第二章工程材料结构(03铁碳合金相图)

1、铁碳合金与铁碳合金相图铁碳合金与铁碳合金相图u铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相u铁铁-渗碳体相图分析渗碳体相图分析u典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程u铁碳合金的成分、组织、性能间的关系铁碳合金的成分、组织、性能间的关系铁铁-渗碳体相图分析渗碳体相图分析铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相铁碳合金的成分、组织、性能间的关系铁碳合金的成分、组织、性能间的关系典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程课前复习课前复习LLL1.二元匀晶反应：二元匀晶反应：2.2.二元共晶反应：二元共晶反应：3.3.二元包晶反应：二元包晶反应：4.4.二元共析反应：二元共析反应：铁碳相图是研究铁碳相图是研究钢

2、和铸铁钢和铸铁的基础，对于钢的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。订也具有重要的指导意义。以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于大于95%。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Fe3C、Fe2C、FeC等等,有实用意义并被深入研究的只有实用意义并被深入研究的只是是Fe-Fe3C部分，通常称其为部分，通常称其为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。4 4 铁碳合金相图铁碳合金相图图Fe-Fe3C相图铁碳合金的基本组织与性

3、能铁碳合金的基本组织与性能 Fe铁是过渡族元素铁是过渡族元素,熔点或凝固点为熔点或凝固点为1538,相对密度是相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后纯铁从液态结晶为固态后,继续冷却到继续冷却到1394及及912时时,先后发生两次同素异构转变。先后发生两次同素异构转变。 工业纯铁的机械性能特点是工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下：主要机械性能如下： 抗拉强度抗拉强度b180MPa230MPa 屈服强度屈服强度0.2100MPa170MPa 延伸率延伸率 30%50% 断面收缩率断面收缩率70%80% 冲击韧度冲击韧度 ak 1.6

4、106J/m22106J/m2 硬度硬度50HB80HB Fe Fe和和FeFe3 3C C是组成是组成Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的两个基本组元。属于固溶相图的两个基本组元。属于固溶体相有铁素体与奥氏体，属于金属化合物相有渗碳体。铁碳体相有铁素体与奥氏体，属于金属化合物相有渗碳体。铁碳合金固态下的相结构也形成固溶体和金属化合物两类。合金固态下的相结构也形成固溶体和金属化合物两类。1.1.铁素体铁素体 碳溶碳溶于于-Fe-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F F或或 表示。表示。 铁素体的铁素体的强度、硬度不高强度、硬度不高，但具有，但具有良好的塑性和

5、韧性良好的塑性和韧性。 铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织。织。 铁素体中碳的固溶度极小铁素体中碳的固溶度极小, , 室温时约为室温时约为0.0008%, 600 0.0008%, 600 时时为为 0.0057%, 0.0057%, 在在727 727 时溶碳量最大时溶碳量最大, , 为为0.0218%0.0218%。铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。粒形状。2.2.奥氏体（奥氏体（A A） Austenite 奥氏体是奥氏体是

6、碳碳溶解在溶解在-Fe-Fe中形成的间隙固溶体。中形成的间隙固溶体。 -Fe-Fe的溶碳能力较高，最大为的溶碳能力较高，最大为2.11%2.11%（11481148）。）。 由于由于-Fe-Fe一般存在于一般存在于72772713941394之间，所以之间，所以奥氏体只出现在高温区域内。奥氏体只出现在高温区域内。 性能：性能： =40 =4050%50%，具有，具有良好的塑性和低的变良好的塑性和低的变形抗力形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。所需的组织。 显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但

7、晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。 渗碳体是铁与碳形成的渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物稳定化合物。 含碳量为含碳量为6.69%6.69%。 性能：性能：HBW=800HBW=800，硬度很高，硬度很高，强度低强度低( b 35MPa),脆脆性极大，性极大，塑性几乎为零塑性几乎为零。 是钢中的强化相。是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体显微镜下观察，渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)呈银白色光泽。呈银白色光泽。 渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。3

8、.渗碳体渗碳体 Fe3C3.3.渗碳体渗碳体 渗碳体的分子式为渗碳体的分子式为FeFe3 3C C，它是一种具有复杂晶，它是一种具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体在钢和铸铁中与其他相共格的间隙化合物。渗碳体在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或板状。存时呈片状、球状、网状或板状。渗碳体的机械性能特点是硬而脆, 大致性能如下：抗拉强度极限抗拉强度极限 b 延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 冲击韧性冲击韧性 ak 硬度硬度 30MPa 0 0 0 800HB 机械混合物机械混合物 它是它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组成两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。的物质。 混合物各

9、相保持其原有晶格。混合物各相保持其原有晶格。 混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。们分布的形态、数量及大小。 铁碳合金中的机械混合物有铁碳合金中的机械混合物有珠光体珠光体和和莱氏体莱氏体。4. 4. 珠光体（珠光体（P P） Perlite 珠光体是珠光体是铁素体和渗碳体铁素体和渗碳体组成的机械混合物。组成的机械混合物。 珠光体的平均含碳量为珠光体的平均含碳量为0.77%0.77%，在，在727727以下温度范以下温度范围内存在。围内存在。 性能：性能：b b =750MPa HB=160=750MPa HB=16018

10、0 180 较高较高 =20 =2025% =3025% =3040% 40% 适中适中显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。这是因得名。这是T8T8钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。体）。5. 5. 莱氏体莱氏体Ld Ledeburite 由由奥氏体和渗碳体奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。组成的两相机械混合物。 奥氏体在奥氏体在727时将转变为珠光体，所以在室时将转变为珠光体，所以在室温下由温下由珠光体珠光体和和渗碳体渗碳体组成的机械混合物，组成的机械混合物，称为称为低温

11、莱氏体低温莱氏体，用符号，用符号Ld/表示。高温莱氏表示。高温莱氏体仅存于体仅存于727以上。以上。 莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。 这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。铁碳合金状态图的建立铁碳合金状态图的建立 铁碳合金状态图是铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的

12、冷却。它规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、合金成分（以温度为纵坐标、合金成分（FeFe3 3C C或含碳量）或含碳量）为横坐标的图形。为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。和组织三者关系的图形。一、铁碳合金状态图的建立一、铁碳合金状态图的建立 合金状态图是通过一系列实验测出不同成合金状态图是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在分的铁碳合金在缓慢冷却缓慢冷却过程中的过程中的冷却曲冷却曲线和组织转变线和组织转变，然后在成分与温度坐标图，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温

13、度），并把物理意义相同的点连成曲的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。态图。铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳相图是研究钢和铸铁铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的工艺的制订也具有重要的指导意义。指导意义。铁和碳可以形成一系列铁和碳可以形成一系列化合物，如化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等等,有实用意义并被深有实用意义并被深入研究的只是入研究的只是Fe-Fe3C部部分，通常称其为分，通常称其为Fe-Fe3C相图相图,此时相图的

14、组元为此时相图的组元为Fe和和Fe3C。21温温度度含碳含碳含义含义A 15380纯铁熔点纯铁熔点C 11484.3共晶点共晶点D 12276.69渗碳体熔点渗碳体熔点E 11482.11碳在碳在 铁中铁中最大溶解度最大溶解度F 11486.69渗碳体成分渗碳体成分点点G 9120铁同素异晶铁同素异晶转变点转变点S 7270.77共析点共析点P 7270.0218碳在碳在 铁中铁中最大溶解度最大溶解度1、 铁铁碳合金相图分析碳合金相图分析222）两条水平线）两条水平线 ECF（1148）；）；PSK（727）。）。 3）4个基本相个基本相 液相液相(L)； 奥氏体奥氏体(A)； 铁素体铁素体(

15、F)； 渗碳体相渗碳体相( Fe 3C)。231）共晶线共晶线ECF （C点点共晶点）共晶点） 说明：说明： 含含2.11%6.69%C的的Fe C合金合金(生铁生铁)都将在都将在1148时发生莱氏体转变，即共晶转变。时发生莱氏体转变，即共晶转变。1148 表示共晶反应表示共晶反应：242）共析线共析线PSK （S点共析点）点共析点）说明：含说明：含0.0218%2.11%C的的 Fe C合金合金(钢钢)都将在都将在727 时发生珠光体转变，即共析时发生珠光体转变，即共析 转变。在热处理中，该线温转变。在热处理中，该线温 度常以度常以A1表示。表示。727表示共析反应表示共析反应：253）两条

16、固溶线）两条固溶线GS、ES ES 自高碳奥氏体冷却自高碳奥氏体冷却过程中析出过程中析出 Fe3C的起始的起始线。温度常以线。温度常以 Acm表示。表示。 GS 自低碳奥氏体冷却自低碳奥氏体冷却过程中析出铁素体晶粒的过程中析出铁素体晶粒的起始线，该温度常以起始线，该温度常以 A3表示。表示。 26铁碳合金分类铁碳合金分类(据据C%不同分不同分) 以以E点（点（C2.11%）为）为界，分为钢界，分为钢和铸铁两类。和铸铁两类。铸铁结晶时有莱氏体转铸铁结晶时有莱氏体转变，组织中有莱氏体。变，组织中有莱氏体。 钢以钢以S点（点（0.77%C） 为界，分为：为界，分为： 亚共析钢亚共析钢 C0.77%；

17、 共析钢共析钢 C0.77%； 过共析钢过共析钢 C0.77%。27 铸铸铁以铁以C点（点（4.3%C）为界，分为：为界，分为：亚共晶亚共晶铸铸铁铁2.11%C4.3%；共晶共晶铸铸铁铁C4.3%；过共晶过共晶铸铸铁铁C4.3%6.69。 工业纯铁的工业纯铁的结晶过程结晶过程 合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 ，3-4点间点间 ，5-6点间点间 。到到7点，从点，从 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+ + + 工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程随温度下降，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。l从铁素体中析出的渗碳体称

18、三次渗碳体，用从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。1珠光体珠光体1)共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程室温组织为：室温组织为：P（F+Fe3C）112)亚共析钢的亚共析钢的结晶过程结晶过程LL+A AA+F先共析先共析AS(0.77% C) P室温组织为：室温组织为：P+F 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。20钢组织钢组织 40钢组织钢组织 60钢组织钢组织 13)过共析钢的结晶过程过

19、共析钢的结晶过程室温组织：室温组织：P+Fe3C T12钢组织钢组织 5)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点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是莱氏体是共晶共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物,呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C 15 5）亚共晶白口铁的结晶过程）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为室温组织为P+Fe3C+Ld。116）过共晶白口铁的结晶过程）过共晶白口铁的结晶过程室温组织为：室温组织为：Fe3C +LdLd（ P+ Fe3C共晶共晶+ Fe3C ）铁碳合金铁碳合金在结晶过程中的组织转变在结晶过程中的组

20、织转变共析钢共析钢()：LL+AAP亚共析钢亚共析钢()：LL+AAA+FP+F过共析钢过共析钢()：LL+AAA+Fe3CP+Fe3C共晶白口铁：共晶白口铁：LLdLd亚共晶白口铁：亚共晶白口铁：LL+ALd+A+Fe3CLd+P+Fe3C过共晶白口铁：过共晶白口铁：LL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3C3.含碳量对铁碳合金组织性能的影响含碳量对铁碳合金组织性能的影响 (1) 对平衡组织的影响铁碳合金中组织与成分的关系铁碳合金中组织与成分的关系(2)含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响 由图可知，当钢由图可知，当钢中中C C0.9%0.9%0.9%时，时，因渗碳体网的存在，不因渗

21、碳体网的存在，不仅使钢的塑性、韧性进仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也一步降低，而且强度也明显下降。明显下降。含碳量对碳钢的力学性能的影响含碳量对碳钢的力学性能的影响铁碳合金平衡相图的应用1）选材的依据）选材的依据2）选择铸造合金成分和浇注温度的依据）选择铸造合金成分和浇注温度的依据3）确定钢的锻造温度的依据）确定钢的锻造温度的依据4）确定各种热处理工艺的依据）确定各种热处理工艺的依据低碳钢：低碳钢：塑性、韧性好塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。冲击件。中碳钢中碳钢: : 综合力学性能较好综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。，用于轴、齿轮等。高碳钢：高碳钢：强度、硬度、耐磨性好强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。，用于各种工模具。白口铁：性硬而脆，但白口铁：性硬而脆，但铸造性能好铸造性能好，用于不受冲击，用于不受冲击的铸件。的铸件。 1） 在选材上的应用根据根据Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的液相线相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金可以找出不同成分的铁