铁碳合金学习

1、2.2.3 2.2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图 Fe C Fe C 相图的基础知识。相图的基础知识。 形成形成Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图组元和基本组织的结构与性能。相图组元和基本组织的结构与性能。 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的建立与分析。相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的应用。相图的应用。 一、一、 Fe - CFe - C相图的基础知识相图的基础知识1.1.纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变2.2.铁与碳可以形成铁与碳可以形成 FeF

2、e3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC等等一系列化合物。一系列化合物。3.3.稳定的化合物可以作为一个独立的组元。稳定的化合物可以作为一个独立的组元。4.Fe C 4.Fe C 二元相图。二元相图。1. 1.纯铁的的同素异构转变纯铁的的同素异构转变1394 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 - Fe - Fe - Fe纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1394153810006008001200温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe -Fe - Fe2.Fe- C2.Fe- C相图相图Fe3C Fe2CFeC温度Fe

3、C(6.69%C)二、二、 形成形成Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图组元和基本组相图组元和基本组织的结构与性能织的结构与性能 （一）组元（一）组元 * * 铁铁 ( ferrite )( ferrite ) * * 渗碳体渗碳体 ( Cementite )( Cementite )（二）基本组织（二）基本组织1.1.铁素体铁素体 ( F( F或或 ) ) 碳溶于碳溶于FeFe中的间中的间隙固溶体。隙固溶体。2.2.奥氏体奥氏体 ( A( A或或 ) )碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成中形成的间隙固溶体。的间隙固溶体。3.3. 渗碳体渗碳体 ( Fe( Fe3 3C )C ) 铁与碳

4、形成铁与碳形成的金属化合物。的金属化合物。 渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图根据生产条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态。根据生产条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态。4. 4.珠光体珠光体 ( P )( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 显微镜下呈层片状。放大倍数很高时，能看见相间分显微镜下呈层片状。放大倍数很高时，能看见相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。5.5.莱氏体莱氏体 ( Ld )( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 块状或粒状块状或粒状A A（室温时

5、转变成（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。珠光体）分布在渗碳体基体上。三、三、Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的建立与分析相图的建立与分析（一）（一）Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的建立相图的建立v共晶反应相图共晶反应相图v共析反应相图共析反应相图 Fe - Fe3C 相图相图FeTFe3C Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%

6、CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C ) Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe3C( A+Fe3C ) Fe - Fe3C 相图相图（二）（二） Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的分析相图的分析 五个重要的成份点五个重要的成

7、份点: P: P、S S、E E、C C、K K。 四条重要的线四条重要的线: EF: EF、ESES、GSGS、FKFK。 两个重要转变两个重要转变: : 共晶转变反应式、共析转变共晶转变反应式、共析转变反应式。反应式。 二个重要温度二个重要温度: 1148 : 1148 、727 727 。1.1.包晶转变反应式包晶转变反应式: :LB + H AJ14953.3.共析转变反应式共析转变反应式: :AS ( FP + Fe3C ) P 7272.2.共晶转变反应式共晶转变反应式: :LC ( AE + Fe3C ) Le 1148根据根据FeFeFeFe3 3C C相图，铁碳合金可分为三类

8、：相图，铁碳合金可分为三类： 1)1)工业纯铁工业纯铁wwc c 0.0218%0.0218% 2) 2)钢钢0.0218% w0.0218% wc c 2.11% 2.11% 3) 3)白口铸铁白口铸铁2.11% w2.11% wc c 6.69% 6.69% 工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F F），呈白色状。由），呈白色状。由于其强度低、硬度低、不宜用作结构材料。于其强度低、硬度低、不宜用作结构材料。1.1.工业纯铁工业纯铁 ( Wc 0.0218% )( Wc 0.0218% )工业纯铁室温平衡组织图工业纯铁室温平衡组织图 白色块状铁素体，三次渗碳体呈白

9、色块状铁素体，三次渗碳体呈小白片状分布于铁素体晶界处小白片状分布于铁素体晶界处2. 2. 共析钢共析钢 ( Wc = 0.77% )( Wc = 0.77% ) 共析钢组织金相图共析钢组织金相图层片状珠光体 共析钢的室温组织组成物全部是P，而组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为：QF QFe3C0.00086.690.773.3.亚共析钢亚共析钢 ( Wc = 0.4% )( Wc = 0.4% ) 亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图白色块状为铁素体；黑色块状为珠光体白色块状为铁素体；黑色块状为珠光体含含0.4%0.4%的亚共析钢的组织组成物为的亚共析钢的组织组成物为F F和和P P，它们

10、的质量分数为：它们的质量分数为： 此种钢的组成相为此种钢的组成相为F F和和FeFe3 3C,C,它们的质它们的质量分数为：量分数为：QF QP0.02180.770.4 QFe3C QF o6.690.4 亚共析钢的碳含量可由其室温平衡亚共析钢的碳含量可由其室温平衡组织来估算。若将组织来估算。若将F F中的碳含量忽略不计，中的碳含量忽略不计，则钢中的碳含量全部在则钢中的碳含量全部在P P中，因此由钢中中，因此由钢中P P的含量可求出钢中碳的质量分数：的含量可求出钢中碳的质量分数： w w（c c）=P%=P%0.77% 0.77% 4.4.过共析钢过共析钢 以碳质量分数为以碳质量分数为1.2

11、%1.2%的铁碳合金的铁碳合金为例（如结晶图所示）。为例（如结晶图所示）。 过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图白色网状二次渗碳体分布在层片状珠光体周围白色网状二次渗碳体分布在层片状珠光体周围 含碳量为含碳量为1.2%1.2%的过共析钢的组成相为的过共析钢的组成相为F F和和FeFe3 3C C；组织组成物为；组织组成物为FeFe3 3C C和和P P，它们，它们的质量分数为：的质量分数为： QP QFe3C0.776.691.2 5.5.白口铸铁的结晶白口铸铁的结晶 共晶白口铸铁室温平衡组织为共晶白口铸铁室温平衡组织为LeLe，由，由黑色条状或粒状黑色条状或粒状P P和白色和白色FeFe3

12、3C C基体组成，而基体组成，而组成相还是组成相还是F F和和FeFe3 3C C。 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为亚共晶白口铸铁的室温平衡组织为P+ P+ FeFe3 3C C+ Le+ Le。 过共晶白口铸铁的室温平衡组织为过共晶白口铸铁的室温平衡组织为FeFe3 3C C+Le +Le 。 FeFe3 3C C呈长条状呈长条状 。白口铸。白口铸铁室温平衡组织中含有莱氏体（铁室温平衡组织中含有莱氏体（LeLe），），硬度高、脆性大，应用较少。硬度高、脆性大，应用较少。 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )( Wc = 4.3% )亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 ( Wc =

13、3.0% )( Wc = 3.0% )过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )( Wc = 5.0% ) 铁碳合金在室温下的组织皆由铁碳合金在室温下的组织皆由F F和和FeFe3 3C C两相组两相组成。随碳含量的增加，成。随碳含量的增加，F F的含量逐渐变少，由的含量逐渐变少，由100%100%按直线关系减少到按直线关系减少到0%0%，FeFe3 3C C的含量则由的含量则由0%0%增加到增加到100%100%。 铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化：铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化：F F、F+PF+P、P P、P+FeP+Fe3 3C C、P+ FeP+ Fe3

14、3C C+ Le+ Le、LeLe、Le+ FeLe+ Fe3 3C C、FeFe3 3C C 碳的质量分数对平衡组织的影响碳的质量分数对平衡组织的影响碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对力学性能的影响 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。直线关系增大。 强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中共析钢中P P增多而增多而F F减少。减少。P P的强度比较高，所以亚的强度比较高，所以亚共析钢的强度随

15、碳含量的增大而增大。到约共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约w wc c 0.9%0.9%时，时，FeFe3 3C C沿晶界形成完整的网，强度迅速降沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。低。 合金的塑性变形全部由合金的塑性变形全部由F F提供。所以随碳含量提供。所以随碳含量的增大，的增大，F F量不断减少时，合金的塑性连续下降。量不断减少时，合金的塑性连续下降。对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 硬度硬度8080F%+180F%+180P%(HB)P%(HB) 或硬度

16、或硬度8080F%+800F%+800FeFe3 3C%(HB)C%(HB) 强度强度230230F%+770F%+770P%(MPa)P%(MPa) 延伸率延伸率()50()50F%+20F%+20P%(%) P%(%) 五、五、 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图的应用相图的应用选择材料方面的应用选择材料方面的应用制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。选用碳含量较低的钢材。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好

17、的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、造，但其耐磨性好，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，例如拔丝模、冷轧辊、货不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、

18、球磨机的磨球等。车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 2.2.制定热加工工艺方面的应用制定热加工工艺方面的应用G (1)(1)在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用 根据根据FeFeFeFe3 3C C相图可以确定合金的浇注温相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上度。浇注温度一般在液相线以上5050100100。 (2)在热缎、热轧工艺方面的应用在热缎、热轧工艺方面的应用 锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。一般始缎、始轧温度控制在固相线以下般始缎、始轧温度控制在固相线以下100200范围内，终缎、终轧温度不能过低。亚共析钢范围内，终缎、终轧温度不能过低。亚共析钢热加工终止温度多控制在热加工终止温度多控制在GSGS线以上一点，过共线以上一点，过共析钢变形终止温度应控制在析钢变形终止温度应控制在PSKPSK线以上一点，一线以上一点，一般始缎温度为般始缎温度为1150115012501250，终缎温度为，终缎温度为800800850850。 (3)在热处理工艺方面的应用在热处理工艺方面的应用 FeFeFeFe3 3C C相图对于制订热处理工艺有着特相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正火、别重要的意义。一些热处理工艺