铁碳合金相图与共析钢结晶过程

1、1 1、铁碳合金的基本相与性能铁碳合金的基本相与性能2 2、铁碳合金相图与共析钢结晶过程、铁碳合金相图与共析钢结晶过程3 3、含碳量对铁碳合金组织性能的影响、含碳量对铁碳合金组织性能的影响4 4、铁碳合金相图的应用、铁碳合金相图的应用l铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的金属材料。最广的金属材料。l含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢。钢。l含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称的称铸铁铸铁。l铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为相图的组元看待。，它们都可以作为相图的组元看

2、待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，已）时，合金太脆，已无实用价值。无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 铁碳合金相图铁碳合金相图是是研究铁碳合金最研究铁碳合金最基本的基本的工具工具，是是研究碳钢和铸铁研究碳钢和铸铁的的成分成分、温度温度、组织及性能组织及性能之间之间关系的关系的理论基础理论基础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和热处理、冶炼和铸造等工艺铸造等工艺依据依据.l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。

3、l都是体心立方都是体心立方间隙固溶体间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为铁素体的组织为多边形晶粒多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 l 奥氏体奥氏体:l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。l是是面心立方面心立方晶格的晶格的间隙固溶体间隙固溶体。溶碳能力比。溶碳能力比铁素体铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.1

4、1%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在A 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体 构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。l铁的同素异构转变铁的同素异构转变l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912 -Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l 渗碳

5、体：渗碳体：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、强度低强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为塑性几乎为零零lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体三个基本相三个基本相：铁素体、奥氏体和渗

6、碳体铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一。但奥氏体一般仅存在于般仅存在于高温高温下，所以下，所以室温室温下所有的铁碳合金下所有的铁碳合金平衡平衡组织组织中只有中只有两个相两个相，就是，就是铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体。五种组织组成物：五种组织组成物：是构成显微组织的独立部分，可以是是构成显微组织的独立部分，可以是单相单相，也可以是，也可以是两相两相或者或者多相混合物多相混合物。铁素体铁素体 奥氏体奥氏体 渗碳体渗碳体 珠光体珠光体 莱氏体莱氏体珠光体珠光体：共析反应共析反应的产物，是的产物，是F F与与FeFe3 3C C片层相间的片层相间的两两相混合物相混合物莱氏体莱氏体：共晶反应共晶反应的产

7、物，的产物，高温莱氏体高温莱氏体是是A A与与FeFe3 3C C两两相混合物相混合物, , 室温莱氏体室温莱氏体是是珠光体珠光体与与FeFe3 3C C的两相混合物的两相混合物二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析相图的简化相图的简化l 特征点特征点 L+Fe3C l 特征线特征线l 液相线液相线ACD， 固相线固相线AECFl 两条水平线：两条水平线：lECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3Cl共晶产物是共晶产物是A与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体lPS

8、K：共析线：共析线 S FP+ Fe3Cl共析转变的产物是共析转变的产物是 F与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体L+ Fe3Cl珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。l 其它相线其它相线lGSA F 固溶固溶体转变线体转变线, GS又又称称A3 线。线。lES碳在碳在 -Fe中中的固溶线。的固溶线。又称又称Ac m线。线。lPQ碳在碳在 -Fe中的固溶线。中的固溶线。l 两个三相区：两个三相区：l即即ECF(L+A+ Fe3C)、P

9、SK(A+F+ Fe3C)两两条水平线条水平线 l 相区相区l 单相区：单相区： L、A、F、Fe3C l 两相区两相区: L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C l 钢钢(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组织为单相A l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)l 共析钢共析钢 (0.77%C)l 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳合金按铁碳合金按成分成分可分为可分为三类三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, 硬而脆硬而脆l

10、亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)l 共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%C)l 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)l(一一) 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为A。到到S点发生共析点发生共析转变：转变： AS FP+Fe3C, A 全部转变为全部转变为珠光体。珠光体。+ + + +1 1点以上：点以上：L L1 12 2点：点：L LA A2 23 3点：点：A A3 333点：点： A AP P3点以下：点以下：P Pl珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状.l转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中

11、相的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 F 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P。 3 Fe C6.690.7788.8%,6.690.0218100%88.8%11.2%FSKQPKQ珠光体珠光体l室温下，珠光体中室温下，珠光体中两两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？3 Fe C46.690.7788.5%6.690.0008100%88.5%11.5%LQQLQQ43219l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程总结：总结：钢的结

12、晶过程钢的结晶过程1、共析钢的结晶过程、共析钢的结晶过程3、过共析钢的结晶过程、过共析钢的结晶过程2、亚共析钢的结晶过程、亚共析钢的结晶过程L L+A A PL L+A A P相组成物相组成物：F F，FeFe3 3C C LL+A A A+F P+FLL+A A A+F P+F相组成物相组成物：F F，FeFe3 3C CLL+AAA+FeLL+AAA+Fe3 3C CII IIP+FeP+Fe3 3C CII II相组成物相组成物：F F，FeFe3 3C C 四、四、 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响l 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响

13、 l含碳量含碳量与缓冷后与缓冷后相相及及组织组成物组织组成物之间的定量关系之间的定量关系为：为： 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢 过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%00.0218 0.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体F F+P P P+ FeF F+P P P+ Fe3 3C CII

14、 II P+ Fe P+ Fe3 3C CII II + L+ L L L L L+ Fe+ Fe3 3C CI I 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响硬度硬度主要决定于组织中主要决定于组织中组组成相成相或或组织组成物组织组成物的的硬度硬度和和质量分数质量分数, , 随碳含量的随碳含量的增加增加, , 由于硬度由于硬度高高的的FeFe3 3C C增多增多, , 硬度硬度低低的的F F减少减少, ,合合金的硬度呈直线关系增大金的硬度呈直线关系增大, , 由全部为由全部为F F的的硬度硬度约约80 80 HBHB增大到全部为增大到全部为FeFe3 3C C时时的约的约800 HB800

15、HB。强度强度是一个对是一个对组织形态组织形态很很敏感敏感的性能。随碳含量的的性能。随碳含量的增加增加, , 亚共析钢中亚共析钢中P P增多而增多而F F减少。减少。P P的的强度强度比较比较高高, , 其大小与其大小与细密程度细密程度有关。有关。组织越组织越细密细密, , 则强度值则强度值越越高高。F F的的强度强度较较低低。所以。所以亚共析钢的亚共析钢的强度强度随碳含量随碳含量的的增大增大而而增大增大。但当碳质量分数超过但当碳质量分数超过共析成分共析成分之后之后, , 由于由于强度很低强度很低的的FeFe3 3C CII II沿沿晶界晶界出现出现, , 合金强度的增高合金强度的增高变慢变慢

16、, , 到约到约0.9%C0.9%C时时, , FeFe3 3C CII II沿晶界形成沿晶界形成完整的网完整的网, , 强度迅强度迅速速降低降低, , 随着碳质量分数的进随着碳质量分数的进一步增加一步增加, , 强度不断下降强度不断下降, , 到到2.11%C2.11%C后后, , 合金中出现合金中出现LeLe时时, , 强度强度已降到已降到很低很低的值。再增加的值。再增加碳含量碳含量时时, , 由于合金由于合金基体基体都为都为脆性很高的脆性很高的FeFe3 3C C, , 强度变化不强度变化不大且值很低大且值很低, , 趋于趋于FeFe3 3C C的的强度强度( (约约20 MPa20 M

17、Pa30 MPa)30 MPa)。塑性塑性铁碳合金中铁碳合金中FeFe3 3C C是是极脆的相极脆的相, , 没有没有塑性塑性。合金。合金的的塑性变形塑性变形全部由全部由F F提供。提供。所以随碳含量的增大所以随碳含量的增大, , F F量量不断减少时不断减少时, , 合金的合金的塑性塑性连连续下降。到合金成为续下降。到合金成为白口白口铸铁铸铁时时, , 塑性就降到近于零塑性就降到近于零值了。值了。 (1)(1)钢铁选材钢铁选材1 1、需要、需要韧性、塑性好韧性、塑性好的（起重的（起重机构架、输电铁塔）可选用含碳机构架、输电铁塔）可选用含碳小于小于0.25%0.25%的碳钢的碳钢2 2、需要、

18、需要强度、韧性强度、韧性都较好（重都较好（重要的地脚螺栓、轴、齿轮等）可要的地脚螺栓、轴、齿轮等）可选用含碳选用含碳0.3%0.50.3%0.5%的钢；各类的钢；各类弹 簧 、 板 簧弹 簧 、 板 簧 需 要 含 碳需 要 含 碳0.5%0.75%0.5%0.75%的钢；的钢；3 3、需要、需要耐磨耐磨的（工具、模具、的（工具、模具、轴承类）可选用含碳轴承类）可选用含碳0.8%1.3%0.8%1.3%的钢。的钢。(2)(2)在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用1 1、根据相图可确定合金的、根据相图可确定合金的浇注温度浇注温度。从图中看出，。从图中看出，铸铸铁铁的浇注温度比钢的浇注温度比钢低低，所以，所以铸铁的铸造性能大大铸铁的铸造性能大大优优于铸于铸钢。钢。2 2、共晶点共晶点C C的铁碳合金的铁碳合金铸铸造性能最好造性能最好。越是。越是接近接近共晶共晶