铁碳合金相图及应用

1、2021/8/1412021/8/142 重点掌握重点掌握 1 1、铁碳合金的基本组织和性能特点；、铁碳合金的基本组织和性能特点；2 2、根据铁碳相图，分析典型成份的结晶过程；、根据铁碳相图，分析典型成份的结晶过程；3、成份、组织与性能之间的关系。、成份、组织与性能之间的关系。 2021/8/143 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用、热加工及热处理工艺的制钢铁材料的应用、热加工及热处理工艺的制定都具有重要的指导意义。定都具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如铁和碳可以形成一系列化合物，如FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、

2、FeCFeC等等, , 有实用意义并被深入研有实用意义并被深入研究的只是究的只是Fe-FeFe-Fe3 3C C部分，部分，Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的组元相图中的组元只有只有FeFe和和FeFe3 3C C。2021/8/144第一节第一节 铁碳合金基本相铁碳合金基本相一、一、 铁素体铁素体1 1相相 高温铁素体：高温铁素体：C C固溶到固溶到-Fe-Fe中，形成中，形成相。相。2 2相相 铁素体（用铁素体（用F F表示）：表示）： C C固溶到固溶到 -Fe-Fe中，形成中，形成相。相。F F强度、硬度低、塑性好强度、硬度低、塑性好 （室温：（室温：C%=0.0008%,727

3、C%=0.0008%,727度：度：C%=0.0218%C%=0.0218%）二、奥氏体二、奥氏体 （用（用A A表示）：表示）：C C固溶到固溶到-Fe-Fe中形成中形成相）强度相）强度低，易塑性变形低，易塑性变形三、渗碳体三、渗碳体 FeFe3 3C C相，由相，由FeFe与与C C组成一种复杂结构的间隙化合组成一种复杂结构的间隙化合物物, ,渗碳体的熔点高，性能：硬而脆，塑性、韧性几乎为渗碳体的熔点高，性能：硬而脆，塑性、韧性几乎为零。按不同生成条件形状有：条状、网状、片状、粒状等零。按不同生成条件形状有：条状、网状、片状、粒状等形态形态, , 对铁碳合金的机械性能有很大影响。对铁碳合金

4、的机械性能有很大影响。2021/8/145第二节第二节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图分析2021/8/146一、相图中的点、线、面：一、相图中的点、线、面：三条水平线和三个重要点三条水平线和三个重要点（1 1）包晶转变）包晶转变线线HJBHJB，J J为包晶为包晶点点。 1495 1495摄氏度，摄氏度，C%=0.09-0.53% L+C%=0.09-0.53% L+ A A 2021/8/147（2 2）共晶转变线共晶转变线ECF, CECF, C点为共晶点点为共晶点。在。在1148, 1148, C C点成分的点成分的L L发生共晶反应：发生共晶反应：L L A A（2.1

5、1%C2.11%C）+Fe+Fe3 3C C（6.69%C6.69%C，共晶渗共晶渗碳体）。碳体）。 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, , 称莱氏体称莱氏体, , 以符号以符号 LeLe表示。表示。 2021/8/148（3 3）共析转变线）共析转变线PSKPSK，S S点为共析点。点为共析点。在在727, 727, S S点成分的点成分的A A发发 生共析反应：生共析反应： A A F + FeF + Fe3 3C C （0.0218%C0.0218%C） （6.69%C6.69%C共析渗碳体）共析渗碳体）共析反应的产物是铁素体与渗碳体的

6、共析混合物共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, , 称珠光体称珠光体, , 以符号以符号P P表示。表示。 2021/8/149 珠光体的强度较高珠光体的强度较高, , 塑性、韧性和硬度介于渗塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间碳体和铁素体之间, , 其机械性能如下：其机械性能如下： 抗拉强度极限抗拉强度极限b b 770MPa770MPa 冲击韧性冲击韧性ak3ak310105 5 J/m J/m2 24 410105 5J/mJ/m2 2 延伸率延伸率20%20%35% 35% 硬度：硬度：180180HBHB2021/8/14102 2液固相线液固相线 液相线液相线ABCD A

7、BCD 固相线固相线AECFAECF2021/8/1411二、二、Fe-CFe-C合金平衡结晶过程合金平衡结晶过程 7 7种典型种典型Fe-CFe-C合金的平衡结晶过程：合金的平衡结晶过程：（看动画：（看动画：Fe-CFe-C合金平衡结晶过程合金平衡结晶过程 3 3种）种）1.1.工业纯铁工业纯铁 2.2.共析钢共析钢3.3.亚共析钢亚共析钢4.4.过共析钢过共析钢5.5.共晶白口铁共晶白口铁6.6.亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁7.7.过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁2021/8/14121 1工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%C%0.0218%） 铁熔点或凝固点为铁熔点或凝固点为1538,

8、1538, 相对密度是相对密度是7.877.87g/cmg/cm3 3。 纯铁纯铁从液态结晶为固态后从液态结晶为固态后, , 继续冷继续冷却到却到13941394及及912912时时, , 先后发先后发生两次同素异构转变。生两次同素异构转变。 2021/8/14131 1工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%C%0.0218%）L L L+AL+A A A A+FA+F F F F + FeF + Fe3 3C CIIIIII相组成物：相组成物：F+FeF+Fe3 3C (C%0.0008%)C (C%0.0008%)或或 F F（C%0.0008%C%0.0008%）相相对量：相相对量：F%

9、= FeF%= Fe3 3C%=C%=组织组成物：组织组成物：F F 和和 FeFe3 3C CIIIIII2021/8/1414 工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下：塑性好。主要机械性能如下： 抗拉强度极限抗拉强度极限 b 180MPa 180MPa230MPa230MPa 抗拉屈服极限抗拉屈服极限 0.2 100MPa 100MPa170MPa 170MPa 延伸率延伸率 30%30%50% 50% 断面收缩率断面收缩率 70% 70%80% 80% 冲击韧性冲击韧性 a ak k 1.61.610106 6J/mJ/m

10、2 22 210106 6 J/m J/m2 2 硬度硬度 50 50HBHB80HB 80HB 2021/8/14152021/8/1416相组成物：相组成物：F F和和FeFe3 3C C相相对量：相相对量：F%= FeF%= Fe3 3C%=C%=组织组成物组织组成物 ：P P2021/8/14172021/8/1418L L L+A L+A A A A+F A+F A+P+F A+P+F P+FP+F 2021/8/1419相组成物：相组成物：F F，FeFe3 3C C相相对量：相相对量：F%= FeF%= Fe3 3C%=C%=组织组成物：组织组成物：F F、P P P%= F%=

11、 P%= F%=2021/8/14202021/8/1421L L L+A L+A A A A+FeA+Fe3 3C CIIII A+P+FeA+P+Fe3 3C CIIII P+FeP+Fe3 3C CIIII 2021/8/1422相组成物：相组成物：F%= FeF%= Fe3 3C%=C%=组织相对量：组织相对量：FeFe3 3C CIIII%= P%=%= P%=2021/8/1423LL+LeLL+Le Le (A+FeLe (A+Fe3 3C C共晶共晶) Le (A+FeLe (A+Fe3 3C C共晶共晶+ +FeFe3 3C CIIII) Le(P+FeLe(P+Fe3 3C

12、 CIIII+Fe+Fe3 3C)C)2021/8/1424相组成物：相组成物：F%= FeF%= Fe3 3C%=C%=组织组成物：组织组成物：P P，LeLe，FeFe3 3C CIIII2021/8/1425相组成物：相组成物：F%= FeF%= Fe3 3C%=C%=组织组成物：组织组成物：Le%=Lc%=Le%=Lc%= FeFe3 3C%=C%=2021/8/14262021/8/1427含碳量含碳量铁碳合金在室温下的组织都由铁碳合金在室温下的组织都由F F和和FeFe3 3C C两相组成两相组成, , 两相的质量分数由杠杆定律确两相的质量分数由杠杆定律确定。定。随随C%F%C%F

13、%，FeFe3 3C%C%2021/8/1428含碳量含碳量性能性能 HBHB：取决于相及相对量取决于相及相对量强度：强度：C%C%，而而C% C% 0.9% 0.9%塑性、韧性：塑性、韧性：C%C%塑性塑性、韧性、韧性 2021/8/1429 Fe- Fe Fe- Fe3 3C C相图在生产中具有巨大的实际意义相图在生产中具有巨大的实际意义, , 主要应用主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, , 选用碳选用碳含量较低的钢材。含量较低的钢材。2021/8/

14、1430 机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料材料, , 应选用碳含量适中的中碳钢。应选用碳含量适中的中碳钢。2021/8/1431 工具要用硬度高和耐磨性好的材料工具要用硬度高和耐磨性好的材料, , 则选则选碳含量高的钢钟。碳含量高的钢钟。2021/8/1432 纯铁的强度低纯铁的强度低, , 不宜用做结构材不宜用做结构材料料, , 但由于其导磁率高但由于其导磁率高, , 矫顽力低矫顽力低, , 可作软磁材料使用可作软磁材料使用, , 例如做电磁铁的例如做电磁铁的铁芯等。铁芯等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能

15、锻造，但其耐磨性切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、犁铧、球磨机的如拔丝模、冷轧辊、犁铧、球磨机的磨球等。磨球等。2021/8/1433 根据根据Fe- FeFe- Fe3 3C C相图确定合金相图确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上线以上5050100100。纯铁和共晶。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好白口铸铁的铸造性能最好, , 它们的它们的凝固温度区间最小凝固温度区间最小, , 因而流动性好因而流动性好, ,

16、分散缩孔少分散缩孔少, , 可以获得致密的铸件可以获得致密的铸件, , 所以选在共晶成分附近。在铸钢生所以选在共晶成分附近。在铸钢生产中产中, , 碳含量规定在碳含量规定在0.15-0.6%0.15-0.6%之之间间, , 因为这个范围内钢的结晶温度因为这个范围内钢的结晶温度区间较小区间较小, , 铸造性能较好。铸造性能较好。 2021/8/1434 钢处于奥氏体状态时钢处于奥氏体状态时强度较低强度较低, , 塑性较好塑性较好, , 因因此锻造或轧制选在单相奥此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻、氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以始轧温度控制在固相线以下下100100200200范围内。范围内。一般始锻温度为一般始锻温度为115011501 2 5 0 , 1 2 5 0 , 终 锻 温 度 为终 锻 温 度 为750750850850。2021/8/1435 一些热处理工艺如退火、正火、淬火的一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加加热温度热温度都是依据都是依据Fe- FeFe- Fe3 3C C相图确定的。因此有重相图确定的。因此有重要的意义。要的意义。在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用2021/8/1436在运用在运用Fe-FeFe-Fe3 3C C相图时应注意以