课题三掌握并运用铁碳合金相图

1、本项目主要内容本项目主要内容：任务任务1 1 认识铁碳合金基本组织认识铁碳合金基本组织任务任务2 2 读懂铁碳合金相图读懂铁碳合金相图任务任务3 3 熟悉铁碳合金结晶过程及其组织熟悉铁碳合金结晶过程及其组织任务任务4 4 掌握铁碳合金相图在工业生产中的应用掌握铁碳合金相图在工业生产中的应用课题三课题三 掌握并运用铁碳合金相图掌握并运用铁碳合金相图 学习目标学习目标知识目标：掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影知识目标：掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响。响。能力目标：能把铁碳合金相图应用于实际生产中。能力目标：能把铁碳合金相图应用于实际生产中。纯铁的含碳量纯铁的含碳量WcWc0.021

2、8%0.0218%铁碳合金是以铁碳合金是以铁和碳铁和碳为主，并含有少量硅、锰、硫、磷元素的合为主，并含有少量硅、锰、硫、磷元素的合金，形成具有一定特性的相和组织。金，形成具有一定特性的相和组织。任务一任务一 认识铁碳合金基本组织认识铁碳合金基本组织1. 1. 纯铁的多晶型转变（同素异构转变）纯铁的多晶型转变（同素异构转变）同素异构转变：同素异构转变：固态下固态下金金属晶体结构的改变，从一属晶体结构的改变，从一种晶体结构转变到另一种种晶体结构转变到另一种结构，也称相变或重结晶。结构，也称相变或重结晶。每进行一次重结晶，可使每进行一次重结晶，可使晶粒细化一次。晶粒细化一次。 当纯铁由液态冷却至当纯

3、铁由液态冷却至l583l583（熔点）时，将发生结晶，结（熔点）时，将发生结晶，结晶产物是体心立方晶格晶产物是体心立方晶格 FeFe；冷至冷至13941394时将发生同素异构时将发生同素异构转变，变为面心立方晶格的转变，变为面心立方晶格的 FeFe；当冷却至；当冷却至912912时又发生时又发生同素异构转变，变为体心立方同素异构转变，变为体心立方晶格晶格 FeFe，此后不再发生变，此后不再发生变化。化。 Fe Fe 、 Fe Fe 、 FeFe是纯铁的三种同素异构体。是纯铁的三种同素异构体。2. 2. 铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相（1 1）铁素体铁素体（F F）：碳溶解在体心立方晶格）：碳

4、溶解在体心立方晶格 FeFe中所形成的间中所形成的间隙固溶体。碳的溶解度在隙固溶体。碳的溶解度在727727达到最大（达到最大（0.02180.0218），室温），室温下几乎为零。下几乎为零。铁碳合金基本相有：铁碳合金基本相有：铁素体、奥氏体、渗碳体铁素体、奥氏体、渗碳体铁素体在钢中是作为基体，性铁素体在钢中是作为基体，性能与能与 FeFe类似，即强度、硬度类似，即强度、硬度很低，而塑性很好。很低，而塑性很好。在显微镜下观察，铁素体晶粒在显微镜下观察，铁素体晶粒呈白亮色的多边形，呈白亮色的多边形，770770是磁是磁性转化温度，在性转化温度，在770770以下具有以下具有铁磁性铁磁性。 铁素体

5、的显微组织铁素体的显微组织 铁素体铁素体 （2 2）奥氏体（）奥氏体（A A）：奥氏体是碳溶于面心立方晶格）：奥氏体是碳溶于面心立方晶格 FeFe中形中形成的间隙式固溶体，代号为成的间隙式固溶体，代号为A A奥氏体存在于奥氏体存在于72772714951495之间。之间。碳在奥氏体中的最大溶解度为碳在奥氏体中的最大溶解度为2.112.11（11481148）。 奥氏体的显微组织也呈多边形，奥氏体的显微组织也呈多边形，无铁磁性。硬度很低（无铁磁性。硬度很低（170170220 HBS220 HBS），塑性很好（），塑性很好（ 40405050），易发生塑性变），易发生塑性变形，适合冷、热压力加工

6、。尤其形，适合冷、热压力加工。尤其是锻压加工都是将钢铁材料加热是锻压加工都是将钢铁材料加热到奥氏体。到奥氏体。奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织 奥氏体奥氏体（3 3）渗碳体（）渗碳体（FeFe3 3C C或或C Cmm）渗碳体的晶胞示意图渗碳体的晶胞示意图 渗碳体：含碳量（渗碳体：含碳量（w wc c）为为6.696.69的铁与碳的金属化合物，其的铁与碳的金属化合物，其化学式为化学式为FeFe3 3C C 。熔点为。熔点为l227l227，不发生同素异构转变。渗碳，不发生同素异构转变。渗碳体在体在230230以下具有弱铁磁性，以下具有弱铁磁性，230230以上则失去铁磁性。以上则失去铁磁性。渗

7、碳体在不同的相变条件下，形貌渗碳体在不同的相变条件下，形貌可呈片状、长条状、网状、颗粒状或可呈片状、长条状、网状、颗粒状或球状等。其形貌与分布对钢的性能影球状等。其形貌与分布对钢的性能影响很大。响很大。渗碳体的硬度极高（渗碳体的硬度极高（9509501050HV1050HV），可刻划玻璃，但极脆，），可刻划玻璃，但极脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体在钢中塑性、韧性几乎为零。渗碳体在钢中数量较少，主要起强化作用数量较少，主要起强化作用（1 1）珠光体（）珠光体（P P）：铁素体和渗碳体的混合物，用符号）：铁素体和渗碳体的混合物，用符号P P表示。表示。 光学显微镜观察组织光学显微镜观察组织 电子显

8、微镜观察组织电子显微镜观察组织 3. 3. 铁碳合金的基本组织（多相组织）铁碳合金的基本组织（多相组织）w 基本组织：基本组织：珠光体和莱氏体珠光体和莱氏体。珠光体珠光体w wc c0.770.77，强度，强度(770MPa)(770MPa)较高，硬度（较高，硬度（180180200HBS200HBS）适中，有一定的塑性（）适中，有一定的塑性（20203535）和韧性）和韧性, ,综综合力学性能较好。适于压力加工及切削加工。相图中珠光体是合力学性能较好。适于压力加工及切削加工。相图中珠光体是层片状的组织。层片状的组织。（2 2）莱氏体）莱氏体低温低温莱氏莱氏体的体的显微显微组织组织 莱氏体：分

9、为高温莱氏体和低温莱氏体。莱氏体：分为高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体：奥氏体（高温莱氏体：奥氏体（A A）和渗碳体）和渗碳体( (FeFe3 3C)C)的混合物，用符的混合物，用符号号LdLd表示。表示。低温莱氏体：室温下的莱氏体，由珠光体低温莱氏体：室温下的莱氏体，由珠光体(P)(P)和渗碳体和渗碳体(Fe3C)(Fe3C)组成，用符号组成，用符号LdLd表示。表示。 莱氏体莱氏体w wc4.3c4.3，FeFe3 3C C 相对量也较多（约占相对量也较多（约占6464以上），以上），故莱氏体的性能与渗碳体相似，即硬而脆。故莱氏体的性能与渗碳体相似，即硬而脆。任务二任务二 读懂铁碳合金相

10、图读懂铁碳合金相图 学习目标学习目标知识目标：会识读铁碳合金相图，理解特征点与知识目标：会识读铁碳合金相图，理解特征点与特征线的含义。特征线的含义。能力目标：能熟练运用铁碳合金相图于生产实际。能力目标：能熟练运用铁碳合金相图于生产实际。学习内容学习内容1. 1. 铁碳合金的相图铁碳合金的相图2. 2. 简化的铁碳合金相图分析简化的铁碳合金相图分析1. 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金的相图是在铁碳合金的相图是在缓慢加热或缓慢冷却的缓慢加热或缓慢冷却的情况下，不同成分的铁情况下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随碳合金的状态或组织随温度变化的图形，是通温度变化的图形，是通过实验测出来的。铁和过实验

11、测出来的。铁和碳是组成合金的组元，碳是组成合金的组元，对于含碳量大于对于含碳量大于6.696.69的合金脆性大，没有的合金脆性大，没有使用价值。目前使用的使用价值。目前使用的是含碳量为是含碳量为0 06.696.69的简化图，即的简化图，即FeFeFeFe3 3C C相图。相图。Fe和和CL相：液态下无限互溶、成分均匀相：液态下无限互溶、成分均匀固溶体相：固溶体相：C溶于溶于Fe中形成中形成 F、A等等金属化合物相：金属化合物相：Fe与与C化合形成化合形成Fe3C铁碳合金中的组元：铁碳合金中的组元：Fe、C铁碳合金中的相：液相铁碳合金中的相：液相L、 、和和 固溶体、固溶体、 Fe3C金属化合

12、物金属化合物在铁碳合金中碳既可溶入在铁碳合金中碳既可溶入 Fe Fe、-Fe -Fe ，也可以溶入，也可以溶入-Fe Fe ，形成不同的固溶体。，形成不同的固溶体。2. 2. 简化铁碳合金相图分析简化铁碳合金相图分析FeFeFeFe3 3C C相图相图为二元合金的相图，为二元合金的相图，横坐标为成分，纵横坐标为成分，纵坐标为温度。特征坐标为温度。特征线将相图分成八个线将相图分成八个区。每个区中的点区。每个区中的点都表明一定成分合都表明一定成分合金在一定温度下所金在一定温度下所处的相或组织状态，处的相或组织状态，这个点称为像点，这个点称为像点，即即状态点状态点。2. 2. 简化铁碳合金相图分析简

13、化铁碳合金相图分析（1 1）相图中的两个）相图中的两个恒温转变恒温转变共晶共晶转变和共析转变转变和共析转变1 1）共晶转变共晶转变：一定：一定成分的一个成分的一个液相液相在在一定温度下同时生一定温度下同时生成成两个固相两个固相，图中图中的共晶转变是在的共晶转变是在11481148时，时，L L4.34.3c c A A2.112.11C CFeFe3 3C C6.696.69C C2. 2. 简化铁碳合金相图分析简化铁碳合金相图分析2 2）共析转变共析转变：一：一定成分的一个定成分的一个固固相相在一定温度下在一定温度下同时生成同时生成两个固两个固相相，图中发生的，图中发生的共析转变是在共析转变

14、是在727727A A0.770.77C C F F0.02180.0218c c FeFe3 3C C6.696.69C C（2 2）相图相图中的中的特征特征点点（3 3）相图相图中的中的特征特征线线（3 3）相图相图中的中的特征特征线线4. 4. 铁碳合金的分类铁碳合金的分类白口铸铁白口铸铁工业纯铁工业纯铁Wc0.0218%组织：铁素体和少量三次渗碳体组织：铁素体和少量三次渗碳体钢钢亚共析钢（亚共析钢（0.0218Wc0.77%） 共析钢（共析钢（Wc0.77%）过共析钢（过共析钢（ 0.77%Wc2.11)组织：组织：F+P组织：组织：P+FeFe3 3C C组织：组织：P亚共晶白口铸铁

15、亚共晶白口铸铁 (2.11% Wc4.34.3) 组织：组织：PFeFe3 3C CLd共晶白口铸铁共晶白口铸铁 (Wc4.3%) 组织：组织： Ld过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.3% Wc6.69） 组织：组织： Ld +FeFe3 3C C0.02180.0218%WcWc2.112.112.11%2.11%WcWc6.696.69 学习目标学习目标知识目标：掌握典型铁碳合金结晶过程及其组织知识目标：掌握典型铁碳合金结晶过程及其组织。能力目标：能把铁碳合金结晶过程应用于生产实践能力目标：能把铁碳合金结晶过程应用于生产实践。学习内容学习内容1. 1. 共析钢（共析钢（WcWc0.77%

16、 0.77% 号合金）的结晶过程分析号合金）的结晶过程分析2. 2. 亚共析钢（亚共析钢（WcWc0.45%0.45%，号合金）的结晶过程分析号合金）的结晶过程分析3. 3. 过共析钢（过共析钢（WcWc1.2%1.2%，号合金）的结晶过程分析号合金）的结晶过程分析4. 4. 共晶白口铁（共晶白口铁（WcWc4.34.3，号合金）结晶过程分析号合金）结晶过程分析5. 5. 亚共晶白口铸铁（亚共晶白口铸铁（WcWc3.03.0，号合金）的结晶过程分析号合金）的结晶过程分析6 6过共晶白口铸铁（过共晶白口铸铁（WcWc5.05.0，号合金）的结晶过程分析号合金）的结晶过程分析任务三任务三 熟悉铁碳

17、合金结晶过程及其组织熟悉铁碳合金结晶过程及其组织I I号合金（号合金（0.770.77C C）从液态冷却至室温，冷却过程中的相变）从液态冷却至室温，冷却过程中的相变过程及组织变化：过程及组织变化：L LL LA A A+FA A A+FFeFe3 3C FC FFeFe3 3C C。1. 1. 共析钢共析钢（WcWc0.77%0.77%，号合金）的冷却过程分析号合金）的冷却过程分析白条（较宽白条（较宽）为铁素体为铁素体，黑色条，黑色条状为渗碳体，状为渗碳体，片层相互平行的区片层相互平行的区域称为一个珠光体团域称为一个珠光体团。2. 2. 亚共析钢亚共析钢（WcWc0.45%0.45%，号合金）

18、的冷却过程分析号合金）的冷却过程分析黑色是珠光体，白色黑色是珠光体，白色块状组织是铁素体，由块状组织是铁素体，由于放大倍数太低，珠光于放大倍数太低，珠光体中铁素体和渗碳体的体中铁素体和渗碳体的片层未能区分开片层未能区分开。3. 3. 过共析钢过共析钢（WcWc1.2%1.2%，号合金）的冷却过程分析号合金）的冷却过程分析黑色是珠光体黑色是珠光体，白色白色网状组织是二次网状组织是二次渗碳体渗碳体。4.4.共晶白口铁共晶白口铁（4.34.3C C）冷却过程分析）冷却过程分析 号合金即共晶白口铸铁号合金即共晶白口铸铁（ WcWc4.34.3）结晶中的相变过程）结晶中的相变过程 概括为概括为5.5.亚

19、共晶白口铁亚共晶白口铁（3.03.0C C）的冷却过程分析）的冷却过程分析 号合金（号合金（3 3o oc c）的相变过程）的相变过程 概括为概括为6. 6. 过共晶白口铁过共晶白口铁（5.05.0c c）的冷却过程分析）的冷却过程分析 号合金冷却过程的相转变过程号合金冷却过程的相转变过程 概括为概括为任务四任务四 掌握铁碳合金相图在工业生产中的应用掌握铁碳合金相图在工业生产中的应用 学习目标学习目标知识目标：掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能知识目标：掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响的影响。能力目标：能把铁碳合金相图应用于实际生产中能力目标：能把铁碳合金相图应用于实际生产中。学习内容

20、学习内容1 1掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响掌握铁碳合金含碳量对平衡组织及性能的影响2. 2. 了解铁碳合金相图在工业生产中的应用了解铁碳合金相图在工业生产中的应用含碳量对铁碳合金平衡组织的影响含碳量对铁碳合金平衡组织的影响铁碳相图铁碳相图显示显示：不同含碳量的铁碳合金，具有不同的室温组织，不同含碳量的铁碳合金，具有不同的室温组织，但任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两但任何成分的铁碳合金在室温下的组织均由铁素体和渗碳体两相组成。只是随含碳量的增加，铁素体量相对减少相组成。只是随含碳量的增加，铁素体量相对减少，而而渗碳体渗碳体量相对增多，渗碳体的形状和分布也发生变化量

21、相对增多，渗碳体的形状和分布也发生变化，从从而形成不同而形成不同的组织的组织。室温时，随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化如下室温时，随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化如下： 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响（1 1）含碳量增加，硬度增）含碳量增加，硬度增加加（2 2）含碳量增加，塑性韧）含碳量增加，塑性韧性降低性降低（3 3）含碳量增加，强度）含碳量增加，强度先增后降（先增后降（0.9%0.9%最高）最高）铁素体铁素体(F)(F)：软而韧：软而韧渗碳体渗碳体(Fe(Fe3 3C):C):硬而脆硬而脆 2. 2. 了解铁碳合金相图在工业生产中的应用了解铁碳合金相图在工业生产中的应用

22、切削性能切削性能: : 中碳钢中碳钢最合适最合适 碳合金相图能表明材料的组织与成分、温度之间的关系，它碳合金相图能表明材料的组织与成分、温度之间的关系，它在选材、铸造、锻造、焊接和热处理等方面都得到广泛的应用在选材、铸造、锻造、焊接和热处理等方面都得到广泛的应用 铸造性能（铸造性能（ 共晶合金好共晶合金好 ） 根据根据FeFeFeFe3 3C C相图确定浇注温度在液相线以上相图确定浇注温度在液相线以上5050100100较好。较好。共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，流动性好、缩孔共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，流动性好、缩孔少、偏析小，铸造性能最好常用铸钢的含碳量规定在少、偏

23、析小，铸造性能最好常用铸钢的含碳量规定在WcWc0.150.150.60.6范围范围之间，之间，结晶温度范围较小结晶温度范围较小，铸造性能较好。，铸造性能较好。 可锻性能可锻性能（低碳钢好）（低碳钢好）碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的复相组织，塑性较碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的复相组织，塑性较差，变形困难，将其加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的差，变形困难，将其加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。含碳量越低锻造性能越好塑性，易于锻造成形。含碳量越低锻造性能越好， 锻件应优先锻件应优先选用选用低碳钢低碳钢或中碳钢或中碳钢。白口铸铁无论是低温还是高温，组织有白口铸铁无论是低温还是高温，组织有大量硬而脆的渗碳体，不能锻造大量硬而脆的渗碳体，不能锻造。 焊接性能焊接性能（低