04金属材料热处理第四章铁碳合金教案
铁碳合金
碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。
一、本章教学目的
1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相；
2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分－组织－性能间关系；说明铁碳相图的基本应用；
3 介绍各种碳钢的牌号及应用。
二、 教学内容与要求
（1）分析铁碳相图，阐明铁碳合金的分类、成分、基本相、组织构成、性能特点；
（2）掌握铁碳合金的平衡结晶过程及组织规律。
（3）掌握含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响；
（4）了解钢中的杂质元素及其影响，铁碳相图的应用。
三、 重点与难点
重点：
（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 二次渗碳体 三次渗碳体
（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；
（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征；
（4）掌握铁碳合金的成分―组织－性能之间的关系
难点：
（1）包晶转变、共晶转变、共析转变；
（2）室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算
§4-1 铁碳合金的组元及基本相
一、纯铁
1、铁的同素异构转变
纯铁由液态结晶为固态后冷却到 1394℃及 912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。
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温度低于 912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在 912~1394℃间的
铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在 1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。
2、铁素体与奥氏体
碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号 F 或α表示，其最大溶解度为 0.0218wt%C，发生于 727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点 770℃以下均具有铁磁性。
碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号 A 或γ表示，其最大溶解度为 2.11wt%C，发生于 1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性。
3、纯铁的性能及应用
工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下： 拉伸强度σb：18×107~28×107N/m2；屈服强度σ0.2：10×107~17×107N/m2延伸率δ：30~50%； 断面收缩率ψ：70~80%
冲击值：160~200J/cm2； 布氏硬度 HBS：50~80
工业纯铁塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用做结构材料。主要用于要求软磁性的场合。
二、渗碳体
渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化合物，分子式为Fe3C；含碳
6.69wt%，它的硬度很高，脆性大，塑性和韧性几乎为零。
§4-2 Fe-Fe3C 相图分析
一、相图中的点、线、区及其意义
相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表：
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图中 ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成：
(1) 在 HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变：
转变产物是γ。此转变仅发生在含碳 0.09~0.53%的铁碳合金中。
(2) 在 ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变：
转变产物是γ和 Fe3C 的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号 Ld
表示。含碳 2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。
(3) 在 PSK 水平线（727℃）发生共析转变：
转变产物是α和 Fe3C 的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号 P 表
示。所有含碳量超过 0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为 A1温度。
此外，Fe-Fe3C 相图中还有三条重要的固态转变线：
(1) GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为 A3 温度。
(2) ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为 Acm 温度。低于此温度时，γ中将析出 Fe3C，称为二次渗碳体 Fe3CII，以区别于从液体中经 CD 线结晶出的一次渗碳体 Fe3CI。
(3) PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从 727℃冷却下来时，也将析出 Fe3C，称为三次渗碳体 Fe3CIII。
通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于 2.11%为碳钢，大于
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2.11%为铸铁，按 Fe-Fe3C 系结晶的铸铁，称为白口铸铁。
根据组织特征，可参照 Fe-Fe3C 相图将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：
(1) 工业纯铁：0.0218%C
(2) 共析钢：0.77%C
(3) 亚共析钢：0.0218~0.77%C
(4) 过共析钢：0.77~2.11%C
(5) 共晶白口铸铁：4.30%C
(6) 亚共晶白口铸铁：2.11~4.30%C
(7) 过共晶白口铸铁： 4.30~6.69%C
一、工业纯铁
合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至 3 点时，开始发生固溶体的同素异构转变δ →γ 。这一转变在 4 点结束，合金为单相γ。冷至 5~6点之间又发生同素异构转变γ →α ，6 点以下全部为α。冷却至 7 点时，碳在α中的溶解度达到饱和，在 7 点以下，将从α中析出三次渗碳体 Fe3CIII。因此工业纯铁的室温组织为α+Fe3CIII。
二、共析钢
合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 2 点凝固完毕，合金为单相γ。冷至 3 点（727℃）时，在恒温下发生共析转变：
转变产物为珠光体，即 P，是α和 Fe3C 的层片状混合物。P 中的 Fe3C 称
为共析渗碳体。因此共析钢的室温组织为 P。
P 中的α和 Fe3C 的相对量可用杠杆定律求得：
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三、亚共析钢
合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至 2 点（1495℃）时，δ固溶体的含碳量为 0.09%，液相的含碳量为 0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变：
由于合金碳含量大于 0.17%，所以包晶转变终了以后，还有过剩的液相存在。在 2’~3 点之间，液相中继续结晶出γ，所有γ固溶体的成分均沿 JE线变化。冷却至 3 点时，合金全部由γ组成。冷至 4 点时，开始从γ中析出α，α的含碳量沿 GP 线变化，而剩余γ的含碳量沿 GS 线变化。当冷却至 5 点（727℃）时，剩余γ的含碳量达到 0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。在 5’点以下，先共析铁素体中将析出三次渗碳体 Fe3CIII，但因其数量少，一般可忽略。因此亚共析钢的室温组织为 P+α。
四、过共析钢
合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 2 点凝固完毕，合金为单相γ。冷至 3 点开始从γ中析出二次渗碳体 Fe3CII，直到 4 点为止。这种先共析Fe3C 多沿γ晶界呈网状分布，量较多时还在晶内呈针状分布。温度降到 4 点（727℃）时，剩余γ的含碳量达到 0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。因此过共析钢的室温组织为 P+Fe3CII。
五、共晶白口铸铁
合金溶液冷却至 1 点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变：
转变产物为γ和 Fe3C 的机械混合物，即莱氏体 Ld，其形态为短棒状的γ分布在 Fe3C 基体上。冷至 1 点以下，共晶γ中不断析出二次渗碳体 Fe3CII，它通常依附于共晶 Fe3C 上而不能分辨。温度降到 2 点（727℃）时，共晶γ的含碳量达到 0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。 最后得到的组织由 P 分布在共晶 Fe3C 上所组成。这种室温下的组织保留了高温下共晶转变产物 Ld 的形态特征，但组成相γ已发生了转变，因此称为变态莱氏体，用符号 Ld’表示。因此共晶白口铸铁的室温组织为 Ld’。
六、亚共晶白口铸铁
合金溶液在 1~2 点温度区间结晶出γ固溶体，此时液相成分沿 BC 线变化，而γ固溶体的成分沿 JE 线变化。冷却至 2 点（1148℃）时，剩余液相的成分达到共晶成分，在恒温下发生共晶转变，形成 Ld。在 2 点以下，初晶γ和共晶γ中都析出二次渗碳体 Fe3CII。随着 Fe3CII的析出，γ固溶体的成分沿 ES 线降低。温度降到 3 点（727℃）时，所有γ都发生共析转变成为珠光体。
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因此亚共晶白口铸铁的室温组织为 Ld’+P+Fe3CII。
七、过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁平衡凝固时，初晶相是 Fe3C，其余的转变同共晶合金。过共晶白口铸铁的室温组织为 Ld’+Fe3CI，初晶 Fe3CI呈板片状。 下图给出了标示组织构成的铁碳相图。
§4-4含碳量以及杂质元素对钢平衡组织及性能的影响
一、碳含量对铁碳合金组织与性能的影响
1 对平衡组织的影响
根据结晶过程分析并运用杠杆定律计算的结果，可把铁碳合金的成分与组织的关系总结如图
当含碳量增高时，组织中不仅 Fe3C 的数量增加，而且 Fe3C 的存在形式也
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在变化，由分布在α的基体内（如 P）, 变为分布在γ的晶界上（Fe3CII），最后当形成 Ld 时，Fe3C 已作为基体出现。可见，不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，而这也正是决定它们具有不同性能的原因。
2、对机械性能的影响
Fe3C 是个强化相。如果合金的基体是α，则若 Fe3C 的量越多，分布越均匀，材料的强度就越高。但是当这种硬脆的 Fe3C 相分布在晶界，特别是作为基体时，材料的塑性和韧性就将大大下降。这也正是高碳钢和白口铁脆性高的原因。图表示了含碳量对碳钢的机械性能的影响。
由图可见，含碳量很低的纯铁，由于是由单相α构成，因此其性能就是α的性能，即塑性好，硬度和强度都很低。亚共析钢的组织是由不同数量的α与 P 组成的。随着含碳量的增加，组织中 P 的数量相应地增加，钢的硬度、强度直线上升，而塑性指标（δ、ψ、冲击值）相应降低。共析钢的缓冷组织是由片层状的 P 构成。由于 Fe3C 是一个强化相，它以细片状分散地分布于软韧的α基体上，起到了强化作用，因而使 P 具有较高的强度和硬度，但塑性较差。过共析钢缓冷后的组织由 P 和 Fe3CII 所组成。随着含碳量的增加，Fe3CII的数量逐渐增加。当含碳量不超过 1.0%时，由于在晶界上析出的 Fe3CII一般还不连成网状，故对性能影响不大。当含碳量大于 1.0%以后，因 Fe3CII数量的增多并呈连续网状分布，故使钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也随之降低。
3、对工艺性能的影响
1、切削性能：中碳钢比较合适。
2、可锻性能：低碳钢比高碳钢好。
3、铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。
4、焊接性能：低碳钢好于高碳钢
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二、杂质元素及其影响
1．锰的影响：锰是作为脱氧去硫的元素加人钢中的，在碳钢中锰属于有益元素。对镇静钢(冶炼时用强脱氧剂硅和铝脱氧的钢)，锰可以提高硅和铝的脱氧效果。作为脱硫元素，锰和硫形成硫化锰，在相当大程度上消除了硫的有害影响。
2．硅的影响：硅在碳钢中含量小于0.50％．也是钢中的有益元素。在沸腾钢(以锰为脱氧剂的钢)中硅含量很低(小于0.05％)，在镇静钢中，硅作为脱氧元素，含量较高(0.12％―0.37％)．硅增大钢液的流动性。硅除形成夹杂物外还溶于铁素体中，提高钢的强度而塑性韧性下降不明显。但硅含量超过0.8％―1.0％时钢的塑性和韧性显著下降。
3．硫的影响：硫是钢中的有害元素，它是炼钢中不能除尽的杂质。硫在固态铁中溶解度极小，它能与铁形成低熔点(1190℃)的FeS。FeS+Fe共晶体的熔点更低(9℃)。这种低熔点的共晶体一般以离异共晶的形式分布在晶界上。在对钢进行热加工(锻造、轧制)时，加热温度常在1000℃以上，这时晶界上的FeS+Fe共晶熔化，导致热加工时钢的开裂。这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。一般用锰来脱硫。锰与硫的亲和力比铁与硫的大，优先形成硫化锰，减少硫化铁。硫化锰熔点高(1600℃)，高温下有一定塑性，不会使钢产生热脆。
4．磷的影响：磷能使钢的脆性转变温度急剧升高，即提高了钢的冷脆(低温脆性)。
5．氮的影响：长期以来，习惯把氮看作钢中的有害杂质。当含氮较高的钢自高温快冷，铁素体中的溶氮量达到过饱和。如果将此钢材冷变形后在室温放置或稍为加温时，氮将以氮化物的形式沉淀析出，这使低碳钢的强度、硬度上升而塑性韧性下降。这种现象叫机械时效或应变时效，对低碳钢的性能不利。
6．氢的影响：氢对钢的危害表现在两个方面，一是氢溶人钢中使钢的塑性和韧性降低引起所谓“氢脆”；一是当原子态氢析出(变成分子氢)的造成内部裂纹性质的缺陷。白点是这类缺陷中最突出的一种。具有白点的钢材其横向试面经腐蚀后可见丝状裂纹(发纹)。纵向断口则可见光滑的银白色的斑点，形状接近圆形或椭圆，直径一般在零点几毫米至几毫米或更大。具有白点的钢一般是不能使用的。
7. 氧的影响：氧在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物形式存在，而且往往形成复合氧化物或硅酸盐。这些非金属夹杂物的存在，会使钢的性能下降，影响程度与夹杂物的大小数量、分布有关。
