工程材料第五章铁碳合金

第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,二、铁碳合金相图,三、铁碳合金相图的应用,小结,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,铁素体F,奥氏体A,渗碳体Fe3C,珠光体P,莱氏体Ld,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,铁素体F,1.定义,C在Fe中的间隙固溶体,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,铁素体F,2.晶格类型,体心立方晶格,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,铁素体F,3.含碳量,最大0.0218%（727）,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,铁素体F,4.性能,强度硬度极低塑性韧性很好,铁素体,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,奥氏体A,1.定义,C在Fe中的间隙固溶体,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,奥氏体A,面心立方晶格,2.晶格类型,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,奥氏体A,727时：0.77%1148时：2.11%,3.含碳量,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,奥氏体A,强度硬度高于F塑性韧性较好（面心立方晶格）,4.性能,奥氏体,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,渗碳体Fe3C,Fe、C按3：1形成的金属化合物,复杂晶格类型,6.69%,硬而脆,渗碳体,渗碳体,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,珠光体P,F、Fe3C形成的共析体,F、Fe3C片层相间,介于F、Fe3C之间，较高的强度硬度，一定的塑性韧性，片层间距，性能,第五章铁碳合金,一、铁碳合金的基本组织与性能,莱氏体Ld,A和Fe3C形成的共晶体,含有大量Fe3C,硬而脆,4.2Fe-Fe3C相图分析,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,铁碳合金的分类,典型合金的结晶过程,含碳量对钢组织与性能的影响,4.2Fe-Fe3C相图分析,1相图,1、主要特性点,2、主要特性线,（1）BC线液体向奥氏体转变的开始线。即：LA。（2）CD线液体向渗碳体转变的开始线。即：LFe3C。ABCD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。（3）JE线液体向奥氏体转变的终了线。（4）ECF水平线共晶线。AHJECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5）ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：Fe3C。（6）GS线又称A3线，奥氏体向铁素体转变的开始线。（7）GP线奥氏体向铁素体转变的终了线。（8）PSK水平线共析线（727），又称A1线。（9）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线Fe3C。,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,1.特征点,C点：,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,1.特征点,S点：,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,1.特征点,E点：,C在Fe中的最大溶解度点（2.11%),第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,1.特征点,P点：,C在Fe中的最大溶解度点（0.0218%),第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,1.特征点,G点：,Fe与Fe同素异构转变点（912）,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,ACD线：,液相线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,AECF线：,固相线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,ECF线：,共晶线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,PSK线：,共析线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,GS线：,AF转变开始线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,GP线：,AF转变终了线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,2.特征线,ES线：,C在A中最大溶解度线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,3.区域组织,单相区：,L、A、F、Fe3C,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,3.区域组织,两相区,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,相图分析,3.区域组织,三相共存水平线,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,铁碳合金的分类,典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。,2平衡结晶过程及其组织,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,1工业纯铁结晶过程,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,工业纯铁组织金相图,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,典型合金的结晶过程,1.共析钢,LL+AAP（F+Fe3C),共析钢金相组织图,图4-6,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,典型合金的结晶过程,2.亚共析钢,LL+AAA+FF+P,CFP强度硬度塑性韧性,亚共析钢组织金相图,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,典型合金的结晶过程,3.过共析钢,LL+AAA+Fe3CP+Fe3C,CPFe3C强度硬度塑性韧性当C0.9%时，Fe3C连续分布强度,过共析钢组织金相图,说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,铁碳合金组织特征图,(a)0.01%C铁素体500,(c).0.77%C珠光体500,(b)0.45%C铁素体+珠光体500,d).1.2%C珠光体+二次渗碳体500,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,5、共晶白口铁(C%4.3%),4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,共晶白口铁组织金相图,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,6、亚共晶白口铁(C%=2.11-4.3%),4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,亚共晶白口铁组织金相图,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,7、过共晶白口铁(C%=4.3-6.69%),4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,过共晶白口铁组织金相图,图4-17,4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,三、组织组成物相对含量计算,1、计算共析钢珠光体组织中铁素体和渗碳体的相对含量。解：,2、计算含碳量为1.0%的过共析钢组织中二次渗碳体和珠光体的相对含量。解：,3、计算含碳量为5%的过共晶白口铸铁组织中一次渗碳体的相对含量共晶渗碳体的相对含量二次渗碳体的相对含量共析渗碳体的相对含量三次渗碳体的相对含量解：当T1148+0C时,当T1148-0,当T727+0,当T727-0,室温时,4、计算含碳量为2%的过共析钢组织中，珠光体的相对含量。解：珠光体的含量等于奥氏体的含量，因此：T727+0,第五章铁碳合金,二、铁碳合金相图,含碳量对钢组织与性能的影响,（二）对力学性能的影响随C%提高,强度、硬度升高，塑韧性下降。当含碳量不超过1%时,晶界上析出的二次渗碳体不成网状析出,对性能影响不大,当超过1%,呈网状析出,对碳钢力学性能造成影响,故强度降低,4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,1、当渗碳体与铁素体构成片层状的珠光体时，铁碳合金的强度、硬度得到提高，且珠光体越多，强度、硬度越高。,2、当渗碳体沿珠光体晶界呈网状分布时，特别是作为基体或以针状形态分布在莱氏体基体上时，铁碳合金的塑性和韧性大大下降，强度也随之下降,4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,3、当钢的含碳量1%时，随着含碳量的增加，强度、硬度提高，塑性、韧性下降；当含碳量1%时，因组织中出现网状渗碳体，钢的强度下降，但钢的硬度不断增加。,4、工业用钢材，为了保证足够的强度和一定的塑性、韧性，其含碳量一般不超过1.3%-1.4%。,4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,第五章铁碳合金,三、铁碳合金相图的应用,选材的依据制定热加工工艺的依据,一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响,1Mn2Si1S2P1O2N3H,1.有益元素,2.有害元素,3.气体元素,钢中杂质的来源Si和Mn是在钢的冶炼过程中必须加入的脱氧剂，而S、P、O、N、H等则是从原料或大气中带来而在冶炼中不能去净的杂质。,（一）Mn的影响Mn在碳钢中是一种有益元素，碳钢中含Mn量一般低于0.8%，Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化，小部分Mn溶于渗碳体中形成合金渗碳体，使渗碳体的脆性降低。Mn能增加珠光体的相对含量，并使珠光体细化，使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，可减轻硫的危害。,（二）Si的影响Si在钢中也是一种有益元素，Si溶于铁素体中，使铁素体强化，钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。,（三）S的影响S是有害杂质，S不溶于铁，而以FeS形式存在，FeS与Fe形成共晶体分布于奥氏体晶界上，熔点较低（989），当钢在1000-1200下进行锻造时，晶界已经熔化，使钢产生“热脆”现象，故应严格控制硫的含量。,（四）P的影响磷在钢中也是一种有害杂质，磷全部溶于铁素体中，虽然可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使塑性、韧性急剧降低（冷脆），并使钢的冷脆性转变温度提高，同时钢的焊接性能变坏。另外磷在钢中的扩散速度很小，因此具有严重的偏析倾向。故应严格控制磷的含量。,（五）氮、氢、氧的影响氮在钢中以原子状态固溶于铁素体(591时溶解度0.1%)，常温下（溶解度0.001%）易形成氮化物FeN，导致时效脆性（蓝脆），属于有害杂质。在钢中加入适量的铝，与氮形成AlN微粒，分布于钢中，可抑制晶粒粗化。氢会增加钢的脆性（氢脆），严重降低钢的塑性、韧性，属有害杂质。导致钢中产生大量细微裂纹缺陷白点。氧是以化合物形态存在于钢中，这些氧化物杂质使铸锭中出现偏析，破坏了钢基体的连续性，成为变形过程中裂纹的起点故氧也是有害杂质。,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。,合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,钢的分类,1、按化学成分分,钢的分类,2、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按用途分,二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T2212000）,第五章铁碳合金,小结,三、组织组成物相对含量计算,1、计算共析钢珠光体组织中铁素体和渗碳体的相对含量。解：,2、计算含碳量为1.0%的过共析钢组织中二次渗碳体和珠光体的相对含量。解：,3、计算含碳量为5%的过共晶白口铸铁组织中一次渗碳体的相对含量共晶渗碳体的相对含量二次渗碳体的相对含量共析渗碳体的相对含量三次渗碳体的相对含量解：当T1148+0C时,当T1148-0,当T727+0,当T727-0,室温时,4、计算含碳量为2%的过共析钢组织中，珠光体的相对含量。解：珠光体的含量等于奥氏体的含量，因此：T727+0,判断题1在铁碳合金中，含二次渗碳体最多的成分点为W(C)：43的合金。()2在铁碳合金中，只有共析成分点的合金在结晶时才能发生共析反应，形成共析组织。()3退火碳钢的塑性与韧性均随W(C)的增高而减小。而硬度与强度则随W(C)的增高而不断增高。()4在铁碳合金中，渗碳体是一个亚稳相，而石墨才是一个稳定相。()5因为磷使钢发生热脆，而硫使钢发生冷脆，故硫磷都是钢中的有害元素。()6在室温下，共析钢的平衡组织为奥氏体。()7铁碳合金中，一次渗碳体，二次渗碳体和三次渗碳体具有相同的晶体结构。(),本章习题讨论课,10在FeFe3C相图中，共晶反应和共析反应都是在一定浓度和恒温下进行的。()11在FeFe3C相图中，凡发生共晶反应的铁碳合金叫做白口铁；凡发生共析反应的铁碳合金叫做钢。()12珠光体是单相组织。()13白口铁是碳以渗碳体形式存在的铁，所以其硬度很高，脆性很大。()14W(C)13的铁碳合金加热到780时得到的组织为奥氏体加二次渗碳体。()15a-Fe是体心立方结构，致密度为68，所以其最大溶碳量为32。()16-Fe是面心立方晶格，致密为074，所以其最大溶碳量为26。(),计算：1已知某铁碳合金的组成物为铁素体和渗碳体，铁素体占82，求合金的含碳量和组织组成物的相对量。,2分析w(C)02、w(C)=06、w(C)=0.77的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织，分别计算w(C)02的铁碳合金在室温下相的相对量和组织相对量。,(三)选择题1渗碳体属于A间隙固溶体B间隙化合物C间隙相D正常化合物2-Fe的晶型是A体心立方B面心立方C密排六方D简单立方3铁素体的机械性能特点是A具有良好的硬度与强度B具有良好的综合机械性能C具有良好的塑性和韧性D具有良好的切削性和铸造性4纯铁在912以下的晶格类型是A密排六方晶格B面心立方晶格C体心立方晶格D简单立方晶格5三次渗碳体是从A钢液中析出的B铁素体中析出的C奥氏体中析出的D珠光体中析出的6二次渗碳体是从A钢液中析出的B铁素体中析出的C奥氏体中析出的D莱氏体中析出的,(七)计算题1分析w(C)02、w(C)=06、w(C)=o.77的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织，分别计算w(C)02的铁碳合金在室温下相的相对量和组织相对量。2分析w(C)32、w(C)43、w(C)=4.7的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织，分别计算W(C)=43的铁碳合金在室温下相的相对量和组织相对量。3计算在共析反