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分析含碳量为0.6％铁碳合金从液态冷却到室温的结晶过程
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首先结晶出高温铁素体然后是包晶反映出奥氏体（1495度）铁素体和奥氏体共析出珠光体（770度）珠光体和二次碳素体（室温）
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分析wc为0.6％、3%的铁碳合金从液态缓慢冷却到室温时的结晶过程、指出室温下的平衡组织
并分别计算wc为0.6％的铁碳合金在室温下相的相对量和组织相对量。求详细解答
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（P）珠光体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。
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铁碳相图以及铁碳合金
导读：所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体α和渗碳体Fe3C两相组成，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物，合金中Fe3C的相对量越多，Fe-Fe3C合金的组织组成较为复杂，图17含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系，解：应选择α+γ二相区，共析温度或QP=1-Qα=1-42.77%=57.23%同样可以计算出20钢：Qα=76.18%,QP=23.8解：应选择α+γ二相区，共析温度
或QP=1-Qα=1-42.77%=57.23% 同样可以计算出20钢：Qα=76.18%,QP=23.82%； 60钢：Qα=22.72%,QP=77.28%。
过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体γ；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光体P。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe3C)+Fe3CII。具体转变过程见动画演示。实际1.2%C（T12）钢的室温组织照片见图12。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3CII的量增大。由于大量的Fe3CII会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3CII的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3CII网）或相应的热处理后才能使用。 过共析钢冷却过程中的组织转变演示
图12 1.2%C过共析钢的室温组织 图13 1.4%C过共析钢的室温组织 比较图12和图13，可以看出1.4%C钢中的Fe3CII的量比1.2%C中明显的多。
共晶白口铁在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148℃进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体Ld（共晶组织）：
在1148℃到727℃之间，莱氏体中的奥氏体γ将按照ES线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3CII，而奥氏体在727℃时的含碳量降到0.77%；此时，奥氏体进行共析转变，将全部转变成珠光体P：
以上转变过程见动画演示。经过共析转变的莱氏体，称为低温莱氏体，用符号Ld'表示，以区别Ld。珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体，共晶组织中的渗碳体叫做共晶渗碳体。 所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体Ld'，其组织组成为：P+Fe3C 共晶+Fe3CII。图14是共晶白口铁的实际室温组织照片。
共晶白口铁(4.3%C)冷却过程中的组织转变 图14 共晶白口铁的室温组织
亚共晶白口铁冷却过程中组织转变与共晶白口铁类似，只是在共晶转变之前，液相中先结晶出奥氏体。到达1148℃时，剩余的液相成份为4.3%C，再往下面，液相的转变就与共晶白口铁一样了。先结晶出来的奥氏体和共晶奥氏体一样，在以后的冷却过程中依次析出二次渗碳体（难以明显看出）和进行共析转变（见下面动画演示）。室温下亚共晶白口铁的平衡组织为：P+Fe3CII+Ld'。图15为实际亚共晶白口铁的室温组织。 支持(1) 中立(0) 反对(0)
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等级：新手上路 帖子：87 积分：909 威望：0 精华：0 注册：2 亚共晶白口铁(3.0%C)冷却过程中的组织转变 图15 亚共晶白口铁的室温组织，图中黑色 树枝状组织为珠光体，其余为共晶组织 （低温莱氏体Ld'）。
009-10-30 10:36:36
过共晶白口铁在从液态到室温的冷却过程中，先从液相中结晶出来的是一次渗碳体Fe3CI，剩余的液相在1148℃进行共晶转变。以下的过程与共晶白口铁相同（见下面动画演示）。因此，过共晶白口铁的室温组织为：Fe3CI+Ld’。见图16。
过共晶白口铁(5.0%C)冷却过程中的组织转变 图16 过共晶白口铁的室温组织 图中白色条状组织为一次渗碳体Fe3CI， 其余为共晶组织（低温莱氏体Ld’）。 所有白口铁因含有大量的渗碳体而具有很高的硬度，极低的塑性，属于脆性材料。在生产中白口铁主要用于抗磨件，如：轧辊、犁铧、抗磨衬板，等。另外，生产可锻铸铁也需要先生产出白口铸铁坯件，然后通过石墨化热处理得到可锻铸铁件。
所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体α和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。含碳量越高，合金中Fe3C的相对量越多，铁素体α的相对量越少（见图17）。 Fe-Fe3C合金的组织组成较为复杂，含碳量对组织组成的影响也较为复杂(见图17)。 图17 含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系
碳钢的组成相只有铁素体和渗碳体两种，组织组成物有先共析铁素体、珠光体和二次渗碳体三种。由于铁素体硬度低、塑性好，渗碳体硬度非常高、塑性为0；所以，由铁素体和渗碳体均匀混合的珠光体具有良好的综合性能，即具有良好的强度和硬度,同时也具有较好地塑性和韧性。 对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降；只有硬度增高。含碳量对钢的性能的具体影响见图18。 包含总结汇报、外语学习、农林牧渔、经管营销、行业论文、计划方案、自然科学、教学研究、医药卫生、求职职场以及铁碳相图以及铁碳合金等内容。本文共4页
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铁碳相图-铁与碳可以形成一系列化合物： 铁碳合金含碳量超过6.69% 。脆性很大,
第三章铁碳合金相图非合金钢[（GB／T 13304-91） ，将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁 是应用极其广泛的重要金属材料， 都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。 了解铁碳合 金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳 相图及其应用方面的一些问题。 铁与碳可以形成一系列化合物： Fe3 C 、 Fe2 C 、 FeC 等。 Fe3 C 的含碳量为 6.69％，铁 碳合金含碳量超过 6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是 Fe - Fe3 C 相图。相图的两个组元是 Fe 和 Fe3 C 。3.1Fe - Fe3C 系合金的组元与基本相3.l.l组元Fe 是 过 渡 族 元 素 ， 1 个 大 气 压 下 的 熔 点 为 1538 ℃ ， 20 ℃ 时 的 密 度 为 ⑴纯铁 3 7.87? 10 kg / m 2 。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变） ，即：? - Fe （体心） ? - Fe （面心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度 ? b =180～230 MPa ，屈服强度 ? 0.2 ＝100～? - Fe （体心）170 MPa ，伸长率 ? ? 30～50％，硬度为 50～80 HBS 。 可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为 电工材料用于各种铁芯。 ⑵ Fe3 C Fe3 C 是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用 符 号 Cm 表 示 。 Fe3 C 具 有 很 高 的 硬 度 但 很 脆 ， 硬 度 约 为 950 ～ 1050 HV ， 抗 拉 强 度? b =30 MPa ，伸长率 ? ? 0 。3.1.2基本相Fe - Fe3 C 相图中除了高温时存在的液相 L ，和化合物相 Fe3 C 外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相： ⑴高温铁素体 碳溶于 ? - Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号 ? 表示。 ⑵铁素体 碳溶于 ? - Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号 ? 或 F 表示。 F 中碳的 固溶度极小，室温时约为 0.0008％,600℃时约为 0.0057％,在 727℃时溶碳量最大，约为 0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁 相当。 ⑶奥氏体 碳溶于 ? - Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号 ? 或 A 表示。奥氏体中 碳的固溶度较大，在 1148℃时最大达 2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。3.2Fe - Fe3C 相图3.2.1Fe - Fe3 C 相图中各点的温度、含碳量及含义Fe - Fe3 C 相图及相图中各点的温度、含碳量等见图 3.1 及表 3.1 所示。37图 3.1 及表 3.1 中代表符号属通用，一般不随意改变。C, ％(重量) →图 3.1 Fe - Fe3 C 相图 表 3.1 相图中各点的温度、含碳量及含义符号 A B C D E F G H J K N P S Q 温度（℃） 48 48 912 7
600 （室温） 含碳量[%（质量）] 0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69 0 0. 0.8) 含 义 纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分 共晶点 Fe3C 的熔点 碳在γ -Fe 中的最大溶解度 Fe3C 的成分 α -Fe→γ -Fe 同素异构转变点 碳在δ -Fe 中的最大溶解度 包晶点 Fe3C 的成分 γ -Fe→δ -Fe 同素异构转变点 碳在α -Fe 中的最大溶解度 共析点 600℃（或室温）时碳在α -Fe 中的最大溶解度3.2.2Fe - Fe3 C 相图中重要的点和线3.2.2.1 三个重要的特性点 ⑴ J 点为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1495℃时。 B 点成分的 L 与 H 点成分 的 ? 发生包晶反应，生成 J 点成分的 A 。包晶反应在恒温下进行，反应过程中 L 、? 、 A 三AJ 或 L0.53 ? ? 0.09 A0.17 。 相共存，反应式为： L B ? ? H ⑵ C 点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1148℃时。 C 点成分的 L 发生共晶反 应，生成 E 点成分的 A 和 Fe3 C 。共晶反应在恒温下进行，反应过程中 L 、 A 、 Fe3 C 三相共AE ? Fe3 C 或 L 4.3 A2.11 ? Fe3 C 。 存，反应式为： LC 共晶反应的产物是 A 与 Fe3 C 的共晶混合物，称莱氏体，用符号 Le 表示，所以共晶反应 Le 4.3 。 式也可表达为： L 4.3 莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状 A （727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。38⑶ S 点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到 727℃时 S 点成分的 A 发生共析反应， 生成 P 点成分的 F 和 Fe3 C 。共析反应在恒温下进行，反应过程中 A 、 F 、 Fe3 C 三相共存， 反应式为： AS FP ? Fe3 C 或 A0.77 F0.0218 ? Fe3 C 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号 P 表示，因而共析 反应可简单表示为： A0.77 P0.77 P 中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下 P 的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可 清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条） 。 P 的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下： 抗拉强度（ ? b ） 770 MPa 延伸率（ ? ） 20～35％ 2 冲击韧性（ a k ） 30～40 J / cm 硬度（ HB ） 180 kgf / mm 2 3.2.2.2 相图中的特性线 相图中的 ABCD 为液相线； AHJECF 为固相线。 ⑴水平线 HJB 为包晶反应线。碳含量 0.09～0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发 生包晶反应。⑵水平线 ECF 为共晶反应线。碳含量在 2.11～6.69％之间的铁碳合金，在平 衡结晶过程中均发生共晶反应。⑶水平线 PSK 为共析反应线。碳含量 0.％之间 的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK 线在热处理中亦称 A1 线。⑷ GS 线是 合金冷却时自 A 中开始析出 F 的临界温度线，通常称 A3 线。⑸ ES 线是碳在 A 中的固溶线， 通常称 Acm 线。由于在 1148℃时 A 中溶碳量最大可达 2.11％，而在 727℃时仅为 0.77％， 因此碳含量大于 0.77％的铁碳合金自 1148℃冷至 727℃的过程中，将从 A 中析出 Fe3 C 。 析出的渗碳体称为二次渗碳体（ Fe3CII ） Acm 线亦是从 A 中开始析出 Fe3CII 的临界温度线。 。 ⑹ PQ 线是碳在 F 中的固溶线。在 727℃时 F 中溶碳量最大可达 0.0218％，室温时仅为 0.0008％，因此碳含量大于 0.0008％的铁碳合金自 727℃冷至室温的过程中，将从 F 中析 出 Fe3 C 。析出的渗碳体称为三次渗碳体（ Fe3CIII ） PQ 线亦为从 F 中开始析出 Fe3CIII 的临 。 界温度线。 Fe3CIII 数量极少，往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出 过程。3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程根据 Fe - Fe3 C 相图，铁碳含金可分为三类： ⑴ 工业纯铁 ?C ? 0.0218%?? ?亚共析钢?0.0218% C? 0.77%? ? ? ⑵ 钢?0.0218% C ? 2.11%??共析钢?C ? 0.77%? ?过共析钢?0.77? C ? 2.11? ? ?亚共晶白口铸铁 ?2.11%? C? 4.3%? ? ⑶ 白口铸铁 ?2.11%? C? 6.69%??共晶白口铸铁 ?C ? 4.3%? ?过共晶白口铸铁 ?4.3%? C? 6.69%? ? 下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。3.3.1工业纯铁以含碳 0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图 3.2）和平衡结晶过程如下。 合金在 1 点以上为液相 L 。冷却至稍低于 1 点时，开始从 L 中结晶出 ? ，至 2 点合金全 部结晶为 ? 。从 3 点起， ? 逐渐转变为 A ，至 4 点全部转变完了。4-5 点间 A 冷却不变。自 5 点始，从 A 中析出 F 。 F 在 A 晶界处生核并长大，至 6 点时 A 全部转变为 F 。在 6-7 点39间 F 冷却不变。 7-8 点间， F 晶界析出 Fe3CIII 。 在 从 因此合金的室温平衡组织为 F + Fe3CIII 。呈小白片状分布于 F 晶界处。 若忽略 Fe3CIII ， 则组织全为 F 。 F 呈白色块状；Fe3CIII 量极少，图 3.2 工业纯铁结晶过程示意图3.3.2共析钢其冷却曲线和平衡结晶过程如图 3.3 所示。 合金冷却时，于 1 点起从 L 中结晶出 A ，至 2 点全部结晶完了。在 2-3 点间 A 冷却不变。至 3 点时， A 发生共析反应生成 P 。从 3′继续冷却至 4 点， P 皆不发生转变。因此共析钢的 室温平衡组织全部为 P ， P 呈层片状。 共析钢的室温组织组成物也全部是 P ，而组成相为 F 和 Fe3 C ，它们的相对质量为： 6.69 ? 0.77 F% ? ? 100% ? 88% ; Fe3 C % ? 1 ? F % ? 12% 6.69图 3.3 共析钢结晶过程示意图3.3.3亚共析钢以含碳 0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图 3.4 所示。 ? 合金冷却时， 1 点起自 L 中结晶出 ? ， 2 点时， 成分变为 0.53％ C ， 变为 0.09％ 从 至 L C ，发生包晶反应生成 A0.17 ，反应结束后尚有多余的 L 。2′点以下，自 L 中不断结晶出 A ， 至 3 点合金全部转变为 A 。 3-4 点间 A 冷却不变。 4 点起， 在 从 冷却时由 A 中析出 F ，F 在 A 晶界处优先生核并长大，而 A 和 F 的成分分别沿 GS 和 GP 线变化。至 5 点时， A 的成分 变为 0.77％ C ， F 的成分变为 0.0218％ C 。此时 A 发生共析反应，转变为 P ， F 不变化。 从 5′继续冷却至 6 点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为 F + P 。F 呈白色块状； P 呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于 0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中40的 F 常呈白色网状，包围在 P 周围。图 3.4 亚共析钢结晶过程示意图含 0.4％ C 的亚共析钢的组织组成物（ F 和 P ）的相对质量为： 0.4 ? 0.02 P% ? ? 100% ? 51% ； F % ? 1 ? 51 % ? 49 % 0.77 ? 0.02 组成相（ F 和 Fe3 C ）的相对质量为： 6.69 ? 0.4 F% ? ? 100% ? 94%; Fe3 C% ? 1 ? 94% ? 6% 6.69 由于室温下 F 的含碳量极微， 若将 F 中的含碳量忽略不计， 则钢中的含碳量全部在 P 中， 所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据 P 的含量可求出钢的含碳量为： C % ? P % ? 0.77 % 。由于 P 和 F 的密度相近，钢中 P 和 F 的含量（质量百分数）可以近似 用对应的面积百分数来估算。图 3.5 过共析钢结晶过程示意图3.3.4过共析钢以碳含量为 1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图 3.5 所示。 合金冷却时， 1 点起自 L 中结晶出 A ， 2 点全部结晶完了。 2-3 点间 A 冷却不变， 从 至 在 从 3 点起，由 A 中析出 Fe3CII ， Fe3CII 呈网状分布在 A 晶界上。至 4 点时 A 的碳含量降为 0.77％，4-4′发生共析反应转变为 P ，而 Fe3CII 不变化。在 4′-5 点间冷却时组织不发生 转变。因此室温平衡组织为 Fe3CII + P 。在显微镜下， Fe3CII 呈网状分布在层片状 P 周围。41含 1.2％ C 的过共析钢的组成相为 F 和 Fe3 C ； 组织组成物为 Fe3CII 和 P ， 它们的相对质 1.2 ? 0.77 量为： Fe 3 C II % ? ? 100% ? 7%; P% ? 1 ? 7% ? 93% 6.69 ? 0.773.3.5共晶白口铸铁共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图 3.6 所示。图 3.6 共晶白口铸铁结晶过程示意图合金在 1 点发生共晶反应，由 L 转变为（高温）莱氏体 Le （ A + Fe3 C ） 。在 1′-2 点间，Le 中的 A 不断析出 Fe3CII 。 Fe3CII 与共晶 Fe3 C 无界线相连，在显微镜下无法分辨，但此时的莱氏体由 A + Fe3CII + Fe3 C 组成。由于 Fe3CII 的析出，至 2 点时 A 的碳含量降为 0.77％， 并发生共析反应转变为 P ；高温莱氏体 Le 转变成低温莱氏体 Le ′( P + Fe3CII + Fe3 C )。从 2′至 3 点组织不变化。所以室温平衡组织仍为 Le ′，由黑色条状或粒状 P 和白色 Fe3 C 基 体组成（见图 3.12） 。 共晶白口铸铁的组织组成物全为 Le ′，而组成相还是 F 和 Fe3 C ，它们的相对重量可用 杠杆定律求出。3.3.6亚共晶白口铸铁以碳含量为 3％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如图 3.7 所示。图 3.7 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图合金自 1 点起，从 L 中结晶出初生 A ，至 2 点时 L 的成分变为含 4.3％ C （ A 的成分变 为含 2.11％） ，发生共晶反应转变为 Le ，而 A 不参与反应。在 2′-3 点间继续冷却时，初 生 A 不断在其外围或晶界上析出 Fe3CII ，同时 Le 中的 A 也析出 Fe3CII 。至 3 点温度时，所42有 A 的成分均变为 0.77％，初生 A 发生共析反应转变为 P ；高温莱氏体 Le 也转变为低温莱 氏体 Le ′。在 3′以下到 4 点，冷却不引起转变。因此室温平衡组织为 P + Fe3CII + Le ′。 网状 Fe3CII 分布在粗大块状 P 的周围， Le ′则由条状或粒状 P 和 Fe3 C 基体组成。 亚共晶白口铸铁的组成相为 F 和 Fe3 C 。组织组成物为 P 、 Fe3CII 、和 Le ′。它们的相 对质量可以两次利用杠杆定律求出。 先求合金钢冷却到 2 点温度时初生 A2.11 和 L4.3 的相对质量： 4.3 ? 3 A2.11 % ? ? 100% ? 59%; L4.3 % ? 1 ? 59% ? 41% 4.3 ? 2.11 并随后转变为低温莱氏体 Le ′， 所以 Le ′％ = Le ％ L4.3 通过共晶反应全部转变为 Le ， = L4.3 ％ = 41％。 再求 3 点温度时（共析转变前）由初生 A2.11 析出的 Fe3CII 及共析成分的 A0.77 的相对质量： 2.11? 0.77 6.69 ? 2.11 Fe3 C II % ? ? 59% ? 13%; A0.77 % ? ? 59% ? 46% 。 6.69 ? 0.77 6.69 ? 0.77 由于 A0.77 发生共析反应转变为 P ，所以 P 的相对质量就是 46％。3.3.7过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的区别是：其先析出相是 一次渗碳体（ Fe3 C I ）而不是 A ，而且因为没有先析出 A ，进而其室温组织中除 Le ′中的 P 以外再没有 P ，即室温下组织为 Le ′＋ Fe3 C I ，组成相也同样为 F 和 Fe3 C ，它们的质量分 数的计算仍然用杠杆定律，方法同上。3.43.4.1含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系按组织划分的 Fe - Fe3C 相图由 Fe - Fe3 C 相图， 可知铁碳合金室温平衡组织都由 F 和 Fe3 C 两相组成， 随含碳量增高， ； F 含量下降，由 100％按直线关系变至 0（含 6.69％ C 时） Fe3 C 含量相应增加，由 0 按直 线关系变至 100％（含 6.69％ C 时） 。改变含碳量，不仅引起组成相的质量分数变化，而且 产生不同结晶过程，从而导致组成相的形态、分布变化，也即改变了铁碳合金的组织。由图 3.8，可见随着含碳量增加，室温组织 变化如下：F（+ Fe3CIII ） F + P → P → → P + Fe3CII → P + Fe3CII + Le ′ → Le ′→ Le ′+ Fe3 C I 。 组成相的相对含量及组织形态的 变化，会对铁碳合金性能产生很大影 响。3.4.2 碳钢的机械性能与碳 含量的关系对图 3.8 进行分析， 得知铁碳合金 的含碳量: 小于 0.0218％时组织全部 为 F ；等于 0.77％时全部为 P ；等于 4.3％时全部为 Le ′；等于 6.69％时 全部为 Fe3 C ；在它们之间的组织则为 相应组织的混合物。利用杠杆定律对 其质量分数计算可得如图 3.9 所示的 含碳量与组织 F 、P 、Fe3CII 、Le ′、 （Fe3 C I ）的数量关系。C,% →43硬度（ HB ）主要决定于组织中组织分区的 Fe-Fe3C 合金相图图 3.8标注组成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响 相对较小。随碳含量的增加，由于硬度高的 Fe3 C 增多，硬度低 的 F 减少，所以合金的硬度呈直线关系增大，由全部为 F 的硬 度约 80 HB 增大到全部为 Fe3 C 时的约 800 HB 。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。 随碳含量的增加， 亚 共析钢中 P 增多而 F 减少。 P 的强度比较高，其大小与细密程 度有关。组织越细密，则强度值越高。 F 的强度较低。所以亚 共析钢的强度随碳含量的增大而增大；但当碳含量超过共析成 分之后，由于强度很低的 Fe3CII 沿晶界析出，合金强度的增高 变慢；到约 0.9％时， Fe3CII 沿晶界形成完整的网，强度迅速降 低；随着碳含量的增加，强度不断下降，到 2.11％后，合金中 出现 Le ′时，强度已降到很低的值。再增加碳含量时，由于合 金基体都为脆性很高的 Fe3 C ，强度变化不大且值很低，趋近于 Fe3 C 的强度（约 20～ 30 MPa ） 。 图 3.9 含碳量与组织的关系 铁碳含金中 Fe3 C 是极脆的相，没有塑性， 不能为合金的塑性作出贡献，合金的塑性全部 由 F 提供，所以随碳含量的增大， F 量不断减 少时，合金的塑性连续下降。到合金成为白口 铸铁时，塑性就降到近于零值了。见图 3.10。 对于应用最广的结构材料亚共析钢，其硬 度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算: 图 3.10 性能随含碳量的变化 硬度（ HB ）≈ 80 ? F % ? 180 ? P % 或（ HB ）≈ 80 ? F % ? 800 ? Fe3 C % ；强度（ ? b ）≈ 230 ? F % ? 770 ? P%( MPa) ；延伸率（ ? ）≈ 50 ? F % ? 20 ? P % 。式中的数字相应为 F 、P 或 Fe3 C 的近似硬度、强度和延伸率；符号相应表示组织中 F 、 P 或 Fe3 C 的含量。3.53.5.1Fe - Fe3C 相图的应用和局限性Fe - Fe3C 相图的应用Fe - Fe3 C 相图在生产中具有重大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。 3.5.1.1 在钢铁材料选用方面的应用 ⑴ Fe - Fe3 C 相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材料选用提供了根据； ⑵建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材；⑶各种机械 零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢；⑷各种工具要用硬 度高和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种；⑸纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但 由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等；⑹白口铸铁硬度 高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐 磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 3.5.1.2 在铸造工艺方面的应用 根据 Fe - Fe3 C 相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上 50～100℃。 从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流 动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在 铸钢生产中，碳含量规定在 0.15～0.6％之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸 造性能较好。 3.5.1.3 在热锻、热轧工艺方面的应用44钢处于马氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。 一般始锻、 始轧温度控制在固相线以下 100～200℃范围内。 温度高时， 钢的变形抗力小， 节约能源， 设备要求的吨位低， 但温度不能过高， 防止钢材严重烧损或发生晶界熔化 （过烧） 。 终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢热加工终止 温度多控制在 GS 线以上一点，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低。 过共析钢变形终止温度应控制在 PSK 线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。 终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也粗大。一般始锻温 度为 ℃，终锻温度为 750～850℃。 3.5.1.4 在热处理工艺方面的应用 Fe - Fe3 C 相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正 火、淬火的加热温度都是依据 Fe - Fe3 C 相图确定的。这将在下一章中详细阐述。3.5.2Fe - Fe3C 相图的局限性Fe - Fe3 C 相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其下列局限性。 ⑴ Fe - Fe3 C 相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成 分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。⑵ Fe - Fe3 C 相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往 往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大变化。严格说，在 这样的条件下铁碳相图已不适用。⑶ Fe - Fe3 C 相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状 态。相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。 就是说，相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当冷却和加热速 度较快时，常常不能用相图来分析问题。3.6碳钢及其常存杂质碳钢被广泛使用在工农业生产中。它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能 满足使用性能的要求。为了掌握碳钢的正确选择和合理使用、必须熟悉它的牌号和用途。3.6.1碳钢中杂质元素由于原料和冶炼工艺的原因，碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量 Mn 、 Si 、 S 、 P 以及微量的气体元素 O 、 H 、 N 等非特意加入的杂质元素。 Si 和 Mn 是炼钢时作为脱氧 剂（锰铁、硅铁）加入而残留在钢中的，其余的元素则是从原料或大气中带入钢中而冶炼时 不能清除尽的有害杂质。它们对钢的性能有一定影响。 3.6.1.1 锰和硅的影响 Si 、 Mn 加入钢中，可将钢液中的 FeO 还原成 Fe ，并形成 SiO2 和 MnO 。 Mn 还与钢液 中的 S 形成 MnS 而大大减轻 S 的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留钢 中成为非金属夹杂。钢中含 Mn 量约为 0.25～0.80％。钢中含 Si 量约为 0.03～0.40％。 脱氧剂中的 Si 与 Mn 总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，产生固溶强化作用。 在含量不高 ( ＜1％ ) 时，可以提高钢的强度，而不降低钢的塑性和韧性，一般认为 Si 、 Mn 是钢中有益元素。 3.6.1.2 其它杂质的影响 ⑴ S 的影响 S 在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为 1190℃的 FeS ， FeS 又与 ? - Fe 形成熔点更低的（985℃）共晶体。即使钢中含 S 量不高，由于严重偏析，凝固快完 成时，钢中的 S 几乎全部残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的（ Fe + FeS ）共晶。含 有硫化物共晶的钢材进行热压力加工（加热温度一般在 ℃之间） ，分布在晶界处 的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。45如果钢水脱氧不良，含有较多的 FeO ，还会形成（ Fe + FeO + FeS ）三相共晶体，熔点更低 （940℃） ，危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂； S 也使焊件的焊缝处 易发生热裂。 ⑵ P 的影响 P 在铁中固溶度较大，钢中的 P 一般都固溶于铁中。 P 溶人铁素体后，有 较之其他元素更强的固溶强化能力， 尤其是较高的含 P 量， 使钢显著提高强度、 硬度的同时， 剧烈地降低钢的塑、韧性，并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性 很低，脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。 S 、 P 在钢中是有害元素，在普通质量非合金钢中，其含量被限制在 0.045％以下。如 果要求更好的质量，则含量限制更严格。 在一定条件下 S 、 P 也被用于提高钢的切削加工性能。炮弹钢中加入较多的 P ，可使炮 弹爆炸时产生更多弹片， 使之有更大的杀伤力。P 与 Cu 共存可以提高钢的抗大气腐蚀能力。 ⑶ O 、 、 的影响 O 在钢中溶解度很小， 几乎全部以氧化物夹杂形式存在， FeO 、 如 H N MnO 等，这些非金属夹杂使钢的力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、 Al2 O3 、 SiO2 、 疲劳强度等危害很大。 H 在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑、韧性，增大钢的脆 性，这种现象称为氢脆。 少量 N 存在于钢中，会起强化作用。 N 的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象，即 含 N 的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后，随时间的延长，钢的强度、硬度上升，塑、 韧性下降，脆性增大，同时脆性转变温度也提高了，造成了许多焊接工程结构和容器突然断 裂事故。3.6.2非合金钢（碳钢）的分类根据 GB/T 13304-91 第一部分：钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。其中 非合金钢即为原国标中的碳钢。 下面将原碳钢分类方法及新国标非合金钢的分类分列如下： 3.6.2.1 碳钢分类方法 碳钢主要有下列几种分类方法：?低碳钢 ? C ? 0.25% ? ⑴按钢的碳含量分 ?中碳钢 ? 0.25% ? C ? 0.6% ?高碳钢 ? C ? 0.6% ? P ?普通碳素钢 ? S ? 0.055%; ? 0.045% ? P ⑵按钢的质量分 ?优质碳素钢 ? S ? 0.040%; ? 0.040% ?高级优质碳素钢 ? S ? 0.030%; ? 0.035% P ??碳素结构钢 ? 用于制造各种工程构件 （如桥梁、船舶、 ? ⑶按用途分 ?建筑构件等）和机器零 件（如齿轮、轴、连杆 等） ?碳素工具钢 ? 用于制造各种工具（如 刃具、量具、模具等） ??平炉钢（用平炉冶炼） ? ?碱性转炉钢 ? 冶炼时造碱性渣 ? ? ⑷按钢的冶炼方法分 ?转炉钢（用转炉冶炼） 酸性转炉钢 ? 冶炼时造酸性渣 ? ?顶吹转炉钢 ? 冶炼时吹氧 ? ? ?电炉钢 ?3.6.2.2 非合金钢的分类方法 非合金钢主要按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。 ⑴按主要质量等级分为： ①普通质量非合金钢 普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要 求的并应同时满足四种条件的所有钢种（条件见 GB/T 13304-91） 。46普通质量非合金钢主要包括：一般用途碳素结构钢（如 GB 700 规定的 A 、 B 级钢） 、 Q 235 钢） 碳素钢筋钢（如 GB 13031 规定的 、铁道用一般碳素钢（如 GB 11264、GB 11265、 GB 2826 规定的轻轨和垫板用碳素钢）及一般钢板桩型钢。 ②优质非合金钢 优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的 非合金钢，在生产过程中需要特别控制质量（例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面 质量或增加工艺控制等） ，以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求（例如良好的抗脆断 性能，良好的冷成型性等） ，但这种钢的生产控制不如特殊质量非合金钢严格（如不控制淬 透性） 。 优质非合金钢（见 GB/T 13304-91）主要包括：机械结构用优质碳素钢、工程结构用碳 素钢、冲压薄板的低碳结构钢、镀层板、带用的碳素钢、锅炉和压力容器用碳素钢、造船用 碳素钢、铁道用优质碳素钢、焊条用碳素钢、非合金易切削结构钢、电工用非合金钢板、带 及优质铸造碳素钢等。 ③特殊质量非合金钢 特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和 性能（例如，控制淬透性和纯洁度）的非合金钢，另外应符合 GB/T 13304-91 规定的条件的 非合金钢（包括易切削钢和工具钢） 。 特殊质量非合金钢主要包括：保证淬透性非合金钢、保证厚度方向性能非合金钢、铁道 用特殊非合金钢、 航空、 兵器等专用非合金结构钢、 核能用非合金钢、 特殊焊条用非合金钢、 碳素弹簧钢、特殊盘条钢及钢丝、特殊易切削钢、碳素工具钢和中空钢、电磁纯铁、原料纯 铁等。 ⑵按主要性能及使用特性分类 非合金钢按其基本性能及使用特性等主要特性分类如下： ①以规定最高强度（或硬度）为主要特性的非合金钢，例如冷成型用薄钢板。②以规定 最低强度为主要特性的非合金钢，例如造船、压力容器、管道等用的结构钢。③以限制碳含 量为主要特性的非合金钢（但下述④、⑤项包括的钢除外） ，例如线材、调质用钢等。④非 合金易切削钢。⑤非合金工具钢。⑥具有专门规定磁性或电性能的非合金钢，例如无硅磁性 薄板和带，电磁纯铁。⑦其他非合金钢，例如原料纯铁等。3.6.3碳钢的牌号及用途下面按用途及质量介绍碳钢的牌号及用途。 3.6.3.1 普通碳素结构钢 普通碳素结构钢简称普碳钢。国家标准 GB 700 将其分为甲类钢、乙类钢和特类钢三类。 其中以甲类钢为最常用。 ⑴甲类钢（或 A 类钢） 按机械性能供应。钢号为 A 1、 A 2?? A 7 等七种。数字越大， 则屈服强度（ ? s ）和抗拉强度（ ? b ）越大，延伸率（ ? ）越小。甲类钢的机械性能及冷弯 试验要求见 GB 700。 甲类钢的用途： A 1， A 2， A 3 钢塑性好，有一定的强度，通常轧制成钢板、钢筋、钢 管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等。 A 4， A 5 强度较 高，轧制成型钢、钢板作构件用。 A 6， A 7 强度更高，可用作工具、农机零件、轻轨等。 甲类钢一般情况下在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可进行正火、 调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。 ⑵乙类钢（或 B 类钢） 按化学成分供应。钢号为 B 1， B 2?? B 7 等七种，数字越大， 碳含量越高，见 GB 700。 乙类钢的用途与相同号数的甲类钢相同。由于其化学成分已知，可进行热加工，并可通 过适当的热处理提高其性能。 ⑶特类钢（或 C 类钢） 按机械性能及化学成分供应。钢号为 C 2、 C 3， C 4， C 5 等 四种。特类钢使用较少，在性能要求较高的场合，通常选用优质碳素钢。47普通碳素结构钢的编号中， 常常标明钢种的冶炼方法。 例如碱性转炉钢标 “碱” “ J ” 或 ， 酸性转炉钢标“酸”或“ S ” ，顶吹转炉钢标“顶”或“ D ” ，平炉钢则不标。例如： 甲 4（ A 4）表示平炉甲类 4 号普碳钢；乙碱 3（ BJ 3）表示碱性转炉乙类 3 号普碳钢； 特酸 3（ CS 3）表示酸性转炉特类 3 号普碳钢。 钢在冶炼时根据其脱氧程度不同，可分为沸腾钢和镇静钢。脱氧不完全的钢称沸腾钢， 在钢号后标注“ F ”；脱氧较完全的钢称镇静钢，钢号后不加标注。例如 A 4 F 为沸腾钢。 3.6.3.2 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的钢号用平均碳含量的万分数表示。例如钢号“20” ，即表示碳含量为 0.20％（万分之二十）的优质碳素结构钢。 “45”表示碳含量为 0.45％的优质碳素结构钢。 若钢中锰含量较高，则在其钢号后附以符号“ Mn ” ，如 15 Mn 、45 Mn 等。 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。08 F 塑性好，可制造冷冲压零件。10，20 冷冲压性与焊接性能良好， 可作冲压件及焊接件， 经过适当热处理 （如渗碳） 后也可制作轴、 销等零件。35，40，45，50 经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴 类、套筒等零件。60，65 主要用来制造弹簧。优质碳素结构钢使用前一般都要进行热处理。 3.6.3.3 铸钢 铸钢牌号的表示是在数字前冠以“ ZG ” ，数字则代表钢的平均碳含量（以万分数表达） 。 例如 ZG 25，表示碳含量为 0.25％的铸钢。 铸钢的流动性较差，凝固时收缩较大，并易生成魏氏组织。此组织特征是，铸件冷却时 铁素体不仅沿奥氏体晶界，而且在奥氏体内一定的晶面上析出，呈粗针状。因而使钢的塑性 及韧性降低，必须采用热处理来消除。 铸钢可用来铸造一切形状复杂而需要一定强度、塑性和韧性的零件，具体见铸造一篇。 3.6.3.4 碳素工具钢 碳素工具钢的碳含量在 0.65～1.3％之间，钢号用平均碳含量的千分数表示，并在前冠 以“ T ” （碳的汉语拼音字头）字。例如， T 9 是碳含量 0.90％（即干分之九）的碳素工具 钢。 T 12 是碳含量 1.2％（即千分之十二）的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢。若属高级优质钢，则在钢号后标注“ A ”字。例如， T 10 A 表 示碳含量为 1.0％的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。 T 7、 T 8 硬度高、韧性较高，可制造冲 头，凿子、锤子等工具。 T 9、 T 10、 T 11 硬度更高，韧性适中，制造钻头、刨刀、丝锥、 手锯条等刃具及冷作模具等。 T 12、 T 13 硬度很高、韧性较低，制作锉刀、刮刀等刃具及 量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。习 硬度。 3.2 计算铁碳含金中 Fe3 C 的最大可能含量。 3.3 计算低温莱氏体 Le ′中共晶渗碳体、 Fe3 C 和共析渗碳体的含量。 3.4 有一碳钢试样， 金相观察室温平衡组织中， 珠光体区域面积占 93％， 其余为网状 Fe3C II ， 与 Fe3 C F 密度基本相同，室温时的 F 含碳量几乎为零。试估算这种钢的含碳量。 3.5 亚共析钢的力学性能大致是其组织组成物平均值，例如硬度 HBS ≈80 ? ? ％＋240 ? P ％，数字为 、抗拉 ? 、 P 的硬度， ? ％、 P ％为组织中 ? 、 P 的含量。试估算含碳量为 0.4％的碳钢的硬度（ HBS ） 强度（ ? b ） 、伸长率（ ? ％） 。 3.6 含碳量增加，碳钢的力学性能如何变化并简单分析原因。 3.7 同样形状的一块含碳量为 0.15％的碳钢和一块白口铸铁，不作成分化验，有什么方法区分它们？ 3.8 用冷却曲线表示 E 点成分的铁碳合金的平衡结晶过程，画出室温组织示意图，标上组织组成物， 计算室温平衡组织中组成相和组织组成物的相对重量。 3.9 10 kg 含 3.5％ C 的铁碳含金从液态缓慢冷却到共晶温度（但尚未发生共晶反应）时所剩下的液体 的成分及重量。 48 题 3.1 对某一碳钢（平衡状态）进行相分析，得知其组成相为 80％ F 和 20％ Fe3 C ，求此钢的成分及其
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