金属材料任务三之活动2

1、2022-4-71任务三任务三 铁碳合金铁碳合金 铁碳合金的基本组织与性能建议：2课时学习活动2学习目的与要求 熟悉并掌握铁碳合金的概念及其基本组织（F、A、Fe3C或Cm、P、Ld） 了解、熟悉并掌握铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的含碳量、化学式、存在温度力学性能及特点学习重点 、难点 铁碳合金的基本组织及其含碳量、化学式、存在温度力学性能及特点 一、铁碳合金中的基本相和基本组织1 、基本组元： Fe、C2、基本相：铁素体(F) ：C溶解在Fe中形成的固溶体；奥氏体(A) ：C溶解在Fe中形成的固溶体； 渗碳体(Fe3C)：Fe与C形成的金属化合物。 硬、脆钢中强化相Fe-C合金成分

2、范围宽，相构成只三个，但性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或单相或混合相存在 不同组织，不同的组织结构对Fe-C合金的机械性能有重要影响。良好塑韧性钢中基体相 Fe-C合金成分范围宽，相构成只三个，但性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或单相或混合相存在 不同组织，不同的组织结构对Fe-C合金的机械性能有重要影响。二、铁素体（F） 碳（C）溶解在Fe中形成的固溶体，用符号F表示。其晶胞是体心立方体。由于Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在Fe中的溶解度很小。 铁素体显微组织 物理性质： 纯铁在912以下为具有体心立方晶格。碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。

3、由于-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727时溶碳量最大，可达0.0218%,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600时溶碳量约为0.0057%，在室温时溶碳量约为0.0008%。因此其性能几乎和纯铁相同，其机械性能如下： 抗拉强度 180280MN/M2 屈服强度100170MN/M2 延伸率 30-50% 断面收缩率 70-80% 冲击韧性 160200J/CM2 硬度HB 5080由此可见： 铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。 铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织，有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。铁素体

4、在770以下具有铁磁性，在770以上则失去铁磁性。（铁素体的居里点为770） 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都排列一个原子。可见，体心立方晶胞每个角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1/8个原子。而中心的原子却为该晶胞所独有。所以，体心立方晶胞中原子数为81/8+1=2个。碳原子存在于四面、八面体间隙。 铁素体是钢的五种组织中含碳量最低的组织，其室温性能接近于纯铁，即具有良好的塑性、韧性、较低的强度和硬度。三、奥氏体（A） 碳（C）溶解在Fe中形成的固溶体，用符号A表示。其晶胞如下图。由于Fe是在高温状态下存在的面心立方晶格结构，晶粒间隙较

5、大，故奥氏体溶碳能力较强，在1148C时溶碳能力可达到2.11%。随温度的下降，溶解度逐渐减少，在727C时溶碳能力为0.77%。 奥氏体晶胞 1、奥氏体-性能特点： 奥氏体是一种塑性很好，强度较低的固溶体 ，具有一定韧性。不具有铁磁性。因此，分辨奥氏体不锈钢 刀具(常见的188型不锈钢）的方法之一就是用磁铁来看刀具是否具有磁性。古代铁匠打铁时烧红的铁块即处于奥氏体状态。另外，奥氏体因为是面心立方，八面体 间隙较大，可以容纳更多的碳。 奥氏体的含碳量虽比铁素体高，但其呈面心立方晶格，强度、硬度不高。奥氏体具有良好的塑性，尤其是具有良好的锻压性能。奥氏体存在于727C以上的高温范围内，无室温组织

6、。 奥氏体柱状晶 原始奥氏体晶粒 2、奥氏体-组织形貌:奥氏体一般由等轴状的多边形晶粒组成，晶粒内有孪晶。在加热转变刚刚结束时的奥氏体晶粒比较细小，晶粒边界呈不规则的弧形。经过一段时间加热或保温，晶粒将长大，晶粒边界可趋向平直化。铁碳相图中奥氏体是高温相，存在于临界点A1温度以上，是珠光体逆共析转变而成。当钢中加入足够多的扩大奥氏体相区的化学元素时，Ni,Mn等，则可使奥氏体稳定在室温，如奥氏体钢。钢中的残余奥氏体 奥氏体不锈钢晶相组织 3、奥氏体-晶体结构： 奥氏体为面心立方结构，碳氮等间隙原子均位于奥氏体晶胞八面体间隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱边的中点。假如每一个八面体的中心各容纳一个

7、碳原子，则碳的最大溶解度应为50%（摩尔分数），相当于质量分数约20%。实际上碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%（质量分数），这是由于-Fe的八面体间隙的半径仅为0.052nm，比碳原子的半径0.086nm小。碳原子溶入将使八面体发生较大的膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因此不是所有的八面体间隙中心都能溶入一个碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奥氏体中，使奥氏体晶格点阵发生均匀对等的膨胀，点阵常数随着碳含量的增加而增大。 大多数合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在-Fe中取代Fe原子的位置而形成置换固溶体。替换原子在奥氏体中的溶解度各不相同，有的可无限溶解，有的溶解

8、度甚微。少数元素，如硼仅存在于浸提缺陷处，如晶界、位错等。其显微组织如下页图视。奥氏体显微组织四、渗碳体（Fe3C或Cm） 渗碳体是含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物，其化学式为Fe3C.它具有复杂的斜方晶格结构的间隙化合物，与铁和碳的晶体结构完全不同，如图所示 渗碳体共晶组织显微组织 渗碳体结构 1、特点 它的含碳量为6.69%；熔点为1227左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230以下具有弱铁磁性，而在230以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800或9501050HV),塑性和韧性几乎为零，脆性极大。渗碳体是钢中的主要强化相，在铁或铸铁中可以片状、球状或网状分布，其分布

9、形态对钢的力学性能影响很大。在适应的条件下（如高温长期停留或极缓慢冷却），渗碳体可分解为铁和石墨状的自由碳，这对铸铁的形成具有重要意义，而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。 渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在显微镜下呈黑色。渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。 渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。同时Fe3C又是一种介（亚）稳定相，在一定条件下会发生分解：Fe3C3Fe+C，所分解出的单质碳为石墨。 渗碳体（Fe3C或Cm）：渗碳体是铁和碳形成的金属化合物，含碳量为6.67%（

10、有些书上为6.69%），具有复杂的斜方晶体结构，熔点为1227。在钢中，渗碳体以不同形态和大小的晶体出现在组织中，对钢的力学性能影响很大。 经3%5%硝酸酒精溶液侵蚀后呈白亮色,若用苦味酸钠溶液热侵蚀，则被染成黑褐色，而铁素体仍为白色，由此可区别开铁素体和渗碳体。渗碳体的硬度很高，达到HB800以上，脆性很大，强度和塑性很差。经过不同的热处理，渗碳体可以成片状、粒状或断续网状。在一定条件下（如高温长期停留或缓慢冷却），渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。2、分类及形态 初生渗碳体 ：在铁一碳合金平衡结晶过程中，具有过共晶成分

11、的合金（过共晶白口铸铁）的液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体称为初生渗碳体。 共晶渗碳体 ：在莱氏体组织中，点条状奥氏体均匀分布在渗碳体基体上，这种渗碳体称为共晶渗碳体。渗碳体 过共晶一次渗碳体 渗碳体的链状结构 先共析相及先共析渗碳体：具有亚共析和过共析成分的合金，在发生共析转变前，总是随着温度的降低，先析出构成共析转变产物的某一相，先析出的相叫先共析相，如亚共析钢中的先共析铁素体和过共析钢中的先共析渗碳体。由于形成条件不同，先共析相的形态有块状、网状和魏氏组织三大类。 共析渗碳体 ：珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 二次渗碳体 ： 在铁-碳合金平衡结晶过程中，具有共析成分（含碳量）以上

12、的合金（过共析钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）在缓冷到一定程度时，奥氏体中的含碳量达到饱和，继续降温就会沿奥氏体晶界析出渗碳体，在显微组织上呈网状分布。这种由奥氏体中析出的渗碳体叫二次渗碳体。 共晶二次渗碳体 渗碳体的析出 三次渗碳体：工业纯铁在平衡冷却至碳在铁中的固溶线（Fe-C平衡图PQ线）以下时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和，温度再下降，将从铁素体中析出三次渗碳体。三次渗碳体是从铁素体晶界上析出，由于数量很少，一般沿铁素体晶界呈断续片状分布。 自由渗碳体 ：是指那些游离于珠光体（共析组织）或莱氏体（共晶组织）等机械混合物（组织）之外的而作为一种独立的相存在的渗碳体，如先

13、共析渗碳体、初生渗碳体等。 五、珠光体（P） 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物。其显微组织如图3-29所示，其中白色为铁素体机体，黑色线条为渗碳体。 在缓慢冷却条件下，珠光体的含量为0.77%。由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以其力学性能是两者的综合，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。珠光体显微组织 铁素体和渗碳体的混合物 1、珠光体形态 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替叠压的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量Wc=0.77%。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体的数量大大多于渗

14、碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳体也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织.当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体;当放大倍数较低时,珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线;而当放大倍数继续降低或珠光体变细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团。图为光学显微镜200倍下薄壁铸件基体.经3%硝酸酒精溶液浸蚀.可见磷共晶体,片状石墨,珠光体及少量铁素体。2、珠光体分类 奥氏体化温度、转变前奥氏体晶粒大小，只影响珠光体团的大小，对

15、片层间距无影响。片状珠光体根据片间距的大小不同，可以分成珠光体、索氏体、托氏体三类。 一般所谓的片状珠光体是指在A1650温度范围内形成的，在光学显微镜下能明显分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体，其片间距大约为150450nm。在光学显微镜下能够明显分辨出片层的珠光体，其片间距约为150450nm。 在650600温度范围内形成的珠光体，其片间距较小，约为80150n m，只有在高倍的光学显微镜下(放大8001500倍时)才能分辨出铁素体和渗碳体的片层形态，这种片状珠光体称为索氏体。片间距为80150nm时，称为索氏体，其片层在光学显微镜下难以分辨。 在600550温度范围内形成的珠光

16、体，其片间距极细，约为3080nm，在光学显微镜下根本无法分辨其层片状特征，只有在电子显微镜下才能区分，这种极细的珠光体称为屈氏体。在更低的温度下形成片间距为3080nm的珠光体称为托氏体，只有在电子显微镜下才能观察到片层结构。 当渗碳体以颗粒状存在于铁素体基体上时称为粒状珠光体。粒状珠光体可以通过不均匀的奥氏体缓慢冷却时分解而得，也可以通过其他热处理方法获得。 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。其抗拉强度为750 900MPa，180 280HBS，伸长率为20 25%，冲击功为24 32J。力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好b=770MPa，1

17、80HBS，=20%35%，AKU=2432J)。 珠光体的综合力学性能比单独的铁素体或渗碳体都好。珠光体的机械性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并不脆，这是因为珠光体中的渗碳体量比铁素体量少得多的缘故。 3、温度影响 1)片状珠光体中相邻两片渗碳体（或铁素体）中心之间的距离称为珠光体的片间距。 2)温度是影响片间距大小的一个主要因素。随着冷却速度增加，奥氏体转变温度的降低，也即过冷度不断增大，转变所形成的珠光体的片间距不断减小。3)碳素钢和合金钢的珠光体片间距与形成温度之间的关系。当过冷度很小时有近似的线性关系，但总的来看是非线性的。有些人碳素钢中珠光体的片间距与过冷度的关系处理为

18、线性关系：珠光体的片间距和过冷度关系如下：S0 = C /T其中：C =8.0210 3(nmK)；S0：珠光体的片间距(nm)； T：过冷度，即珠光体转变温度与临界点A1之差。4、影响珠光体转变动力学的因素即是影响形核率和长大速度的因素 1）内因：化学成分、组织结构; 外因：加热温度、保温时间。2）化学成分的影响（1）碳含量的影响：亚共析钢：随含C量增加，先共析F速度减慢，使P转变速度 减小。 原因:随含C量增加，F形核率减少，F长大时所需扩散离去的C量增大。过共析钢:随含C量的增高，渗碳体形核率越大，碳在A中的扩散系数增大，P转变速度增大。过共析钢不完全奥氏体化更易发生珠光体转变。（2）奥

19、氏体成分的不均匀性和过剩相均加速珠光体转变。 (3)合金元素的影响：除了Co以外，其它所有的合金元素都使“C”曲线右移；除了Ni、Mn以外，其它常用合金元素皆使珠光体转变的“鼻尖”温度上移。原因：合金元素的自扩散、对碳扩散的影响，对相变临界点的影响。（4）加热温度和保温时间的影响：加热温度低、保温时间短，将加速珠光体的转变。原因：A成分不均匀、或有未溶渗碳体，有利于形核。（5）奥氏体晶粒度的影响A的晶粒越细小，P的形核部位越多，越促进P转变。细小的A晶粒也将促进先共析相的析出。（6）应力和塑性变形的影响对奥氏体氏加拉应力，将加速珠光体的转变；对奥氏体氏加压应力，将减慢珠光体的转变。六、莱氏体（

20、Ld） 莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。它是含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148C时的共晶产物。当温度降到727C时，由于莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物称为低温莱氏体，用符号Ld表示。如下图所示为低温莱氏体的显微组织。 莱氏体晶相组织 1、莱氏体形成 液态铁碳合金在1147左右会发生共晶转变，含碳量为4.3%的液态铁碳合金会转化为含碳量为2.11%的奥氏体和6.67%的渗碳体两种晶体的混合物，其比例大约是1：1。 L4.3%Ld(2.11%+Fe3C）随着温度的降低，莱氏体中总碳含量组成不变，但其中的组分奥氏体和渗碳体的比

21、例在发生改变。当温度降到727以下时，莱氏体中的奥氏体成分会发生共析转变，生成铁素体和渗碳体层状分布的珠光体。 0.77%P(0.0218%+Fe3C)。所以727以下时，莱氏体是珠光体和渗碳体的机械混合物。 2、过共晶与亚共晶组成分析 虽然莱氏体中碳的含量是4.3%，但含量在2.06%到6.69%的液态铁碳合金在降温过程中都会有莱氏体产生，只是由于含碳量不同，产生的固态合金中不仅有莱氏体还有其他成分。 含碳量在2.11%到4.3%的液态铁碳合金在降温到共晶温度之前，奥氏体即逐渐析出。到1147时，剩余的液态合金发生共晶转变形成莱氏体，整个合金组成是先析出的奥氏体和莱氏体。温度继续降低后，先析

22、出的奥氏体会沿晶界析出渗碳体，被称为二次渗碳体。 奥氏体与渗碳体共晶晶相 共晶白口铁的莱氏体 Fe3C(II)这样含碳量在2.11%到4.3%的合金是奥氏体、莱氏体和二次渗碳体的混合物，但二次渗碳体和莱氏体中的渗碳体很难区分。而降到727以下时，奥氏体转换成珠光体，合金组成为珠光体、低温莱氏体和二次渗碳体的混合物，是亚共晶白口铁的主要成分。 含碳量在4.3-6.69%的液态铁碳合金在降温到共晶温度之前，渗碳体逐渐析出，被称为一次渗碳体。到了1147时，剩余的液态合金会发生共晶转变反应转变成莱氏体，此时的合金组成是莱氏体和一次渗碳体的混合物。随后一直保持这一组成727，至室温后即为低温莱氏体和一

23、次渗碳体的混合物，是过共晶白口铁的主要成分。结构上是低温莱氏体分布在粗树枝状的白色一次渗碳体之间。 纯莱氏体中含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，即极为硬脆。 由于莱氏体的基体是渗碳体，所以它的性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性很差。以上五种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相；珠光体和莱氏体则是由基本相组成的多相组织。 铁碳合金基本组织的性能及特点1、铁素体（、铁素体（F）：碳与：碳与-Fe形成的间隙固溶体。形成的间隙固溶体。 性性能能-强度和硬度低，塑性和韧性好。强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（奥氏体（A）：碳与：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，形成的间隙固溶体。高温组织，在大于在大于727时存在。时存在。 性性能能-塑性好，强度