铁碳合金相图[1].ppt

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1、电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学铁碳合金相图铁碳合金相图1/30/20231/30/20231 1罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学主要内容主要内容铁碳合金的相结构铁碳合金相图碳钢与铸铁铁碳合金相图的应用及其局限1/30/20231/30/20232 2罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学第一节 铁碳合金的相结构纯纯铁铁从从液液态态结结晶晶后后得得到到体体心心立立方方晶晶格格的的-Fe-Fe，随随后后随随着着温温度度的的降降低低发发生生同同素素异异构构转转变变，得得到到面面心心立立方方晶晶格格的

2、的-Fe-Fe，再再冷冷却生成体心立方晶格的却生成体心立方晶格的-Fe-Fe。碳碳溶溶入入-Fe-Fe和和-Fe-Fe中中所所形形成成的的固固溶溶体体称称为为铁铁素素体体和和奥奥氏氏体体。当当含含量量超超过过铁铁素素体体和和奥奥氏氏体体的的溶溶解解度度时时，则则会会出出现现金金属属化化合合物物相相FeFe3 3C C，称为称为渗碳体渗碳体。碳碳原原子子溶溶入入-Fe-Fe中中所所形形成成的的固固溶溶体体称称为为高高温温铁铁素素体体。它它在在13941394以以上上的的高高温温出出现现，对对工工程程上上应应用用的的铁铁碳碳合合金金的的组组织织和和性性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。能没

3、有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。铁碳合金相图的铁碳合金相图的基本组成相基本组成相是是铁素体铁素体，奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体。1/30/20231/30/20233 3罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学ANG纯铁的冷却曲线Fe-Fe3C相图（局部）1/30/20231/30/20234 4罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学一、铁素体碳碳原原子子溶溶入入-Fe-Fe中中形形成成的的间间隙隙固固溶溶体体，称称做做铁铁素素体体。由由于于体体心心立立方方晶晶格格的的-Fe-Fe的的晶晶格格间间隙隙半半径

4、径只只有有0.036nm0.036nm，而而碳碳原原子子半半径径为为0.077nm0.077nm，所所以以碳碳在在铁铁素素体体中中的的溶溶解解度度很很小小。在在727727时时最最大大固固溶溶度度为为0.0218%0.0218%，而而在在室室温温时时固固溶溶度度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：抗拉强度 b 180-280Mpa屈服强度 S 100-170Mpa断后伸长率A11.3 30%-50%冲击韧性K 160-200 J/cm2布氏硬度HB 50-80HBS由由此此可可见见，铁铁素素体体有有优优

5、良良的的塑塑性性和和韧韧性性，但但强强度度，硬硬度度较较低低，在在铁铁碳碳合合金金中中是是软软韧韧相相。铁铁素素体体是是912912以以下下的的平平衡衡相相，也也称称做做常常温温相相，在在铁铁碳碳相相图图中中用用符号符号F F或或表示。表示。1/30/20231/30/20235 5罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学二、奥氏体碳碳原原子子溶溶入入-Fe-Fe中中形形成成的的间间隙隙固固溶溶体体，称称做做奥奥氏氏体体。具具有有面面心心立立方方晶晶格格的的-Fe-Fe的的晶晶格格间间隙隙半半径径为为0.052nm0.052nm，比比-Fe-Fe的的间间

6、隙隙稍稍大大，在在11481148时时碳碳原原子子在在其其中中的的最最大大固固溶溶度度为为2.11%2.11%。随随着着温温度度的的降降低低，碳碳在在-Fe-Fe中中的的固固溶溶度度下下降降，在在727727时是时是0.77%(0.77%(共析点共析点)。奥奥氏氏体体是是727727以以上上的的平平衡衡相相，也也称称高高温温相相。在在高高温温下下，奥奥氏氏体体具具有有极极好好的的塑塑性性，所所以以在在此此相相区区具具有有良良好好的的热热轧轧、锻锻造造等等热热加加工工工工艺艺性性能能。在在铁铁碳碳合合金金相相图图中中，奥奥氏氏体体通通常常用用符号符号A A或或表示。表示。1/30/20231/3

7、0/20236 6罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学三、渗碳体渗渗碳碳体体是是铁铁与与碳碳原原子子结结合合形形成成的的具具有有复复杂杂结结构构间间隙隙化合物，化合物，属于复杂八面体结构，含碳量属于复杂八面体结构，含碳量6.69%6.69%。渗渗碳碳体体的的硬硬度度高高达达HB800HB800，但但脆脆性性大大，塑塑性性和和韧韧性性几几乎乎是是零零。在在铁铁碳碳合合金金中中，它它是是硬硬脆脆相相，是是碳碳钢钢的的主主要要强强化化相相。渗渗碳碳体体在在碳碳钢钢中中的的含含量量和和形形态态对对钢钢的的性性能能影影响响很很大大。它它在在铁铁碳碳合合金金中中

8、可可以以呈呈片片状状、粒粒状状、网状和板状形态存在。网状和板状形态存在。在在高高温温时时，钢钢和和铸铸铁铁中中的的渗渗碳碳体体在在一一定定时时间间会会发发生生下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：Fe3C 3Fe+C（石墨）1/30/20231/30/20237 7罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学一、相图图形介绍在在铁铁碳碳合合金金系系中中，含含碳碳量量高高于于6.69%6.69%的的铁铁碳碳合合金金脆脆性性大大，没没有有使使用用价价值值。因因此此只只研研究究含含碳碳量量小小于于6.69%6.69

9、%的的这这一一部部分分，通通常常称称为铁碳合金相图，也称为铁碳合金相图，也称Fe-FeFe-Fe3 3C C相图，如图相图，如图2-12-1所示。所示。在在FeFeFeFe3 3C C相相图图中中，较较稳稳定定的的化化合合物物FeFe3 3C C与与FeFe是是组组成成二二元元合合金金的的两两个个组组元元。相相图图有有三三个个部部分分组组成成，左左上上角角为为包包晶晶相相图图。包包晶晶相相图图与与共共晶晶相相图图都都是是具具有有三三相相平平衡衡反反应应的的基基本本相相图图，但但是是在在14001400以以上上发发生生反反应应，在在研研究究和和应应用用中中对对铁铁碳碳合合金金的的组组织织和和性性

10、能能都都没没有有什什么么影影响响，故故不不予予研研究究。FeFeFeFe3 3C C相相图图可可简简化化为图为图2-22-2形式。形式。第二节 铁 碳 合 金 相 图1/30/20231/30/20238 8罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学L+Fe3C图图2-1Fe-Fe3C 相图相图图图2-2 简化的简化的Fe-Fe3C相图相图1/30/20231/30/20239 9罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学 L4.3 A2.11 +Fe3C恒温1148恒温727 相图的右上部为共晶相图。相图的右上部为共

11、晶相图。在在1148时，含碳量时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：的合金发生共晶反应：A0.77 F0.0218+Fe3C以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号P表示。表示。以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号Ld表示。表示。相相图图的的左左下下部部为为共共析析相相图图。共共析析相相图图与与共共晶晶相相图图相相似似，所所不不同同的的是是共共晶晶相相图图是是从从液液相相中中同

12、同时时析析出出两两个个固固相相，产产物物称称作作共共晶晶体体；而而共共析析相相图图则则是是从从一一个个固固相相中中同同时时析析出出两两个个新新的的固固相相，产产物物称称作作共共析析体体。在在铁铁碳碳合合金金中中，含含碳碳0.77%的的奥奥氏氏体体在在727时发生共析反应：时发生共析反应：1/30/20231/30/20231010罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：布氏硬度 HB 180-280HB断后延伸率 A11.3 20%25

13、%冲击韧性 a K 3040J/cm抗拉强度 b 750-900Mpa二、相图中点、线和相区的意义 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。特性点温度（）含碳量（）特性点含义 A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120-Fe -Fe的同素异构转变点S7270.77共析点由由此此可可见见，珠珠光光体体力力学学性性能能介介于于铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体之之间间，具具有有较较好好的的塑塑性性和和韧韧性性，强强度度较较高高，硬硬度度适适中中。正正火火后后便便可可

14、得得到到珠珠光体组织。光体组织。1/30/20231/30/20231111罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学铁碳合金相图中各主要线的意义：铁碳合金相图中各主要线的意义：AECF为固相线。为固相线。若温度低于若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。线时，铁碳合金凝固为固体。ECF为共晶线。为共晶线。若含碳量在若含碳量在ECF线的范围（线的范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在）内，铁碳合金在1148时时即发生共晶反应，形成莱氏体。即发生共晶反应，形成莱氏体。ES为为碳碳在在奥奥氏氏体体中中溶溶解解度度曲曲线线，简简称称Acm。从从该该线线可

15、可以以看看出出，在在1148时时碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的最最大大溶溶解解度度为为2.11%，在在727时时，溶溶解解度度为为0.77%，随随着着温温度度降降低低，碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的溶溶解解度度也也降降低低而而从从奥奥氏氏体体中中析析出出渗渗碳碳体体。从从固固溶溶体体奥奥氏氏体体中中析析出出的的渗渗碳碳体体称称为为二二次次渗渗碳碳体体（Fe3C）。从从液液相相中中直直接接结结晶晶出出的的渗渗碳碳体体称称为为一一次次渗渗碳碳体体（Fe3C），从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3C）。）。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称

16、为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。线。GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。PSK为为共共析析线线，简简称称A1线线。若若含含碳碳量量在在PSK线线的的范范围围（0.0218%6.69%）内内，奥奥氏氏体体在在727时必然发生共析反应，形成珠光体。时必然发生共析反应，形成珠光体。1/30/20231/30/20231212罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学PQPQ为为碳碳在在铁铁素素体体中中溶溶解解度度曲曲线线。从从该该线线可可以以看看出出，在在727727时时碳碳在在

17、铁铁素素体体中中的的最最大大溶溶解解度度为为0.0218%，在在600时时溶溶碳碳量量约约为为0.0057，在在室室温温仅仅能能溶溶解解碳碳0.008%，可可忽忽略略不不计计。故故一一般般铁铁碳碳合合金金凡凡是是从从727727缓缓冷冷至至室室温温时时，均均会会从从铁铁素素体体中中析析出出渗渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3C）。）。因因三三次次渗渗碳碳体体数数量量极极少少，对对力力学学性性能能影影响响不不大大，常常予予忽忽略略。对对于于一一次次，二二次次，三三次次渗碳体，仅在其来源、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。渗碳体，仅在其来源、

18、大小和分布上有所不同。但其含碳量，晶体结构和性能均相同。简简化化的的铁铁碳碳合合金金相相图图共共有有一一个个液液相相和和三三个个固固相相，在在相相图图中中分分别别占占有有四四个个单单相相区区，即即 L，A，F及及Fe3C；渗渗碳碳体体是是铁铁碳碳相相图图的的基基本本组组成成相相，它它的的成成分分是是固固定定不不变变的的，因因此此在在相相图图上它的相区仅是一条竖直线。上它的相区仅是一条竖直线。相相图图中中有有五五个个双双相相区区，即即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F、A+FeA+Fe3 3C C、F+FeF+Fe3 3C C。相相图图中中的的两两条条水水平平线线是是三三相

19、相平平衡衡线线，线线上上有有三三个个点点，分分别别与与各各个个单单相相区区以以点点相相连连接接，当当发发生生三三相相平平衡衡反反应应时时，三三个个平平衡衡相相的的成成分分即即这这三三个个点点的的成成分分，说说明明了了在在相相变变过过程程中中相相变变温温度度和和各各组组成相的相对含量是固定的。成相的相对含量是固定的。从从相相图图可可以以看看出出，含含碳碳量量大大于于0.008%时时任任何何成成分分的的铁铁碳碳合合金金在在室室温温时时都都处处在在F+Fe3C相相区区内内，即即合合金金的的相相结结构构都都要要由由这这两两相相组组成成。但但这这两两个个相相的的相相对对量量不不同同，相相的的形态和分布不

20、同，即组织不同，合金的性能变化很大。形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。1/30/20231/30/20231313罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学三、典型合金结晶过程及室温组织工工程程上上使使用用的的铁铁碳碳合合金金分分为为工工业业纯纯铁铁，碳碳钢钢和和铸铸铁铁三三大大类类，它它们们的的区区别别在在于于含含碳碳量量的的不不同同。含含碳碳量量小小于于0.0218%0.0218%的的，称称为为工工业业纯纯铁铁；含含碳碳量量大大于于0.0218%0.0218%而而小小于于2.11%2.11%，称为碳铁；含碳量大于，称为碳铁；含碳量大于2.

21、11%2.11%而小于而小于6.69%6.69%的，称为铸铁。的，称为铸铁。在分析铁碳合金的平衡组织时，在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，亚共析钢，过共析钢；将亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金铁共六种典型合金，如图，如图2-3所示。所示。1/30/20231/30/20231414罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学（一）共析钢上图中合金上图中合金称为共析钢，其含碳量为称为共析钢，其含碳量

22、为0.77%0.77%。当温度在当温度在1 1点以上点以上时，合金为液相；时，合金为液相；温度温度降降至至1 1点时点时，开始从液相中析出奥氏体；，开始从液相中析出奥氏体；温温度度降降至至1 12 2点点之之间间时时，从从液液相相中中不不断断析析出出奥奥氏氏体体。它它的的特特点点是是液液相相不不断断减减少少，固固相相奥奥氏氏体体不不断断增增加加。剩剩下下的的液液相相的的成成分分沿沿ACAC线线变变化化，奥奥氏氏体体的的成成分沿分沿AEAE线变化。线变化。当当温温度度降降至至2 2点点时时，合合金金全全部部结结晶晶成成奥奥氏氏体体，温温度度降降至至2 23 3点点之之间间时时，合合金为单相奥氏体

23、。金为单相奥氏体。温温度度降降至至3 3点点，即即共共析析点点S S时时，含含碳碳量量0.77%0.77%的的奥奥氏氏体体在在727727温温度度下下发发生生共共析析反反应应。从从奥奥氏氏体体中中同同时时析析出出铁铁素素体体F F和和渗渗碳碳体体FeFe3 3C C，两两相相所所组组成成的的共共析析组织即珠光体组织即珠光体P P。1/30/20231/30/20231515罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学珠珠光光体体是是在在727727恒恒温温下下生生成成的的，温温度度降降到到室室温温时时组组织织基基本本不不发发生生变变化化。只只是是铁铁素素体体

24、的的含含碳碳量量从从0.0218%0.0218%降降至至几几乎乎为为零零，碳碳则则以以微微量量的的三三次渗碳体的形式析出来。次渗碳体的形式析出来。恒温727LL+A P图2-5 共析钢的珠光体组织 500 x共共析析钢钢的的结结晶晶过过程程如如图图2-4所所示示。珠珠光光体体的的显显微微组组织织如如图图2-5所所示示，铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体呈呈层层片片状状相相间间而而生生，有有类类似似贝贝壳壳的的光光泽泽，故故名名珠珠光光体体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：共析钢的结晶过程用反应式表示为：1/30/20231/30/20231616罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属

25、材料学金属材料学金属材料学（二）亚共析钢含碳量低于含碳量低于0.77%0.77%的钢称为亚共析钢。的钢称为亚共析钢。以图以图2-32-3中合金中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如为例，亚共析钢的结晶过程，如图图2-62-6所示。所示。合金从液相冷却到合金从液相冷却到1-21-2点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；温度继续降至温度继续降至2-32-3点之间时，完全转变为单相奥氏体；点之间时，完全转变为单相奥氏体；当当温温度度降降至至3 3点点时时，开开始始从从奥奥氏氏体体中中析析出出铁铁素素体体，铁铁素素体体首首先先在在奥奥氏氏体体的的晶晶界上形核，随着温度降低而长大；

26、界上形核，随着温度降低而长大；温温度度降降至至3-43-4点点时时，根根据据杠杠杆杆定定律律可可以以计计算算出出结结晶晶出出的的先先共共析析铁铁素素体体含含量量为为4S/4S/（PSPS），剩剩下下的的奥奥氏氏体体相相的的量量为为 P4/P4/（PSPS）。温温度度降降至至4 4点点时时剩剩下下的的奥奥氏氏体体成成分分和和温温度度已已具具备备珠珠光光体体转转变变的的条条件件，在在727727时时发发生生共共析析反反应应，转转变变为为珠珠光光体体。这这样样，亚亚共共析析钢钢奥奥氏氏体体的的一一部部分分转转变变为为先先共共析析铁铁素素体体（图图2 27 7中中白白色色晶晶粒粒），另另一一部部分分转

27、转变变为为珠珠光光体体组组织织（图图2 27 7中中黑黑色色部部分分）。温温度度继继续续降降至至室室温温时时，显显微微组组织织基基本本不不变变（析析出出的的三三次次渗渗碳碳体体可可忽忽略略不不计计）即即为为铁铁素素体体加珠光体（加珠光体（F+PF+P）。）。1/30/20231/30/20231717罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学 Wc=0.20%Wc=0.40%图27 亚共析钢的室温组织 200 x1/30/20231/30/20231818罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学铁素体与珠光体的相对量

28、可用杠杆定律在铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPSGPS相区的相区的PSPS线上计算出。线上计算出。合金合金中，珠光体组织含量为：中，珠光体组织含量为：Q QP P=P4/PS=P4/PS100%100%先共析铁素体含量为：先共析铁素体含量为：Q QF F=1=1Q QP P 或或 Q QF F=4S=4SPSPS100%100%随随着着亚亚共共析析钢钢含含碳碳量量的的增增加加，组组织织中中的的珠珠光光体体量量增增加加，从从0%增增加加到到100%；当含碳量增加到当含碳量增加到0.77%时，珠光体为时，珠光体为100%，即共析钢组织。，即共析钢组织。珠珠光光体体中中的的铁铁素素体体，称称

29、作作共共析析铁铁素素体体，渗渗碳碳体体称称作作共共析析渗渗碳碳体体。室室温温时时，铁铁碳碳合合金金的的相相结结构构只只有有铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体。可可以以利利用用杠杠杆杆定定律律在在F+Fe3C的的两两相相区区中计算出亚共析钢中铁素体与渗碳体的含量，称作相的相对含量：中计算出亚共析钢中铁素体与渗碳体的含量，称作相的相对含量：Q QF F（总）（总）=（6.696.69）/（6.696.690.02180.0218）100%100%Q QFe3C Fe3C=1=1 Q QF F（总）（总）其中其中 Q QF F（总）（总）为先共析铁素体与共析铁素体之和。式中为先共析铁素体与共析铁素体之和。

30、式中 亚共析钢的含碳量。亚共析钢的含碳量。亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L L+A A FA F+P1/30/20231/30/20231919罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学含碳量在含碳量在 0.77%0.77%2.11%2.11%的碳钢的碳钢,称为过共析钢。称为过共析钢。以图以图2-32-3中合金中合金为例，过共析钢的结晶过程如图为例，过共析钢的结晶过程如图2-82-8所示。所示。合金从液相冷却至合金从液相冷却至1-21-2点以后，结晶出奥氏体；点以后，结晶出奥氏体；温温度度继继续续降降至至2-32-3之

31、之间间时时，全全部部转转变变为为奥奥氏氏体体；温温度度降降至至3 3点点时时，碳碳在在奥奥氏氏体体中中溶溶解度达到饱和。解度达到饱和。温温度度降降低低至至3-43-4时时，开开始始析析出出FeFe3 3C C，即即为为二二次次渗渗碳碳体体FeFe3 3C CIIII。FeFe3 3C CIIII沿沿着着奥奥氏氏体体晶晶界界析析出出。室室温温下下过过共共析析钢钢的的显显微微组组织织如如图图2-9所所示示，图图中中白白色色的的沿沿着着晶晶界界分分布布的的组组织织即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。温温度度降降至至4 4点点（727727）时时，析析出出的

32、的二二次次渗渗碳碳体体可可用用杠杠杆杆定定律律在在A AFeFe3 3C C两两相相区区SKSK线线上计算出来。上计算出来。（三）过共析钢1/30/20231/30/20232020罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学 含碳量1.2%的过共析钢的显微组织 200 x 含碳量1.4%的过共析钢的显微组织 200 x图2-91/30/20231/30/20232121罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学 式中式中 过共析钢的含碳量过共析钢的含碳量剩剩余余的的奥奥氏氏体体量量为为1QFe3CII，其其成成分分已已

33、沿沿着着ES线线变变化化至至S点点，已已具具备备珠珠光光体体转转变变的的条条件件，在在共共析析点点727时时发发生生共共析析反反应应，转转变变为为珠珠光光体体。珠珠光体组织的相对量即为剩余奥氏体的量：光体组织的相对量即为剩余奥氏体的量：Q P1QFe3CII 或或 Q P利用杠杆定律可以在利用杠杆定律可以在 F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量：两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量：QF=Q P（6.690.77）/（6.690.0218）QFe3C=1 QF Q Fe3CII =L L+A A Fe3CII A Fe3CII+P 恒温727 这这样样计计算算出出的的QFe3C

34、为为二二次次渗渗碳碳体体与与共共析析渗渗碳碳体体之之和和。过过共共析析钢钢的的结结晶晶 过程可用反应式表示为：过程可用反应式表示为：1/30/20231/30/20232222罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学图图2 23 3中合金中合金称为共晶白口铁，含碳量为称为共晶白口铁，含碳量为4.34.3，其结晶过程如图，其结晶过程如图2 21010所示。所示。自自液液相相冷冷却却至至1 1点点，即即降降至至共共晶晶温温度度11481148时时，发发生生共共晶晶反反应应，从从液液相相中中同同时时析析出出含含碳碳量量为为2.112.11的的奥奥氏氏体体和和含

35、含碳碳量量为为6.696.69的的渗渗碳碳体体的的共共晶晶体体组组织织，这这种种机机械械混混合合物物组组织织称称为为莱莱氏氏体体用用符符号号L Ld d表表示示。莱莱氏氏体体组组织织为为球球状状或或短短杆杆状状的的奥奥氏氏体体均均匀匀分分布布在在渗渗碳碳体基体上。体基体上。温度从温度从1 1点继续下降时，共晶体中奥氏体的碳溶解度下降，不断析出二次渗碳体。点继续下降时，共晶体中奥氏体的碳溶解度下降，不断析出二次渗碳体。温温度度降降至至727727时时，奥奥氏氏体体中中的的含含碳碳量量已已降降至至0.770.77，此此时时，奥奥氏氏体体具具备备了了共共析析转转变变的的条条件件，转转变变为为二二次次

36、渗渗碳碳体体以以及及珠珠光光体体组组织织。这这样样，共共晶晶白白口口铸铸铁铁中中的的莱莱氏氏体体组组织织形形态态不不变变，只只是是其其中中球球状状和和短短杆杆状状的的奥奥氏氏体体转转变变成成了了二二次次渗渗碳碳体体和和珠珠光光体体，而而且且二二次次渗渗碳碳体体又又与与一一次次渗渗碳碳体体融融为为一一体体，不不大大容容易易分分辨辨。这这种种由由一一次次渗渗碳碳体体、二二次次渗渗碳碳铁和珠光体组成的组织称为低温莱氏体，用铁和珠光体组成的组织称为低温莱氏体，用L Ld d表示表示，其显微组织如图，其显微组织如图2 21111所示。所示。共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为：共晶白口铁的结晶过程可用反

37、应式表示为：L AFe3CI（AFe3CII）Fe3CI 恒温 1148Ld 恒温727（四）共晶白口铁PFe3CIIFe3CI1/30/20231/30/20232323罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学1/30/20231/30/20232424罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学（五）亚共晶白口铁含含碳碳量量高高于于2.11%，低低于于4.3%的的合合金金称称为为亚亚共共晶晶白白口口铁铁。以以图图2-3合合金金5为为例例，亚共晶白口铁的结晶过程如图亚共晶白口铁的结晶过程如图2-12所示。所示。在在共

38、共晶晶反反应应之之前前，即即12之之间间，从从液液相相中中已已先先结结晶晶出出一一部部分分初初生生奥奥氏氏体体A，其其形态如树枝状（图形态如树枝状（图212）。）。冷冷却却到到2点点时时，剩剩下下液液相相的的温温度度和和成成分分已已具具备备共共晶晶反反应应的的条条件件，遂遂转转化化为为莱莱氏氏体体Ld。A与与Ld的的相相对对量量可可利利用用杠杠杆杆定定律律从从L+A相相区区EC线线上上计计算算出出。初初生生A+Ld的的组组织织形形态态冷冷却却至至室室温温时时变变化化不不大大，只只是是温温度度在在1148以以下下时时，初初生生奥奥氏氏体体中都要析出中都要析出Fe3CII；冷冷却却至至727时时（

39、即即3点点时时），又又具具备备了了共共析析反反应应的的条条件件，转转变变为为珠珠光光体体。室室温温的的显显微微组组织织为为二二次次渗渗碳碳体体、珠珠光光体体及及低低温温莱莱氏氏体体，如如图图213所所示示。合合金金的的结晶过程可用反应式表式为：结晶过程可用反应式表式为：LAL ALd ALdFe3CII 恒温727恒温1148PLd Fe3CII1/30/20231/30/20232525罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学图2-13 亚共晶白口铁的室温组织 200 x图中黑色树枝状组织为珠光体，其余为共晶组织1/30/20231/30/202326

40、26罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学（六）过共晶白口铁 含含碳碳量量为为4.3%6.69%的的铁铁碳碳合合金金，称称为为过过共共晶晶白白口口铁铁。以以图图 23中合金中合金为例，过共晶白口铁的结晶过程如为例，过共晶白口铁的结晶过程如图图2-14所示。所示。从从1点点开开始始自自液液相相中中结结晶晶出出呈呈板板条条状状的的一一次次渗渗碳碳体体Fe3CI，剩剩下下的的液液相相在在2点点1148转转变变为为莱莱氏氏体体Ld。所所生生成成的的Fe3CI+Ld的的组组织织冷冷却却至至室室温温时时形形态态变变化化不不大大。过过共共晶晶白白口口铁铁室室温温时时

41、的的显显微微组组织为板条状的一次渗碳体及低温莱氏体，如图织为板条状的一次渗碳体及低温莱氏体，如图215所示。所示。L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI恒温727恒温11481/30/20231/30/20232727罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学1/30/20231/30/20232828罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学第三节 碳钢与铸铁碳碳的的质质量量分分数数小小于于2.11%而而大大于于0.0218%且且不不含含有有特特意意加加入入的的合合金金元元素素的的钢钢称称为为碳碳钢钢。目目前

42、前使使用用的的金金属属材材料料中中，碳碳钢钢占占有有重重要要地地位位，工工程程中中使使用用的的碳钢均含有锰、硅、硫、磷等元素。碳钢均含有锰、硅、硫、磷等元素。一 碳钢碳碳、锰锰、硅硅、硫硫、磷磷是是碳碳钢钢中中的的常常存存元元素素，统统称称五五大大元元素素。炼炼钢钢时时要要对对上上述元素含量进行分析和控制。它们的含量对碳钢的性能有较大的影响。述元素含量进行分析和控制。它们的含量对碳钢的性能有较大的影响。（一）钢中常存元素对碳钢性能的影响含含碳碳量量小小于于0.0218%的的铁铁碳碳合合金金称称为为工工业业纯纯铁铁，它它的的力力学学性性能能与与铁铁素素体体基基本本相相同同，有良好的塑性和韧性，较

43、低的强度与硬度。有良好的塑性和韧性，较低的强度与硬度。在在亚亚共共析析钢钢中中，室室温温组组织织为为铁铁素素体体+珠珠光光体体；而而在在过过共共析析钢钢中中，组组织织则则为为珠珠光光体体+渗渗碳碳体体。含含碳碳量量的的变变化化，室室温温组组织织即即变变化化，随随之之碳碳钢钢性性能能不不同同。含含碳碳量量对对碳碳钢钢组组织织的的影影响响见见图图3-1。含含碳碳量量对对力力学学性性能能的的影影响响见见图图3-2，从从图图中中可可以以看看出出，当当含含碳碳量量增增加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。（1 1）碳的影响）碳的影响1/30/2023

44、1/30/20232929罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学图3-1 含碳量对碳钢组织的影响图3-2 含碳量对碳钢力学性能的影响含含碳碳量量的的增增加加，碳碳钢钢中中的的渗渗碳碳体体也也在在不不断断的的增增加加。但但是是，当当含含碳碳量量超超过过0.9%后后，由由于于游游离离状状态态的的二二次次渗渗碳碳体体沿沿晶晶界界析析出出，这这些些硬硬而而脆脆的的网网状状渗渗碳碳体体包包围围住住珠珠光光体体的的晶晶粒粒，降降低低了了晶晶界界之之间间的的结结合合力力，使使钢钢的的脆脆性性增增加加，反反而而使使碳碳钢钢强强度度逐逐渐渐下下降降。工工程程上上已已很很

45、少少使使用用含含碳碳量量大大于于1.4%的碳钢。的碳钢。1/30/20231/30/20233030罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学（2）锰锰的的影影响响 锰锰在在碳碳钢钢中中是是作作为为脱脱氧氧、去去硫硫的的元元素素加加入入的的。一一般般碳碳钢钢的的含含锰锰量量为为0.25%-0.8%。钢钢中中的的锰锰一一部部分分形形成成MnS和和MnO的的夹夹杂杂物物，其其余余的的锰锰溶溶入入铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体中中。锰锰溶溶入入铁铁素素体体中中起起到到固固溶溶强强化化的的作作用用，从从而提高钢的强度。而提高钢的强度。锰是有益元素锰是有益元素。（3）

46、硅硅的的影影响响 硅硅与与锰锰相相似似，具具有有较较强强的的脱脱氧氧作作用用。硅硅溶溶入入铁铁素素体体中中可可提提高高钢钢的的强强度度，且且塑塑性性、韧韧性性降降低低不不明明显显，但但含含量量大大于于0.8%时时，钢钢的的塑塑性性、韧性显著下降。一般控制钢中硅含量在韧性显著下降。一般控制钢中硅含量在0.5%以下。以下。（4 4）硫硫的的影影响响 硫硫是是炼炼钢钢过过程程中中难难以以除除尽尽的的杂杂质质元元素素。易易以以FeSFeS的的形形式式与与FeFe形形成成低低熔熔点点的的共共晶晶体体并并附附在在晶晶界界上上，这这种种共共晶晶体体熔熔点点为为958958，使使得得在在11001100120

47、01200时时热热轧轧、热热锻锻的的钢钢材材易易产产生生热热裂裂纹纹并并报报废废，称称为为热热脆脆性性。在在钢钢中中的的含含量量应应控控制制在在0.04%0.04%以以下下。但但硫硫可可以以改改善善钢钢的的被被切切削削性性能能，所所用用在在易易切削钢中硫是作为有益元素加入的。切削钢中硫是作为有益元素加入的。（5 5）磷磷的的影影响响 磷磷来来源源于于炼炼钢钢原原料料，为为杂杂质质元元素素。它它可可以以溶溶入入铁铁素素体体中中而而提提高钢的高钢的冷脆性冷脆性并并使钢的塑韧性明显降低。在钢中的含量不得超过使钢的塑韧性明显降低。在钢中的含量不得超过0.04%0.04%。1/30/20231/30/2

48、0233131罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学除除了了以以上上述述常常存存的的元元素素外外，还还有有氢氢、氧氧、氮氮等等残残存存与与钢钢中中，这这些些气气体体易易形形成成白白点点、气气孔孔和和非非金金属属夹夹杂杂物物。特特别别是是氧氧化化物物夹夹杂杂SiO2、MnO等等。这这些些缺缺陷的存在，均降低钢材质量。陷的存在，均降低钢材质量。（二）常见合金元素对钢性能的影响在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加合适的合金元素以改善材料的性能。合适的合金元素以改善

49、材料的性能。（1）由由碳碳钢钢制制成成的的零零件件尺尺寸寸不不宜宜太太大大。否否则则，因因淬淬透透性性不不够够而而不不能能满满足足工工件对强度、硬度与塑韧性良好配合的要求。加入合金元素可提高淬透性。件对强度、硬度与塑韧性良好配合的要求。加入合金元素可提高淬透性。（2）用用碳碳钢钢制制成成的的切切削削刀刀具具不不能能满满足足切切削削红红硬硬性性的的要要求求。用用合合金金工工具具钢钢、高速钢和硬质合金可满足。高速钢和硬质合金可满足。（3）碳碳钢钢不不能能满满足足特特殊殊性性能能的的要要求求，如如耐耐热热、耐耐低低温温、抗抗腐腐蚀蚀、有有强强烈烈磁磁性或无磁性等，只有特种的合金钢才能具有这些性能。性

50、或无磁性等，只有特种的合金钢才能具有这些性能。1/30/20231/30/20233232罡阳股份技术开发部罡阳股份技术开发部 电厂金属材料金属材料学金属材料学金属材料学Cr 提提高高钢钢的的淬淬透透性性，并并有有二二次次硬硬化化作作用用，增增加加钢钢的的耐耐磨磨性性，含含量量超超过过12时时，钢钢具具有有良良好好的的高高温温抗抗氧氧化化性性和和耐耐腐腐蚀蚀性性，是是不不锈锈钢钢及及耐耐热热钢钢的的主主要要合合金金元元素素。铬铬在在调调质质合合金金钢钢中中的的主主要要作作用用是是提提高高淬淬透透性性，使使钢钢经经淬淬火火回回火火后后具具有有较较好好的的综综合合力力学学性性能能；在在渗渗碳碳钢钢