铁碳合金

铁碳合金

钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性很大，已无实用价值。所以，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在6.69%以下。

第一节 铁碳合金的基本组织

铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。 1．铁素体

碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙分布较分散，所以间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。铁素体的塑性、韧性很好（δ=30～50%、aKU=160～200J／cm），但强度、硬度较低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。

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图4.1 铁素体的显微组织（200×）

2．奥氏体

碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体具有面心立方晶格，其致密度较大，晶格间隙的总体积虽较铁素体小，但其分布相对集中，单个间隙的体积较大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大为2.11%。

奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(σb≈400 MPa、δ≈40～50%、硬度为160～200HBS)，易锻压成形。

图4.2 奥氏体的显微组织示意图

3．渗碳体

渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，常用化学分子

式Fe3C表示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、aKU≈0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。

4．珠光体

珠光体是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度适中（180HBS）。

5．莱氏体

碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。在727℃以下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

第二节 Fe-Fe3C相图

图4.3 简化的Fe-Fe3C相图

一、相图分析

1．相图中的主要特性点

2．相图中的主要特性线

ACD线为液相线，在ACD线以上合金为液态，用符号L表示。液态合金冷却到此线时开

始结晶，在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体，用符号Fe3CI表示。

AECF线为固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，

这个区域内液体和固体共存。

ECF线为共晶线，温度为1148℃。

PSK 线为共析线，又称A1线，温度为727℃。

即S点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度(727℃)时，同时析出P点成分的铁素体和渗碳体。共析转变后的产物称为珠光体，S点称为共析点。凡是碳的质量分数为0.0218～6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。

ES线是碳在γ-Fe中的溶解度曲线，又称Acm线。碳在γ-Fe中的溶解度随温度的下降

而减小，在1148℃时溶解度为2.11%，到727℃时降为0.77%。

GS线，又称A3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。PQ线是碳在α-Fe中的

固态溶解度曲线。

二、铁碳合金的分类

根据碳的质量分数和室温组织的不同，可将铁碳合金分为以下三类： （1）工业纯铁 wc≤0.0218%。

（2）钢 0.0218%＜wc≤2.11%。根据室温组织的不同，钢又可分为三种：共析钢、亚共析钢、过共析钢。

（3）白口铁 2.11%＜wc＜6.69%。根据室温组织的不同，白口铁又可分为三种：共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁。

三、典型铁碳合金的结晶过程及组织

1．共析钢的结晶过程及组织

L→L＋ A→P

图4.4 共析钢结晶过程示意图

在共析温度下，珠光体中铁素体与渗碳体的相对重量可用杠杆定律计算：

QF?SK6.69?0.77?100%??100%?88.8%PK6.69?0.0218 PS0.77?0.0218?100%??100%?11.2%PK6.69?0.0218

QFe3C?珠光体的显微组织如图4.5所示。在显微镜放大倍数较高时，能清楚地看到铁素体和渗碳体呈片层状交替排列的情况。由于珠光体中渗碳体量较铁素体少，因此渗碳体层片较铁素

体层片薄。

图4.5 珠光体的显微组织（500×）

2．亚共析钢的结晶过程及组织

L→L＋ A→F＋A→F＋P

图4.6 亚共析钢结晶过程示意图

wc =0.45%的亚共析钢在727℃温度下，其组织中铁素体和珠光体的相对量可用杠杆定

律计算：

QF?fS0.77?0.45?100%??100%?42.8%PS0.77?0.0218 Pf0.45?0.0218?100%??100%?57.2%PS0.77?0.0218

QF?所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，只是铁素体和珠光体的相对量不同。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体，这是因为放大倍数较低，无法分辨出珠光体中的层片，故呈黑色。

图4.7 亚共析钢的显微组织（200×）

a) wc =0.1% b) wc =0.25% c) wc =0.6%

根据显微组织中珠光体所占的面积可粗略地计算出亚共析钢中碳的质量分数。由于室温下铁素体中碳的含量几乎为零，可以忽略不计，所以钢中碳的质量分数约等于珠光体中碳的含量，即：

wc =0.77%×SP

3．过共析钢的结晶过程及组织

L→L＋ A→Fe3CⅢ＋A→Fe3CⅢ＋P

图4.8 过共析钢结晶过程示意图

wc =1.2%的过共析钢室温组织珠光体和二次渗碳体的相对量可用杠杆定律计算：

QF?jK6.69?1.2?100%??100%?92.7%SK6.69?0.77 Sj1.2?0.77?100%??100%?7.3%SK6.69?0.77

QFe3C?所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。只是随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。过共析钢的显微组织如图4.9所示。图中层片状黑白

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