工程材料04(铁碳合金相图).ppt

工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料 其基本组元是铁和碳元素 因此称为铁碳合金 为了掌握钢铁材料的成分 组织和性能之间的关系 为以后的生产应用做好准备 就必须学习和研究铁碳合金相图 铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物 Fe3C Fe2C FeC等 但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大 无实际应用价值 所以在铁碳合金相图中 只需研究Fe Fe3C部分 含碳量 6 69 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 第一节铁碳合金的基本相 在铁碳合金中 铁和碳元素的相互作用方式有两种 1 碳原子溶解到纯铁的晶格中 形成固溶体 如铁素体和奥氏体 2 铁和碳原子相互作用形成金属化合物 如渗碳体 一 铁素体 F碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体 它仍保持 Fe的体心立方结构 由于铁素体的含碳量较低 室温下wc 0 0008 其性能与纯铁相近 铁素体的强度 硬度较低 但具有良好的塑性和韧性 抗拉强度 b 180 280MPa屈服强度 s 100 170MPa硬度HB 50 80HBW伸长率 30 50 冲击韧性Ak 160 200J 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 二 奥氏体 A碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体 它仍保持 Fe的面心立方结构 奥氏体溶解碳原子的能力与温度有关 1148 时wc 2 11 727 时wc 0 77 一般奥氏体的硬度约为170 220HBW 伸长率 约为30 50 因此 奥氏体的硬度较低而塑性较好 易于锻压成型 三 渗碳体 Fe3C渗碳体是一种具有复杂晶格结构的金属间化合物 其性能特点是硬度很高 约1000HV 且脆性很大 k 0 渗碳体在碳钢中不能作为基体相 而是作为强化相存在 它的存在形态 网 片 条 粒状等 对碳钢的性能有很大的影响 例如 渗碳体以细小的颗粒状形态 均匀分布在固溶体基体相上 则碳钢的力学性能较好 但是 渗碳体呈较粗大形态或网状分布时 则碳钢的脆性会增大 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 第二节铁碳合金相图分析 分析相图 注意相图中的恒温反应 钢铁的分类 1 工业纯铁wc 0 0218 2 钢0 0218 wc 2 11 3 白口铸铁2 11 wc 6 69 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 简化的铁碳相图及各点说明 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 一 液相线 ACD固相线 AECF二 ECF共晶反应线LC AE Fe3C共晶产物 A Fe3C 称为莱氏体 用符号Ld或Le表示 三 PSK共析反应线 A1线 AS FP Fe3C 共析产物 F Fe3C 称为珠光体 用符号P表示 珠光体组织由F和Fe3C 两相组成 其性能介于二者之间 b 800MpaHB 180 280 20 25 Ak 24 32J 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 四 GS线 A3线 温度降低时 沿着GS线 A的含碳量增大 析出F相 五 ES线 Acm线 温度降低时 沿着ES线 A的含碳量减小 析出Fe3C 六 PQ线温度降低时 沿着PQ线 F的含碳量减小 析出Fe3C 由于Fe3C 数量极少 在光学显微镜下不易看见 可不考虑 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 第三节铁碳合金的结晶过程及其组织 共析钢C 0 77 组织转变过程 T0 T1 LT1 T2 L AT2 T3 AT3 T4 P 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 共析钢 C 0 77 在室温下 相组成 F Fe3C相对量的计算 组织组成 P 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 亚共析钢0 0218 0 77 组织转变过程 T0 T1 LT1 T2 L AT2 T3 AT3 T4 F AT4 T5 F P 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 亚共析钢 0 0218 C 0 77 在室温下 相组成 F Fe3C相对量的计算 组织组成 F P相对量的计算 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 过共析钢0 77 2 11 组织转变过程 T0 T1 LT1 T2 L AT2 T3 AT3 T4 A Fe3C T4 T5 P Fe3C 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 过共析钢 0 77 C 2 11 在室温下 相组成 F Fe3C相对量的计算 组织组成 P Fe3C 相对量的计算 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 共晶白口铸铁C 4 3 组织转变过程 T0 T1 LT1 T1 Ld A Fe3C T1 T2 Ld A Fe3C Fe3C T2 T3 Ld P Fe3C Fe3C 低温莱氏体 变态莱氏体 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 共晶白口铸铁 C 4 3 在室温下 相组成 F Fe3C相对量的计算 组织组成 Ld 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 亚共晶白口铸铁2 11 4 3 组织转变过程 T0 T1 LT1 T2 L AT2 T3 Ld A Fe3C T3 T4 Ld P Fe3C 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 亚共晶白口铸铁 2 11 C 4 3 在室温下 相组成 F Fe3C相对量的计算 组织组成 Ld P Fe3C 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 过共晶白口铸铁4 3 6 69 组织转变过程 T0 T1 LT1 T2 L Fe3C T2 T3 Ld Fe3C T3 T4 Ld Fe3C 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 过共晶白口铸铁 4 3 C 6 69 在室温下 相组成 F Fe3C相对量的计算 组织组成 Ld Fe3C 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 按相组成物填写的铁碳相图 按组织组成物填写的铁碳相图 比较 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 第四节铁碳合金的成分 组织 性能之间的关系 一 含碳量与平衡组织间的关系从铁碳平衡相图中可以看出 随着含碳量的提高 Fe3C的含量也随之提高 而且Fe3C的形态也发生变化 亚共析钢为F基体 Fe3C片 过共析钢为P 网状Fe3C 白口铸铁中的莱氏体则是以Fe3C为基体 因此 不同成分的铁碳合金具有不同的组织 进而决定了它们具有不同的性能 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 二 含碳量与力学性能间的关系亚共析钢的组织为F P 随着含碳量提高 组织中P的量增大 钢的强度 硬度呈直线提高 但塑性 韧性会下降 过共析钢的组织为P Fe3C 且Fe3C 呈网状分布 当钢中wc 0 9 时不仅使钢的塑性 韧性进一步下降 而且强度也明显下降 因此工业用钢的含碳量一般 1 3 1 4 建筑结构和各种型材需要塑性 韧性较好的材料 一般采用低碳钢 各种机械零件需要综合性能较好的材料 应采用中碳钢 各种工具则需要硬度 耐磨性较好的材料 应采用高碳钢白口铸铁的组织中存在大量的Fe3C 性能硬而脆 难以切削加工 因此在机械工业中很少应用 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 三 含碳量与工艺性能间的关系1 铸造性能根据Fe Fe3C相图可以确定合适的浇注温度 接近共晶成分铸铁的固 液相线的温度间隔小 铸造性好 且浇注温度低 适合于铸造生产 2 锻造性能碳钢在室温下为两相组织 形变加工困难 而在高温下碳钢为单相A组织 硬度低而塑性好 锻造性能优良 适合进行锻造加工 白口铸铁在高温 低温下 其组织都是以Fe3C为基体的 不能进行锻造 3 焊接性能钢材的焊接性能主要取决于材料的碳当量 碳当量越低则焊接性能越好 因此焊接结构一般应选用低碳钢或低碳合金钢 而铸铁的焊接性能差 故焊接仅用于铸铁件的修复和焊补 Ce C Mn 6 Cr Mo V 5 Ni Cu 15 工程材料及应用 第四章铁碳合金相图 4 切削性能低碳钢中F较多 硬度低而塑性好 加工时切削热较大 容易 粘刀 且断屑和排屑困难 影响工件的表面粗糙度 高碳钢中Fe3C较多 硬度大 加工时刀具易磨损 切削性能也较差 一般认为 钢的硬度在160 230HBW时切削加工性能较好 因此可通过预先热处理来调整碳钢的硬度 并改善Fe3C的形态和分布 提高切削加工性能 5 热处理加工热处理的基本原理是将碳钢通过加热保温A化后 采用不同方式冷却以获得不同的组织 而Fe Fe3C相图中的A1 A3 Acm三条相变线则是确定碳钢热处理工艺加热温度的依据 本章小结钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料 通过Fe Fe3C相图分析和研究碳钢的成分 组织和性能之间的关系 对指导以后