工程材料-过控-2-铁碳合金结构和相图

1、工程材料工程材料第第2 2章章 铁碳合金的结构和相图铁碳合金的结构和相图* 主主 要要 内内 容容lFe-Fe3C合金相图分析合金相图分析 铁碳合金相图中的基本相 Fe-Fe3C合金相图 l铁碳合金的结晶过程及组织铁碳合金的结晶过程及组织 共析钢 亚共析钢 过共析钢l铁碳合金性能与成分、组织的关系铁碳合金性能与成分、组织的关系 合金性能与相图的关系 Fe-Fe3C合金相图的应用* 铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。 含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称钢。的称钢。 含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称铸铁。的称铸铁。 铁碳合金

2、铁碳合金 铁和碳可形成一系列稳定化合物铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。相图。 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图中的基本相铁碳合金相图中的基本相 碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727

3、时最大为时最大为0.0218%，室温室温下仅为下仅为0.008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素铁素体体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 奥氏体奥氏体: 碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。 是面心立方晶格的是面心立方晶格的间隙固溶体间隙固溶体。溶碳能力比铁素体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时时最大为最大为2.11%。l组织为组织为不规则多面体

4、不规则多面体晶粒晶粒，晶界较直晶界较直。强。强度低、塑性好，度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行。区进行。l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体 铁碳合金相图中的基本相铁碳合金相图中的基本相 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。 Fe3C硬度高硬度高、强度低强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个是一个亚稳相亚稳相，在一，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳

5、在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而常温下很小，因而常温下碳在铁碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或石或石墨墨的形式存在。的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体 铁碳合金相图中的基本相铁碳合金相图中的基本相 相图中特征点的温度和含碳量相图中特征点的温度和含碳量 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 铁碳合金相图铁碳合金相图 特征线特征线 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD 三条水平线：三条水平线： HJB：包晶线包晶线LB+H J ECF：共晶线共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称

6、作混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Le表示。为表示。为蜂窝状蜂窝状, 以以Fe3C为为基，性能硬而脆基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体 铁碳合金相图铁碳合金相图 PSK：共析线共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物的机械混合物，称，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光体珠光体的组织特点是的组织特点是两相呈两相呈片层相间分布片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线线又称又称A1线线 。珠光体珠光体 铁碳合金相图铁碳合金相图 其它相线其它相线 GS,GP 固溶体固溶

7、体转变线转变线, GS又称又称A3 线线。 HN,JN 固溶体固溶体转变线，转变线， ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。又称溶线。又称Ac m线线。 PQ碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。 铁碳合金相图铁碳合金相图 三个三相区：三个三相区：即即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区相区l 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 铁碳合金相图铁碳合金相图 钢钢(0.02182.11%C)高温组织为单相

8、高温组织为单相 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢共析钢 (0.77%C) 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, 硬而脆硬而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.1

9、14.3%C) 共 晶 白 口 铸 铁共 晶 白 口 铸 铁(4.3%C) 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C) 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 合金液体在合金液体在1-2点点 间转变为间转变为 ， 3-4点间点间 ， 5-6点间点间 。 到到7点，从点，从 中析中析 出出Fe3C。NSJBH L+ + + 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，合金的增加，合金的室温下组织为室温下组织为F+ Fe3C。 室温下室温下Fe3C最大量为最大量为: %

10、3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFeQl从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体三次渗碳体，用，用Fe3C表示。表示。 Fe3C以以不连续网状或片状分布于晶界不连续网状或片状分布于晶界。 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 。l到到S点发生共析点发生共析转变：转变： S P+Fe3C, 全部转变为全部转变为珠光体。珠光体。 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状. 变结束时

11、，珠光体中相的变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P.%2.11%8.88%100,%8.880218.069.677.069.6CFe 3QPKSKQ珠光体珠光体Q 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 室温下，珠光体中两室温下，珠光体中两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？%5.11%5.88%100%5.880008.069.677.069.64CFe 3QQLLQQ4321

12、9 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程 0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应. 以以0.45%C的钢为例的钢为例 合金在合金在4点以前通过点以前通过匀匀晶晶包晶包晶匀晶反应匀晶反应全全部转变为部转变为 。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点, 成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点， 发生发生共析反应共析反应转变为转变为珠光体珠光体。温度继续下降，。温度继续下降， 中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合, 且量少且量少, 忽略不计忽略不计. 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过

13、程及组织 利用平衡组织中珠光体所占利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似的面积百分比，可以近似估估算亚共析钢的含碳量算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为： %1005%,10053PKKQPKPQCFe组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为： %1005，%1005PSSQPSPQPS 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程 室温下相的相对重量室温下相的相对重量百分比为：百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFe

14、QQLLQCQLQQ33%1006%1000008.069.60008.06PPQQSSQCQSQQ%1006%,1000008.077.00008.06S 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程 亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。 在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3点点, 开始析出开始析出Fe3C

15、。从奥氏。从奥氏体中析出的体中析出的Fe3C称称二次渗碳体二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示, 其其沿晶沿晶界呈网状分布界呈网状分布.l温度下降温度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4点，点， 成分沿成分沿ES线变化线变化到到S点，余下的点，余下的 转变为转变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的相对量？的相对量？ 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 过共析钢室温组织为过共析钢室温组织为P+ Fe3C 。 Fe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加, 含碳量为含碳量为2.11%时时, Fe3C量最大：量最大：%6.22%10077.069.677.011.2

16、3IICFeQ含含1.4%C钢的组织钢的组织 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 室温下两相的相对重量百分比：室温下两相的相对重量百分比：QQLQQCQLLQCFe%1005%1000008.069.669.653l室温下两组织组成物室温下两组织组成物的相对重量百分比：的相对重量百分比：PCFePQLSSQCLSLQ%1005 %,10077.069.669.653 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 合金冷却到合金冷却到C点点发生共晶反应发生共晶反应全部转变为全部转变为莱氏体莱氏体(Le),莱氏体莱氏体是共晶是共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合

17、物的机械混合物, 呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%8.47，%2.52%10011.269.63.469.63CFeQQlC点以下点以下, 成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨。结合，不易分辨。12 Fe3C 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 温度降到温度降到2点点, 成分达到成分达到0.77%, 此时此时, 相的相对重量相的相对重量: l在在2点点, 共晶共晶 发生共析反应，转变

18、为发生共析反应，转变为珠光体珠光体，这种由，这种由%6.59，%4.40%10077.069.63.469.63CFeQQP与与 Fe3C组成的组成的共晶体称共晶体称低温莱低温莱氏体氏体, 用用Le表示表示. 2 点以下，共晶点以下，共晶体中体中P 的变化同的变化同共析钢。共析钢。S 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 共晶白口铁共晶白口铁室温组室温组织为织为Le (P+ Fe3C), 它保留了共晶转变它保留了共晶转变产物的形态特征。产物的形态特征。 室温下两相的相对室温下两相的相对重量百分比为：重量百分比为： %3.64%7.35%100%7.35%1000008.069.63.469

19、.63CFeQQ 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程 合金在合金在12点间析出点间析出 。到。到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点点,并转变为并转变为Le。23点间从点间从 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被共晶被共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点， 转变为转变为P。 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 亚共晶白口铁室温组织亚共晶白口铁室温组织为为P+Fe3C+Le。 室温下组织组成物相对室温下组织组成物相对重量百分比为重量百分比为 ：IIIICFeLeCFeLeLeQQQECCQECEQQ33%1

20、0077.069.677.011.222ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比? 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程 12点间从液相中析出点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称这种渗碳体称一次渗碳一次渗碳体体，用，用 Fe3C表示，呈表示，呈粗条片状粗条片状。到。到2点，余下的液点，余下的液相成分变到相成分变到C点并转变为点并转变为Le。 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 组织组成物与相组织组成物与相组成物标注区别组成物标注区别主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe3C两个相区两个相区

21、. + Fe3C相区中相区中有四个组织组成有四个组织组成物区，物区， +Fe3C相相区中有七个组织区中有七个组织组成物区。组成物区。l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C 典型合金的平衡结晶过程典型合金的平衡结晶过程FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度 合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢 过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体