鐵碳合金是由鐵和碳組成的二元合金。 應(yīng)用最廣泛的一類鐵基材料——碳鋼和鑄鐵，是一種工業(yè)用鐵碳合金材料。 對于機(jī)械，最應(yīng)該掌握的材料是鐵碳合金材料。
鐵碳相圖
1. Fe-Fe3C相圖的成分
1.鐵成分
δ-Fe(bcc)--1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃---a-Fe(bcc)（同素異形轉(zhuǎn)變）
低硬度、低硬度、良好的韌性和塑性
2. Fe3C（Cem、Cm）
熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性和韌性幾乎為零。
2. Fe-Fe3C相圖中的相
1.氣相L
2、δ相低溫鐵素體（C退火成δ-Fe-δ相）
3.α相鐵氧體F（C退火成α-Fe-α相）
硬度大，硬度低，塑性好（溫度：C%=0.0008%，727度：C%=0.0218%）
4、γ相，A奧氏體（C退火成γ-Fe——γ相）
硬度低，易塑性變形
5.三碳鐵
3.相圖分析
1.三橫三重
(1)包晶過渡線HJB：1495攝氏度，C%=0.09-0.53%
LB+δH-----AJ為L0.53+δ0.09------A0.17
(2)晶界過渡線ECF，1148攝氏度，C%=2.11---6.69%
L4.3----A2.11+Fe3C（晶界氮化物）——Le4.3低溫萊氏體Le、Ld
(3)共析相變線PSK，727攝氏度，C%=0.0218---6.69%
As----FP+Fe3C（共析淬火體）
A0.77----F0.0218+Fe3C——P（碳化物）
硬質(zhì)合金的硬度較高，塑性、韌性和強(qiáng)度介于Fe3C和F之間
Le----P++Fe3C晶界------高溫萊氏體Le'
2.液體固體地面
氣路 ACD
固定接地線AECF
3.熔線
ES線中碳退火線A，1148攝氏度，2.11% - 727攝氏度，0.77%，
PQ線碳退火線F，727攝氏度，0.0218% - 0.0008%溫度，
4.GS線
五、特點(diǎn)
6.特性線表
4. 基于Fe-Fe3C相圖的Fe-C合金分類
1、工業(yè)純鐵，C%
2.鋼
0.0218%
亞共析鋼 0.0218%
共析鋼 0.77%
過共析鋼 0.77%
3、白口鑄鐵 2.11%
亞晶界白口鑄鐵 2.11%
晶界白口鑄鐵 4.3%
超晶界白口鑄鐵 4.3%
鐵碳合金中存在三相，即鐵素體、奧氏體和氮化物。
1、鐵氧體
鐵素體是碳在α-Fe中的間隙碳化物，用符號“F”（或α）表示，體心立方晶格； 事實(shí)上，BCC 的間隙空間總體積很大，但單個間隙空間的體積很小，因此它在鐵氧體中的溶解碳量很少，最多只有 0.0218%（在 727°C 時） ，而在高溫下幾乎為0，因此鐵氧體的性能與純鐵相似，強(qiáng)度低塑性高，具有鐵磁性。
δ=30%~50%，AKU=128~160J，σb=180~，50~。
鐵素體的顯微組織與純鐵相同。 用4%硫酸醇堿液研磨后，在顯微鏡下呈光亮的六方等軸碳化物，在亞共析鋼中呈黃色條紋狀分布。 但當(dāng)含碳量接近共析成分時，鐵素體因含量少而呈不連續(xù)網(wǎng)絡(luò)分布在晶界周圍。
2.奧氏體
奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙碳化物，用符號“A”（或γ）表示，呈面心立方晶格； 事實(shí)上，F(xiàn)CC的孔隙空間總體積很小，但單個孔隙空間的體積很大，因此它的溶碳量比較大，可達(dá)2.11%（1148℃時），0.77 % 在 727°C。
一般情況下，奧氏體為低溫組織，穩(wěn)定溫度范圍為727~1394℃。 因此，奧氏體具有低強(qiáng)度和高塑性。 一般用于鋼材的熱變形加工，如鍛造、鍍鋅等，應(yīng)加熱成奧氏體狀態(tài)。 所謂“趁熱打鐵”，正是這個意思。 σb=, 170~, δ=40%~50%。
此外，奧氏體還有一個重要的特性，即具有順磁性，可用于不需要磁場的零件或部件。
奧氏體結(jié)構(gòu)與鐵素體相似，但氫鍵較直，常存在孿晶。
3.氮化體
淬火體是由鐵和碳生成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬化合物，用物理分子式“Fe3C”表示。 其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69%，熔點(diǎn)1227℃，硬而脆，耐腐蝕。 用4%硫酸酒精堿液腐蝕后，在顯微鏡下呈紅色。 若用4%苦味酸堿液侵蝕，滲氮體呈深灰色。
滲氮體是鋼中的強(qiáng)化相。 根據(jù)形成條件的不同，氮化物體的形狀有片狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等。 它們的大小、數(shù)量和分布對鐵碳合金的性能有很大的影響。
總結(jié)：
鐵碳合金中存在三相，即鐵素體、奧氏體和氮化物。 但奧氏體通常只在低溫下存在，所以所有的鐵碳合金在高溫下都只有鐵素體和氮化物兩個相。 由于鐵素體中的碳含量很少，可以認(rèn)為鐵碳合金中的大部分碳存在于回火體中。 這一點(diǎn)非常重要。
鐵和碳可生成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，只有Fe-Fe3C部分具有實(shí)際意義，已被深入研究。 一般稱為Fe-Fe3C相圖。 此時相圖的成分為Fe和Fe3C。
因?yàn)閷?shí)際使用的鐵碳合金含碳量在5%以下，成分軸在0～6.69%之間。 所謂鐵碳合金相圖，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(
(2)不銹鋼(0.0218%-2.11%C)，其特點(diǎn)是三相A低溫組織，易變形，不銹鋼分為亞共析鋼(0.0218%-0.77%C)、共析鋼( 0.77%C）和過共析鋼（0.77%-2.11%C）。
(3)白口鑄鐵(2.11%-6.69%C)，特點(diǎn)是鑄造性能好，但硬而脆，白口鑄鐵分為亞晶界白口鑄鐵(2.11%-4.3%C)、共晶白口鑄鐵（4.3%C）和晶界白口鑄鐵（4.3%—6.69%C）
Fe-C合金的平衡結(jié)晶過程
1、工業(yè)純鐵（C%≤0.0218%）
2、共析鋼cC%=0.77%
3、亞共析鋼 0.0218%
4.過共析鋼
5、晶界白口鐵（C%=4.3%）
6、亞晶界白口鑄鐵，2.11%
7.反晶粒白口鑄鐵
概要：表示組織的鐵碳相圖
高速公路鐵碳合金相圖
一、碳在鐵碳合金中的存在形式
1、退火→固溶C→r-Fe(FCC)-A、C→α-Fe(bcc)-F
2.復(fù)合Fe3C
3、石墨Fe3C→3Fe+G
2.雙線鐵碳相圖
高速公路的鐵碳相圖是用實(shí)線的Fe-G相圖疊加在用虛線的Fe-Fe3C相圖上。 區(qū)別在于：
(1) Fe-G晶界和共析溫度較高，
(2) Fe-G晶界和共析成分左移4.26%、0.68%
(3) 溶解度曲線也左移E', 2.08%
(4)氣線C'D'略低于Fe-Fe3C相圖
晶界：Lcl--->G+AE()
共析：As1--->G+F()
3、鑄鐵的石墨化過程
鑄鐵組織中石墨析出的過程——石墨化
1.兩種方式
A。 根據(jù)Fe-G相圖，G直接從固相或A中分離出來。
b. 接上Fe-Fe3C相圖，先結(jié)晶出Fe3C，然后在一定條件下，
Fe3C→Fe+G
2.液態(tài)石墨直接沉淀的過程
a.第一階段
晶界成分L→L+GI(>)→AE+G(晶界)+GI()
晶界成分L→AE+G（晶界）（）
亞晶界成分L→AE+G（晶界）+AE初級（）
b. 第二階段——二次石墨的析出
A→A+GII(→)
C。 第三階段——共析石墨
As'→Fp+G（共析）()
4、鑄鐵的組織與分類
1.根據(jù)各個階段的石墨化程度，可以獲得不同組織的鑄鐵
石墨化度
2.然后石墨形貌分類
A。 灰口鑄鐵塊狀石墨
b. 可鍛鑄鐵團(tuán)聚體
C。 球墨鑄鐵的球形
d. 蠕蟲狀石墨鑄鐵
鐵碳相圖的應(yīng)用與局限
一、申請
1.選材
2.熱加工工藝制定的依據(jù)
2. 限制
．反映平衡相，而非組織
2.反映二元合金中各相的平衡狀態(tài)
3.不反映時間的影響——平衡條件下
加熱時鋼的顯微組織轉(zhuǎn)變
1、共析鋼的奧氏體化（Fe、C原子的晶格重組和擴(kuò)散過程，服從形核和長大規(guī)律）
1.共析鋼的奧氏體化溫度
Ac1溫度：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)------>A(Fcc,0.77)
2.共析鋼的奧氏體化過程
Ac1溫度：F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)------>A(Fcc,0.77)
2.共析鋼的奧氏體化過程
A。 成核（優(yōu)選在相界處（F、Fe3C）
b. 長大
C。 淬火體完全熔化
d. 碳的均質(zhì)化
2. 亞（超）解析鋼的奧氏體化
三、影響奧氏體化的因素
1.加熱溫度
2.升溫速度
3.含碳量
C%↑→多接口→多核→快換
4.合金元素
a.Cr、M0、W、V、Nb、Ti強(qiáng)基體生成元素，↓奧氏體生成率
b.C0、Ni非基體生成元素，↑奧氏體生成率
C。 Al、Si、Mn影響不大
5.原組織
塊狀、板寬小→相界多→碳彌散大→碳原子擴(kuò)散距離短→奧氏體形核長大快>粒狀
4、奧氏體碳化物的尺寸及控制
1、碳化度：晶體中碳化物大小的量度，一般用厚度、面積、體積或碳化度高低來表示。
2.初始碳化物度、實(shí)際碳化物度、必要碳化物度
固有碳化物程度：鋼奧氏體碳化物長大的趨勢。
奧氏體碳化物隨溫度下降迅速長大→本質(zhì)粗晶鋼
奧氏體碳化物在溫度下降到一定溫度時迅速長大→本質(zhì)上是細(xì)晶粒鋼
3.奧氏體碳化物程度的控制
A。 加熱過程
發(fā)熱體溫度、保溫時間
b. 鋼的成分 - 合金化
A中的C%↑→晶粒長大↑
MxC%↑→晶粒長大↓
1）基體產(chǎn)生元素細(xì)碳化物
2）Al→本質(zhì)細(xì)晶粒鋼
3）Mn和P促進(jìn)生長
鋼在冷卻過程中的顯微組織轉(zhuǎn)變
1、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變
1.共析鋼過冷A等溫轉(zhuǎn)變曲線。
降溫至一定濕度，保溫，檢測A過冷過渡起止時間
A1以上：穩(wěn)定
低于 A1：A 不穩(wěn)定且過冷
C曲線有一個最小潛伏期：
1：T↓，A——P的驅(qū)動力F增加
2：T↓——D↓
2.共析鋼中過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與特征
(1)低溫過渡區(qū)
A1 - 鼻子濕度 ()
過冷-P（S，T）索氏體，屈氏體。
P 的產(chǎn)生取決于成核和生長速率。 T↓，核，長大↑。
T↓→，D↓，緩慢增長→薄層寬度，短
擴(kuò)散型相變，綜合性能好，HB低，硬度好。
T↓——HB↑、硬度↑
(2)中溫區(qū)相變，貝氏體相變550℃~230℃(MS)
A過冷→B，基體分布在含有過飽和碳的F碳化物上的兩相機(jī)械混合物。
(3)高溫區(qū)相變——馬氏體相變，在MS→Mf溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻完成，遠(yuǎn)離非擴(kuò)散相變。
aA過冷→M+A'殘?jiān)?/p>
b. 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：馬氏體M，碳在α-Fe中的過飽和退火體。
C％
C%>1.0%，棒材，馬氏體
C。 本質(zhì)：低T——C難擴(kuò)散→非擴(kuò)散晶格剪切→過飽和C鐵氧體。
dM轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，①非擴(kuò)散②一過性③存在Ms、Mf④不完全⑤體積膨脹
3.共析鋼等溫轉(zhuǎn)變組織-性能關(guān)系
(1) 珍珠體
相變體溫度升高，板寬小，細(xì)晶強(qiáng)化→強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性提高
(2) 貝氏體
上層B：硬度和韌性較差
B級：強(qiáng)度高、硬度好、綜合力學(xué)性能優(yōu)良
(3)馬氏體
高強(qiáng)度
C%↑→HRC↑
棒材馬氏體，硬而脆，塑性和韌性差
板狀，硬度高，塑性好，硬度好
4.亞（過）共析鋼等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線
影響 C 曲線的激勵
C曲線反映了奧氏體的穩(wěn)定性和分解轉(zhuǎn)變特性，它取決于奧氏體的物理成分和加熱狀態(tài)。
C曲線的形狀位置不僅對過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變率和相變產(chǎn)物的性能有重要意義，而且對鋼的熱處理工藝也有指導(dǎo)作用。
(1) A組份
1.含碳量
在A中，C%↑→C曲線向右移動。
對于亞共析鋼，鋼中的C%↑，A中的C%↑→C右移
對于過共析鋼，通常A高于AC1，鋼中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲線左移
對于共析鋼，C 曲線最靠左，穩(wěn)定性最高。
2、合金元素，（C0%↑→左移）
除C0外，所有合金元素都混入A中，降低了過冷A的穩(wěn)定性——右移
非基體生成元素，Si、Ni、Cu，不改變C曲線的形狀
強(qiáng)基體元素，Cr、Mo、W、V、Nb、Ti，改變C曲線的形狀
除C0、Al外，均增加Ms、Mf，殘留A↑
(2) A化條件的影響
1.加熱溫度和時間
A溫度↑、時間↑（成分均勻、晶界大、基體未溶解少、成核率增加）→A穩(wěn)定性↑、C曲線右移
過冷奧氏體的連續(xù)冷卻相變
1.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖
PS：A→P起始行
Pf：A→P停止線
K：珠光體變形停止線
Vk：上臨界冷卻速率（馬氏體臨界冷卻速率）→M最小冷卻速率
Vk'：下臨界冷卻速率→完全P最大冷卻速率
2.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線與等溫轉(zhuǎn)變曲線的比較
(1) CCT位于TTT曲線右下方A→P轉(zhuǎn)變溫度越低，t越長
(2) CCT中沒有A→B躍遷
CCT測量困難，常用TTT曲線定性分析
三、C曲線的應(yīng)用
(1)根據(jù)型腔要求確定熱處理工藝。
(2) 確定型腔滲碳時的臨界冷卻速度。
(3) 可指導(dǎo)連續(xù)冷卻操作
V1：爐冷（固溶）P
V2：風(fēng)冷，S，T
V3：風(fēng)冷，S，T
V4：油冷，T+M+A'
V5：M+A'
(4)選用鋼材的依據(jù)
(5)C曲線指導(dǎo)滲碳介質(zhì)和滲碳方法的選擇。
