铁碳合金相图及碳素钢

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1、第五章 铁碳合金相图及碳素钢钢铁材料是铁碳合金系中具有实用价值的部分，是目前人类社会中应用最为广泛的工程材料。反映铁碳合金的化学成分、相、组织与温度关系的相图已经诞生一百多年。百余年来随着技术的进步世界各国的金属学工作者对这张相图进行了越来越精确的测定。形成了目前通用的图样。它是一个比较复杂的相图，是由多种基本类型相图组成。本课将较详细介绍铁碳相图中具有实用价值的部分的Fe-Fe3C相图，并介绍与此相图相对应的、工业用量颇大的碳素钢。第一节铁碳合金中的相与基本组织一、Fe的同素异晶转变及晶格结构Fe是元素周期表中第26号元素，相对分子质量56

2、、体积质量7.8/cm3、熔点1538℃。Fe具有同素异晶转变现象。所谓同素异晶转变是指金属在结晶成固态之后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象，也称同素异构转变。同素异晶转变也是通过成核长大的过程来完成原子重新排列的，也是一种结晶过程，也有结晶潜热产生。但是，它是在固态下进行的晶格类型的转变，有别于液态金属的凝固结晶，也有别于变形金属再固态下的再结晶。因此，同素异晶转变也被称为重结晶，是一种固态相变。由于晶格类型不同，其原子排列的致密度也不同。因此，在同素异晶转变时，会引起宏观体积的变化和内应力的增加。由于同素异晶转变时也有潜

3、热释放，所以，在金属冷却曲线上也会以一个平台形式表现出来。只是比结晶平台小些。图5-1是铁的冷却曲线。从冷却曲线上可见到第一个1538℃的平台是铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。当温度降到1394℃出现第二个平台。这是Fe在固态下第一次同素异晶转变。转变成为面心立方的Fe。当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的第二次同素异晶转变。变成体心立方的Fe。当继续冷却到769℃时出现第四个平台。这个平台对应的温度称为居里点。它不是同素异晶转变，因为没有晶格类型的变化。只是Fe原子的外层电子排列的变化引起Fe的磁性状态的改变。使F

4、e由顺磁性变成铁磁性，使透磁率增加数万倍。晶格类型虽然仍是体心立方，但是晶格常数减小了。由0.293nm变成0.233nm。这种具有铁磁性的体心立方晶格的铁称为Fe。在不是专门研究材料磁性时，同时体心立方结构的Fe和Fe可不加以区分统称为Fe。我们在这里主要是讨论铁碳合金的力学性能，可以不必区分Fe和Fe。认为912℃的同素异晶转变是由Fe转变成Fe。铁的同素异晶转变可简单的记作：Fe←→Fe←→Fe。正因为Fe具有这种同素异晶转变才使得钢也存在多种固体相变。这正是钢可以进行各种热处理的基础。二、铁碳合金中的相铁碳合金的

5、组元Fe与C相互作用可以形成几种很重要的相。碳在Fe-C合金中的存在形式主要有三种：固溶到铁晶格间隙中的固溶碳、与Fe形成间隙化合物的化合碳、游离在Fe-C合金中的游离碳。铁与碳相互作用形成的主要相有以下几种：1.铁素体：铁素体是碳原子固溶到-Fe中形成的间隙固溶体。代号为F或。虽然Fe的体心立方晶格总空隙度较大（32％），但是每个具体的空隙直径都不大，仅有0.072nm，远小于碳原子的直径（0.154nm）。所以，碳在-Fe中的溶解度很小。室温时溶解度Wc≤0.0008％≈0。最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。碳原子在F

6、e晶格间隙中的可能位置见图5-2。铁素体是一种强度不高但是塑性很好的相，见表5-1。铁素体是钢铁材料在室温室时的重要相，常作为基体相存在。2.奥氏体：它是碳原子固溶到Fe中所形成的间隙固溶体。代号为A或。它存于727℃以上。面心立方的Fe虽然总间隙为26％，小于Fe。但是，具体间隙的直径却较大，最大的直径是0.104nm近于碳原子直径。所以碳原子在Fe中的溶解度大于在-Fe中的溶解度。在727℃时，wc＝0.77％最大溶解度在1148℃时，wc≈2.11％。碳原子在Fe晶格间隙中的可能位置，见图5-3。奥氏体是一种强度不高塑性很

7、好的高温相。是热变形加工所需要的相。一般情况奥氏体不存在于室温。3.渗碳体它是铁与碳形成的间隙化合物。分子式是Fe3C。其晶体结构见图2-16。有固定的Wc＝6.69％，熔点为1227℃。可视为是一种组元。渗碳体是具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性的相见表5-1。渗碳体也是钢铁材料在室温下的重要相。常作为钢的第二相弥散强化的强化相。4.石墨它是Fe-C合金中游离存在的碳，代号G。它以简单六方晶格结构存在。强度、塑性、硬度都很低。在钢中通常是不允许它存在。否则会降低钢的力学性能。但是在铸铁材料中为了增加铸铁的切削加工性和降低铸铁的脆性并能保证一

8、定的强度和韧性，常采用一些工艺措施使大多数的化合碳转变成游离碳的石墨。使铸铁由白口变成灰口，成为有用的工程材料（详见铸铁一章）。还有，在1394℃以上有一个δ铁素体