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1、电厂金属材料第二章 铁碳相图及其合金3/8/20233/8/20231 1电厂金属材料第一节 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,随随后后又又有有两两次次同同素异构转变，即面心立方格的素异构转变，即面心立方格的-Fe-Fe和体心立方格的和体心立方格的-Fe-Fe。碳碳溶溶入入-Fe-Fe和和-Fe-Fe铁铁中中所所形形成成的的固固溶溶体体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，称做渗碳体。称做渗碳体。碳碳原
2、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做做高高温温铁铁素素体体。它它在在14001400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能没没有有什什么么影影响响，故故不不作作为为铁铁碳碳合合金金的的基基本本相相。固固态态铁铁碳碳合合金金的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。3/8/20233/8/20232 2电厂金属材料一、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格格的的-Fe-Fe的的晶晶体体格格
3、间间隙隙半半径径只只有有0.036nm0.036nm，而而碳碳原原子子半半径径为为0.077nm0.077nm，所所以以铁铁素素体体对对碳碳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0.02%,0.02%,而而在在室室温温时时固固溶溶度度几几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：抗拉强度Rm 250Mpa，屈服强度RE 140Mpa断后延伸率A11.3 40%-50%冲击韧性K 200 J/cm2布氏硬度HBS 80由由此此可可见见，铁铁素素体体有有优优良良的的塑塑性性和和韧韧性性，但但强强度度，硬硬度度
4、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表示。表示。3/8/20233/8/20233 3电厂金属材料二、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格格的的-Fe-Fe的的间间隙隙半半径径为为0.052nm0.052nm，比比-Fe-Fe的的间间隙隙稍稍大大，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
5、，碳碳在在-Fe-Fe中中的的固固溶溶度度下下降降，在在727727时时是是0.77%0.77%。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，面面心心立立方方格格晶晶体体的的奥奥氏氏体体具具有有极极好好是是塑塑性性，所所以以碳碳钢钢具具有有良良好好的的轧轧、锻锻等等热热加加工工工工艺艺性性能能。在在铁铁碳碳相相图图中中，奥奥氏氏体体通通常用符号常用符号A A表示。表示。3/8/20233/8/20234 4电厂金属材料三、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金金属属性性质质的的复复杂杂间间隙隙化化合合物物。它它
6、的的晶晶体体结结构构复复杂杂，属属于于复复杂杂八八面面体体结结 构构，分分 子子式式 为为FeFe3 3C C，含含 碳碳 量量6.69%6.69%。渗渗碳碳体体的的硬硬度度很很高高，HV800HV800，但但极极脆脆，塑塑性性和和韧韧性性几几乎乎是是零零，强强度度RmRm=30Mpa=30Mpa左左右右。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有有很很大大影影响响。它它在在铁铁碳碳合合金金中中可可以以呈呈片片状状、粒粒状状、网网状状和和板板状状形态存在。形态存在。在在高高温温
7、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下面面的的分分解解反反应应，析出石墨态的碳。析出石墨态的碳。Fe3C 3Fe+C（石墨）3/8/20233/8/20235 5电厂金属材料一、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性性能能极极脆脆，没没有有使使用用价价值值。因因此此只只研研究究FeFeFeFe3 3C C，即即含含碳碳量量小小于于6.69%6.69%这这一一部分，通常称为部分，通常称为FeFeFeFe3 3C C相图，也称相图，也称铁碳合金相图铁碳合金相图。在在FeFeFe3CFe3C相相
8、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，但但它它是是在在14001400以以上上发发生生的的反反应应，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相相图图可简化为图可简化为图2-22-2的形式。的形式。第二节 铁 碳 合 金 相 图3/8/2
9、0233/8/20236 6电厂金属材料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 F0.02+Fe3C反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号P表示。表示。以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号Ld表示。表示。相相图图的的下下部部为为共共析析相相图图。共共析析相
10、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：3/8/20233/8/20237 7电厂金属材料珠光体也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：珠光体也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 HBS 180断后延伸率 A11.
11、3 20%25%冲击韧性 aK 3040J/cm强度极限Rm 750Mpa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、含碳量及涵意见表铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。所示。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B11482.11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3/8/20233/8/20238 8电厂金属材料3/8/20233/8/20239 9电厂金属材料铁碳合金下图中各主要线的意义是：铁碳合金下图中各主要线的意义是：AECF为固相
12、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线投影范围（线投影范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在）内，铁碳合金在1148时必然发生共晶反映，形成莱氏体。时必然发生共晶反映，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变变化化线线，简简称称Acm。从从这这根根线线可可以以看看出出，碳碳在在秋秋耕耕氏氏体体中中的的最最大大溶溶解解度度是是在在1148时时，可可溶溶解解碳碳2.11%，布布在在727时时，由由于于碳碳在在奥奥氏氏体体中中的的溶溶解解度度会会降降低低，会会从从奥奥氏
13、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碳体（渗碳体（Fe3CII）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称简称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.合合金金含含碳碳量量在在PSK线线投投影影范范围围（0.02%6.69%）内内时时，奥奥氏氏体体在在727时必然发生共析反应，形成珠光体。时
14、必然发生共析反应，形成珠光体。3/8/20233/8/20231010电厂金属材料PQPQ为为碳碳在在铁铁素素体体中中溶溶解解度度变变化化线线。从从该该线线可可看看出出，碳碳在在铁铁素素体体中中最最大大溶溶解解度度是是在在727727时时，可可溶溶解解碳碳0.0218%0.0218%，在在室室温温仅仅能能溶溶解解碳碳0.008%0.008%。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碳体体，称称此此渗渗碳碳体体为为三三次次渗渗碳碳体体（FeFe3 3C CIIIIII）。）。因因三三次次渗渗碳碳体体数数量量极极少少，
15、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。所所谓谓一一次次二二次次，三三次次渗渗碳碳体体，仅仅在在其其来来源源，大大小小和和分分布布上上有有所所不不同同；但但是是其其含含量量，晶晶体体结结构构和和性性能能均均相相同同。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。简简化化的的铁铁碳碳合合金金下下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;渗渗碳碳体体也也可可作作为为铁铁碳碳相相图图的的一一个个组组元元，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
16、相相图图上上它的相区仅是一条竖直线。它的相区仅是一条竖直线。相相图图中中有有五五个个相相区区，即即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F及及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相平平衡衡线线上上有有三三个个点点,分分别别与与三三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分即这三个点的成分成分即这三个点的成分,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的说明了温度和三个平衡相的成分是固定的.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
17、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这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化。由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化。3/8/20233/8/20231111电厂金属材料三、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钢钢和和铸铸铁铁两两大大类类，它它们们的的区区别别在在于于所所含含碳碳量量不不同。同。含量碳量小于含量碳量小于2.11%2.11%的，称为铸铁。的，称为铸铁。在分析铁碳
18、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，习惯将钢和铸铁分为共按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁等六种典型合金口铸铁等六种典型合金，如图，如图23所示。所示。3/8/20233/8/20231212电厂金属材料（一）共析钢图图2 23 3中合金中合金称为共析钢，其含碳量为称为共析钢，其含碳量为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
19、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，从从液液相相中中继继续续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AC AC 变变化化，奥奥氏氏体体的的成成分分 沿沿AEAE线变化。线变化。当当温温度度降降至至2 2点点时时，合合金金全全部部线线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，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。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
20、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含含碳碳量量为为0.02%0.02%的的铁铁素素体体F F和和渗渗碳碳体体FeFe3 3C C的的共共析组织，即珠光体析组织，即珠光体P P。3/8/20233/8/20231313电厂金属材料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的的含含量量碳碳量量从从0.0250.025降降至至几几乎乎为为零零，碳碳则则以以微微量量三三次次渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。渗碳体的形式沉淀出来，计
21、算时可以忽略不计。恒温727共共析析钢钢的的结结晶晶过过程程如如图图24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。共共析析钢钢的的结结晶晶过过程用反应式表示为：程用反应式表示为：LL+A P3/8/20233/8/20231414电厂金属材料(二二)亚共析钢亚共析钢含碳量低于含碳量低于0.77%0.77%的钢均称为亚共析钢。的钢均称为亚共析钢。以图以图2 23 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 26 6所示。所
22、示。合金从液相冷却到合金从液相冷却到1.21.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织；点以后，结晶出单相的奥氏体组织；温度继续降至温度继续降至2 22 2点之间时，奥氏体组织不变；点之间时，奥氏体组织不变；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界上上形形核核，随着温度降低而长大；随着温度降低而长大；温温度度降降至至4 4点点时时，根根据据杠杠杆杆定定律律先先结结晶晶出出的的铁铁素素体体相相的的量量为为4S/4S/（PSPS），其其成成分分沿沿着着GPGP线线变变化化至至P P点点（含含碳碳0.02%0.02
23、%），称称作作初初生生铁铁素素体体；剩剩下下的的奥奥氏氏体体相相的的量量为为P4/P4/（PSPS），其其成成分分沿沿着着GSGS线线变变化化至至S S点点（含含碳碳0.77%0.77%）。这这时时剩剩下下奥奥氏氏体体的的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初初生生铁铁素素体体（图图2 27 7中中白白色色晶晶粒粒），另另一一部部分分转转变变为为珠珠光光体体组组织织（图图2 27 7黑黑色色部部分分）。温温度度将将继继续续降降至
24、至室室温温时时，显显微微组组织织基基本本不不变变（三三次次渗渗碳碳体体忽忽略不计）略不计）为铁素体为铁素体+珠光体（珠光体（F+PF+P）。）。3/8/20233/8/20231515电厂金属材料图27 亚共析钢的显微组织3/8/20233/8/20231616电厂金属材料铁铁素素体体与与珠珠光光体体的的相相对对量量可可用用杠杠杆杆定定律律在在GPSGPS相相区区（P+FP+F）的的PSPS线线上上计计算算出出，称称作作组组织相对量。织相对量。合金（合金（2 2）中，珠光体量为：）中，珠光体量为：QpQp=P4/PS=P4/PS100%100%铁素体量为：铁素体量为：Q QF F=1=1Q Q
25、p 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%；当当含含碳碳量增加到量增加到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中计计算算出出亚亚共共析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的
26、相对量：析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量：Q QF F=（6.696.69）/（6.696.690.020.02）100%100%Q QFe3CFe3C=1=1Q QF F 式中式中亚共析钢的含碳量。亚共析钢的含碳量。计算出计算出的的QF为初生铁素体与共析铁素体之和。为初生铁素体与共析铁素体之和。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+P3/8/20233/8/20231717电厂金属材料含碳量在含碳量在0.770.772.11%2.11%的钢的钢,均统称为过共析钢均统称为过共析钢.以图以图2-32-3中合金中合金3 3为例为例,
27、过共析钢的结晶过程如图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 1、2 2点以后，结晶出单相奥氏体组织；点以后，结晶出单相奥氏体组织；温温度度继继续续冷冷却却至至2 23 3之之间间时时，奥奥氏氏体体组组织织不不变变；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达达到到饱饱和和，开开始始析析出出FeFe3 3C C，称称作作二二次次渗渗碳碳体体，写写作作FeFe3 3C CIIII。FeFe3 3C CIIII沿沿着着奥奥氏氏体体晶晶界界析析出出，呈呈网网状分布状分布(图图2 29)9)，随着温度降低，碳在奥氏体中溶解度下降，不断析出。，随着温
28、度降低，碳在奥氏体中溶解度下降，不断析出。温温度度降降至至4 4点点（727727）时时，析析出出的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线线上上计计算出来。算出来。（三）过共析钢3/8/20233/8/20231818电厂金属材料式中式中 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，其其成成分分已已沿沿着着SE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。珠珠光光体体的的组组织相对量为：织相对量为：Qp1QF
29、e3CII 或或 Qp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：QFe3C1QFQFe3CII=Lg L+A Ag Fe3CII A Fe3CII +As Fe3CII+P 恒温727这这样样计计算算出出的的QFe3C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过程可用反应式表示为：程可用反应式表示为：3/8/20233/8/20231919电厂金属材料过共析钢的显微组织如图过共析钢的显微组织如图29所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗所示，图中白色的沿着晶
30、界分布的组织即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。碳体；深色部分的组织为珠光体。过共析钢的显微组织如图过共析钢的显微组织如图29所示所示3/8/20233/8/20232020电厂金属材料图图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。含含碳碳量量4.34.3的的合合金金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含碳碳量量为为6.696.
31、69的的渗渗碳碳体体的的共共晶晶体体，这这种种机机械械混混合合物物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匀分布在渗碳体基体上。均匀分布在渗碳体基体上。温温度度从从1 1点点继继续续下下降降时时，共共晶晶体体中中的的奥奥氏氏体体碳碳的的溶溶解解度度下下降降，不不断断析析出出二二次次渗渗碳碳体体，奥氏体的成分是沿着奥氏体的成分是沿着ESES线变化的。线变化的。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，
32、转转变变为为二二次次渗渗碳碳体体加加铁铁素素体体的的珠珠光光体体组组织织。这这样样，共共晶晶白白口口铁铁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铁和和珠珠光光体体组组成成的的组组织织称称为为变变态态莱莱氏氏体体，也也有有称称为为低低温温莱莱氏氏体体，用用符符号号LLd d表表示示，其显微组织如图其显微组织如图2 21111所示。所示。
33、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应式表示为：L AFe3CI（AFe3CII）Fe3CI 恒温1148 L Ld d恒温727（四）共晶白口铁PFe3CIIFe3CI3/8/20233/8/20232121电厂金属材料3/8/20233/8/20232222电厂金属材料（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%的的铁铁均均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
34、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，A初初及及共共晶晶奥氏体中都要析出奥氏体中都要析出Fe3CII；冷冷却却至至727 时时（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
35、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、树树枝枝珠珠光光体体及及变变态态莱莱氏氏体体，如如图图213所所示示。合合金的结晶过程可用反应式表式为：金的结晶过程可用反应式表式为：LAL ALd ALdFe3CII）恒温727恒温1148PLd+Fe3CII3/8/20233/8/20232323电厂金属材料3/8/20233/8/20232424电厂金属材料（六）过共晶白口铁 含含碳碳量量为为4.3%6.69%的的铁铁，均均统统称称为为过过共共晶晶白白口口铁铁。以以图图23中中合合金金6为为例，过共晶白口铁的结晶过程如例，过共晶白口铁的结晶过程如图图2
36、-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。但但是是在在随随后后的的降降温温过过程程中中，从从奥奥氏氏体体中中要要析析出出二二次次渗渗碳碳体体Fe3CII,冷冷却却至至727（即（即3点）时又转变成珠光体点）时又转变成珠光体.过过共共晶晶白白口口铁铁室室温温时时的的显显微微组组织织为为板板条条状状的的一一次次渗渗碳碳体体及及变变态态莱莱氏氏体体,如如图图215所示。
37、所示。L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI恒温727恒温11483/8/20233/8/20232525电厂金属材料3/8/20233/8/20232626电厂金属材料四、含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响含含碳碳量量小小于于0.02%0.02%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有良好的塑性和韧性,较低的强度与硬度较低的强度与硬度.在在铁铁碳碳合合金金中中含含碳碳量量变变化化对对组组织织和和性性能能影影响响很很大大.从从Fe-Fe3C相相图图中中可可看看出出，当含碳量不同时，组织将变化。图当含碳
38、量不同时，组织将变化。图2-16为含碳量对碳钢组织影响的示意图。为含碳量对碳钢组织影响的示意图。当当含含碳碳量量为为0.77%时时，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。从从示示意意图图中中可可以以很很清清楚楚的的得得出出含含碳碳量量变变化化后后这这些些组组织织的的变变化化情情况。况。3/8/20233/8/20232727电厂金属材料 含含碳碳量量变变化化后后对对力力学学性性能能的的影影响响可可见见图图2-17所所示示。从从图图中中可可看看出出，当当含含碳碳量量增增加加后后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性则下降。碳钢的强
39、度和硬度升高，而塑性和韧性则下降。这这是是由由于于含含碳碳量量增增加加后后，碳碳钢钢中中的的渗渗碳碳体体在在不不断断的的增增加加。但但是是，含含碳碳量量超超过过了了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自自晶晶界界析析出出，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，反而使碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于反而使碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于1.4%后，在工程上已应用很少。后，在工程上已应用很少。3/8/20233/8/20232828电厂金属材料五
40、、铁碳合金在工程上的应用 铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工、热处理以及选配合钢、合金铸铁等方面有重要作用。铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工、热处理以及选配合钢、合金铸铁等方面有重要作用。铁碳合金相图能很好地反映钢铁材料的成分与组织之间的关系，可根据工程上的需要选材。铁碳合金相图能很好地反映钢铁材料的成分与组织之间的关系，可根据工程上的需要选材。火火电电厂厂的的锅锅炉炉支支架架、厂厂房房结结构构、冷冷却却塔塔、起起重重机机构构架架、输输电电铁铁塔塔、锅锅炉炉水水冷冷壁壁管管、风风机机、风风管管、燃燃料料输输送送设设备备和和管管道道、粗粗细细粉粉分分离离器器等等需需要要韧韧性性、塑塑性
41、性好好的的含含碳碳小小与与0.25%的的碳碳钢钢；重重要要的的地地脚脚螺螺栓栓、轴轴、齿齿轮轮等等需需要要强强度度、韧韧性性都都较较好好的的含含碳碳0.3%0.5%的的钢钢；各各类类弹弹簧簧、板板簧簧需需要要含含碳碳0.5%0.75%的的钢；而工具、模具、轴承类则需要含碳钢；而工具、模具、轴承类则需要含碳0.8%1.3%的钢。的钢。白白口口铸铸铁铁的的硬硬度度高高，脆脆性性大大，难难于于加加工工，只只能能用用作作拔拔丝丝模模、磨磨煤煤机机磨磨球球等等。如如果果在在白白口口铸铸铁铁中中加加入入足足够够的的铬铬、镍镍等等合合金金元元素素，制制成成合合金金白白口口铁铁，则则是是很很好好的的耐耐磨磨材
42、材料料，在在磨磨煤煤机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据，在铸铁、轧锻、焊接和热处理方面应用很广。铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据，在铸铁、轧锻、焊接和热处理方面应用很广。3/8/20233/8/20232929电厂金属材料铁铁碳碳合合金金相相图图（与与铸铸铁铁工工艺艺的的关关系系如如图图218所所示示），从从图图中中看看出出，铸铸铁铁的的浇浇注注温温度度低低。越越是是接接近近共共晶晶点点C的的铁铁碳碳合合金金结结晶晶是是，液液相相线线温温度度低低，合合金金的的流流动动性性好好；
43、固固液液线线距距离离近近，偏偏析析倾倾向向小小，所所以以铸铸铁铁的的铸铸造造性性能能大大大大优优于铸钢。于铸钢。铁铁碳碳合合金金相相图图中中有有很很广广阔阔的的奥奥氏氏体体区区，面面心心立立方方晶晶格格的的高高温温奥奥氏氏体体有有优优良良的的塑塑性性和和较较好好的的强强度度，塑塑性性变变形形抗抗力力很很低低，是是热热锻锻、热热轧轧极极好好的的组组织织，轧轧、锻锻温温度度一一般般选选在在图图中中影影线线部部分分。锻锻造造的的原原则则是是始始锻锻（轧轧）的的温温度度不不宜宜过过高高，终锻温度不宜过低，以防止锻（轧）造裂纹出现。终锻温度不宜过低，以防止锻（轧）造裂纹出现。不不同同成成分分的的铁铁铸铸
44、合合金金冷冷却却后后组组织织不不同同，在在焊焊接接时时要要选选择择不不同同的的焊焊接接工工艺艺。如如锅锅炉炉中中有有大大量量不不同同材材质质的的管管道道，其其中中含含碳碳两两越越低低的的钢钢焊焊接接性性越越好好，含含碳碳量量增增加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。铁碳合金相图还是钢的热处理重要工具和依据。铁碳合金相图还是钢的热处理重要工具和依据。3/8/20233/8/20233030电厂金属材料3/8/20233/8/20233131电厂金属材料第三节 碳钢目目前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
45、位。工工程程上上使使用用的的碳碳钢钢一一般般是是指指含碳量不超过含碳量不超过1.，且含有锰、硅、硫、磷等杂质的铁碳合金。，且含有锰、硅、硫、磷等杂质的铁碳合金。一、常存杂质对碳钢性能的影响碳碳、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，在在炼炼钢钢是是要要对对含含量量进进行行分分析析和和控控制制。碳碳在在钢钢中中的的影影响响已已如如前前述述。锰锰、硅硅、硫硫、磷磷则则称称为为常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。（1）锰锰的的影影响响，锰锰作作为为炼炼钢钢时时的的脱脱氧氧剂剂而而残残存存在在钢
46、钢中中。它它以以置置换换固固溶溶体体的的形形式式溶溶入入铁铁素素体体，可可以以提提高高钢钢的的强强度度。特特别别是是它它能能与与钢钢中中的的硫硫，化化合合形形成成高高熔熔点点的的MnS化化合合物物，可可消消除除硫硫的的脆脆热热性性，因因此此，锰锰是是有有益益元元素素。在在碳碳钢中锰的含量一般不超过钢中锰的含量一般不超过1.2%以下。以下。(2)硅硅的的影影响响，硅硅与与锰锰相相似似，也也是是炼炼钢钢脱脱氧氧是是残残存存在在钢钢中中的的。硅硅溶溶入入铁铁素素体体可可以以起起固溶强化的作用，但含量增多是钢变脆，一般控制在固溶强化的作用，但含量增多是钢变脆，一般控制在0.4%以下。以下。3/8/20
47、233/8/20233232电厂金属材料（3 3）硫硫的的影影响响 硫硫是是从从矿矿石石和和燃燃料料中中带带来来的的，虽虽经经炼炼钢钢，炼炼铁铁，还还未未能能完完全全消消除除而而残残存存钢钢中中。硫硫不不溶溶于于铁铁，但但容容易易以以FESFES的的形形式式与与FEFE形形成成低低熔熔点点共共晶晶体体并并存存在在与与晶晶界界上上这这种种共共晶晶体体在在958958时时熔熔化化，使使得得在在1100110012001200是是轧轧、锻锻的的钢钢材材发发生生晶晶间间开开裂裂并并报报废废，称称为为热热脆脆性性，因因此此硫硫是是有有害害元元素素，在在钢钢中中的的含含量量要要控控制制在在0.055%0.
48、055%以以下下。当当钢钢中中有有锰锰存存在在是是，锰锰与与硫硫产产生生高高熔熔点点的的MnSMnS（熔点熔点16201620），可以消除硫的热脆性。），可以消除硫的热脆性。（4 4）磷磷的的影影响响 磷磷也也是是矿矿石石经经冶冶炼炼残残存存在在钢钢中中的的有有害害杂杂质质，它它可可以以溶溶入入铁铁素素体体中中使使钢钢的的韧韧性性下下降降，并并使使脆脆性性转转变变温温度度升升高高，这这种种现现象象称称作作冷冷脆脆性性。磷在钢中的含量被限制在磷在钢中的含量被限制在0.045%0.045%以内。以内。除除了了以以上上四四种种常常存存杂杂质质外外，还还有有氢氢、氧氧、氮氮等等残残存存与与钢钢中中，这
49、这些些气气体体易易与与形形成成白白点点、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夹夹杂杂，如如SiO2、MnO等等。这些缺陷的存在，均要使钢材质量下降。这些缺陷的存在，均要使钢材质量下降。对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金属夹杂物限定在一定范围内。对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金属夹杂物限定在一定范围内。3/8/20233/8/20233333电厂金属材料二、二、碳钢的分类、编号和用途（1）碳碳钢钢的的分分类类 碳碳钢钢的的分分类类方方法法很很多多，通通常常按按照照钢钢的的含含碳碳量量、质质量量和和用用途途分类。分类。按含碳量分为：按
50、含碳量分为：a 低碳钢：含碳量低碳钢：含碳量0.25；b 中碳钢：含碳量在中碳钢：含碳量在0.250.6之间之间c 高碳钢：含碳量高碳钢：含碳量0.6。按钢的质量分为：按钢的质量分为：普通碳素钢：钢中含普通碳素钢：钢中含S0.055，P0.045；优质碳素钢：钢中含优质碳素钢：钢中含S0.04，P0.040；高级优质碳素钢：钢中含高级优质碳素钢：钢中含S0.030，P0.035。3/8/20233/8/20233434电厂金属材料按钢的用途分为：按钢的用途分为：碳碳素素结结构构钢钢：用用于于制制造造工工程程构构件件(铁铁塔塔、锅锅炉炉支支架架、厂厂房房钢钢结结构构、起起重重设设备备和和工工程程