铁碳合金相图

1、第四章 铁碳合金相图教学目的及其要求通过本章学习， 使学生们掌握铁碳合金的根本知识， 学懂铁碳相图的特征点、 线及其意 义，了解铁碳相图的应用。主要内容1铁碳合金的相组成2铁碳合金相图及其应用3碳钢的分类、编号及应用学时安排讲课 4 学时教学重点1铁碳合金相图及应用2典型合金的结晶过程分析教学难点铁碳合金相图的分析和应用。教学过程第一节 纯铁、铁碳合金中的相一、铁碳合金的组元铁：熔点1538 C,塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同 结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。碳：在Fe FesC相图中，碳

2、有两种存在形式：一是以化合物 FesC形式存在；二是以间 隙固溶体形式存在。二、铁碳合金中的根本相相： 指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成局部。铁碳合金系统中， 铁和碳相互作用形成的相有两种： 固溶体和金属化合物。 固溶体是铁 素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。1铁素体碳溶于：一Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用：.或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。2. 奥氏体碳溶于_Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用 或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。3渗碳体FeaC :晶体结构复杂

3、，含碳量 6.69%，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。 渗碳体对合金性能的影响：(1) 渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。(2) 对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。二、两相机械混合物珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。铁素体、奥氏体、渗碳体、 珠光体和莱氏体为铁碳合金中的根本组织，是铁碳合金中的 组织组成物。组织组成物： 指构成显微组织的独立局部，可以

4、是单相，也可以是两相或多相混合物。显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。第二节铁碳合金相图一、相图中的点(14个)1. 组元的熔点： A (0, 1538)铁的熔点；D (6.69, 1227) FesC的熔点2. 同素异构转变点：N (0, 1394) S -Fe =丫 -Fe; G (0, 912) 丫 -Fe= a -Fe3碳在铁中最大溶解度点：P (0.0218, 727)，碳在a -Fe中的最大溶解度E (2.11 , 1148)，碳在丫 -Fe中的最大溶解度H (0.09 , 1495)，碳在S -Fe中的最大溶解度Q (0

5、.0008, RT)，室温下碳在 a -Fe中的溶解度2. 三相共存点：S 共析点，0.77, 727, A + F + FesCC 共晶点，4.3, 1148, A + L + FesCJ 包晶点，0.17, 1495+ A + L 3. 其它点 B 0.53, 1495，发生包晶反响时液相的成分 F 6.69,1148 ， 渗碳体 K 6.69,727 ， 渗碳体二、相图中的线1 液相线AECD :结晶时液相的成分，在其上体系为液相；2 固相线AHJECF:结晶时固相的成分，其下为固相。3 .恒温转变的线：HJB包晶线、ECF共晶线、PSK共析线。PSK线，共析线。在此线上的合金都要发生共

6、析反响。冷却时，奥氏体转变为珠光 体的温度；加热时，珠光体转变为奥氏体的温度；PSK线又称Ai线。4 固溶度线ES线：碳在奥氏体中的溶解度线，随温度温度，溶解度 ；0.77%2.11%C。冷却时，从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度；加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体 中的温度。ES线又叫作 Acm线。PQ线：碳在铁素体中的溶解度；随温度 ，最大溶解度 ；0.0008%0.0218%C ； 冷却时，从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度；加热时，三次渗碳体完全溶入铁素体的温度。5.同素异构转变线：NH和 NJ, GS 和GP。GS线：冷却时，由奥氏体向铁素体转变的开始温度；加热时，铁素体完全转变为奥氏

7、体的温度，GS线又叫作As线。三、相图中的相区1.单相区4 个+ 1 个：L、& A、F、+ Fe3C2 .两相区7 个：L + & L + Fe3C、L + A、 & + A、A + F、A + FesC、F + Fe3C。四、根本转变类型1 .匀晶反响L & 由液相中直接结晶出3相。合金的 成分线与AB线相交，Wc: 00.53%。L- A:由液相中直接结晶出A相。合金的 成分线与BC线相交，Wc : 0.53% 4.3%。L Fe3C:由液相中直接结晶出Fe3C相。合金的成分线与CD线相交,Wc: 4.3% 6.69%2.包晶反响Lb0.09+0.5314950C,?；.j0.17含义：

8、具有J点成分的铁碳合金冷却至14950C，液相和&相在转变过程中恰好全部消耗完，生成了单一的 J点成分的A相。?包晶点：J (0.17, 1495)?产物：单相奥氏体(A )?发生包晶反响的合金成分：0.09%-0.53% C。即合金的成分线与 HJB线相交。3 .共晶反响LcF&C4.31148oC2.11+ 6.69含义：由C点成分的液相在11480C下，同时生成具有 E点成分的A相和Fe3C。?发生共晶反响的成分范围：2.11 % 6.69% C,合金成分线与 ECF线相交)。? 产物：A和Fe3C的两相混合物，称为莱氏体，用Ld表示，其组织形态是以Fqc为基体，A呈粒状或杆状分布在 F

9、e3C基体上。?共晶点：C (4.3,1148)4. 共析反响FpFesC_s727oC ,0.0218 +6.690.77? 含义：在7270C下，由S点成分的A相同时生成P点成分的F相和Fe3C相? 合金范围：0.02186.69%C，合金成分线与 PSK线相交。? 产物：F和Fe3C的两相混合物，称为珠光体，用P表示，形态呈层片状。? 共析点：S (0.77, 727),具有S点成分的A相冷却至727C时，发生共析转变， 生成珠光体。五种渗碳体的异同FaC、FesCn、FesCn.共晶FesC、共析FesC:它们只是形成条件、形态与分布不同，对铁碳合金性能有所不同，就其本身来说，并无本质

10、区别，都是同一种物质，即 FesC, 6.69 % C五、铁碳合金分类工业纯铁、钢亚共析、共析、过共析钢、铸铁亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁六、典型铁碳合金的结晶过程分析分析方法和步骤：? 在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；? 在成分线与相图的各条线的交点作标记一般用1、2、3、4.? 写出每两个点之间或者重要点上发生的转变由液相分析至室温。? 室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相；组织组成物那么取决于冷却过程中发生的转变。1. Wc = 0.77%的铁碳合金结晶过程分析 合金在1点温度以上为液相 L ;在12温度之间，发生匀晶反响，从液相中析出奥氏体相;在23点温度

11、之间，为单相奥氏体，只有温度的降低；在3点S点时到达共析温度7270C，奥氏体发生共析反响，生成珠光体组织;3点以下直到室温，合金温度降低，为珠光体组织。所以，Wc = 0.77%的铁碳合金室温下的相：F+Fe3C组织组成物：P珠光体100 %组织形貌：F和Fe3C层片状混合物2. Wc = 0.4%的铁碳合金结晶过程分析合金在1点温度以上为液相 L ;在12点温度之间，发生匀晶转变，从液相中结晶出3铁素体相；在2点1495 C,液相L与3相发生包晶反响，生成奥氏体 A，液相有剩余;在23点温度之间，剩余的液相向 A相转变；在34点温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；在45点温度之间，同素异

12、构转变，A向F 先共析铁素体转变，为F+ A 两相;在5点727C,未转变成F的A发生共析反响，生成珠光体P组织；从5点直到室温，组织为F + P,合金温度降低，没有组织转变。? 室温下的相： F+Fe3C? 组织组成物 ： F 和 P? 组织形貌： 块状 F 和片状 P3 过共析钢 1.2 C合金 在 BC 线温度以上为液相 L；在 BC 线 JE 线温度之间，发生匀晶反响，从液相中析出奥氏体相；在JE线ES线温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；在 ES 线 PSK 线温度之间，从奥氏体中析出二次渗碳体相先共析渗碳体，合金为A + Fe3Cn 两相；在PSK线上727 C时，未转变的奥氏体

13、发生共析反响，转变为珠光体组织；从727C直到室温，合金温度降低，没有发生组织转变。室温下的相： F+Fe3C室温组织 ：珠光体二次渗碳体。组织形态： 片状 P 和二次渗碳体呈网状分布在 A 晶界。在过共析钢中，当碳含量小于 0.9时，二次渗碳体呈片状分布在 A 晶界；当碳含量大 于 0.9时，二次渗碳体成为网状沿晶界分布。室温下组织组成物的质量百分数的计算： 4白口铸铁的平衡结晶过程略 七 Fe Fe3C 相图的应用一、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 1含碳量对合金平衡组织的影响Fe3C 的形态：2含碳量对力学性能的影响铁素体F:软而韧，硬度极低；渗碳体 Fe3C:硬而脆。所以， 1含碳量

14、增加，硬度增加；塑性韧性降低。2含碳量增加，强度先增后降 0.9%最高：当碳含量在小于 0.9时，渗碳体含量越多，分布越均匀，铁碳合金强度越高；当碳含量超过 0.9时，渗碳体在钢的组织中呈网 状分布在晶界，而在白口铸铁的组织中作为基体存在，使强度降低。3含碳量对工艺性能的影响切削加工性能 ：一般认为中碳钢的塑性比拟适中，硬度在 HB200 左右，切削加工性能 最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。可锻性： 低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于 塑性变形，所以一般锻造都是在单相奥氏体状态下进行。铸造工艺性能： 铸铁的流动性比钢好， 易于铸造， 特别是靠近

15、共晶成分的铸铁， 其结晶 温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来看，凝固温度区间越大，越 容易形成分散缩孔和偏析，铸造工艺性能越差。可焊性： 一般，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。二、 Fe Fe3C 相图的应用1为制定热加工工艺提供依据。1制定热处理工艺的依据2为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理。铸造方面铸造合金成分确实定和浇注温度确实定。锻造方面确定始锻温度和终锻温度。焊接方面分析热影响区的组织。热处理方面确定热处理加热的温度。2为选材提供成分依据。工业纯铁：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成；强度低，塑性、韧性好；作为功能材 料使用，如变压器的铁芯等。含碳量在 0.15-0.25% 的亚共析钢：属低碳钢，为工程结构用钢。这类钢主要用于房屋， 桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或 正火状态下使用。含碳量在 0.30-0.50% 的亚共析钢， 属中碳钢， 为机械结构用钢。 主要用于制造各种机械 零部件，如轴类、齿轮等。它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。 这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。含碳量在0.60.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构用钢。主要