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娑细马
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1 第 3 章铁碳合金相图学习目标 1) 掌握铁碳合金的基本相组织 ; 2) 掌握铁碳合金的分类 ; 3) 掌握铁碳合金相图及相图中各点线区的意义 ; 4) 掌握钢和白口铸铁的平衡结晶过程及其产物的分析 ; 5) 理解铁碳合金成分组织和性能之间的关系 ; 6) 掌握碳的质量分数对铁碳合金性能影响在合金中, 铁碳合金是现代工业使用最广泛的合金, 它也是国民经济的重要物质基础, 铁碳合金根据碳的质量分数, 可以分为碳钢和铸铁两类它们都是以铁和碳为主要组元的合金, 通常称为铁碳合金而合金钢和合金铸铁实际上也是加入合金元素的铁碳合金铁碳合金的结晶与纯金属的结晶有很大区别纯金属的结晶过程是在恒温下进行的, 在结晶的过程中只有液相和固相数量的变化 ; 而铁碳合金的结晶通常是在一定的温度范围内进行的, 在结晶的过程中, 不但有固相和液相数量变化, 而且各相的成分也在变化为了研究铁碳合金结晶过程的特点以及合金相与组织的变化规律, 必须应用铁碳合金相图这一重要工具 3 畅 1 铁碳合金相图基础 3 畅 1 畅 1 铁碳合金相图铁碳合金相图表示在平衡条件下 ( 极其缓慢加热和冷却 ) 合金成分温度组织状态之间的关系图形称为合金相图, 又称合金状态图采用热分析法, 对铁碳合金系中不同成分的铁碳合金进行加热熔化, 观察它们在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化, 测出其相变临界点, 并标于温度和成分坐标中, 绘制成相图 Fe -Fe 3 C 相图是由包晶相图共晶相图和共析相图所组成的, 如图 3 畅 1 所示由于包晶转变对常用材料性能影响不大, 常将 Fe -Fe 3 C 相图中包晶相图部分简化, 便得到简化后的 Fe - Fe 3 C 相图在铁碳合金中, 铁与碳可形成一系列稳定的化合物 ( Fe 3 C Fe 2 C FeC), 当碳的质量分数超过 6 畅 69% 时, 铁碳合金脆性大, 没有实用价值所以在铁碳合金相图中, 只有 Fe -Fe 3 C 这一部分相图有实际意义因此, 铁碳合金相图实际上是 Fe -Fe 3 C 相图 33

金, 通常称为铁碳合金而合金钢和合金铸铁实际上也是加入合金元素的铁碳合金铁碳合金的结晶与纯金属的结晶有很大区别纯金属的结晶过程是在恒温下进行的, 在结晶的过程中只有液相和固相数量的变化 ; 而铁碳合金的结晶通常

2 3 畅 1 畅 2 铁碳合金的基本相及基本组织图 3 畅 1 Fe -Fe 3 C 相图 Fe 和 Fe 3 C 是组成 Fe -Fe 3 C 相图的两个基本组元由于铁和碳之间相互作用不同, 铁碳合金相图中存在固溶体和金属化合物两类不同的固态相结构属于固溶体相的有铁素体高温铁素体与奥氏体, 属于金属化合物相的有渗碳体 1 畅铁素体铁素体是碳溶入体心立方晶格的 α-fe 中形成的间隙固溶体, 用符号 F 或 α 表示由于 α-fe 是体心立方晶格, 其晶格间隙很小, 因而溶碳能力极差, 在 727 时溶碳能力最大, 碳的质量分数约为 0 畅 % 随着温度的降低, 溶碳量逐渐减少, 在 600 时溶碳量约为 0 畅 %, 在室温时, 溶碳量约为 0 畅 %, 因此其室温时的性能几乎与纯铁相同铁素体强度硬度低, 但具有良好的塑性与韧性铁素体在 770 以下具有铁磁性, 在 770 以上则失去铁磁性铁素体的显微组织如图 3 畅 2 所示 2 畅高温铁素体高温铁素体是碳溶入体心立方晶格的 δ -Fe 中形成的间隙固溶体, 用符号 δ 表示高温铁素体在以上存在和铁素体 α 一样,δ 体溶碳能力也很差, 在时溶碳量最大, 约为 0 畅 09% 3 畅奥氏体奥氏体是碳溶入面心立方晶格的 γ-fe 中形成的间隙固溶体, 用符号 A 或 γ 表示由于面心立方晶格原子间的空隙比体心立方晶格大, 因此溶碳能力强在 727 时可溶碳为 0 畅 77%, 随着温度升高溶碳能力增加, 在时溶碳能力最大, 为 2 畅 11% 34

溶碳能力最大, 碳的质量分数约为 0 畅 021 8 % 随着温度的降低, 溶碳量逐渐减少, 在 600 时溶碳量约为 0 畅 005 7 %, 在室温时, 溶碳量约为 0 畅 000 8 %, 因此其室温时的性能几乎与纯铁相同铁素体强度硬度低, 但具有良好的塑性

3 图 3畅 2 铁素体的显微组织图 3畅 3 奥氏体的显微组织奥氏体具有很好的塑性和韧性和一定的强度和硬度温度越高奥氏体的强度和硬度越低而塑性和韧性越好因此生产中常将钢加热到奥氏体状态进行锻造奥氏体无磁性存在于７２７以上奥氏体的显微组织如图３畅３所示其晶粒呈多边形与铁素体的显微组织相近似但晶粒边界较铁素体的平直Ａ体是一个独立的相也是一种单相组织 4畅渗碳体渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物用符号Ｆｅ３Ｃ表示渗碳体的碳的质量分数 w Ｃ是固定值为６畅６９熔点为１２２７在固态下不发生同素异晶转变它在２３０以下具有弱铁磁性在此温度以上则失去铁磁性渗碳体的硬度很高大约为８００ＨＢＷ塑性韧性几乎为零脆性极大它在钢和铸铁中与其他相共存时可以呈现片状粒状网状或板状出现渗碳体是钢中的主要强化相它的形态大小数量及分布对钢的性能有很大的影响 5畅珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物用符号Ｐ表示在缓慢冷却条件下珠光体的 w Ｃ为０畅７７力学性能介于铁素体和渗碳体之间强度较高硬度适中有一定塑性 σｂ７７０ＭＰａ硬度１８０ＨＢＷ δ ２０３５ A Ｋ３０４０ＪＰ体是Ｆ体和Ｆｅ３Ｃ体两相组成一般为层片状分布是一种双相组织珠光体的显微组织如图３畅４和图３畅５所示图 3畅 4 粗片状珠光体的显微组织图 3畅 5 粒状珠光体的显微组织 6畅莱氏体Ｌｄ与变态莱氏体Ｌｄ莱氏体是 w Ｃ为４畅３的铁碳合金缓慢冷却到１１４８时发生共晶转变的产物 w Ｃ为４畅３的铁碳合金缓慢冷却到１１４８时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的共晶组织用符号Ｌｄ表示也称为高温莱氏体冷却到７２７时奥氏体将转变为珠光体所以室温下莱氏体由 35

渗碳体是钢中的主要强化相它的形态大小数量及分布对钢的性能有很大的影响 5畅珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物用符号Ｐ表示在缓慢冷却条件下珠光体的 w Ｃ为０畅７７力学性能介于铁素体和渗碳体之间强度较高硬度适中有一定塑性 σｂ７７０ＭＰａ硬度１８０ＨＢＷ δ ２０３５ A Ｋ３０４０ＪＰ体是Ｆ体和Ｆｅ３Ｃ体两相组成

4 珠光体和渗碳体组成, 称为变态莱氏体 ( 也称为低温莱氏体 ), 用符号 Ld 表示莱氏体中由于有大量渗碳体存在, 其性能与渗碳体相似, 即硬度高塑性差 Ld 是由 A 体和 Fe 3 C 体两相组成的双相组织, 而 Ld 是由 P 体和 Fe 3 C 相组成的, 因为 P 体是由 F 体和 Fe 3 C 两相组成, 所以 Ld 体实际上是由 F 和 Fe 3 C 组成的双相组织铁碳合金的基本相有铁素体奥氏体和渗碳体三种, 其中前两种属于固溶体, 后者属于化合物铁素体奥氏体均具有良好的塑性和韧性, 而渗碳体则硬而脆由基本相所形成的铁碳合金的基本组织有铁素体奥氏体渗碳体 ( 一次二次三次渗碳体 ) 珠光体莱氏体 ( 低温与高温莱氏体 ) 等五种其特点归纳列于表 3 畅 1 表 3 畅 1 铁碳合金中的基本组织名称符号晶体特征组织类型定义碳的质量分数 /% 存在温度范围 / 组织形态特征主要力学性能高温铁素体 δ BCC 间隙固溶体 C 溶于 δ -Fe 0 畅 ~ 奥氏体 A FCC 间隙固溶体 C 溶于 γ-fe 2 畅块状粒状塑韧性良好铁素体 F BCC 间隙固溶体 C 溶于 α-fe 0 畅块状片状塑韧性良好渗碳体一次二次三次 C m1 C m2 C m3 具有复杂晶格的金属化合物间隙化合物从 L 中结晶析出从 A 中结晶析出从 F 中结晶析出粗大片状条状网状片状 ( 断续 ) 硬而脆硬而脆 ( 耐磨性提高强度下降 ) 脆性增加塑性下降珠光体 P 两相组织机械混合物 F +C m 0 畅层片状颗粒状良好的综合力学性能 ( 强度较高具有一定的塑性韧性 ) 莱氏体高温低温 Ld Ld 两相组织两相组织机械混合物机械混合物 A +C m 4 畅 ~1 148 P +C m +C m2 4 畅 3 <727 点状短杆状鱼骨状点状短杆状鱼骨状硬而脆硬而脆 36

体则硬而脆由基本相所形成的铁碳合金的基本组织有铁素体奥氏体渗碳体 ( 一次二次三次渗碳体 ) 珠光体莱氏体 ( 低温与高温莱氏体 ) 等五种其特点归纳列于表 3 畅 1 表 3 畅 1 铁碳合金中的基本组织名称符号晶体特征组织类型定

5 3 畅 1 畅 3 铁碳合金相图的组成简化后的铁碳合金状态相图由 14 个特性点与 9 条特性线组成, 并将铁碳合金相图分成 12 个区域, 充分反映了铁碳合金在平衡状态下结晶的过程特点, 以及室温下铁碳合金的组织组成物和组织的特点 1 畅铁碳合金相图中的特性点铁碳合金相图如图 3 畅 1 所示图中各点的温度碳的质量分数及其含义列于表 3 畅 2 中表 3 畅 2 Fe -Fe 3 C 相图中各特性点的符号及意义特性点温度 / 碳的质量分数 /% 特性点的含义 A 纯铁的熔点 B 畅 53 包晶转变的液相成分 C 畅 30 共晶点 D 畅 69 渗碳体熔点 E 畅 11 碳在奥氏体中的最大溶解度 F 畅 69 渗碳体成分点 G α-fe γ-fe 同素异构转变点 H 畅 09 碳在 δ -Fe 中的最大溶解度 J 畅 17 包晶成分点 K 畅 69 渗碳体成分点 N γ-fe δ -Fe 同素异构转变点 P 畅碳在铁素体中的最大溶解度 S 畅 77 共析点 Q 畅碳在铁素体中的溶解度 2 畅铁碳合金相图中的特性线在铁碳合金相图中的特性线见表 3 畅 3,ABCD 为液相线,AHJECF 为固相线整个相图中有三条重要的水平线, 分别表示以下三个等温反应 : 表 3 畅 3 Fe -Fe 3 C 相图中的特性线特性线含义 AC 铁碳合金的液相线, 液态合金开始结晶出奥氏体 CD 铁碳合金的液相线, 液态合金开始结晶出渗碳体 AE 铁碳合金的固相线, 即奥氏体的结晶终了线 ECF 铁碳合金的固相线, 即 L C A E +Fe 3 C 共晶转变线 GS 奥氏体转变为铁素体的开始线 GP 奥氏体转变为铁素体的终了线 ES 碳在奥氏体中的溶解度线 PQ 碳在铁素体中的溶解度线 PSK A S F P +Fe 3 C 共析转变线 1) HJB 水平线包晶反应在时发生包晶转变 L B +δ H A J, 由相图可以看到, 此反应发生在碳的质量分数 0 畅 09% 至 0 畅 53% 的合金中包晶转变后的组织是单相奥氏体 2) ECF 水平线共晶反应 37

熔点 B 1 495 0 畅 53 包晶转变的液相成分 C 1 148 4 畅 30 共晶点 D 1 227 6 畅 69 渗碳体熔点 E 1 148 2 畅 11 碳在奥氏体中的最大溶解度 F 1 148 6 畅 69 渗碳体成分点 G 912 0 α-fe γ-fe 同素异构转变点 H 1 495 0 畅 09 碳在

6 在时发生共晶转变 L C A E +Fe 3 C 共晶转变产物共晶体的形态是奥氏体分布在渗碳体基体上, 称为莱氏体, 用符号 Ld 表示此反应发生在碳的质量分数为 2 畅 11% 至 6 畅 69% 的合金中 3) PSK 水平线共析反应在 727 时发生共析转变 A S F P +Fe 3 C 共析转变产物共析体是铁素体与渗碳体的机械混合物, 称为珠光体, 用符号 P 表示所有碳的质量分数超过 0 畅 021 8% 的铁碳合金, 均发生珠光体转变, 故影响范围极广 PSK 线也称为 A 1 线在 Fe -Fe 3 C 相图中还有三条线较为重要 : GS 线从不同碳的质量分数的奥氏体中析出铁素体的开始线, 又称 A 3 线 ES 线碳在奥氏体中的固溶线, 也称 A cm 线由该线看出,γ-Fe 的最大溶碳量在时为 2 畅 11%, 而在 727 时仅能溶碳 0 畅 77% 因此, 碳的质量分数大于 0 畅 77% 的合金从到 727 的过程中, 由奥氏体析出渗碳体, 此称为二次渗碳体 ( Fe 3 C Ⅱ ) PQ 线碳在铁素体中的固溶线铁素体在 727 时溶碳量最大, 为 0 畅 021 8% 而 600 时仅能溶碳 0 畅 005 7%, 室温时几乎不溶碳因此, 一般铁碳合金从 727 冷却至室温时, 将从铁素体中析出三次渗碳体 (Fe 3 C Ⅲ ) 因其数量极少, 往往不予考虑 3 畅铁碳合金相图的相区相图中有单相区和两相区 1) 单相区液相区 ABCD 以上的区域, 用符号 L 表示 ; 高温铁素体相区 AHNA 区, 用符号 δ 表示 ; 奥氏体相区 NJESGN 区, 用符号 A 表示 ; 铁素体相区 GPQG 区, 用符号 F 表示 ; 渗碳体相区 DFK(w C =6 畅 69%) 区, 用符号 6 畅 69C( 或 Fe 3 C) 表示 2) 两相区 L +δ 相区 ABJHA 区 ; L +A 相区 JBCEJ 区 ; L +Fe 3 C 相区 DCFD 区 ; δ +A 相区 HJNH 区 ; F +A 相区 GSPG 区 ; A +Fe 3 C 相区 ECFKSE 区 ; F +Fe 3 C 相区 QPSK 以下的区域此外, 前面讲到的 HJB ECF PSK 三条水平线是三相共存线 3 畅 1 畅 4 铁碳合金的种类根据铁碳合金相图, 可以将铁碳合金分为工业纯铁钢白口铸铁三大类 (1) 工业纯铁碳的质量分数小于 0 畅 021 8% 的铁碳合金 (2) 钢碳的质量分数在 0 畅 021 8% ~2 畅 11% 之间的铁碳合金根据室温组织不同, 钢分为三类, 参见表 3 畅 4 38

中还有三条线较为重要 : GS 线从不同碳的质量分数的奥氏体中析出铁素体的开始线, 又称 A 3 线 ES 线碳在奥氏体中的固溶线, 也称 A cm 线由该线看出,γ-Fe 的最大溶碳量在 1 148 时为 2 畅 11%, 而在 727 时仅能溶碳 0 畅 77% 因此,

7 表 3 畅 4 几种碳钢号和碳的质量分数类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号 T8 T10 T12 碳的质量分数 /% 0 畅 20 0 畅 45 0 畅 60 0 畅 80 1 畅 00 1 畅 20 组织组成物铁素体和珠光体珠光体珠光体和二次渗碳体 (3) 白口铸铁碳的质量分数在 2 畅 11% ~6 畅 69% 之间的铁碳合金根据室温组织不同, 白口铸铁又分为三类 : 1 亚共晶白口铸 (2 畅 11% <w C <4 畅 3%), 组织为珠光体二次渗碳体和低温莱氏体 2 共晶白口铸铁 (w C =4 畅 3%), 组织为低温莱氏体 3 过共晶白口铸铁 (4 畅 3% <w C <6 畅 69%), 组织为低温莱氏体和一次渗碳体 3 畅 2 典型铁碳合金结晶过程分析为了进一步认识简化后 Fe -Fe 3 C 相图, 现以上述几种典型铁碳合金为例, 分析其结晶过程和在室温下的显微组织如图 3 畅 6 所示, 图中标注了组织图 3 畅 6 简化后的 Fe -Fe 3 C 相图 ( 标注组织 ) 39

渗碳体和低温莱氏体 2 共晶白口铸铁 (w C =4 畅 3%), 组织为低温莱氏体 3 过共晶白口铸铁 (4 畅 3% <w C <6 畅 69%), 组织为低温莱氏体和一次渗碳体 3 畅 2 典型铁碳合金结晶过程分析为了进

8 所选取的 6 种典型合金在相图中的位置如图 3 畅 7 所示 3 畅 2 畅 1 共析钢的结晶过程图 3 畅 7 典型铁碳合金的结晶过程分析共析钢的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅰ 线所示, 碳的质量分数为 0 畅 77%, 其结晶过程如图 3 畅 8 所示共析钢在 1 点以上时为液态合金 ; 当液态合金冷却到与液相线 AC 相交于 1 点温度时, 从液相中开始结晶出奥氏体 ; 在 1 点和 2 点之间, 随着温度的下降, 奥氏体量不断地增加, 其成分沿着 AE 线改变, 而剩余液相逐渐减少, 其成分沿着 AC 线改变 ; 冷却到 2 点时, 液相全部结晶成与原合金成分相同的奥氏体 ; 从 2 点到 3 点温度范围内, 合金的组织不变 ; 冷却到 3 点温度, 即 727 时, 发生共析转变,A S F P +Fe 3 C, 形成珠光体 ; 从 3 点继续冷却到室温, 珠光体不发生转变故共析钢的室温平衡组织为珠光体图 3 畅 8 共析钢的结晶过程示意图珠光体呈层片状, 其显微组织如图 3 畅 9 所示在光学显微镜下铁素体为白色基体, 黑色线条是渗碳体图 3 畅 9 共析钢平衡状态显微组织 40

其成分沿着 AC 线改变 ; 冷却到 2 点时, 液相全部结晶成与原合金成分相同的奥氏体 ; 从 2 点到 3 点温度范围内, 合金的组织不变 ; 冷却到 3 点温度, 即 727 时, 发生共析转变,A S F P +Fe 3 C, 形成珠光体 ; 从 3 点继续冷却到室

9 3 畅 2 畅 2 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅱ 线所示,Ⅱ 线所对应的亚共析钢的碳的质量分数为 0 畅 50%, 其结晶过程如图 3 畅 10 所示图 3 畅 10 亚共析钢的结晶过程示意图亚共析钢在 1 点到 3 点温度间的冷却结晶过程与共析钢相似 ; 当合金冷却到与 GS 线相交于 3 点温度时, 奥氏体开始转变成铁素体, 称为先共析铁素体 ; 在 3 点与 4 点之间, 随着温度下降, 铁素体量不断地增加, 其成分沿着 GP 线改变, 而奥氏体量逐渐减少, 其成分沿着 GS 线改变 ; 当合金冷却到与共析线 PSK 线相交的 4 点温度时, 铁素体中的碳的质量分数为 0 畅 021 8%, 而剩余奥氏体正好为共析成分 ( 碳的质量分数为 0 畅 77%), 因此剩余的奥氏体就发生共析转变而形成了珠光体 4 点以下继续冷却至室温, 组织基本上不发生变化故亚共析钢的室温平衡组织为铁素体 F 和珠光体 P 所有亚共析钢的结晶过程均相似, 它们在室温下的组织都是由铁素体和珠光体组成其差别仅在于二者的相对量有所不同, 凡距共析成分越近的亚共析钢组织中所含的珠光体量越多, 反之, 铁素体量越多图 3 畅 11 所示为某牌号的亚共析钢的显微组织其中白亮部分为铁素体, 黑色部分为珠光体图 3 畅 11 亚共析钢的显微组织 3 畅 2 畅 3 过共析钢的结晶过程过共析钢的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅲ 线所示, 其结晶过程如图 3 畅 12 所示过共析钢在 1 点到 3 点温度间的冷却结晶过程也与共析钢相似 ; 当合金冷却到与 ES 线相交于 3 点温度时, 由于奥氏体中碳达到过饱和而开始从奥氏体中析出二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ, 二次渗碳体沿着奥氏体晶界析出而呈网状分布, 如图 3 畅 13 所示, 这种二次渗碳体称之为先析渗碳体 ; 在 3 点到 4 点之 41

其成分沿着 GS 线改变 ; 当合金冷却到与共析线 PSK 线相交的 4 点温度时, 铁素体中的碳的质量分数为 0 畅 021 8%, 而剩余奥氏体正好为共析成分 ( 碳的质量分数为 0 畅 77%), 因此剩余的奥氏体就发生共析转变而形成了珠光体 4 点

10 间, 随着温度的降低, 析出的二次渗碳体量不断增加, 剩余奥氏体中溶碳量沿 ES 线变化而逐渐减少 ; 继续冷却到与共析线 PSK 相交于 4 点温度时, 剩余奥氏体含量正好为共析成分, 因此就发生共析转变而形成珠光体 ;4 点以后, 温度继续下降到室温时, 合金组织基本不变故过共析钢室温平衡组织为珠光体 P 和二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ 碳体图 3 畅 12 过共析钢的结晶过程示意图图 3 畅 13 为过共析钢的显微组织其中黑色基体组织为片状珠光体, 白色网状条纹为二次渗 3 畅 2 畅 4 共晶白口铸铁的结晶过程图 3 畅 13 T12 过共析钢的显微组织共晶白口铸铁的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅳ 线所示, 碳的质量分数为 4 畅 3%, 其结晶过程如图 3 畅 14 所示图 3 畅 14 共晶白口铸铁的结晶过程示意图共晶白口铸铁在 1 点以上时为液态合金 ; 当液态合金冷却到与液相线 ACD 相交于 1 点温度 ( 共晶温度 ) 时, 将发生共晶转变, 即 L C A E +Fe 3 C, 形成莱氏体 Ld, 这种由共晶转变而结晶出的奥氏体与渗碳体, 分别称为共晶奥氏体 A 与共晶渗碳体 Fe 3 C; 在 1 点与 2 点之间, 随着温度的下降, 碳在奥氏体中的溶解度沿着 ES 线变化而不断降低, 故从奥氏体中不断析出二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ ; 当温度下降到与共析线 PSK 相交于 2 点的温度时, 奥氏体的碳的质量分数正好是 42

3 畅 2 畅 4 共晶白口铸铁的结晶过程图 3 畅 13 T12 过共析钢的显微组织共晶白口铸铁的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅳ 线所示, 碳的质量分数为 4 畅 3%, 其结晶过程如图 3 畅 14 所示图 3 畅 14 共晶白口铸铁的结晶过程示意图

11 共析成分 (0 畅 77%), 因此奥氏体发生共析转变而形成珠光体, 而二次渗碳体不变 ; 从 2 点继续冷却到室温, 组织基本不变故共晶白口铸铁室温平衡组织为珠光体 P 共晶渗碳体 Fe 3 C 和二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ, 称之为低温莱氏体, 用符号 Ld 表示图 3 畅 15 所示为共晶白口铸铁的显微组织图中黑色部分为珠光体, 白色部分为渗碳体二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起, 光学显微镜下难以分辨 3 畅 2 畅 5 亚共晶白口铸铁的结晶过程图 3 畅 15 共晶白口铸铁的显微组织亚共晶白口铸铁的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅴ 线所示, 其结晶过程如图 3 畅 16 所示图 3 畅 16 亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图亚共晶白口铸铁在 1 点以上时为液态合金 ; 当液态合金冷却到与液相线 AC 相交于 1 点温度时, 液相中开始结晶出初晶奥氏体 ; 在 1 点与 2 点之间, 随着温度下降, 奥氏体量不断增加, 其成分沿固相线 AE 线变化, 而剩余液相量逐渐减少, 其成分沿液相线 AC 线变化 ; 当冷却到与共晶线 ECF 相交于 2 点温度 (1 148 ) 时, 初晶奥氏体的成分变为 2 畅 11%, 液相碳的质量分数正好是共晶成分 (4 畅 3%), 因此剩余液相发生共晶转变而形成莱氏体, 而初晶奥氏体不变 ; 在 2 点到 3 点间冷却时, 初晶奥氏体与共晶奥氏体中, 均不断析出二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ, 并在 3 点的温度 (727 ) 时, 这两种奥氏体的成分正好是共析成分 (0 畅 77%), 所以发生共析转变而形成珠光体 ; 从 3 点继续冷却到室温, 组织基本不变故亚共晶白口铸铁室温平衡组织为珠光体 P 二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ 和低温莱氏体 Ld 所有亚共晶白口铸铁的结晶过程均相似, 只是合金成分越接近共晶成分, 室温组织中低温莱氏体量越多 ; 反之, 由初晶奥氏体转变成的珠光体量越多图 3 畅 17 所示为亚共晶白口铸铁的显微组织图中呈黑色块状或树枝状分布的是由初晶奥氏体转变成的珠光体, 基体是低温莱氏体白亮色的二次渗碳体分布在块状或树枝状珠光体周围 43

织亚共晶白口铸铁的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅴ 线所示, 其结晶过程如图 3 畅 16 所示图 3 畅 16 亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图亚共晶白口铸铁在 1 点以上时为液态合金 ; 当液态合金冷却到与液相线 AC 相交于 1 点温度

12 3 畅 2 畅 6 过共晶白口铸铁的结晶过程图 3 畅 17 亚共晶白口铸铁的显微组织过共晶白口铸铁的冷却结晶过程如图 3 畅 7 中的合金 Ⅵ 线所示, 其结晶过程如图 3 畅 18 所示过共晶白口铸铁在 1 点以上时为液态合金 ; 当液态合金冷却到与液相线 CD 线相交于 1 点的温度时, 液态合金中开始结晶出一次渗碳体 Fe 3 C Ⅰ ; 在 1 点与 2 点之间, 随着温度的下降, 一次渗碳体量不断增加, 剩余液相量逐渐减少, 其成分沿 CD 线改变 ; 当温度冷却到与共晶线 ECF 相交于 2 点温度 (1 148 ) 时, 液相的成分正好是共晶成分, 因此剩余的液相发生共晶转变而形成莱氏体 ; 在 2 点与 3 点之间冷却, 奥氏体中同样要析出二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ, 并在 3 点的温度 (727 ) 时, 奥氏体发生共析转变而形成珠光体故过共晶白口铸铁在室温平衡组织为一次渗碳体 Fe 3 C Ⅰ 和低温莱氏体 Ld 图 3 畅 18 过共晶白口铸铁的结晶过程示意图所有过共晶白口铸铁的结晶过程均相似, 只是合金成分越接近共晶成分, 室温组织中的低温莱氏体量越多 ; 反之, 一次渗碳体量越多图 3 畅 19 所示为过共晶白口铸铁的显微组织图中白色条块状为一次渗碳体, 基体为低温莱氏体图 3 畅 19 过共晶白口铸铁的显微组织 44

温度 (1 148 ) 时, 液相的成分正好是共晶成分, 因此剩余的液相发生共晶转变而形成莱氏体 ; 在 2 点与 3 点之间冷却, 奥氏体中同样要析出二次渗碳体 Fe 3 C Ⅱ, 并在 3 点的温度 (727 ) 时, 奥氏体发生共析转变而形成珠光体故过共

13 3 畅 3 铁碳合金成分组织和性能之间的关系在一定的温度下, 合金的成分决定了组织, 而组织决定了合金的性能铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成的但是其碳的质量分数不同, 组织中两个相的相对数量分布及形态也不同, 不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能 3 畅 3 畅 1 碳的质量分数对平衡组织的影响 1 畅相的变化规律铁碳相图在共析温度以下为 F 与 Fe 3 C 的两相区, 所有铁碳合金皆由此两相组成室温时, 碳的质量分数低于 0 畅 021 8% 的合金全部为铁素体 ( 忽略三次渗碳体 ); 随着碳的质量分数的增加, 铁素体的含量呈直线关系减少 ; 当碳的质量分数为 6 畅 69% 时铁素体降为零与此同时, 渗碳体的含量则由零直线增加至 100% 碳的质量分数的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化, 而且由于引起不同性质的结晶过程, 使其出现不同的组织形态, 发生不同的相互结合, 因此造成不同的组织变化 2 畅组织的变化 1) 组成物的变化随着碳的质量分数的增加, 组织变化顺序依次为 : F F +P P P +Fe 3 C Ⅱ P +Fe 3 C Ⅱ +Ld Ld Ld +Fe 3 C Ⅰ 组织中各种组织组成物的相对数量由图中相应垂直高度来表示 2) 组织形态的变化同一种组织组成物或组成相, 由于生成条件的不同, 虽然本质相同, 但形态可有很大差别, 对性能的作用也大不一样 (1) 铁素体固溶体转变生成的单相铁素体为块状 ( 等轴晶粒状 ) ; 共析体中的铁素体则由于同渗碳体相互制约, 主要呈交替片状 (2) 渗碳体它的形态最复杂, 钢铁组织的复杂化主要是它所造成的一次渗碳体是从液体中直接析出, 呈长条状 ; 二次渗碳体是从奥氏体中析出的, 沿晶界呈网状 ; 三次渗碳体是从铁素体中析出的, 沿晶界呈小片或粒状 ; 共晶渗碳体是同奥氏体相关形成的, 在莱氏体中为连续的基体 ; 共析渗碳体是同铁素体交互形成的, 呈交替片状可见, 铁碳合金中这些组织的不同形态, 决定其性能变化的复杂性从以上变化可以看出, 铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加, 铁素体的相对量减少, 而渗碳体的相对量增加具体来说, 对钢部分而言, 随着碳的质量分数的增加, 亚共析钢中的铁素体量减少, 过共析钢中的二次渗碳体量增加 ; 对铸铁部分而言, 随着碳的质量分数的增加, 亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少, 过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量增加铁碳合金的成分组织相组成物及组织组成物的变化如图 3 畅 20 所示应当指出, 铁碳合金中碳的质量分数增高时, 不仅组织中渗碳体的相对量增加, 而且渗碳体 45

8% 的合金全部为铁素体 ( 忽略三次渗碳体 ); 随着碳的质量分数的增加, 铁素体的含量呈直线关系减少 ; 当碳的质量分数为 6 畅 69% 时铁素体降为零与此同时, 渗碳体的含量则由零直线增加至 100% 碳的质量分数的变化不仅引起铁

14 图 3 畅 20 铁碳合金成分组织 ( 组织相 ) 间的关系的大小形态和分布也随之发生变化渗碳体由层状分布在铁素体基体内 ( 如珠光体 ), 进而改变呈网状分布在晶界上 ( 如二次渗碳体 ), 最后形成莱氏体时, 渗碳体又作为基体出现这就是说不同成分的铁碳合金具有不同的组织, 这也正是决定它们具有不同性能的原因 3 畅 3 畅 2 碳的质量分数对铁碳合金力学性能的影响 1 畅硬度硬度是一个与碳的质量分数有关的性能指标, 与组织组成物或组成相的形态不十分敏感的性能指标, 它的大小主要决定于组成相的硬度和相对数量所以随着碳的质量分数的增加, 硬度 46

正是决定它们具有不同性能的原因 3 畅 3 畅 2 碳的质量分数对铁碳合金力学性能的影响 1 畅硬度硬度是一个与碳的质量分数有关的性能指

15 高的渗碳体增多, 硬度低的铁素体减少, 因此合金的硬度呈直线增高, 由完全为铁素体组织的 80 HBS 增大到完全为渗碳体的约 800 HBW 2 畅强度强度是一种对组织组成物的形态很敏感的性能在工业纯铁中, 随着碳的质量分数的增加, 固溶强化或微量 Fe 3 C Ⅲ 的强化作用使强度提高在亚共析钢中, 组织为 F +P 的混合物,F 的强度低,P 的强度较高, 随 P 的增加, 强度提高且强度与组织的细密度有关, 组织越细密, 则强度越高, 所以在亚共析钢中, 随着碳的质量分数的增加, 强度提高 ; 组织越细, 强度越高过共析钢中, 铁素体消失, 而硬脆的二次渗碳体出现, 合金强度增加变缓在碳的质量分数到约 0 畅 90% 时, 由于沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整, 强度开始迅速下降, 碳的质量分数到 2 畅 11% 组织中出现莱氏体时, 强度降低到很低的值, 如果继续增加碳的质量分数, 由于基体变为连片的渗碳体, 强度将变化不大, 但值很低, 接近渗碳体的强度 ( 约 20 ~30 MPa) 3 畅塑性铁碳合金中的渗碳体是极脆的组成相或组织组成物, 没有塑性, 不能为合金的塑性做出贡献, 合金的塑性完全由铁素体来提供所以, 碳的质量分数增加, 铁素体减少时, 合金的塑性不断降低, 当基体变为渗碳体后, 塑性就降低到接近于零值 4 畅韧性铁碳合金的冲击韧性对组织及其形态最敏感碳的质量分数增加时, 脆性的渗碳体增多, 不利的形态愈严重, 韧性下降很快, 下降的趋势比塑性更急剧在铁碳合金中, 渗碳体一般可认为是一种强化相当它与铁素体构成层状珠光体时, 可提高合金的强度和硬度, 故合金中珠光体的量越多时, 其强度硬度越高, 而塑性韧性却相应降低但过共析钢中, 渗碳体明显地以网状分布在晶界上, 特别在白口铸铁中渗碳体作为基体时, 将使铁碳合金的塑性和韧性大大下降, 这就是高碳钢和白口铸铁脆性高的主要原因图 3 畅 21 所示为碳的质量分数对碳钢力学性能的影响由图可见, 当钢中碳的质量分数小于图 3 畅 21 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响 47

增加, 强度提高 ; 组织越细, 强度越高过共析钢中, 铁素体消失, 而硬脆的二次渗碳体出现, 合金强度增加变缓在碳的质量分数到约 0 畅 90% 时, 由于沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整, 强度开始迅速下降, 碳的质量分数到 2 畅 11% 组

16 0 畅 9% 时, 随着钢中碳的质量分数的增加, 钢的强度硬度呈直线上升, 而塑性韧性不断下降 ; 当钢中碳的质量分数大于 0 畅 9% 时, 因渗碳体以完整的网状存在, 不仅使钢的塑性韧性进一步降低, 而且强度也明显下降为了保证工业上使用的钢具有足够的强度, 并具有一定的塑性和韧性, 钢中的碳的质量分数一般不超过 1 畅 3% ~1 畅 4% 碳的质量分数大于 2 畅 11% 的白口铸铁, 由于组织中存在大量的渗碳体, 则特别硬而脆, 难以切削加工, 因此在一般机械制造工业中很少使用 3 畅 3 畅 3 碳的质量分数对工艺性能的影响在一定温度下, 合金的成分决定组织, 而组织又决定合金的性能铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成的但是随着碳的质量分数变化, 其组织中两种相的相对数量分布及形态也发生变化, 所以不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能 1 畅铸造性能金属的铸造性能也与碳的质量分数有关随着碳的质量分数的增加, 钢的结晶温度间隔增大, 对钢的流动性是不利的 ; 但随着碳的质量分数的增加, 液相线温度降低, 这对钢的流动性有利总的来说, 钢液的流动性是随碳的质量分数的增加而提高的铸铁因其液相线温度比钢低, 其流动性总是比钢好, 亚共晶白口铸铁随碳的质量分数的增加凝固范围变小, 流动性也随之提高, 共晶铸铁其结晶温度最低, 同时又在恒温下结晶, 流动性最好过共晶铸铁随碳的质量分数的增加, 流动性变差 2 畅锻造性能碳的质量分数也影响钢材的可锻性低碳钢的可锻性良好, 随着碳的质量分数的提高可锻性变差如果要求有好的塑性变形抗力小, 在 Fe -Fe 3 C 相图中, 单相 A 区最合适, 其次为 A +F 两相区, 而有 Fe 3 C 存在的两相区, 钢的塑性韧性都差 3 畅切削加工性能碳的质量分数对切削加工性能有一定影响低碳钢中铁素体较多塑性好, 切削时产生的切削热较大, 容易粘刀, 而且切屑不易折断, 影响表面粗糙度, 故切削性能差高碳钢中, 渗碳体较多, 严重磨损刀具, 切削加工性能也差一般认为, 钢的硬度大致为 250 HBS 时切削加工性最好在低碳钢中当共析渗碳体呈片状, 特别是细片状时, 可以降低钢的塑性, 有利于切削 ; 而以球状存在时, 反而不利于切削高碳钢中共析渗碳体以片状存在, 二次渗碳体以网状存在时对切削不利而渗碳体呈球状时则可改善切削加工性 3 畅 4 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图在生产中具有重要的实际意义, 主要应用在钢铁材料的选用和热加工工艺制定两个方面 3 畅 4 畅 1 在钢铁选材方面的应用铁碳合金相图总结了合金组织及性能随成分变化的规律, 这样就便于根据零件的服役条件和性能要求来选择材料 48

很少使用 3 畅 3 畅 3 碳的质量分数对工艺性能的影响在一定温度下, 合金的成分决定组织, 而组织又决定合金的性能铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成的但是随着碳的质量分数变化, 其组织中两种相的相对数量分

17 若需要塑性韧性高的材料应选用低碳钢 ( 碳的质量分数 0 畅 1% ~0 畅 25%); 需要强度塑性及韧性都较好的材料应选用中碳的亚共析钢 ( 碳的质量分数 0 畅 25% ~0 畅 6%); 需要硬度高耐磨性好的材料应选用高碳钢 ( 碳的质量分数 0 畅 6% ~1 畅 3%) 一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构, 高碳钢多用来制造各种工具模具而对于形状复杂的箱体机器底座等可选用熔点低流动性好的铸铁来制造当然, 为了进一步提高钢的性能, 还需有相应的合理的工艺与之配合 3 畅 4 畅 2 在制定热加工工艺方面的应用铁碳合金相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律, 这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据 1 畅在铸造工艺方面的应用根据铁碳合金相图可以找出不同成分的钢和铸铁的熔点, 为铸造工艺提供基本数据, 可以确定合适的浇注温度, 如图 3 畅 22 所示另外, 相图还说明纯铁的共晶成分的铁碳合金凝固温度区间为最小 ( 为零 ), 铸造性能好, 而且共晶成分的合金结晶温度较低, 操作比较方便因此, 在铸造生产中接近共晶成分的铸铁得到广泛的应用 2 畅在锻造热轧工艺方面的应用钢处于奥氏体状态时, 强度较低, 塑性较好, 便于塑性变形因此, 在进行锻造热轧加工时要把坯料加热到奥氏体状态一般始锻温度控制在固相线下 100 ~200 范围内, 而终锻温度对亚共析钢控制在稍高于 GS 线, 对于过共析钢控制在稍高于 ES 线通常, 各种碳素钢的始锻温度为 ~1 150, 终锻温度为 850 ~750, 如图 3 畅 22 所示图 3 畅 22 铁碳相图与铸锻工艺的关系 3 畅在焊接工艺方面的应用焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的, 由铁碳相图可知, 受不同的加热温度的各 49

工艺与之配合 3 畅 4 畅 2 在制定热加工工艺方面的应用铁碳合金相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律, 这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据 1 畅在铸造工艺方面的应用根据铁碳合金相图可以找出

18 区域在随后的冷却中可能出现不同的组织与性能这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善 4 畅在热处理工艺方面的应用铁碳合金相图对于制定热处理工艺有着特别重要的意义常用的热处理工艺如退火正火淬火的加热温度都是根据铁碳合金相图确定的必须指出, 使用铁碳相图时还要考虑多种杂质或合金元素的影响而且还应指出, 相图反映的是平衡的组织状态, 所以实际上钢铁在生产和加工过程中, 当冷却或加热速度较快时, 不能完全用相图来分析问题, 必须借助其他的理论知识 50

金相图确定的必须指出, 使用铁碳相图时还要考虑多种杂质或合金元素的影响而且还应指出, 相图反映的是平衡的组织状

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和语音语篇语感语域林大津毛浩然改革开放以来的英语热引发了大中小学英语教育整体规划问题在充分考虑地区学校和个体差异以及各家观点的基础上遵循实事求是逐级定位逐层分流因材施教的原则本研究所倡导的语音语篇语感语域