铁碳相图和铁碳合金缓冷后组织

1、第九章第九章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织 本章是本课程的重点章本章是本课程的重点章 本章目的：本章目的： 1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相；介绍铁碳相图的基本组元和基本相； 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分组织性碳合金的结晶过程和其成分组织性能间关系。能间关系。本章重点：本章重点：（1）重要概念：铁素体）重要概念：铁素体 奥氏体奥氏体 珠光体珠光体 莱氏体莱氏体 共晶渗碳体共晶渗碳体 共析渗碳体共析渗碳体 二次渗碳体二次渗碳体（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重）熟记铁碳相图，弄清重要温度与

2、成分点、重要线意义；熟记铁碳合金中各种相的本质与特征；要线意义；熟记铁碳合金中各种相的本质与特征；（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征特征（4）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关系系 一、铁碳合金与铁碳相图一、铁碳合金与铁碳相图钢和铸铁是国民经济和国防工业生产中最重要钢和铸铁是国民经济和国防工业生产中最重要的一大类金属材料，是以的一大类金属材料，是以铁铁为基础的合金。在为基础的合金。在各种钢和铸铁中均含有碳。在铁碳二元系中把

3、各种钢和铸铁中均含有碳。在铁碳二元系中把碳含量小于碳含量小于2.11%的合金称为的合金称为钢钢；碳含量大于；碳含量大于2.11%的合金称为的合金称为铸铁铸铁。工业用钢和铸铁中除了含有铁、碳外，还含有工业用钢和铸铁中除了含有铁、碳外，还含有其他元素。为了研究方便，可将钢和铸铁看成其他元素。为了研究方便，可将钢和铸铁看成铁碳二元合金。铁碳二元合金。 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金与铁碳相图铁碳合金铁碳合金应用最广泛的合金（碳钢、铸铁）应用最广泛的合金（碳钢、铸铁）一、纯铁的晶体结构与性能一、纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁：室温下，体心立方点阵，纯铁：室温下，体心立方点阵， Fe， 铁磁性，力学性能。铁

4、磁性，力学性能。(P247) 纯铁冷却中晶体结构的变化：纯铁冷却中晶体结构的变化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 体心立方点阵体心立方点阵 面心立方点阵面心立方点阵 纯铁在冷却中经历纯铁在冷却中经历同素异构同素异构转变转变A4A3A2转变转变(770)居里点居里点(顺磁性与顺磁性与铁磁性转变温度铁磁性转变温度)具有固态相变是钢铁材料能够热处具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一理的前提与原因之一铁的点阵铁的点阵未发生变未发生变化，磁性化，磁性转变不属转变不属于相变于相变相变的温度迟滞相变的温度迟滞纯纯铁铁结结晶晶后后的的组组织织相变的温度迟

5、滞现象相变的温度迟滞现象在非平衡的加热和冷却时，相变不在在非平衡的加热和冷却时，相变不在A3发生，加发生，加热时在热时在A3以上某一温度发生，冷却是在以上某一温度发生，冷却是在A3以下某以下某一温度发生。当加热或冷却的速度越大，实际发生一温度发生。当加热或冷却的速度越大，实际发生相变的临界点偏离相变的临界点偏离A3的温度间隔也愈大。的温度间隔也愈大。区分区分非平衡加热或冷却时的临界点与平衡的临界非平衡加热或冷却时的临界点与平衡的临界点点(A3),分别用下标分别用下标c，r来标注来标注加热和冷却加热和冷却时实际时实际发生相变的临界点，记作为发生相变的临界点，记作为Ac3和和Ar3注意：注意：-F

6、e的磁性转变没有转变温度迟滞现象的磁性转变没有转变温度迟滞现象通过结晶形成初生的通过结晶形成初生的铁晶粒；铁晶粒；经过重结晶（经过重结晶（A4相变）后，初相变）后，初生生的铁晶粒被改造为的铁晶粒被改造为铁晶粒；铁晶粒；经过又一次重结晶（经过又一次重结晶（A3相变）相变）后得到的室温后得到的室温铁晶粒铁晶粒纯铁结晶过程对应组织变纯铁结晶过程对应组织变化化2 纯铁的显微组织纯铁的显微组织 单相的单相的Fe3 工业纯铁的性能工业纯铁的性能 强度低强度低 硬度低硬度低 塑性好塑性好 铁磁性铁磁性4 应用：应用： 仪器仪表用软磁铁芯仪器仪表用软磁铁芯1、碳化物（碳化物（Fe3C）是）是Fe与与C的一种具

7、有复杂结的一种具有复杂结构的间隙化合物构的间隙化合物, 通常称为通常称为渗碳体渗碳体。磁性转变温度（居里点）210 渗碳体的机械性能抗拉抗拉强度强度b 延伸延伸率率 断面断面收缩收缩率率 冲击冲击韧度韧度ak 硬度硬度 30 MPa 0 0 0 800 HB Fe3C晶胞渗碳体根据生成条件不同有条状、渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态网状、片状、粒状等形态, 对铁碳对铁碳合金的机械性能有很大影响合金的机械性能有很大影响. 二、铁的碳化物二、铁的碳化物 2、碳化物（碳化物（Hagg碳化物）碳化物） 化学式：化学式：Fe2.2C， Fe5C2 具有底心单斜点阵，与具有底心单斜点阵

8、，与Mn5C2同型。同型。 居里点：居里点：247 3、碳化物碳化物 化学式：化学式：Fe2.4C， Fe23C或或FexC，亚稳相，亚稳相 密集六角点阵，与密集六角点阵，与Ni3C同型同型 居里点：居里点：3704、碳化物的稳定性、碳化物的稳定性 高温：高温： 碳化物碳化物 碳化物碳化物 低温：低温： 碳化物碳化物 碳化物碳化物,可转变可转变,临界温临界温 度在度在230-350之间。之间。 碳化物稳定性最好碳化物稳定性最好备注：备注： 碳化物，碳化物， 碳化物的形成方式碳化物的形成方式 P250 三、铁碳合金中的基本相和基本组织三、铁碳合金中的基本相和基本组织 1 基本组元：基本组元： F

9、e、C 2 基本相：基本相： 液相、渗碳体、液相、渗碳体、碳化物、铁素体和奥氏体碳化物、铁素体和奥氏体 （1）铁素体：包括）铁素体：包括铁素体铁素体(或或 F)和和铁素体。铁素体。相区：相为相为高温铁素体，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格bcc，在在1394以上存在，在以上存在，在1495时溶碳量时溶碳量最大，为最大，为0.09%.（结合铁碳相图进行分析）相区：相也称相也称铁素体，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，在，在727 时溶碳量最大，为时溶碳量最大，为0.0218%。 性能性能: 强

10、硬度低、塑韧性好、居里点强硬度低、塑韧性好、居里点（770 ） 与工业纯与工业纯铁相同。铁相同。良好塑韧性良好塑韧性钢钢中基体相中基体相LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDBC%Fe JNFe3C11487274.32.110.770.02186.691495AL+0.00080.530.171538912H温度温度1227 （2）奥氏体）奥氏体(或或 A ) 相区：相区：是是C在面心立方在面心立方-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，呈面心立方晶格呈面心立方晶格fcc。奥氏体中碳的固溶度奥氏体中碳的固溶度较大，在较大，在1148 时溶碳量最大达时溶碳量最大达2.11%

11、。 性能性能: 强硬度较低；塑性较好强硬度较低；塑性较好, 变形抗力较变形抗力较低；冲压、弯曲等加工变形性好；顺磁性。低；冲压、弯曲等加工变形性好；顺磁性。 （3）渗碳体）渗碳体(Fe3C) 定义：定义： Fe与与C形成的金属化合物，含形成的金属化合物，含 6.69%C，属于复杂晶系。符号：，属于复杂晶系。符号：Cm 性能：强度低；性能：强度低；硬度高硬度高；无塑性；弱的铁；无塑性；弱的铁 磁性磁性(230 ) 硬、脆硬、脆 钢中强化相钢中强化相渗碳体的鉴别渗碳体硬而脆，硬度为渗碳体硬而脆，硬度为HBW800，（相当于，（相当于HRC7275）很耐磨；无延展性，强度很低，塑性、韧性几乎为零。渗

12、很耐磨；无延展性，强度很低，塑性、韧性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中与其它相共存时，可以呈片状、粒状、碳体在钢和铸铁中与其它相共存时，可以呈片状、粒状、网状或板状。网状或板状。渗碳体的特点渗碳体是钢中主要强化相，它的形态、大小及分布对相的渗碳体是钢中主要强化相，它的形态、大小及分布对相的性能有很大影响。具有金属特性，定义为金属化合物。性能有很大影响。具有金属特性，定义为金属化合物。渗碳体是一种不稳定的相，在一定条件下，能分解而形成石墨状的自由碳，即Fe3C3Fe十C（石墨）这一分解过程对于研究钢和铸铁具有重大意义。3 组织组织 Fe-C合金成分范围宽，相的构成只有三个，但合金成分范围宽，相的构成

13、只有三个，但是铁碳合金的性能差别大，原因：相之间具体组合是铁碳合金的性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或以单相或以混合相存在方式不同，或以单相或以混合相存在 不同组织不同组织 （1）铁素体）铁素体(F) （2）奥氏体）奥氏体(A) （3）渗碳体）渗碳体(Fe3C) （4）珠光体）珠光体(P) ：F Fe3C； 共析共析反应产物反应产物 （5）莱氏体）莱氏体(Ld)：AFe3C；共晶共晶反应产物反应产物 （6）变态莱氏体）变态莱氏体(Ld)：PFe3C单单相相组组织织两两相相组组织织（又叫低温莱氏体）（又叫低温莱氏体）FeFe3C相图分析相图分析实际组元：实际组元： Fe-Fe3C 铁和

14、碳可以形成一系列化合物铁和碳可以形成一系列化合物,如如Fe3C,Fe2C,FeC等等,有实用意义并被深入研究的只是有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分部分,通常通常称其为称其为 Fe-Fe3C相图相图, 此时相图的组元为此时相图的组元为Fe和和Fe3C. LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDBC%Fe JNFe3C铁碳相图中点、线、相区及其意义铁碳相图中点、线、相区及其意义11487274.32.110.770.02186.691495AL+0.00080.530.171538912H温度温度1227 液相线：液相线：ABCD固相线：固相线：AHJECF五个单

15、相区：五个单相区：ABCD以上液相区以上液相区（L）AHNA固溶体区固溶体区（）NJESGN奥氏体奥氏体相区（相区（ 或或A ）GPQG铁素体相铁素体相区（区（或或A）DFKL渗碳体相区渗碳体相区（Fe3C）AC%FeTHFe3CKLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGFD4.32.1111487270.770.02186.690.0008包晶线包晶线HJB LB+H J共析线共析线PSKS P+Fe3C共晶线共晶线ECF LC E+Fe3CB JN1495L+ H0.170.53莱氏体莱氏体珠光体珠光体AC%FeTHFe3CKLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESP

16、QGFD4.32.1111487270.770.02186.690.0008B JN1495L+ H0.170.53ES: Acm 线，从线，从中析出中析出Fe3CGS: A3线，是在线，是在冷却过程中冷却过程中,由由析析出出的开始线的开始线PQ: 碳在碳在相的溶相的溶解度曲线解度曲线三条重要特征曲线三条重要特征曲线AC%FeTHFe3CKLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGFD4.32.1111487270.770.02186.690.0008B JN1495L+ H0.170.53J点点包晶点包晶点 1495 0.17% CC点点共晶点共晶点 1148 4.3% CS点点

17、共析点共析点 727 0.77% E点点的最大溶碳量的最大溶碳量 2.11% CP点点的最大溶碳量的最大溶碳量 0.0218% C727 铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金的平衡结晶过程及组织 1 铁碳合金分类铁碳合金分类LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHFe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008 工业纯铁工业纯铁钢钢铸铁铸铁按照铁碳相图，按照铁碳相图，根据碳含量不同根据碳含量不同分为三大类：分为三大类：根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型：根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型： （1）工业纯铁）工

18、业纯铁 Wc0.0218 （2）亚共析钢）亚共析钢 Wc=0.02180.77 （3）共析钢）共析钢 Wc=0.77 （4）过共析钢）过共析钢 Wc=0.772.11 （5）亚共晶白口铁）亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 （6）共晶白口铁）共晶白口铁 Wc=4.3 （7）过共晶白口铁）过共晶白口铁 Wc=4.36.69LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008工业纯铁工业纯铁共析钢共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铁亚共晶白口铁共晶白口铁共晶白口铁

19、过共晶白口铁过共晶白口铁亚共析钢亚共析钢LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008合金合金 W WC C= 0.01% = 0.01% 的工业纯铁结晶过程的工业纯铁结晶过程常温下的组织构成：常温下的组织构成： F+Fe3C (P256)12345671.工业纯铁的结晶过程思考：思考：为什么会有三次渗为什么会有三次渗碳体的析出？碳体的析出？LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDAC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.3

20、2.1111487270.770.02186.691495L+合金合金：共析钢：共析钢（Wc=0.77%Wc=0.77%）727时发生共析转变：时发生共析转变： S (PFe3C) = P常温下的组织构成：常温下的组织构成： PBH123不同放大倍数不同放大倍数下下P的显微组织的显微组织 计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量？计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量？LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02181495L+0.0086.69WF=SK/PK =(6.690.77)/(6.690.021

21、8)100% =88.7%W Fe3C = 188.7% = 11.3%LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+亚共析钢亚共析钢(0.4%C)(0.4%C)常温下的组织构成：常温下的组织构成： F先共析先共析 PLLFe3C12435先共析先共析FP0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 区区0.4计算计算WC=0.4%钢中的钢中的组织组织组成物组成物 W F先先 = (0.770.40) / (0.770.0218) 100% = 49.5

22、%WP = 149.5% = 50.5%先共析先共析F 和和 P 的含量？的含量？0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 区区0.4计算计算相相组成物组成物WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3%WFe3C = 194.3% = 5.7%铁素体铁素体 和和 Fe3C 的含量？的含量？过共析钢过共析钢( 1.0%C )L1.0 0.77 +Fe3CP +Fe3C相构成：相构成：F+ Fe3C 组织构成：组织构成： Fe3C+PFe3CP1148727合金合金 共晶白口铁共晶白口铁 1148发生发生共晶共晶转变转变 LC E+ Fe3

23、C萊氏体萊氏体 Ld室温组织：室温组织：共析共析反应后：变态萊氏体反应后：变态萊氏体Ld(P+ Fe3C)P+ Fe3CK 合金合金 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 组织构成：组织构成：P +Fe3C +Ld2.114.30.7711487276.692.114.30.7711487276.69合金合金过共晶白口铁过共晶白口铁组织构成：组织构成： Fe3C+ Ld一次渗碳体一次渗碳体p255区别一次渗碳体、二次渗碳体和三区别一次渗碳体、二次渗碳体和三次渗碳体（次渗碳体（p256）一次渗碳体：过共晶白口铸铁在液态结晶时，从铁碳合金液相中析出的渗碳体，称为一次渗碳体。一次渗碳体是从液态中析出的，长大很少受阻，所以一般比较粗大。二次渗碳体Fe3CII铁碳合金冷却时，从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。二次渗碳体一般沿奥氏体晶界析出，所以一般呈网状分布。三次渗碳体铁碳合金冷却时，从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。由于铁素体溶碳量很低，析出三次渗碳体很少，往往可忽略不计。 一次渗碳体：液相中析出渗碳体：LFe3C 二次渗碳体：奥氏体中析出渗碳体：rFe3C 三次渗碳体：铁素体中析出渗碳体：Fe3C小结小结铁碳合