第三章 铁碳合金(一)

第三章铁碳合金众所周知，钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，是现代工农业生产中应用最普遍的金属材料，它们是以铁和碳作为大体元素的合金，改变其化学成份和工艺条件，就能够够取得不同的组织和性能，从而能知足生产和利用的多种需要。

其大体组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。

由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性专门大，已无有效价值。

因此，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。

第一节铁碳合金的组元及大体组织一、纯铁Fe是ⅧB族26号元素，具有一系列优良的物理及化学性质，大伙儿都比较熟悉，那个地址就不涉及，只讲铁在晶体结构上的一个性质——多晶型性，即在不同的条件下，铁具有不同的晶体结构，在条件改变时铁会发生同素异构转变。

金属从一种晶格转变成另一种晶格，这种转变称为金属的同素异晶转变。

现以纯铁为例来讲明金属的同素异晶转变进程。

图3-1 纯铁的冷却曲线α，液态纯铁在1538℃时结晶成具有体心立方晶格（b、c、c）的δ-Fe（不同于Fe-晶格尺寸较大）；冷却到1394℃时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的δ-Fe转变成面心立方晶格的γ-Fe（f、c、c）；继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，由面心立方晶格的γ-Fe转变成体心立方晶格的α-Fe（b、c、c）。

金属发生同素异晶转变时，必然伴随着原子的从头排列，这种原子的从头排列进程，事实上确实是一个结晶进程，与液态金属结晶进程的不同点在于其是在固态下进行的，但它一样遵循结晶进程中的形核与长大规律。

二、铁素体（Ferrite ）在铁碳合金中，由于含碳量和温度的不同，铁原子和碳原子彼此作用能够形成铁素体、奥氏体和渗碳体等大体相。

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，这种晶格的间隙散布较分散，因其间隙尺寸很小，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、韧性专门好（δ=30～50%、a KU =160～200J ／cm 2），但强度、硬度较低(σb =180～280MPa 、σs =100～170MPa 、硬度为50～80HBS)。

第4讲铁碳合⾦基本组织及铁碳合⾦相图分析第三章铁碳合⾦第⼀节基本组织⼀、铁碳合⾦的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。

由于α-Fe晶粒的间隙⼩，溶解碳量极微，其最⼤溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是⼏乎不含碳的纯铁。

=180～230Mpa性能：σbHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰⾊并有明显⼤⼩不⼀的颗粒形状。

Array C）2、渗碳体（Fe3渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。

含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很⾼，脆性极⼤，是钢中的强化相。

显微镜下观察，渗碳体呈银⽩⾊光泽。

渗碳体在⼀定条件下可以分解出⽯墨，3、奥⽒体（A）奥⽒体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。

γ-Fe的溶碳能⼒较⾼，最⼤为2.11%（1148℃）。

由于γ-Fe⼀般存在于727～1394℃之间，所以奥⽒体也只出现在⾼温区域内。

显微镜观察，奥⽒体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。

性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗⼒。

是绝⼤多数钢种在⾼温进⾏压⼒加⼯所需的组织。

4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。

珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。

显微镜观察，珠光体呈层⽚状特征，表⾯具有珍珠光泽，因此得名。

=750Mpa性能：σbHB=160～180较⾼δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱⽒体（Ld）莱⽒体是由奥⽒体和渗碳体组成的共晶体。

铁碳合⾦中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发⽣共晶转变，⽣成⾼温莱⽒体。

合⾦继续冷却到727℃时，其中的奥⽒体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱⽒体。

统称莱⽒体。

第⼆节铁碳合⾦相图分析各主要线的意义：相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合⾦的开始点和终了点，分别⽤光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合⾦内部组织发⽣转变的界限。

第三章材料改性方法相图了解金属组织结构和成分、温度之间关系的工具金属的相图金属的相图是帮助我们了解金属在不同条件下的结构、状态，判断其性能的工具。

金属的相图有一元、二元、三元和多元相图。

其中应用最多的是二元相图，特别是铁碳合金二元相图。

二元相图二元相图是在常压下两种元素组成的合金结构、状态随合金成分、温度变化规律的图形。

二元相图的纵坐标是温度，横坐标是成分。

铜镍合金的冷却曲线和状态图100011001200130014001500Cu 20%Ni40%Ni80%Ni 60%NiNi时间Ni%204060801002 匀晶相图二元合金系中两组元在固态能够形成无限互溶的固溶体时，其合金相图为匀晶相图。

如Cu-Ni 、Fe-Cr 等合金系。

点：铜、镍熔点线：液相线；固相线。

区：液相区，用L 表示；固相区，用α表示；两相区，用(L+α)表示铜镍合金状态图Ni%20406080100LαL α+相图结构分析1453℃1083℃Ni%含60%镍合金的冷却曲线及结晶过程示意图10001100120013001400150020406080100L 1L 2L 3α3t 1t 2t 3LL αα时间α2α1定义：铅中溶锑形成α固溶体；锑中溶铅形成β固溶体。

100200300400500Pb20406080SbSb%共晶相图(11.1)αL+ bα+bL +αLF EC A DGBb3 共晶相图0100200300400500Pb 20406080Sb Sb%共晶相图(11.1)αL+ bα+bL +αLF EC AD GBb 点:铅熔点327.5 , 锑熔点630.5℃线：AEB 液相线；ACEDB 固相线共晶线：CED 溶解度线：CF 、CG ：区：单相区：L 、α、β、双相区：L+α、L+β、α+β3.2 铁碳相图同素异晶转变——金属在固态下发生的晶格类型的转变。

Fe —过渡族元素熔点：1538℃原子量：56密度：7.87×103kg/m3 1538℃1394℃912℃温度,℃时间1 铁碳合金的组元δ-Fe γ-Fe α-Fe1394℃912℃体心立方面心立方体心立方(1) Fe7.1.1 铁碳合金的组元(2) FeC—渗碳体3渗碳体——是由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙C”或化合物，含碳量为6.69%，用“Fe3”(Cementite)表示。