《铁碳合金和铁碳》PPT课件

第三章铁碳合金和铁碳相图,3.1Fe-Fe3C系合金的组元和基本相,3.2Fe-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,3.6金属铸锭宏观组织,本课题重点与难点,教学重点,教学难点,铁碳合金的组元及基本相铁碳相图分析铁碳合金的平衡结晶过程及组织含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响,铁碳合金的平衡结晶过程及组织含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响,碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解和掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因分析有很重要的指导意义。,第三章铁碳合金和铁碳相图,铁和碳两个组元可以形成一系列的化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等，由于钢中的含碳量最多不超过2.11%,铸铁中的含碳量最多不超过5%,所以在研究铁碳合金相图时一般仅研究Fe-Fe3C部分(碳含量不超过6.69%)。铁碳合金中的碳存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。在通常情况下，碳以Fe3C形式存在。但Fe3C是一个亚温相，在一定条件下可以分解为更稳定的Fe和石墨。所以，铁碳相图就有Fe-Fe3C和Fe-石墨两种形式，我们只研究前一种。,3、1、1组元（1）纯铁(ferrite)：介绍铁元素,3.1Fe-Fe3C系合金的组元和基本相,同素异晶转变是指金属在结晶成固态以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象，也称同素异构转变。,1394,1534,912,-Fe,-Fe,-Fe,纯铁的冷却曲线,纯铁的主要力学性能指标：b=176-274MPa0.2=98-166MPa=30-50%=70-80%HB=50-80Ak=128-160J纯铁具有良好的塑性、韧性，但强度、硬度太低，故工业上应用很少,多用铁碳合金。,（2）Fe3C（渗碳体）(Cementite)：是铁与碳形成的间隙化合物Fe3C，含碳量为6.69%,用符号Cm表示,也是铁碳相图中的重要基本相。渗碳体的晶体结构非常复杂。渗碳体的性能：具有很高的硬度，约为800HB;塑性很差，延伸率接近于零；在低温下具有一定的铁磁性，但在230以上这种磁性就消失了。所以，230是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变；渗碳体的熔点为1227。,3、1、2基本相Fe-Fe3C相图中除了高温时存在的液相L，化合物相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：（1）高温铁素体（）：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格，用符号表示。（2）铁素体（F或a）：是碳溶于a-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格，用符号F或a表示。铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在727时，为0.0218%，随着温度的降低，其溶解度逐渐减小，室温时铁素体中只能溶解0.0008%的碳。其力学性能与工业纯铁相当。（3）奥氏体（A或）：是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方晶格，用符号A或表示。奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高。在铁碳合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所要求的组织。注意：和a是相同的合金相，都是碳在体心立方的铁中的间隙固溶体，仅是存在温度区间不同，溶解度不同。,3.2Fe-Fe3C相图,铁碳合金相图最早是在1889年测定的，距今已有100多年了，但仍在不断地完善，在不同的书籍中相图中的数据可能不尽相同，这是正常的。,Fe-Fe3C相图,相图中的点、线、区及其意义注意：相图中各特性区的符号是国际通用的，不能随意更换。液相线、固相线、五个单相区、七个两相区、两条磁性转变线、三条水平线，分别是包晶转变线；共晶转变线以及共析转变线。五个重要的成份点:P、S、E、C、K。四条重要的线:EF、ES、GS、FK。三个重要转变:包晶转变反应式、共晶转变反应式、共析转变反应式。二个重要温度:1148、727。FeFe3C相图中14个特性点及具体意义如下：,3、2、1Fe-Fe3C相图中的恒温转变通过铁碳合金相图分析包晶、共晶、共析转变。,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,P+Ld+Fe3C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,(P+Fe3C),3、2、2三条重要的特征线ES线碳在奥氏体中的溶解度曲线，由于在11480C时碳在奥氏体中最大溶解度可达2.11，而在7270C时仅为0.77，因此含碳量大于0.77的铁碳合金自11480C至7270C的过程中，均将从奥氏体中析出渗碳体。此时的渗碳体为二次渗碳体（Fe3C）。ES线通常称为Acm线，即从奥氏体中开始析出Fe3C的临界温度线。PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。由于在727时碳在铁素体中最大溶解度可达0.02，而在室温时仅为0.0008，因此含碳量大于0.0008的铁碳合金自7270C冷至室温的过程中，均将从铁素体中析出渗碳体。此时的渗碳体为三次渗碳体（Fe3C）。PQ线即从铁素体中开始析出Fe3C的临界温度线。由于Fe3C数量极少，往往予以忽略。GS线合金冷却时奥氏体冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，通常称为A3线。,注意:本节中讲的一次渗碳体（Fe3C）二次渗碳体（Fe3C）三次渗碳体（Fe3C）以及共晶渗碳体共析渗碳体，它们的化学成分晶体结构力学性能都是一致的，并没有本质上的差异，不同的名称仅只表示它们的来源结晶形态及在组织中分布情况有所不同而已。,一般，将铁碳合金按有无共晶转变分为两大类：碳钢和铸铁。二、按照组织特征，将铁碳合金分为七种类型：1）工业纯铁(ingotiron)（c0.77%）。白口铸铁(whiteiron)（c=2.11%6.99%）5）亚共晶白口铸铁（c4.3%）。,3.3铁碳合金的平衡结晶,3、3、1工业纯铁（1）(1)1点开始结晶出固溶体.1-2之间按匀晶转变固溶体量不断增加.至2点,液相全部转变为固溶体.(2)2-3之间,固溶体不发生变化.至3点,固溶体发生同素异晶转变,转变为固溶体.这一转变在4点结束,合金全部转变为单相奥氏体.(3)4-5之间,不发生变化.至5点,又发生同素异晶转变,转变为铁素体a,这一转变在6点结束,合金全部转变为单相铁素体a.(4)6-7之间,铁素体a不发生变化.至7点,碳在铁素体a中的溶解量达到饱和,三次渗碳体Fe3C将从铁素体a中呈片状析出.室温下,三次渗碳体Fe3C数量很少，常沿a晶界呈片状析出。往往不考虑其对组织和性能的影响。所以，工业纯铁的室温组织为：铁素体a+Fe3C工业纯铁的相组成为：a+Fe3C,工业纯铁(Wc0.0218%),工业纯铁组织转变,3、3、2共析钢（2）合金在温度1以上全部为液体。（1）降温时，在第1点与第2点温度之间，从液相（L）中结晶出奥氏体，随着温度的不断降低，液相越来越少，奥氏体越来越多，液相的成分沿着BC线变化，而奥氏体的成分则沿着JE线变化，在第2点结晶完毕。（2）第2点与3点温度之间，是奥氏体的单相冷却。奥氏体不发生变化。（3）当温度降到第S点时，奥氏体要发生共析反应：奥氏体0.77aP+Fe3C（珠光体p），最终奥氏体全部转变为珠光体。,（4）在随后的冷却过程中，铁素体a中的渗碳体沿PQ线变化，析出三次渗碳体Fe3C。但此Fe3C在铁素体a和渗碳体Fe3C的相界上形成，与渗碳体Fe3C连接在一起，在显微镜下难以分辨，数量也少，对珠光体的组织和性能没有明显影响。所以，共析钢的室温组织为：p（珠光体，由aP+Fe3C组成）共析钢的相组成为：a+Fe3C,2.共析钢(Wc=0.77%),共析钢的组织转变,3、3、3、亚共析钢（3）（以碳含量0.4%为例)（1）当合金冷却到第1点时，开始从液相析出铁素体，至第2点(1495)时，铁素体的含碳量为0.09%,此时液相的含碳量为0.53%,液相和铁素体发生包晶转变:LB+HJ。但由于0.4%的含碳量大于0.17%的包晶点,所以包晶转变完成以后仍然有液相存在,剩余的液相在2-3点之间继续结晶成奥氏体,液相的成分沿BC线变化,固相的成分沿JE线变化.至3点,合金全部由含碳量为0.4%的奥氏体所组成.(2)3-4点之间,奥氏体不发生变化.(3)冷却到第4点，从奥氏体中析出铁素体a，同时奥氏体相中碳浓度发生变化,此时铁素体a的成分沿GP线变化,奥氏体的成分沿GS线变化。,(4)到第5点即727时，奥氏体中的含碳量沿GS线而到达S点(0.77%)，其组织剩余的奥氏体相发生共析反应,Sap+Fe3C(p),转变为珠光体。(5)在5点以下,先共析铁素体和珠光体中的铁素体都会析出三次渗碳体,但数量很少,一般可以忽略.所以，亚共析钢先前析出的铁素体保持不变。室温组织为铁素体a+珠光体(p)。且随着含碳量的增加，珠光体量也增加。相组成仍然为a+Fe3C。,3.亚共析钢(Wc=0.45%),亚共析钢的组织转变,利用杠杆定律计算钢中的组织组成物和相组成物的含量：组织组成物是：先共析铁素体a+珠光体(p)wa=5S/PS=(0.77-0.4)/(0.77-0.0218)=49.5%Wp=p5/ps=(0.4-0.0218)/(0.77-0.0218)=50.5%也可以用Wp=1-wa=50.5%相组成为：a+Fe3Cwa=（6.69-0.4)/(6.69-0.0218)=94.3%wFe3C=1-94.3%=5.7%,组织组成物:,F;Fe3C,F;P,相组成物:,P=1WF=57%,Fe3C=1-WF=6%,0.02,0.45,0.77,6.69,3、3、4过共析钢（4）（以碳含量1.2%为例)（1）合金冷却到1点时，从液相结晶出奥氏体，2点凝固完毕，形成单相奥氏体，此为匀晶转变。（2）2-3点之间，奥氏体不发生变化。（3）冷却到第3点时，此时冷却线与ES线相遇，开始从奥氏体中沿晶界析出网状分布的二次渗碳体（Fe3C），呈网状包围奥氏体晶粒。（4）冷却到第4点时，奥氏体中碳的质量分数降为0.77%，于是发生共析转变：Sap+Fe3C(p），形成珠光体。所以，过共析钢的组织组成物为：二次渗碳体（Fe3C）+珠光体（P)相组成仍然为a+Fe3C计算相对含量：相组成含量与亚共析钢一样，组织组成物的含量也一样，二次渗碳体最大量出现在碳含量为2.11%时，用杠杆定律计算为22.6%。,4.过共析钢(Wc=1.2%),过共析钢组织金相图,3、3、5共晶白口铁（5）(1)合金在1点(1148)发生共晶反应LcE+Fe3C，形成莱氏体Ld，即由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。（2）在12点区间，共晶奥氏体会析出二次渗碳体，它依附在共晶渗碳体上析出并长大，难以分辨。（3）到2点即727时，剩余的奥氏体会发生共析反应，转变为珠光体。Sap+Fe3C(p)室温下，共晶白口铸铁的组织是珠光体和共晶渗碳体的混合物，保持了共晶莱氏体的形态特征，但组成相发生了改变。通常把它称为“低温莱氏体”或“变态莱氏体”，以“Ld”表示。所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体。相组成仍然为a+Fe3C,5.共晶白口铁(Wc=4.3%),共晶白口铸铁的结晶过程,3、3、6亚共晶白口铁（6）（以碳含量3.0%为例)（1）合金冷却至1点时，开始从液相中结晶出“先共晶奥氏体”。随温度的降低，奥氏体不断增多，同时奥氏体的成分沿JE线变化，液相的成分沿BC线变化。（2）到第2点（1148）时，液相中Wc为4.3%，发生共晶反应：LcE+Fe3C，形成莱氏体，而先生奥氏体保持不变。（3）继续冷却，先共晶奥氏体和共晶奥氏体都析出二次渗碳体，奥氏体的含碳量沿ES线逐渐降低。（4）到第3点（727）时，奥氏体的成分到达S点，Wc降为0.77%，发生共析转变：Sap+Fe3C(p），形成珠光体，此时，Ld转变为Ld。所以，亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体。相组成仍然为a+Fe3C。,根据杠杆定律，计算该铸铁组织组成物中，初晶奥氏体的含量为：w=(4.3-3.0)/(4.3-2.11)=59.4%莱氏体的含量为：1-59.4%=40.6%从初晶中析出二次渗碳体的含量为：wFe3C=（2.11-0.77)/(6.69-0.77)=13.4%,6.亚共晶白口铁(Wc=3.0%),亚共晶白口铸铁的结晶过程,3、3、7过共晶白口铁（7）（以碳含量5.0%为例)（1）合金冷至1点时，开始从液相中结晶出先共晶渗碳体，也叫一次渗碳体（Fe3C），一次渗碳体呈粗大片状，随着一次渗碳体的增多，液相的成分沿DC线变化。（2）当温度继续下降到2点时，剩余液相Wc达到4.3%，这时发生共晶转变，转变为莱氏体。（3）在随后的继续冷却过程中，共晶奥氏体先析出二次渗碳体，然后于727发生共析转变，生成珠光体。（这是低温莱氏体）过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体与低温莱氏体。相组成仍然为a+Fe3C。,7.过共晶白口铁(Wc=5.0%),过共晶白口铸铁的结晶过程,运用杠杆定律计算的结果，将铁碳合金成分与平衡结晶后的组织组成物及相组成物之间的定量关系总结如下：从相组成的角度看，铁碳合金在室温下的平衡组织皆由铁素体和渗碳体所组成。当含碳量为零时，合金全部由铁素体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的含量呈直线减少，直到wc为6.69时降为零.与此相反,渗碳体的含量则由零增至百分之百.,3.4含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响,含碳量对铁碳合金平衡组织的影响,含碳量的变化,不但引起铁素体和渗碳体的相对量的变化,而且可以引起组织的变化.主要是成分变化引起不同性质的结晶过程。并且，同一种组成相，由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但其形态可以有较大的差异。（1）铁素体的形态：奥氏体中析出的铁素体呈块状，而共析反应生成的珠光体中的铁素体与渗碳体相互制约，呈交替的片状。（2）渗碳体的形态：由于生成的条件不同，也各不相同。当碳含量非常低时，是三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片析出；共析渗碳体是共析反应生成的，与铁素体呈交替的片状；而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则以网络状分布于奥氏体的晶界；共晶渗碳体是与奥氏体相关形成的，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大；一次渗碳体则从液相中直接析出，呈规则的长条状。,由此可见，成分的变化不仅引起相的相对含量的变化，而且引起组织的变化，对铁碳合金的性能产生很大的影响（1）珠光体的性能：由铁素体和渗碳体所组成，铁素体是软韧相，渗碳体是脆硬相，渗碳体以细片状分布于铁素体基体上，起了强化作用。因此，珠光体具有较高的强度和硬度，但塑性较差。并且，珠光体的层片越细，则强度越高。从下图可以看出，在亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体逐渐增多，强度、硬度升高，而塑性、韧性下降；当含碳量达到0.77%时，其性能就是珠光体的性能；在过共析钢中，含碳量接近1%时强度达到最大值，含碳量继续增加，强度则下降。,原因是由于脆性的二次渗碳体在含碳量高于1%时于晶界形成连续的网络，使钢的脆性大大增加，抗拉强度下降。,总结含碳量与力学性能间的关系:强度：当Wc0.9时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。硬度：随Wc的增加而提高。塑性：随Wc的增加而迅速降低。冲击韧性：随Wc的增加而迅速降低。,（2）、渗碳体性能：渗碳体硬度很高，但脆性极大，不能使合金的塑性提高，合金的塑性变形主要有铁素体提供。因此，合金中的含碳量增加而使铁素体减少时，铁碳合金的塑性不断降低，当组织出现莱氏体时，塑性降低到接近零值。（3）冲击韧性：此性能对组织非常敏感。含碳量增加，脆性的渗碳体增多，当出现网状的二次渗碳体时，韧性急剧下降。（4）硬度：对组织组成物和相的形态不十分敏感，大小主要决定于组成相的数量和硬度。随着含碳量增加，高硬度的渗碳体增加，铁碳合金的硬度呈直线升高。,钢中的杂质元素及其影响在钢的冶炼中，不可能除尽所有杂质，除碳以外，还有锰、和、硅、硫、磷、氧、氢、氮等杂质元素存在，影响钢的质量。3、5、1锰和硅的影响：它们是在炼钢过程加入脱氧剂时加入的。作用：（1）除去氧；（2）锰还可以除去硫；（3）锰和硅总有一部分溶于钢液中，冷却后溶于铁素体，形成固溶强化，提高铁素体的强度。一般，锰和硅是作为钢中的有益元素。,3.5钢中的杂质元素,3、5、2刚中其他杂质的影响：3、5、2.1硫的影响：硫是钢中的有害元素。硫在钢中是以FeS形式存在。危害：（1