鐵碳合金，是以鐵和碳為組元的二元合金。鐵基材料中應(yīng)用最多的一類——碳鋼和鑄鐵，就是一種工業(yè)鐵碳合金材料。搞機(jī)械的，最應(yīng)該掌握的材料就是鐵碳合金材料。
一、Fe-Fe3C相圖的組元
1．Fe組元
δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--- a -Fe(bcc) (同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變)
強(qiáng)度低、硬度低、韌性、塑性好
2．Fe3C （ Cem， Cm）
熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。
二、Fe-Fe3C相圖中的相
1．液相L
2．δ相 高溫鐵素體 （C固溶到δ -Fe中——δ相）
3．α相 鐵素體F （C固溶到 α-Fe中——α相）
強(qiáng)度、硬度低、塑性好 （室溫：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）
4．γ相、A奧氏體 （C固溶到γ-Fe中——γ相）
強(qiáng)度低，易塑性變形
5．Fe3C
三、相圖分析
1．三條水平線和三個(gè)重要點(diǎn)
（1）包晶轉(zhuǎn)變線HJB：1495攝氏度，C%=0.09-0.53%
LB+δH------AJ 即 L0.53+ δ0.09------- A0.17
（2）共晶轉(zhuǎn)變線ECF,1148攝氏度，C%=2.11---6.69%
L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶滲碳體）——Le4.3 高溫萊氏體 Le，Ld
（3）共析轉(zhuǎn)變線PSK，727攝氏度，C%=0.0218---6.69%
As----FP+Fe3C（共析滲碳體）
A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光體）
珠光體的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C和F之間
Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低溫萊氏體 Le’
2．液固相線
液相線ACD
固相線AECF
3．溶解度線
ES線 碳在A中的固溶線，1148攝氏度，2.11%—— 727攝氏度,0.77%,Fe3CII
PQ線 碳在F中的固溶線，727攝氏度,0.0218%——0.0008%室溫，F(xiàn)e3CIII
4．GS線
5. 特征點(diǎn)
6.特征線表
四、基于Fe-Fe3C相圖的Fe-C合金分類
1．工業(yè)純鐵，C%<=0.0218%
2．鋼
0.0218%<C%<= 2.11%
亞共析鋼 0.0218%<C%<0.77%
共析鋼 0.77%
過(guò)共析鋼 0.77%<C%<= 2.11%
3．白口鑄鐵2.11%<C%<6.69%
亞共晶白口鑄鐵 2.11%<C%<4.3%
共晶白口鑄鐵 4.3%
過(guò)共晶白口鑄鐵 4.3 %<C%<6.69%
在鐵碳合金中一共有三個(gè)相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。
1.鐵素體
鐵素體是碳在α-Fe中的間隙固溶體，用符號(hào)“F”(或α)表示，體心立方晶格；雖然BCC的間隙總體積較大，但單個(gè)間隙體積較小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃時(shí))，室溫時(shí)幾乎為0，因此鐵素體的性能與純鐵相似，硬度低而塑性高，并有鐵磁性。
δ=30%~50%，AKU=128~160J，σb=180~280MPa，50~80HBS.
鐵素體的顯微組織與純鐵相同,用4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在顯微鏡下呈現(xiàn)明亮的多邊形等軸晶粒,在亞共析鋼中鐵素體呈白色塊狀分布,但當(dāng)含碳量接近共析成分時(shí),鐵素體因量少而呈斷續(xù)的網(wǎng)狀分布在珠光體的周圍。
2.奧氏體
奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，用符號(hào)“A”(或γ)表示，面心立方晶格；雖然FCC的間隙總體積較小，但單個(gè)間隙體積較大，所以它的溶碳量較大，最多有2.11%(1148℃時(shí))，727℃時(shí)為0.77%。
在一般情況下，奧氏體是一種高溫組織,穩(wěn)定存在的溫度范圍為727~1394℃，故奧氏體的硬度低,塑性較高,通常在對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工,如鍛造,熱軋等時(shí)，都應(yīng)將其加熱成奧氏體狀態(tài)，所謂“趁熱打鐵”正是這個(gè)意思。σb=400MPa，170~220HBS，δ=40%~50%.
另外，奧氏體還有一個(gè)重要的性能,就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場(chǎng)的零件或部件。
奧氏體的組織與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。
3.滲碳體
滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學(xué)分子式“Fe3C”表示。它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69%，熔點(diǎn)為1227℃,質(zhì)硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。
滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相，根據(jù)生成條件不同滲碳體有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，它們的大小、數(shù)量、分布對(duì)鐵碳合金性能有很大影響.
總結(jié)：
在鐵碳合金中一共有三個(gè)相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金中只有兩個(gè)相，就是鐵素體和滲碳體。由于鐵素體中的含碳量非常少，所以可以認(rèn)為鐵碳合金中的碳絕大部分存在于滲碳體中。這一點(diǎn)是十分重要的.
鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C，F(xiàn)e2C，F(xiàn)eC等，有實(shí)用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為 Fe-Fe3C相圖，此時(shí)相圖的組元為Fe和Fe3C。
由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下，因此成分軸從0~6.69%。所謂的鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe—Fe3C相圖。
鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：
（1）工業(yè)純鐵（<0.0218% C），其顯微組織為鐵素體晶粒，工業(yè)上很少應(yīng)用。
（2）碳鋼（0.0218%-2.11%C），其特點(diǎn)是高溫組織為單相A，易于變形，碳鋼又分為亞共析鋼（0.0218%-0.77%C）、共析鋼（0.77%C）和過(guò)共析鋼（0.77%-2.11%C）。
（3）白口鑄鐵（2.11%-6.69%C），其特點(diǎn)是鑄造性能好，但硬而脆，白口鑄鐵又分為亞共晶白口鑄鐵（2.11%-4.3%C）、共晶白口鑄鐵（4.3%C）和過(guò)共晶白口鑄鐵（4.3%—6.69%C）
1．工業(yè)純鐵（C%≤0.0218%）
2．共析鋼 cC%=0.77%
3．亞共析鋼 0.0218%<C%<0.77%
4．過(guò)共析鋼
5．共晶白口鐵（C%=4.3%）
6．亞共晶白口鑄鐵，2.11%<C%<4.3%
7．過(guò)共晶白口鑄鐵
小結(jié)：標(biāo)注組織的鐵碳相圖
一、碳在Fe-C合金中的存在方式
1．固溶→固溶體 C→ r-Fe（FCC）——A ,C→ α-Fe（bcc）——F
2．化合物 Fe3C
3．石墨 Fe3C→3Fe+G
二、復(fù)線鐵碳相圖
復(fù)線鐵碳相圖，是在實(shí)線的Fe-Fe3C相圖上再疊加上虛線的Fe-G相圖，不同點(diǎn)在于：
（1）Fe-G 共晶、共析溫度高些，11540C, 7380C
（2）Fe-G 共晶、共析成分左移 4.26%, 0.68%
（3）溶解度曲線也向左移E', 2.08%
（4）液相線C'D'稍高于Fe-Fe3C相圖
共晶：Lcl--->G+AE (11540C)
共析：As1--->G+F (7380C)
三、鑄鐵的石墨化過(guò)程
鑄鐵組織中析出石墨的過(guò)程-石墨化
1．兩種形式
a. 按Fe-G相圖從液相中或A中直接析去G。
b. 接Fe-Fe3C相圖，先結(jié)晶出Fe3C，隨后在一定條件下，
Fe3C→Fe+G
2．液態(tài)直接析出石墨的過(guò)程
a. 第I階段
過(guò)共晶成分L→L+GI(>11540C)→AE+G（共晶）+GI (11540C)
共晶成分L→AE+G（共晶） (11540C)
亞共晶成分L→AE+G（共晶）+AE初生 (11540C)
b. 第II階段——析出二次石墨
A→A+GII (11540C→7380C)
c. 第三階段——共析石墨
As'→Fp+G（共析）（7380C)
四、鑄鐵的組織和分類
1．按石墨化各階段進(jìn)行的程度不同，得到不同組織的鑄鐵
石墨化程度
名稱 | 第一階段（液相析出） | 第二階段（A中析出） | 第三階段（共析析出） | 顯微組織 |
灰口鑄鐵 | 充分（AE'+G) 充分（AE'+G) 充分（AE'+G) | 充分（As'+G) 充分（As'+G) 充分（As'+G) | 充分'(F+G) 部分'(F+P+G) 不進(jìn)行' | F+G F+P+G P+G |
麻口鑄鐵 | 部分（AE'+G+Le) | 部分（As'+G+Le) | 不進(jìn)行 | P+Le'+G |
白口鑄鐵 | 不進(jìn)行 | 不進(jìn)行 | 不進(jìn)行 | P+Le'+Fe3C |
2．接石墨形態(tài)分類
a. 灰口鑄鐵 片狀石墨
b. 可鍛鑄鐵 團(tuán)絮狀
c. 球墨鑄鐵 球狀
d. 蠕墨鑄鐵 蠕蟲狀
一、應(yīng)用
1．選材
2．熱加工工藝制定的基礎(chǔ)
二、局限性
．反映的是平衡相，而不是組織
2．反映二元合金中相的平衡狀態(tài)
3．沒(méi)有反映時(shí)間的作用——平衡條件下
一、共析鋼的奧氏體化
（晶格改組和Fe，C原子的擴(kuò)散過(guò)程，遵循形核、長(zhǎng)大規(guī)律）
1．共析鋼奧氏體化溫度
Ac1溫度：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)------>A (Fcc, 0.77)
2．共析鋼奧氏體化過(guò)程
Ac1溫度：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)------>A (Fcc, 0.77)
2．共析鋼奧氏體化過(guò)程
a. 形核 （優(yōu)先在相界（F，F(xiàn)e3C）
b. 長(zhǎng)大
c. 滲碳體完全溶解
d. 碳的均勻化
二、亞（過(guò)）析鋼的奧氏體化
三、影響奧氏體化的因素
1．加熱溫度
2．加熱速度
3．含碳量
C%↑→界面多→核心多→轉(zhuǎn)變快
4．合金元素
a. Cr、M0、W、V、Nb、Ti強(qiáng)碳化物形成元素，↓奧氏體形成速度
b. C0、Ni非碳化物形成元素，↑奧氏形成速度
c. Al、Si、Mn影響不太
5．原始組織
片狀，片間距小→相界面多→碳彌散度大→碳原子擴(kuò)散距離短→奧氏體形核長(zhǎng)大快 >粒狀
四、奧氏體晶粒大小及控制
1．晶粒度: 表征晶體內(nèi)晶粒大小的量度，通常用長(zhǎng)度，面積，體積或晶粒度級(jí)別表示。
2．起始晶粒度、實(shí)際晶粒度、本質(zhì)晶粒度
本質(zhì)晶粒度：鋼奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。
奧氏體晶粒隨溫度的升高而且迅速長(zhǎng)大→本質(zhì)粗晶鋼
奧氏體晶粒隨溫度升高到某一溫度時(shí)，才迅速長(zhǎng)大→本質(zhì)細(xì)晶鋼
3．奧氏體晶粒度的控制
a. 加熱工藝
加熱溫度，保溫時(shí)間
b. 鋼的成分——合金化
A中C%↑→晶粒長(zhǎng)大↑
MxC%↑→是粒長(zhǎng)大↓
1)碳化物形成元素 細(xì)化晶粒
2）Al→本質(zhì)細(xì)晶鋼
3）Mn 、P促進(jìn)長(zhǎng)大
一、過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變
1．共析鋼過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線。
冷卻到一定溫度，保溫，測(cè)量A過(guò)冷轉(zhuǎn)變開始和終了時(shí)間
A1以上：A穩(wěn)定
A1以下：A不穩(wěn)定，過(guò)冷
C曲線有一最小孕育期：
1：T↓，A——P的驅(qū)動(dòng)力F提高
2：T↓——D↓
2．共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征
（1）高溫轉(zhuǎn)變區(qū)
A1——鼻子溫度（5500C）
A過(guò)冷——P（S，T）索氏體，屈氏體。
P的形成取決于生核，長(zhǎng)大速率。T↓，生核，長(zhǎng)大↑。
T↓→6000C，D↓，長(zhǎng)大慢→層間距薄，短
擴(kuò)散型相變，綜合性能好，HB較低，韌性好。
T↓——HB↑，強(qiáng)度↑
（2）中溫區(qū)轉(zhuǎn)變，貝氏體轉(zhuǎn)變 550℃~230℃ （MS）
A過(guò)冷→B，碳化物分布在含過(guò)飽和碳的F基體上的兩相機(jī)械混合物。
| 550℃~350℃ | 上貝氏體 | 半擴(kuò)散型，Fe不擴(kuò)散 | 羽毛狀 | 碳化物在F間，韌性差 |
| 350℃~MS | 下貝氏體 | C原子有一定的擴(kuò)散能力 | 針狀 | 碳化物在F內(nèi)，韌性高，綜合機(jī)械性能好 |
（3）低溫區(qū)轉(zhuǎn)變——馬氏體轉(zhuǎn)變，MS→Mf之間一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成的，離于非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。
a. A過(guò)冷→M+A'殘余
b. 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體M，碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。
C%<0.23%，板條狀M
C%>1.0%，針狀，馬氏體
c. 實(shí)質(zhì)：T低——C無(wú)法擴(kuò)散→非擴(kuò)散性晶格切變→過(guò)飽和C的鐵素體。
d. M轉(zhuǎn)變的特征，①無(wú)擴(kuò)散性 ②瞬時(shí)性 ③存在Ms,Mf ④不完全性 ⑤體積膨脹
3．共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織——性能的關(guān)系
（1）珠光體型
轉(zhuǎn)變溫度降低，片間距小，細(xì)晶強(qiáng)化→強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高
（2）貝氏體
B上：強(qiáng)度、韌性差
B下：硬度高，韌性好，具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能
（3）馬氏體
硬度高
C%↑→HRC↑
針狀馬氏體，硬而脆，塑、韌性差
板條狀，強(qiáng)度高，塑性，韌性好
4．亞（過(guò)）共析鋼的等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線
影響C曲線的因素
C曲線反映奧氏體的穩(wěn)定性及分解轉(zhuǎn)變特性，這些取決于奧氏體的化學(xué)成分和加熱時(shí)的狀態(tài)。
C曲線的形狀位置，不僅對(duì)過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速度和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能具有重要意義，而且對(duì)鋼的熱處理工藝也有指導(dǎo)性作用。
（一）A成分
1．含碳量
A中C%↑→C曲線右移.
對(duì)亞共析鋼，鋼中C%↑，A中C%↑→C曲線右移
對(duì)過(guò)共析鋼，一般在AC1以上A化，鋼中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲線左移
共析鋼，C曲線最靠右邊，穩(wěn)定性最高。
2．合金元素，（C0%↑→左移）
除C0以外，所有合金元素溶入A中，增大過(guò)冷A穩(wěn)定性——右移
非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改變C曲線形狀
強(qiáng)碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改變C曲線形狀
除C0,Al 外，均使Ms,Mf 下降，殘余A↑
（二）A化條件的影響
1．加熱溫度和時(shí)間
A化溫度↑，時(shí)間↑（成分均勻，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A穩(wěn)定性↑，C曲線右移
過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變
1．過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖
PS：A→P開始線
Pf：A→P終止線
K：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線
Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）→M最小冷速
Vk’：下臨界冷速→完全P最大冷速
2．連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線和等溫轉(zhuǎn)變曲線的比較
（1）CCT位于TTT曲線右下方 A→P轉(zhuǎn)變溫度低一些，t長(zhǎng)一些
（2）CCT無(wú)A→B轉(zhuǎn)變
CCT測(cè)定困難，常用TTT曲線定性分析
3．C曲線的應(yīng)用
（1）根據(jù)工件要求，確定熱處理工藝。
（2）確定工件淬火時(shí)的臨界冷速。
（3）可以指導(dǎo)連續(xù)冷卻操作
V1:爐冷（退火） P
V2: 空冷，S，T
V3：空冷，S，T
V4：油冷，T+M+A'
V5 ：M+A'
（4）選擇鋼材的依據(jù)
（5）C曲線對(duì)選擇淬火介質(zhì)與淬火方法有指導(dǎo)。
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