第四章 鐵碳合金的基本組織與狀態(tài)圖

1、機(jī)械混合物：由幾個(gè)相組成的組織。例：珠光體：鐵素體（間隙固溶體）與滲碳體（金屬化合物）組成的機(jī)械混合物。例：80鋼 （含碳0.8%的碳素體）平衡狀態(tài)下：粗珠光體或細(xì)珠光體或極細(xì)珠光體。,1-5 鐵碳合金的基本組織與狀態(tài)圖1-5-1鐵碳合金的基本組織液態(tài)：無限互溶固態(tài)：碳能溶于鐵的晶體中，形成間隙固溶體，和固溶體與Fe3C構(gòu)成機(jī)械混合物。(一)鐵素體（F）碳溶于α—Fe（體心立方晶格）中形成間隙固溶體。,由于體心立

2、方晶格的間隙小，溶碳能力極差，在7270C時(shí)溶碳量為0.0218%，隨著溫度的下降溶碳逐漸減小，6000C時(shí)為0.0057%，室溫時(shí)幾乎為零。因此鐵素體在室溫時(shí)性能幾乎與純鐵相同，其強(qiáng)度、硬度不高，但有良好的塑性與韌度。,體心立方晶格的鐵存在于9100C以下和1390～15350C兩個(gè)溫度范圍內(nèi)，故鐵素體也存在于這兩個(gè)溫度范圍內(nèi)。為了區(qū)別，將低溫區(qū)鐵素體稱為α鐵素體或低溫鐵素體；高溫區(qū)鐵素體稱為δ鐵素體或高溫鐵素體。14950C時(shí)，碳在

3、δ—Fe中最大溶解度為0.09%。,(二)奧氏體（A）（英國金屬學(xué)家Austen)碳溶于γ—Fe（面心立方）中形成間隙固溶體。由于晶格間的最大空隙比α—Fe大，溶碳能力較大11480C時(shí)為2.11%隨溫度下降溶碳量逐漸減小7270C時(shí)為0.77%。奧氏體存在于727～14950C的溫度范圍，強(qiáng)度低，塑性好，伸長率為40%，硬度（HB）為170～220，無鐵磁性。,奧氏體組織金相圖,(三)滲碳體（Fe3C） 鐵

4、與碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物，含碳量6.69%。鐵碳合金中，碳的含量超過碳在鐵中的溶解度時(shí)，多余的碳便形成Fe3C。滲碳體的晶格是復(fù)雜斜方晶格，晶格中Fe和C都正離子化，F(xiàn)e3C有明顯的金屬特性，能導(dǎo)電、有金屬光澤。,滲碳體組織金相圖,Fe3C的結(jié)構(gòu)決定了它極硬（可刻畫玻璃）、極脆，是鐵碳合金中的硬組元。熔點(diǎn)為12270C， 無同素異晶轉(zhuǎn)變。 一定條件下（高溫、長期保溫）滲碳體可分解： Fe3C → 3

5、Fe +C（石墨）,鐵素體和球狀石墨,鐵素體和團(tuán)絮狀石墨,球墨鑄鐵的顯微組織,(四)珠光體（P） 鐵素體與Fe3C形成的混合物。 所有含碳量超過0.02%的合金中，均發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，影響范圍包括任何成分的鐵碳合金，室溫下的平衡組織都有珠光體存在。,4.珠光體 ( P )鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物,。,(五)萊氏體（Ld）（德國學(xué)者Ledebur)奧氏體和Fe3C組成的機(jī)械混合物，此反應(yīng)發(fā)生于含碳量為2.0～

6、6.67%的合金中。萊氏體（ledeburite）萊氏體是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成的奧氏體和滲碳體所組成的共晶體，其含碳量為ωc＝4.3％。當(dāng)溫度高于727℃時(shí)，萊氏體由奧氏體和滲碳體組成，用符號Ld表示。在低于727℃時(shí)，萊氏體是由珠光體和滲碳體組成，用符號Ld’表示，稱為低溫萊氏體。因萊氏體的基體是硬而脆的滲碳體，所以硬度高，塑性很差,5.萊氏體 ( Ld )奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。,1-5-2 Fe—Fe3

7、C狀態(tài)圖幾個(gè)概念：共晶轉(zhuǎn)變：一定成分的液相在一定溫度（恒溫）下同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相的轉(zhuǎn)變。鐵碳相圖中C點(diǎn)。 11480C L4.3% → Ld（A 2.11%C +Fe3C ）,共析轉(zhuǎn)變：一定成分的固溶體在一定的恒溫下同時(shí)析出個(gè)新固體的轉(zhuǎn)變。鐵碳相圖中S點(diǎn) 7270C A0.77%C → P（F0.0218%C+Fe3C ）,Fe - Fe3

8、C 相圖,,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148℃,727℃,L,A,L+A,6.69%C,Ld,Ld+Fe3CⅠ,A+Ld+Fe3CⅡ,F,A+F,P,Ld’,K,( P+Fe3C ),P+Ld’+Fe3CⅡ,Ld’+Fe3CⅠ,P+F,P+Fe3CⅡ,( F+ Fe3C ),A+ Fe3CⅡ,L+ Fe3CⅠ,( A+Fe3C ),Fe - Fe3C 相圖的分析,五個(gè)重要的成份點(diǎn): P、S、E、C、K。四條重要的線:

9、EF、ES、GS、FK。兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變: 共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。二個(gè)重要溫度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。,一二三四五六巧記鐵碳相圖：“一”指一種合金組織滲碳體（ Fe3C ）：特別需要注意從金屬液態(tài)直接結(jié)晶出滲碳體稱為一次滲碳體（ Fe3C Ⅰ），而從A（奧氏體）中析出滲碳體稱為二次滲碳體（ Fe3C Ⅱ）。很易把兩者混淆。 “二”指二個(gè)坐標(biāo)：Ｃ/％、Ｔ／0C；在畫的時(shí)候容易忘記這兩坐標(biāo)標(biāo)注。,“三”指三個(gè)

10、單項(xiàng)：Ａ（奧氏體）、Ｐ（珠光體）、Ｌd（萊氏體）。在鐵碳合金相圖中，只有三個(gè)區(qū)域中是單項(xiàng)組織，其中在7270C以下含碳量為0.77％時(shí)，其成分只有Ｐ（珠光體），11480C以下含碳量為4.3％時(shí)，其成分只有Ｌd（萊氏體），在這些地方經(jīng)常容易漏掉。 “四”指四個(gè)含碳量：0.77％、2.11％、4.3％、6.69％；,“五”指五種溫度：15380C，11480C，12270C，9120C，7270C； 六指六條線： (1)ACD液

11、相線：其以上組織都是液態(tài)。 (2)AECF固相線：其以下組織都是固態(tài)。 (3)GS、A3線：奧氏體析出鐵素體的開始線：奧氏體析出鐵素體,(4)ES、Acm線：溶解度線：奧氏體析出滲碳體稱為二次滲碳體 。(5)ECF共晶線：金屬液態(tài)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，萊氏體（Ld）。(6)PSK、A1共析線：當(dāng)合金組織冷卻到7270C以下奧氏體（A）全部轉(zhuǎn)成珠光體（P）。,共析反應(yīng)(7270C),1-5-3 鐵碳狀態(tài)圖上合

12、金的分類及其組織根據(jù)相變特征和室溫組織不同，可將鐵碳狀態(tài)圖上的各種合金分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類：1、工業(yè)純鐵C＜0.0218%的鐵碳合金。,2、鋼C 0.0218～2.11%的鐵碳合金。特點(diǎn)是高溫固態(tài)組織為塑性很好的奧氏體，常用于熱壓力加工。根據(jù)相變特征和室溫組織不同分為三種：,1）亞共析鋼 含C＜0.77%的鋼。所有亞共析鋼冷到室溫后，均由鐵素體和珠光體組成。含碳量越高鐵素體越少珠光體越多。,亞共析鋼組織金相圖,2）共析

13、鋼 含C＝0.77%的鋼。室溫組織全部為珠光體，一般呈片狀。,共析鋼組織金相圖,共析鋼的室溫組織,3）過共析鋼 含C＞0.77%的鋼。室溫組織為珠光體和二次滲碳體構(gòu)成。由于二次滲碳體沿奧氏體晶界析出，顯微組織呈網(wǎng)狀分布。二次滲碳體的含量隨鋼中碳含量增加而增加，Ｃ＝２.11％時(shí)，其量達(dá)到最大。,過共析鋼組織金相圖,３.白口鑄鐵是C 2.11～6.69%之間的鐵碳合金。特點(diǎn)是液態(tài)結(jié)晶時(shí)都有共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為以滲碳體為基的萊氏體組織，性能很脆，不

14、能鍛造。由含碳量和室溫組織不同，分為三種。1）亞共晶白口鑄鐵 C＜4.3%，室溫組織由珠光體、二次滲碳體和低溫萊氏體組成。含碳量接近共晶成分的合金時(shí)，組織中萊氏體增多，大塊珠光體減少。,亞共晶白口鐵組織金相圖,亞共晶合金組織形態(tài),2）共晶白口鑄鐵 C＝4.3%，室溫組織由珠光體、二次滲碳體和共結(jié)晶滲碳體組成低溫萊氏體。顯微鏡下，珠光體呈黑色，白色基體為滲碳體，其中二次滲碳體與共晶滲碳體連在一起，無本質(zhì)區(qū)別，不易分別。,共晶白口鐵組

15、織金相圖,共晶合金組織形態(tài),3）過共晶白口鑄鐵 C 4.3～6.69%范圍，室溫組織為一次滲碳體和低溫萊氏體組成。顯微組織中亮白色的條狀（板狀）為初生滲碳體（Fe3CⅠ），基體為低溫萊氏體，其中黑點(diǎn)為珠光體、白色部分為滲碳體。 白口鑄鐵基本都含有萊氏體，這是與鋼區(qū)別的特點(diǎn)。,過共晶白口鐵組織金相圖,過共晶合金組織形態(tài),1-5-4 碳對鐵碳合金平衡組織和性能的影響1、鐵碳合金的組織隨含碳量增加的變化是：F → F+P

16、 → P → P + Fe3CⅡ → P+ Fe3CⅡ+L‘d →L‘d → L‘d+ Fe3CⅠ→ Fe3C即：工業(yè)純鐵、亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵。含碳量增加時(shí)，組織中不僅Fe3CⅡ的數(shù)量增加，F(xiàn)e3C的存在形式也在變化，由分布在鐵素體的基體內(nèi)（如P）變?yōu)榉植荚趭W氏體的晶界上（Fe3CⅡ）最后形成萊氏體時(shí)，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)。含碳量不同的鋼鐵有不同組織這是決定它們

17、具有各自性質(zhì)的原因。,2、碳量對鐵力學(xué)性能的影響 當(dāng)碳量＜0.9%，隨著鋼中含碳量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度直線上升，塑性、韌度不斷降低難以加工。 當(dāng)碳量＞0.9%，因沿著晶界形成的二次滲碳體網(wǎng)趨于完整，不僅使鋼的塑性、韌度進(jìn)一步降低，強(qiáng)度也明顯下降。故工業(yè)上使用的鋼含碳量低于1.3～1.4%以保證鋼材具有足夠的強(qiáng)度一定的塑性和韌度。,當(dāng)碳量＞2.11% 的白口鑄鐵，由于有較多的滲碳體在組織中以連成基體，性能上特別硬而脆，難以切削

18、加工，除作為煉鋼原料一般應(yīng)用不廣。,3、鐵碳相圖的應(yīng)用（1）在選材方面 鐵碳相圖總結(jié)了鐵碳合金組織和性能隨成分的變化規(guī)律。這樣可以根據(jù)零件的服役條件和性能要求選擇合適的材料。 建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，選用碳含量較低的鋼材、低碳鋼。    機(jī)械零件需要強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料，應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。,工具要用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高的鋼種、高碳鋼。

19、 即需要塑性好、韌性好的材料可選低碳鋼；需要強(qiáng)度、硬度、塑性好的材料可選中碳鋼；需要硬度、耐磨性好的材料可選高碳鋼。,純鐵的強(qiáng)度低，不宜用做結(jié)構(gòu)材料，但由于其導(dǎo)磁率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵芯等。   白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。,例如

20、：碳鋼中加入Mn，可改變共析點(diǎn)的位置，組織中可提高珠光體相對含量，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。,（2）在鑄造成型方面 根據(jù)相圖中液相線的位置，可確定各種鑄鋼和鑄鐵的澆注溫度，為鑄造工藝提供依據(jù)。 共晶成分的鑄鐵合金熔點(diǎn)最低，結(jié)晶溫度范圍小，有良好的鑄造性能。因此在鑄造生產(chǎn)中，經(jīng)常選用接近共晶成分的鑄鐵。 同鑄鐵相比鋼的熔化溫度和澆注溫度要高的多，其鑄造性能差，易產(chǎn)生收縮，因此鋼的鑄造工藝比較復(fù)雜。,根據(jù)

21、Fe- Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50℃～100℃。從相圖上可看出，純鐵和共晶白口鑄鐵的鑄造性能最好，它們的凝固溫度區(qū)間最小，因而流動(dòng)性好，分散縮孔少，可以獲得致密的鑄件，所以鑄鐵在生產(chǎn)上總是選在共晶成分附近。在鑄鋼生產(chǎn)中，碳含量規(guī)定在0.15-0.6%之間，因?yàn)檫@個(gè)范圍內(nèi)鋼的結(jié)晶溫度區(qū)間較小，鑄造性能較好。,3）在壓力加工成型方面 鋼處于奧氏體狀態(tài)時(shí)強(qiáng)度較低，塑性較好，因此鍛造或軋制選在單

22、相奧氏體區(qū)進(jìn)行。一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以上100℃～200℃范圍內(nèi)。一般始鍛溫度為1150℃～1250℃，終鍛溫度為750℃～850℃。,4）在熱處理工藝方面的應(yīng)用  Fe- Fe3C相圖對于制訂熱處理工藝有著特別重要的意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe- Fe3C相圖確定的。這將在熱處理中詳細(xì)闡述。,在運(yùn)用Fe-Fe3C相圖時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：    &

23、#160;①Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)，如含有其它元素，相圖將發(fā)生變化。     ②Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)，若冷卻或加熱速度較快時(shí)， 其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。,1-5-5 杠桿定律及其應(yīng)用 杠桿定律表示平衡狀態(tài)下兩平衡相的化學(xué)成分與相對質(zhì)量之間的關(guān)系。用來計(jì)算兩平衡相分別占總合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即各相的相對質(zhì)量，也可用來

24、確定組織中各組成物的相對質(zhì)量。 因?yàn)榍蟪鰞上嗟南鄬χ亓筷P(guān)系與杠桿定律很相似，故稱為杠桿定律。,1、只適用于平衡狀態(tài)下；2、只適用于兩相區(qū)；3、杠桿總長度為兩平衡相的成分點(diǎn)之間的距離，杠桿的支點(diǎn)一般為合金成分點(diǎn)，杠桿的位置由所處的溫度決定。4、用杠桿定律計(jì)算組織組成物時(shí)，必須依據(jù)該合金的平衡結(jié)晶過程分析，找出與組織相對應(yīng)的兩相區(qū)，使組織與相組成物相對應(yīng)才能進(jìn)行。,例題：計(jì)算鐵碳合金中二次滲碳體的最大相對量的白分比。