机械工程材料—第3章 铁碳合金和铁碳相图.ppt

机 械 工 程 材 料,主讲人：杨拓宇,3.1 fe-fe3c系合金的组元与基本相 3.2 fe-fe3c相图 3.3 铁碳合金的平衡结晶 3.4 含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响 3.5 钢中的杂质元素,第3章 铁碳合金和铁碳相图,第一节 fe-fe3c系合金的组元与基本相,第3章 铁碳合金和铁碳相图,铁和碳可形成一系列稳定化合物： fe3c、 fe2c、 fec，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于fe3c成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是fe- fe3c相图。,fe,fe3c,fe2c,fec,c,c%(at%) ,一、铁碳合金的组元,fe-fe3c相图的组元, fe fe、 -fe (fcc) 和-fe (bcc) （912） （1394 ） - 强度、硬度低，韧性、塑性好。, fe3c 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零,二、铁碳合金的基本相,碳在-fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体,1 铁素体： 碳在-fe中的固溶体称铁素体, 用f 或 表示。,2 奥氏体: 碳在 -fe中的固溶体称奥氏体。用a或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。,组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在 区进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,3 渗碳体：即fe3c, 含碳6.69%, 用fe3c或cm表示。 fe3c硬度高、强度低(b35mpa), 脆性大, 塑性几乎为零,fe3c是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：fe3c3fe+c(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。 由于碳在-fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以fe3c或石墨的形式存在。,(2) fe-fe3 c相图的相, fe3 c （ cem， cm，渗碳体） 复杂晶体结构, 液相 l, 相 （高温铁素体 ） fe（c）固溶体, 相（a ，奥氏体） -fe（c）固溶体, 相 （f，铁素体） -fe（c）固溶体,第二节 铁碳合金相图,(3) 相图中重要的点和线,液相线 abcd,固相线 ahjecf,包晶线 hjb，包晶点 j,共晶线 ecf， (a2.11+fe3c) 高温莱氏体共晶点c l4.3,le或ld,共析线 psk，共析点s a0.77(f0.02+fe3c) 珠光体, p,es线：c在a中的固溶线,pq线：c在f中的固溶线,gs线：a3线,第三节铁碳合金的平衡结晶过程,fe-c 合金分类,工业纯铁 c % 0.0218 %,钢 0.0218 % c % 2.11 %,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 %,几种 常见 碳钢,(1)工业纯铁 ( c % 0.0218 % )结晶过程,室温组织 f + fe3c (微量) 500,(2)共析钢 ( c % = 0.77 % )结晶过程,室温组织: 层片状 p ( f + 共析 fe3c ) 500,p中各相的相对量： fe3c % = ( 0.77 xf ) / ( 6.69 xf ) 0.77 / 6.69 = 12 % f % 1 12 % = 88 %,珠光体 强度较高，塑性、韧性和硬度介于fe3c 和 f 之间。,(3)亚共析钢 ( c % = 0.4 % )结晶过程,室温组织: f + p，500,各组织组成物的相对量： p % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 % f % 1 51 % = 49 %,各相的相对量： fe3c % 0.4 / 6.69 = 6 % f % 1 6 % = 94 %,室温组织: p + fe3cii 400,各组织组成物的相对量： fe3cii % = ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 % p % 1 7 % = 93 %,各相的相对量： fe3cii % 1.2 / 6.69 = 18 % f % 1 18 % = 82 %,(5)共晶白口铁 ( c % = 4.3 % )结晶过程,室温组织: （低温）莱氏体 le （p + fe3cii + 共晶 fe3c ）, 500,莱氏体 le的性能：硬而脆,()亚共晶白口铁 ( c % = 3 % )结晶过程,室温组织: le+ p + fe3cii 200,(7)过共晶白口铁 ( c % = 3 % )结晶过程,室温组织: le+ fe3ci 500,标注了组织组成物的相图,s,q,p,n,k,j,h,g,f,e,d,c,b,a,a+ fe3c,a+f,l+a,a+ ,l+ ,f,a,l,l+ fe3c,f+ fe3c,a+ fe3c,a+ fe3c+le,le,le+ fe3c,le+ fe3c,le,p+ fe3c+le,p+ fe3c,p+f,p,f+ fe3c,c%,温度,第四节铁碳合金的 成分-组织-性能关系,含碳量与相的相对量关系： c %f %，fe3c %,含碳量与组织关系： 图（a）和（b）,含碳量与性能关系 hb：取决于相及相对量 强度：c%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随c%而, 含碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加，p 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。,0.77%c时，组织为100% p, 钢的性能即p的性能。 0.9%c，fe3c为晶界连续网状，强度下降, 但硬度仍上升。 2.11%c，组织中有以fe3c为基的le,合金太脆.,第五节 钢中的杂质元素,mn 脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。,si 有很强的固溶强化作用,能脱氧。,1.有益元素,2.有害元素:,p 有很强的固溶强化作用,低温 韧性差 ( 冷脆 )。,s 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂 )。,3.气体元素:,n：钢中过饱和n在常温放置过程中会发生时效脆化。加ti、v、al等元素可消除时效倾向。 o：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。 h：原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。,第六节、铸锭(件)的宏观组织（自学） 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:, 表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。, 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。,中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度t1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。, 缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除.,2、铸造缺陷 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、偏析等，它们对性能是有害的.,偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，