机械工程材料 第三章 铁碳合金

机械工程材料课程第三章铁碳合金

发布日期：[13-02-10 16:06:04] 浏览人次：[2517]

机械工程材料课程第三章铁碳合金

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第四章铁碳合金

钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，因此在工业上得到了广泛的应用。钢铁材料的性能是由它的化学成分和内部组织结构所决定的。而组成钢铁材料的两个最基本的组元是铁和碳，所以研究铁碳合金有非常重要的意义。

通过铁碳合金相图的学习，来认识铁和碳的相互作用，从而了解铁碳合金成分、组织与性能三者之间的关系，以便正确地应用铁碳合金相图的知识，合理的选用钢铁材料和制定各种热加工工艺。

第一节铁碳合金的相组成

一、工业纯铁

一般来讲铁从来不会是纯的，其中总会有杂质。工业纯铁中常含有0.10～0.20%的杂质。这些杂质由碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等十几种元素所构成，其中碳约占0.006～0.02%左右。

工业纯铁的显微组织是由许多不规则的多边形小晶粒所组成。纯铁具有“同素异构”转变，即在固态下加热或冷却时，其内部结构发生变化，从一种晶格转变为另一种晶格的变化。如图4-1所示。

纯铁在室温下的晶体结构是体心立方晶格，称之为α-Fe，它的晶格常数a=2.86。α-Fe具有良好的塑性，同时具有良好的导磁性能。当温度升到770℃(居里点)稍上时，其晶体结构没有变化，仍是体心立方晶格，

但铁已失去了磁性，这种铁称之为β-Fe；由于α-Fe→β-Fe时，晶格未发生变化，故β铁不属于同素异构转变,而称为磁性转变。

当温度升高到912℃时，纯铁内部的晶体结构发生了变化，由体心立方晶格转变为面心立方晶格，称之为γ-Fe，，其晶格常数a=3.64，它存在于912～1394℃之间。由于γ-Fe和α-Fe的晶体结构不同，性能也不同。γ-Fe的塑性比α-Fe还要好，γ-Fe无磁性；γ-Fe的溶碳能力也大。

当温度继续升到1394℃稍上时，铁的晶格又由面心立方转变为体心立方，其晶格常数a=2.93，无磁性，它存在于1394～1538℃之间，这种铁称之为δ-Fe。当温度超过1538℃时，纯铁熔化成铁水。

由上可知，纯铁随温度的变化；发生了两次同素异构转变。纯铁的同素异构转变也遵循结晶的一般规律，即在旧相的晶界上形核，然后逐渐长大，直至转变完成。

图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

纯铁的机械性能与其组织中晶粒大小有密切关系，晶粒愈细，强度愈高。室温下纯铁的机械性能大致为σb=180～230MN／m2；σ0.2=100～170MN／m2；δ=30～50%；ψ=70～80%；Ak=128～160J；50～80HBS。由此可知，纯铁的塑性较好，强度较低，具有铁磁性，所以除在电机工业中利用作铁芯材料外，在—般的机器制造中很少应用，常用的是铁碳合金。

工业上得到广泛应用的是铁和碳所组成的合金，铁碳合金中最基本的相有铁素体、奥氏体和渗碳体。

二、铁素体它是碳溶在α-Fe中的一种间隙固溶体，用符号F表示。由于Fe是体心立方晶格，原子间间隙较小，因而溶碳能力小，在室温下仅溶碳0.006～0.008%，在727时，溶碳量可达0.0218%。碳溶于α-Fe时碳原子可能存在的位置如图5-3所示。由于铁素体的溶碳量小，它的组织和性能几乎和纯铁的组织和性能相同。

三、奥氏体它是碳溶在γ-Fe中的一种间隙固溶体，用符号A表示。γ-Fe为面心立方晶格，它的原子间隙比α-Fe稍大，因而其溶碳能力比α-Fe也大，在727℃时，溶碳量为0.77%，到l148℃时可到最大溶碳量2.11%。碳溶于γ-Fe时，碳原子可能存在的位置是γ-Fe的间隙位置。在此需强调指出的是，并非在所有的间隙处都填满碳原子，当在晶格上某个间隙溶入碳原子后，则邻近若干个间隙就不可能再溶进去碳了。奥氏体为无磁性，通常存在于高温(727℃以上)，它塑性好，变形抗力小，易于锻造成型。也是不规则的多边形晶粒。

四、渗碳体即碳化三铁Fe3C；它具有复杂的晶体结构，如图2-14所示，属于复杂结构的间隙化合物。渗碳体的含碳量为6.69%，没有同素异构转变，它的硬度很高，约为800HBW，塑性和冲击韧性很差(δ≈0，ak≈0)，渗碳体硬而脆，强度很低，但耐磨性好。如果它以细小片状或粒状分布在软的铁素体基体上时，起弥散强化作用，对钢的性能有很大影响。Fe3C是一个亚稳定的化合物，在一定温度下可分解为铁和石墨，即：

Fe3C→3Fe+C(石墨)

这是铸铁石墨化的依据。

第二节铁碳合金相图

铁碳合金相图是表示在极缓慢冷却(或加热)条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。从中可以了解到碳钢和铸铁的成分(含碳量)、组织和性能之间的关系，它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据，而且是钢和铸铁热处理的理论基础。

当碳含量超过溶解度以后，剩余的碳在铁碳合金中可能有两种存在方式：渗碳体Fe3C或石墨。因之铁碳合金相图也就分成两个系列：Fe-Fe3C系列、Fe-石墨系。因为石墨是一个稳定相，而Fe3C是一个介稳定相，故Fe-Fe3C系相图又叫做介稳定系铁碳相图，而Fe-石墨系相图叫做稳定系铁碳相图。在通常情况下，铁碳合金常按Fe-Fe3C系进行转变，当碳含量高于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。故在此我们只讨论含碳量低于6.69%的铁碳合金即介稳定系Fe-Fe3C相图。

一、Fe-Fe3C相图分析

Fe-Fe3C相图如图4-2所示。

图4-2 Fe-Fe3C相图

我们先看一下相图上横坐标的两端，即含碳为0%和6.69%的情况。

含碳量为0%时，即为纯铁。它在固态时具有同素异构转变，从高温到低温分别存在δ-Fe、γ-Fe和α-Fe，图上的N点(1394℃)和G点(912℃)为纯铁的临界点。N点和G点又经常记为A4点和A3点。

含碳量为6.69%时，铁和碳形成渗碳体Fe3C，渗碳体没有同素异构转变。

含碳量在0%到6.69%之间时，由许多点、线将相图分为不同的区域。

（一）恒温转变线

Fe-Fe3C相图初看起来似乎很复杂，但运用我们前面所学的二元合金相图知识来逐步进行分析时，发现并非如此。就整个图形来说，Fe-Fe3C相图可看成是δ-Fe—Fe3C二元包晶相图(左边上部分)、γ-Fe—Fe3C二元共晶相图(右边)和具有共析反应的α-Fe—Fe3C二元合金相图(左边下部分)的复合。因此在相图上有三条水平线(HJB、BCF、PSK相应的发生三个恒温反应：

1、在1495℃(HJB水平线)发生包晶反应，HJB线叫包晶线，其反应为LB+δH →AJ包晶反应的结果形成了奥氏体。此反应对于热处理工艺关系不大，故无多大实用意义。包晶反应只可能在含碳量为0.09～0.53%的铁碳合金中发生。

2、在1148℃(ECF水平线)发生共晶反应，故ECF线叫共晶线，其反应为Lc→AE+Fe3C，C点称为共晶点，其含碳量为4.3%。共晶反应的结果形成了奥氏体和渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体(Ld)。此反应可在含碳量为2.11～6.69%的铁碳合金中发生。

由此可知，ABCD为液相线，而AHJECF为固相线。

3、在727℃(PSK水平线)发生共析反应，其反应为AS→FD+Fe3C，S点称为共析点，其含碳量为0.77%。共析反应的结果形成了铁素体和渗碳体的共析混合物，此共析混合物称为珠光体(P)。共析反应的温度常用A1表示，所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金中，即实际在工程上常用的铁碳合金中均能发生共析转变。（二）主要转变线

此外，在Fe-Fe3C相图中还有三条主要的固态转变线：

1、GS线—表示不同含碳量的合金，由奥氏体中开始析出铁素体(冷却时）或铁素体全部溶入奥氏体(加热时的转变线，常用A3表示，故GS线又称A3线。

2、ES线—碳在奥氏体中的固溶线。常用Acm表示。由该线可看出，碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，所处的温度是1148℃。而在727℃时只能溶解0.77%的碳。凡含碳量大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃时。均会从奥氏体中析出渗碳体，常常呈连续网状分布，称此渗碳体为二次渗碳体（Fe3CⅡ）以区别从液态金属中直接结晶出的一次渗碳体(Fe3CⅠ)。

3、PQ线—碳在铁素体中的固溶线。由该线可看出，碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，所处的温度为727℃。温度降至600℃时，可溶解0.0057%的碳，而在室温时，只可溶解0.0008%的碳，故一般铁碳合金从727℃缓冷至室温时，均可从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体Fc3CⅢ，只有在含碳量极低的碳钢中才能看到三次渗碳体组织；含碳较高的铁碳合金，析出的三次渗碳体都附着在先前产生的Fe3C相上，看不出单独的组织。因Fe3CⅢ数量极少，故—般在讨论中经常予以忽略。

由此可知；一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体结构和性质均相同。

如果用“相”来描述Fe-Fe3C相图的话，通过以上分析可知，相图中存在五个单相区(即基本相区)；ABCD 以上为液相区；AHNA包围的为δ固溶体区；NJESGN包围的为奥氏体(A)区；GPQG包围的为铁素体(F)区；

DFKL、为Fe3C区。而相图中其他任一区域的组成相皆为其相邻两个单相区的相的组合。如GSPG区域为F+A；HJNH区域为δ+A……等等。依次类推，在相图中共有七个两相区。

（三）、铁碳合金分类

如果用“组织”来描述Fe-Fe3C相图的话，铁碳合金按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：

1、工业纯铁(<0.0218%C)；

2、钢(0.0218～2.11%C)；包括亚共析钢(<0.77%C)、共析钢(0.77%C)和过共析钢(>0.77%C)；

3、白口铸铁(2.11～6.69%C)；包括亚共晶白口铸铁(<4.3%C)、共晶白口铸铁(4.3%C)和过共晶白口铸铁(>4.3%C)。

下面通过六种典型的铁碳合金来讨论它的结晶过程及其组织。所选择的各种合金的成分如图4-3所示。

图4-3 典型的铁碳合金在相图上的位置二、典型合金的结晶过程及其组织

我们通过研究六种典型合金结晶过程的组织变化来认识Fe-Fe3C合金相图的组织及其变化规律。

（一）共析钢(0.77%C)的结晶过程分析

图4-3中合金①为共析钢，合金①在1点以上的温度为液相(L)，冷却至稍低于1点温度开始从L中结晶出奥氏体(A)；冷至2点温度，L全部凝固为A。1～2点间为L与A两相区。冷至3点温度(727℃)时，A发生共析反应转变为珠光体,即A0.77→F0.0218+Fe3C。

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示。在金相显微镜下观察，能清楚地看到珠光体是铁素体和渗碳体呈片层相间的组织，即层片状组织特征，如图4-4所示。其中的渗碳体又称共析渗碳体，可通过适当的热处理，得到另外一种珠光体组织形态，即球状或粒状珠光体。它是珠光体中渗碳体呈小球状或颗粒状分布在铁素体基体上，如图4-5所示。图4-6是共析钢的结晶过程示意图。

图4-4 层状珠光体组织400×图4-5 粒状珠光体组织400×

图4-6 共析钢结晶过程示意图

珠光体中铁素体和渗碳体的相对量可用杠杆定律求出：

（二）亚共析钢(0.0218~0.77%C)的结晶过程分析

含碳量在0.09～0.53%范围内的亚共析钢，冷凝至1495℃时均发生包晶转变，转变产物为奥氏体(A)；而≥0.53%C的亚共析钢，结晶过程将不发生包晶反应，而直接从L中结晶出A。合金②的成分为0.53%C，图4-7所示为其结晶过程示意图。

图4-7 亚共析钢结晶过程示意图

合金②冷凝后得到A组织，冷却至GS线(点3温度)时，发生A→F的转变，称为先共析铁素体。继续冷却，A的含碳量沿GS线逐渐增加而趋近于S点，冷至727℃时，未转变完的A的含碳量增至0.77%，在恒温下发生共析反应，转变为珠光体(P)，最终显微组织为F+P。

必须指出，所有亚共析钢的室温组织都是F+P。它们间的主要差别，在于其中的F与P的相对量和F的分布情况不同。距S点愈近的亚共析钢，其组织中含P量愈多而F量愈少。约在含0.4%C的亚共析钢中，F 与P的量各占一半小于0.53%C的亚共析钢组织，其中F呈块状分布，而大于0.53%C的亚共析钢组织，其中F呈网状分布于P的晶界处。图4-8为0.20%C、0.40%C和0.60%C的亚共析钢的室温组织。

图4-8 含碳量0.4%亚共析钢的显微组织（200×）（三）过共析钢(0.77～2.11%C)的结晶过程分析

合金③为过共析钢，冷却后得到A组织，冷至ES线(点3温度时)，A中的含碳量达到饱和，将沿A晶界开始析出Fe3CⅡ,又称为先共析渗碳体，随着温度降低，A的含碳量沿ES线逐渐减少，Fe3CⅡ不断沿A晶界析出。冷却至727℃时，剩余的A的含碳量变至0.77%，在恒温下发生共析反应而转变为P，室温下的最终组织为P和呈网状分布的Fe3CⅡ。图4-9为过共析钢的结晶过程示意图。图4-10 所示为其显微组织

图4-9 过共析钢的结晶过程示意图

图4-10 含碳1.2%的过共析钢显微组织（400×）

（四）共晶白口铸铁(4.3%C)的结晶过程分析

合金④为含碳量4.3%共晶铁碳合金，冷至点1温度(1148℃)时，在恒温下发生共晶反应形成莱氏体，即由液态合金中同时结晶出奥氏体和渗碳体两种晶体的混合物。通常用符号Ld表示，其反应是：

L4.3→Ld(A+Fe3C)

当温度降至727℃时莱氏体中的奥氏体又转变为珠光体,故室温下的莱氏体为珠光体和渗碳体的混合物组织，用L表示。莱氏体硬而脆(800 HBW)，但耐磨，它是白口铸铁的基本组织。钢和铸铁都是由以上这些基本组织组成。由于它们的成分不同，组织特征不同，因而机械性能也不同。

莱氏体中奥氏体一般呈树枝状分布在渗碳体的基体上。冷至点1温度以下时，碳在A中的溶解度沿ES线不断减少，因此Fe3CⅡ不断沿奥氏体晶界析出；且依附在共晶渗碳体上而不好区分。冷至点2温度（727℃）时，A的碳含量减为0.77%，发生共析转变为P。最后得到的组织是树枝状的珠光体分布在共晶渗碳体的基体上，称为低温莱氏体或变态莱氏体L(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)。图4-11所示为结晶过程示意图。图4-12所示是显微组织。

图4-11 共晶白口铸铁结晶过程示意图

图4-12 共晶白口铸铁的室温显微组织(200×)

（五）亚共晶白口铸铁(2.11～4.30%C)的结晶过程分析

合金⑤为亚共晶铁碳合金的结晶过程。1点温度以上为液相L，在l～2点温度之间由L中析出初生晶A，随温度下降，初生A量增多，且液相成分按BC线变化，A成分沿JE线变化，冷至2点温度(1148℃)时，剩余液相的成分达到C点成分，在恒温下发生共晶转变，转变为莱氏体。在2～3点温度之间，初生晶A与共晶A都析出Fe3CⅡ，随着Fe3CⅡ的析出，A的含碳量沿ES线变化。冷至3点温度(727℃)时，所有A都发生共析转变而成为P。室温下的最终组织为P+Fe3CⅡ+Ld(P+Fe3CⅡ+Fe3C)。图4-13是合金⑤的结晶过程示意图。

图4-13 亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图

图4-14 含3.0%C亚共晶白口铸铁的室温显微组织(200×)

图4-14是其室温下的显微组织。图中大块黑色部分为由初生A转变而来的P，基体为莱氏体，组织中所有的Fe3CⅡ都依附在共晶Fe3C上且连在—起，难以分辨。

（六）过共晶白口铸铁(4.30～6.69%C)的结晶过程分析

合金⑥为过共晶铁-碳合金，其结晶过程和组织转变与亚共晶铁-碳合金类似，只是先

共晶产物是渗碳体。这种从液相L中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体Fe3C，在显微镜下呈白色条片状。室温组织为Fe3CⅠ+Ld’(P+Fe3CⅡ+Fe3C)，图4-15是过共晶白口铸铁的结晶过程示意图。图4-16是其室温下的显微组织。

图4-15 过共晶白口铸铁的结晶过程示意图