第六章-二元相图-2-Fe-C相图

1,6.4二元相图典型实例Fe-Cbinaryphasediagram,2,铁碳合金碳钢(steels)和铸铁(castirons)，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%2.11%的称钢，含碳量为2.11%6.69%的称铸铁。,一般用质量百分比！,3,铁碳合金相图,铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。,4,铁碳合金相图,5,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。,6,金相学史话(1);材料科学与工程2001,郭可信,7,金相学史话(16);材料科学与工程2001,郭可信,AloysvonWidmanstatten(以下简称魏氏)在1808年首先将铁陨石(铁镍合金)切成试片,经抛光再用硝酸水溶液腐刻,得出图1的组织。铁陨石在高温时是奥氏体,经过缓慢冷却在奥氏体的111面上析出粗大的铁素体片,无须放大,肉眼可见。,8,金相学史话(1);材料科学与工程2001,郭可信,9,金相学史话(1);材料科学与工程2001,郭可信,10,金相学史话(2);材料科学与工程2001,郭可信,11,金相学史话(3);材料科学与工程2001,郭可信,12,13,14,15,1铁碳合金的组元和相,碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，称高温铁素体，用表示。都是BCC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,组元：Fe、Fe3C,相铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。,16,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,塑性好原因？,17,Fe的同素异构转变,铁具有异构转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异构转变如下：,由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在FCC的-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在BCC的-Fe和-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。,18,渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高，但脆性大,塑性几乎为零,Fe3C在钢和铸铁中的分布状态对合金的性能影响很大。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。,19,铁碳合金的双重相图,由于Fe3C可在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（如图）。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。,Fe-石墨相图与Fe-Fe3C相图类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C，虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。,20,2铁碳合金相图分析,A.特征点,21,B.特征线液相线ABCD，固相线AHJECF三条水平线：HJB：包晶线LB+HJECF：共晶线LCE+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体ledeburite,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。,莱氏体,如何能够将高温存在的莱氏体保持到室温？,22,PSK：共析线SFP+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,某些性能介于两相之间。PSK线又称A1线。,23,其它相线GS,GP固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN固溶体转变线，ES碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ碳在-Fe中的固溶线。,24,Phasetransformation,Eutectic,Peritectic,ga+b,Peritectoid,Basicreactiontypes,Phaseregion:single,doubleandtriple,Howtoanalyzethephasediagrams?,Leverrule,5th,La+b,Eutectoid,a+gb,a+Lb,Coolingcurveandmicrostructureevolution,25,5th,ComponentsPhasesSpecialpointSpeciallines,26,GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的（）开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。GS又称A3线。,ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线（固溶线）。奥氏体的最大溶碳量是在1148时，可以溶解2.11%的碳。而在727时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148冷到727的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。ES线又称Acm线。,PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线（固溶线）。727时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200仅为0.0008%C。所以铁碳合金由727冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。,27,三个三相区：即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线,C.相区五个单相区：L、Fe3C七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C,28,铁碳相图中的恒温转变（1）包晶转变peritectictransformation,包晶转变：发生在1495（水平线HJB），反应式为：L0.53+0.090.17L0.53含碳量为0.53%的液相；0.09含碳量为0.09%的固溶体；0.17含碳量为0.17%的固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在0.090.53%之间合金冷却到1495时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。,1495oC,29,铁碳相图中的恒温转变（2）共晶转变eutectictransformation,共晶转变：发生在1148（水平线ECF），反应式为：L4.32.11+Fe3C共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。,1148oC,30,铁碳相图中的恒温转变（3）共析转变eutectoidtransformation,共析转变：发生727（水平线PSK），反应式为：0.770.0218+Fe3C共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用P表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成P。,727oC,31,3典型铁碳合金的平衡结晶过程,钢(0.02182.11%C)高温组织为单相亚共析钢(0.02180.77%C)共析钢(0.77%C)过共析钢(0.772.11%C),铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。,白口铸铁(2.116.69%C)铸造性能好,硬而脆亚共晶白口铸铁(2.114.3%C)共晶白口铸铁(4.3%C)过共晶白口铸铁(4.36.69%C),32,1-2：转变为，2-3：冷却长大，3-4：，4-5：冷却长大，5-6：，6-7：长大，7-室温：从中析出Fe3CIII。,1.工业纯铁的结晶过程,33,工业纯铁的结晶过程,34,随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3C。,从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。,35,求室温下Fe3C最大量,36,2.共析钢的结晶过程,合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：SP+Fe3C,全部转变为珠光体。,37,共析钢的结晶过程,38,珠光体在光镜下呈指纹状.,珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.,39,相变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,40,3.亚共析钢的结晶过程,0.090.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点，发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.,亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.02180.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,41,亚共析钢的结晶过程,42,共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,室温下相的相对重量百分比为：,室温下组织组成物的相对重量百分比为：,43,利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积%0.77%(忽略中含碳量，P面积%=QP),44,4.过共析钢的结晶过程,45,合金在12点转变为,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3C表示,其沿晶界呈网状分布.,温度下降,Fe3C量增加。到4点，成分沿ES线变化到S点，余下的转变为P。,过共析钢的结晶过程,46,过共析钢室温组织为P+Fe3C。Fe3C量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3C量最大：,47,过共析钢室温组织为P+Fe3C。,含1.4%C钢的组织,48,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物的相对重量百分比：,49,5.共晶白口铸铁的结晶过程,50,5.共晶铸铁的结晶过程,合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.,51,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:,C点以下,成分沿ES线变化，共晶将析出Fe3C。Fe3C与共晶Fe3C结合，不易分辨。,52,温度降到2点,成分达到0.77%,此时,相的相对重量:,在2点,共晶发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Le表示.2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。,53,共晶白口铁室温组织为Le(P+Fe3C),它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：,54,6.亚共晶铸铁的结晶过程,合金在12点间析出。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。23点间从中析出Fe3C，一次的Fe3C被共晶衬托出来。到3点，转变为P。,55,亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。室温下组织组成物相对重量百分比为：,室温下相的相对重量百分比?,56,6.亚共晶白口铁的结晶过程,P+Fe3C+Le,57,7.过共晶铸铁的结晶过程,58,2点以下,Fe3C成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le。,12点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3C表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。,59,8.组织组成物在铁碳合金相图上标注,组织组成物与相组成物标注区别主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。,60,61,9.含碳量对铁碳合金组织和性能的影响A.含碳量对室温平衡组织的影响含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：,62,B.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.,63,C.含碳量对工艺性能的影响切削性能:中碳钢合适可锻性能:低碳钢好焊接性能:低碳钢好铸造性能:共晶合金好热处理性能:,64,6th,HowmuchdoyouknowaboutthebinaryFe-Fe3Cphasediagram?,65,66,其它元素对钢的影响,碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。C,Si,Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素。锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的，一般碳钢的含锰量为0.25%0.8%。钢中的锰一部分形成MnS和MnO夹杂物，其余的锰溶入铁素体和渗碳体中。锰溶入铁素体可以起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度，但是也会降低钢的塑性。硅在碳钢中的含量小于0.50%，硅具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体可以提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显。但是，硅的含量大于0.8%时，钢的塑性、韧性显著下降。,67,硫是钢中有害的杂质元素（硫可以提高钢对切削性能，所以在易切削钢中硫是作为合金元素加入的），它是炼钢过程中难以除尽的杂质。硫的有害作用主要是增大钢的热脆性，引起铸件产生热裂纹。因此,工业上规定优质钢中的硫不得超过0.04%。钢中的磷来源于炼钢原料。磷对钢的有害作用表现在提高钢的冷脆性，明显降低钢的塑性和韧性。因此，优质碳素钢含磷量不能大于0.04%,68,本章小结,熟悉最基本的反应类型熟练杠杆定律熟练掌握铁碳合金相图，应用杠杆定律,69,1.常见二元合金相图的基本类型,70,2.FeC合金相图：是二元合金相图的综合应用,点：符号、成分、温度,相区：5个单相区，7个两相区，和3个三相区（三条水平线）,组织组成物：标注,71,3.杠杆定律：只适用于两相区,杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。,72,4.杠杆定律在FeC相图中的应用,73,1.分别计算在共析温度下和室温时珠光体中相的相对重量百分比。,2.计算45钢(含碳量为0.45)在室温下相和组织组成物的相对重量百分比。,2,1,3,3.计算含碳量为1.0的过共析钢在室温下组织组成物的相对重量百分比，以及在过共析钢区域范围内能够析出的Fe3CII的最大百分比。,课堂练习,K,4.计算含碳量为3.0的亚共晶白口铸铁在室温下的组织组成物的相对重量百分比。,4,5.画出2合金冷却时的冷却曲线和曲线上的组织示意图,74,1.分别计算在共析温度下和室温时珠光体中相的相对重量百分比。,1,共析温度下：Qa=SK/PK=(6.69-0.77)/(6.69-0.0218)*100%=88.8%QFe3C=100%-88.8%=11.2%,K,室温下：Qa=SK/QK=(6.69-0.77)/(6.69-0.0008)*100%=88.5%QFe3C=100%-88.5%=11.5%,75,2.计算45钢(含碳量为0.45)在室温下相和组织组成物的相对重量百分比。,2,相组成：Qa=2K/QK=(6.69-0.45)/(6.69-0.0008)*100%=93.3%QFe3C=100%-93.3%=6.7%,K,组织组成：Qa=2S/QS=(0.77-0.45)/(0.77-0.0008)*100%=41.6%QP=100%-41.6%=58.4%,76,3,3.计算含碳量为1.0的过共析钢在室温下组织组成物的相对重量百分比，以及在过共析钢区域范围内能够析出的Fe3CII的最大百分比。,K,组织组成：QFe3CII=3S/SK=(1-0.77)/(6.69-0.77)*100%=3.9%QP=100%-3.9%=96.1%,Fe3CII最大百分比：QFe3CII=ES/SK=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=22.6%,77,4,4.计算含碳量为3.0的亚共晶白口铸铁在室温下的组织组成物的相对重量百分比。,K,组织组成：QLe=QLe=E4/EC=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)*100%=40.6%QFe3CII=(4C/EC)*(ES/KS)=(4.3-3.0)/(4.3-2.11)*(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=13.4%QP=100%-QLe-QFe3CII=46%,78,1.合金系统的自由度F的含义是：（单选）A、可以使合金状态改变的因素数；B、保持合金平衡状态不变的前提下，可以独立改变的因素数；C、够使系统发生变化的最大因素数。2.自由度F=0的含义是：（单选）A、任何因素的变化都会造成系统平衡状态的变化；B、没有任何因素可以引起系统状态变化；C、这样的系统状态不存在。3.纯金属凝固时，(多选)A、冷却曲线(温度-时间)是水平的；B、系统自由度F=0；C、纯金属凝固是在恒温下进行的。4.在平衡条件下，100C的纯水处于（单选）A、液态；B、气态；C、气、液二相共存状态。,思考题一,79,5、下列说法哪些是正确的？(多选)A、温度高于液相线的合金为液态；B、温度低于液相线的合金为固态；C、温度低于固相线的合金为固态;D、温度高于固相线的合金为液态。6、非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象？。（单选）A、组织、成分均匀化；B、成分不均匀，出现树枝状偏析；C、与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。7、在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能发生共晶转变。（单选）A是B否8、发生共晶转变的液相，其成分一定是共晶成分。（单选）A是B否9、根据Pb-Sn相图，应用杠杆定律计算共晶温度下40%Sn合金的共晶组织中的a相占全部合金的相对量。（单选）A、18.9%；B、45.5%；C、41.6%提示：40%Sn合金由初生的a相（先析a）和共晶体组成，共晶体又由a相和b相组成（见示意图）。,先析a,80,10、匀晶、共晶和包晶转变有何共同特点？