite)；(C)；(Fe3C)
组织:铁和碳的化合物(Fe3C)
特性:呈复杂晶格结构的间隙化合物.含碳量为6.67%,硬度很高,相当于800HB,耐磨,但脆性很大,因此,渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起.碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是以渗碳体或其它碳化物形式出现。Fe3C是一种介稳态相，在一定条件下会发生分解。
（4）珠光体(Pearlite)；(P又分Pc , PM , Pf)
组织: 铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织,是铁素体与渗碳体之共析体)。
特性: 是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物.其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织越细性质也不同.奥氏体在约600℃分解成的组织称为中珠光体(Sorbite),在500-600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为细珠光体(Troostite),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高.正常化后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性能较好,但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中。
（5）莱氏体(Ledeburite)；(L’d）)
组织:奥氏体与渗碳体的共晶混合物。
特性:铸铁合金溶液含碳量在2.11%以上时,缓慢冷到1147℃便凝固出共晶莱氏体.当温度到达共析温度（A1）时,共晶莱氏体中的奥氏体转变为珠光体.因此,在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合). 莱氏体硬而脆(＞700 HB),不能进行压力加工,如白口铸铁.在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和高Cr型高合金工具钢等.这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性。
（二）Fe-Fe3C相图分析
1. 相图中的点、线、相区及其意义：如表1-1，1-2，1-3所示。
2. 包晶反应（Peritectic reactions）：（水平线HJB）
其特征是首先晶出之初晶固溶体与周围残留液体间发生反应，而生成第二种固溶体，将原来的初晶包起来。
包晶反应式： L( 0.53%C )＋δ (0.09 %C) → γ (0.17%C)
3. 共晶反应（Eutectic reactions）：（水平线ECF）
是由一种液体同时析出两种不同的固体。
共晶反应式：L (4.3 %) → γ (2.11％C) ＋ Fe3C( 6.67%C)
4. 共析反应（Eutectoid reactions）：（水平线PSK）
是由一种固体同时析出两种不同的固体。
共析反应式：γ (0.77％ C) → γ (0.218％C ) ＋ Fe3C( 6.67%C)
5. 三 条重要的特性曲线（GS线、ES线、PQ线）
（三）铁碳合金的平衡结晶过程及组织
1. 工业纯铁（Pure iron）（含碳＜0.0218%）
2. 共析钢（eutectoid steel）（含碳为0.77%）
3. 亚共析钢（hypo-eutectoid steel）（含碳＜0.77%）
4. 过共析钢（hyper-eutectoid steel）（含碳＞0.77%）
5. 共晶白铸铁（Eutectic white cast iron）（含碳为4.3%）

6. 亚共晶白铸铁（hypo-eutectic white cast iron）（含碳＜4.3%）
7. 过共晶白铸铁（hyper-eutectic white cast iron）（含碳＞4.3%）
以上合金之结晶过程如图1-1至图1-8所示。
（四）含碳量对铁碳合金的平衡组织和性能的影响
1. 对平衡组织的影响－不同成分及组织特征、组织组成物相对量（％）、相组成物相对量（％）等。
2. 对机械性质的影响－强度、延展性、硬度等。
3. 对加工性能的影响－切削加工性能、可锻性、铸造性、热处理等。
（五）钢中的杂质元素及钢锭组织
1. 钢中的杂质元素及其影响－锰、硅、硫、磷、氮、氢、氧及其它非金属夹杂物的影响。
2. 钢锭组织及其巨观缺陷－全静钢（Killed steel），半静钢
（Semi-killed steel），未净钢（rimmed steel）。

表1-1 铁碳合金的特性点
符号
温度（℃）
含碳量（％）
说 明
A
1538
0
纯铁之熔点
B
1495
0.53
包晶反应时液态合金的成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
渗碳体的成分
G
912
0
纯铁之A3变态点（α - Fe → γ - Fe）
H
1495
0.09
碳在δ - Fe中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
K
727
6.69
渗碳体的成份
M
770
0
纯铁的磁性变态点
N
1394
0
γ-Fe → δ -Fe的变态温度
P
727
0.0218
碳在α - Fe中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点
γ0.77（S）→α0.02（P）＋Fe3C6.67（K）
Q
600
0.006
600℃时碳在α - Fe中的最大溶解度

表1-2 铁碳合金的特性线
变态线
说 明
AB
δ固溶体之液相线
AH
δ固溶体之固相线
HJB
包晶线，温度1495℃
NH
A4变态之冷却开始温度曲线
NJ
A4变态之冷却终了温度曲线
BC
γ固溶体之液相线
JE
γ固溶体之固相线
CD
Fe3C之初晶线
ECF
γ固溶体与Fe3C之共晶线
ES
γ固溶体中Fe3C之溶解度曲线，称为Acm线
GS
A3变态之开始温度曲线
GP
A3变态之终了温度曲线
PSK
α固溶体与Fe3C之共析线，温度727℃，称为A1变态线
PQ
α固溶体中Fe3C之溶解度曲线
MO
铁素体的磁性转变线，230℃虚线为Fe3C的磁性转变线

表1-3 铁碳合金的特性相区
单相区 相区
说 明
ABCD
液相区（L）
AHNA
δ固溶体区（δ）
NJESGN
奥氏体区（γ或A）
GPQG
铁素体区（α或F）
DFKL
渗碳体（Fe3C或Cm）
两相区
L+δ；L+γ；L+Fe3C；δ+γ；γ+α；γ+Fe3C；
α+Fe3C
三相区
HJB－包晶反应线；
ECF－共晶反应线；
PSK－共析反应线

五、典型铁碳合金分析

六、含碳量与铁碳合金的组织、性能间的关系
（一）含碳量与平衡组织间的关系

（二）含碳量与机械性能间的关系
1.含碳量与组织百分率对强度、硬度间的关系

1.含碳量与组织百分率对延性、韧性间的关系

七、Fe-Fe3C及Fe-G相图的应用
（一） 在选材方面的应用
（二） 在制定热加工制程方面的应用
1. 铸造方面的应用
2. 锻造方面的应用
3. 焊接方面的应用
4. 热处理方面的应用
（三）在实际生产应用上，使用Fe-Fe3C相图时还应注意以下两点：
1. 实际使用之合金，并非铁碳合金。
2. Fe-Fe3C平衡相图，这种组织都是以极缓慢加热、冷却所得到的。
八、附录
1.铁－碳系复平衡图

九、作业
1. 画Fe-Fe3C之平衡图，标注其重要温度，相区及含碳量。
2. 现有形状尺寸完全相同的四块平衡状态的铁碳合金，它们分别为0.2%C；0.40%C；1.2%C；3.5%C合金。根据你所学过的理论，可有哪些方法来区别它们。
3. Fe-Fe3C相图除可作为选材的重要工具外，请说明其对制定铸、锻、焊及热处理等热加工制程有何重要性？
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