铁碳合金(5).ppt

1、第四章 铁碳合金iron-carbon alloy,一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。,纯铁的同素异晶( allomorph )转变反应式:,4-1 铁碳合金的相结构与性能,一、Fe- Fe3C 相图的组元 1.Fe组元 强度低、硬度低、韧性、塑性好 .,纯铁的冷却曲线,1394,1538,912, - Fe, - Fe, - Fe,- Fe(bcc)

2、 - 1394 - - Fe(fcc) - 912 - - Fe(bcc) 固态金属随温度变化而发生晶格改变 的现象，称为同素异构转变。纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示，可见，纯铁在1538结晶后，具有体心立方晶格，称为铁；当冷却到1394时发生同素异构转变，由体心立方晶格的铁转变为面心立方晶格的铁；继续冷却至912时，再次发生同素异构转变，又由有面心立方晶格的铁转变成了具有体心立方晶格的铁。再继续冷却时晶格类型不再发生变化。,同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以 铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改 变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。 这就是钢铁材料为什么性能呈多种多样、

3、用途 十分广泛的重要因素。,2. Fe3C铁与碳形成的金属化合物。 性能： 熔点高，硬而脆， Hv为950-1050， 而塑韧性几乎为0。,二、Fe-Fe3C 相图中的相 1. 相 （高温铁素体 ） Fe 固溶体 (只存在于 1394-1538 的温度范围内),、 相的力学性能特点 强度低、硬度低、韧性、塑性好。,2. 相（A ，奥氏体） -Fe 固溶体 (只存在于 727 以上的温度范围内) 碳溶于铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号或表示。它仍保持铁的面心立方晶格。由于面心立方晶格原子间的空隙比体心立方晶格大，因此碳在铁中的溶碳能力比在铁中要大些。在727时的溶碳量为C%0.77%，随着温度

4、的升高溶量增加，到1148是时达到最大C%2.11% 。奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为 （b= 400800Mpa、170220HBS )但具有良好的塑性和韧性(=40%-50%)，无磁性。因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。,3. 相 （F，铁素体） （工业纯铁） C溶于-Fe中的间隙固溶体 （ bcc ） ，用符号或表示。它仍保持铁的体心立方晶格，由于体心立方晶格原子间的空隙很小，因而溶碳能力极差，在727时的最大溶碳量为C%0.0218%，在600是溶碳量约为C% 0.0057%，室温下几乎为零C%=0.0008%。因此，其室温性能几乎和纯铁

5、相同： 强度、硬度低 b = 180-280MPa, 0.2 = 100170 50-80HBS， 韧性、塑性好 =30%-50%, = 30-50 % 所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。,4. Fe3C （ 渗碳体） 复杂晶体结构 。（强化相） 渗碳体具有复杂晶格的间隙化合物，分子式为Fe3C，其C%6.69%，是钢和铸铁中常用的固相。熔点约为1227，渗碳体硬度很高（9501050Hv），而塑性与韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体不能单独使用，在钢中总是和铁素体混在一起，是碳钢中主要强化相。渗碳体在钢和铸铁中存在形式有片状、球状、网状、板状，它的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能

6、影响很大。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。,渗碳体组织金相图,5.珠光体 ( P ) 铁素体与Fe3C 的机械混合物。（平均含碳量 0.77 % ） 机械性能取决于Fe3C的数量、形状和分布。,（各种珠光体性能见下表）,珠光体组织金相图,4-2 铁碳合金相图 一、相图分析,Fe - Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,( A+Fe3C ),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,( F+ Fe3C ),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,

7、P+Ld+Fe3C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,( P+Fe3C ),1相图中的点（14个） （1）组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点 D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 （2）同素异构转变点 N（0，1394）d-Fe gFe G（0，912） gFe a Fe,2. 三条水平线 包晶转变线 HJB 1495 ，C% = 0.090.53 % LB+H AJ 即: L0.53 + 0.09 A0.17, 共晶转变线 ECF 1148，C% = 2.116.69 % L4.3 A2.11 + Fe3C（共晶渗碳体）, 共析转变线 PSK 727，C% = 0.021

8、86.69 % AS FP + Fe3C（共析渗碳体） 即: A0.77 F0.0218 + Fe3C P（珠光体） 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度 介于Fe3C 和 F 之间。 Ld P + Fe3CII + Fe3C（共晶渗碳体） 低温莱氏体 Ld,3. Fe-Fe3C 相图中的特性线 A B-Fe-C 合金的液相线，液态合金开始结晶出-Fe。 B C-Fe-C 合金的液相线，液态合金开始结晶出A体。 C D-Fe-C 合金的液相线，液态合金开始结晶出Fe3C。 J E-Fe-C 合金的固相线，即A体的结晶终了线。 ECF-Fe-C 合金的固相线，共晶转变线。 G S-A体转变为铁素体

9、的开始线。 G P-A体转变为铁素体的终了线。 E S-C 在A体（-Fe）中的固溶线。 P Q-C 在F体（-Fe）中的固溶线。 PSK-共析转变线。,4溶解度线 ES 线 碳在A中的固溶线 溶解度 1148 时 2.11%；727 时 0.77%；A 中碳超过时 析出 Fe3CII PQ 线 碳在F中的固溶线 溶解度 727 时 0.0218%；室温 时 0.0008%；F 中碳超过时 析出 Fe3CIII 5GS 线（A3 线）、PSK线（ A1 ）、ES线（ Acm ）,二、基于Fe-Fe3C 相图的 Fe-C 合金分类 工业纯铁 C% 0.0218% 钢 0.0218% C% 2.1

10、1% 亚共析钢 0.77% ； 共析钢 0.77% ； 过共析钢 0.77% 白口铸铁 2.11% C % 6.69% 亚共晶白口铁 4.3% ； 共晶白口铁 4.3% ； 过共晶白口铁 4.3%,三.典型铁碳合金的结晶过程,工业纯铁 ( ingot iron ) 共析钢 ( eutectoid steel ) 亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 过共析钢 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁( hypereutec

11、toid white iron ),1.工业纯铁 ( Wc 0.0218% ),工业纯铁组织金相图,2. 共析钢 ( Wc = 0.77% ),共析钢组织金相图,3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% ),亚共析钢组织金相图,4.过共析钢 ( Wc = 1.2% ),过共析钢组织金相图,5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% ),共晶白口铁组织金相图,6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% ),亚共晶白口铁组织金相图,7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% ),过共晶白口铁组织金相图,1工业纯铁（C % 0.0218 %） L L + A A A + F F F + Fe3CIII,2共析

12、钢（C% = 0.77%） L L+A A A+P P（组织组成物） 珠光体 P % = 100%,共析钢结晶过程,3亚共析钢 （C % = 0.02180.77 % ） L L + A A A + F A + P + F P + F (组织组成物) 20钢 45钢,T1T2 ： 液相g相 匀晶转变 T2T3 ： g相 简单冷却 T3T4 ： g相a相 同素异构转变（ g相 a相 ） TT4 ： 共析转变, gs 全部转变成珠光体,0.6%的铁碳合金（ 60 ）的结晶过程,4过共析钢 （C % = 0.772.11 %） L L+A A A+Fe3C A+P+Fe3C P+Fe3C （组织组成物）,TT1：开始结晶，T=T2:晶界过程结束，体系为固相 T3T4：开始从g相中析出Fe3CII, 沿g相中晶界分布，成网状。 TT4：发生共析转变， gs 全部转变成珠光体。,T12钢的结晶过程,5共晶白口铁（C% = 4.3%） L L+Ld Ld (A+Fe3C共晶) Ld(A+Fe3C共晶+Fe3C) Ld(P+Fe3C+Fe3C),6亚共晶白口铸铁（C % = 2.114.3 %） L L+A L+A+Ld Ld+A Ld+A+Fe3CII Ld+ P + Fe3