《金属材料与热处理》课件-第三章 铁碳合金

第三章铁碳合金§3-1合金及其组织§3-2铁碳合金的基本组织与性能§3-3铁碳合金相图§3-4观察铁碳合金的平衡组织（试验）§3-1合金及其组织纯金属的强度和硬度一般都是较低，冶炼困难，因而价格较高，在使用上受到限制。在工业生产中广泛使用的是合金，这是因为生产中可以通过改变合金的化学成分（或组织结构）来进一步提高金属材料的力学性能，并可获得某些特殊的物理性能和化学性能（耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁性能等），以满足机械零件和工程结构对材料的要求。课堂讨论想一想：你在日常生活、生产中见到最多的合金是哪类？？一、合金的基本概念1.合金

合金是指以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔炼、烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。2.组元

组成合金的最简单、最基本且能够单独存在的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的元素。3.相

在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。（固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。）4.组织

合金的组织是指用肉眼或借助于显微镜所观察到的合金的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。

由于合金的性能取决于组织，而组织又首先取决于合金中的相，所以，为了了解合金的组织和性能，首先必须了解合金的晶体结构。二、合金的组织

根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的组织可分为固溶体、金属化合物和混合物三类。固溶体间隙固溶体置换固溶体金属化合物混合物单相组织多相组织1.固溶体

合金结晶时若组元相互溶解所形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固溶体。（固溶体用

等符号表示。）

溶剂——固溶体中含量较多的组元。（1）置换固溶体

溶质原子占据了溶剂原子晶格中的某些节点位置而形成的固溶体称为置换固溶体。如图：溶质与溶剂原子半径相当时，易形成置换固溶体，置换固溶体既可以是有限固溶体也可以是无限固溶体。（2）间隙固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格间隙所形成的固溶体称为间隙固溶体。如图：溶质原子是半径很小的非金属元素，当溶质与溶剂原子半径之比小于0.59时，容易形成间隙固溶体。由于溶剂晶格中间隙的尺寸和数量是一定的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。

固溶强化——无论是间隙固溶体还是置换固溶体，在其形成过程中，都会使溶剂晶格发生畸变，从而使合金对变形的抗力增加。也即通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的现象。间隙固溶体置换固溶体2.金属化合物

金属化合物——指金属组元间相互作用而生成的具有金属特性的一种新相。合金中出现金属化合物时，通常能显著提高合金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性也会明显地降低。3.混合物由两种或两种以的相按一定的质量百分数组成的物质称为混合物。固溶体和金属化合物均是组成合金的基本相。§3-2铁碳合金的基本组织与性能钢铁是现代工业中应用最为广泛的合金，它们均是以铁和碳为基本组元的合金，故又称为铁碳合金。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。铁碳合金的基本组织有五种铁素体（F）奥氏体（A）渗碳体（Fe3C）珠光体（P）莱氏体（Ld）单相组织基本组织思考：铁碳合金的5种基本组织的含碳量是分别是多少？一、铁素体(F)碳溶解在α—Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。【含碳量≤0.0218%】铁素体的晶胞示意图铁素体的显微组织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。具有良好的塑性、韧性，较低的强度、硬度。二、奥氏体(A)碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。【含碳量≤2.11%】奥氏体的晶胞示意图奥氏体的显微组织奥氏体呈面心立方晶格，强度、硬度不高。具有良好的塑性，尤其是具有良好的锻压性能。三、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。渗碳体的晶胞示意图渗碳体具有复杂的斜方晶格，具有高熔点（1227℃）、高硬度（950～1050HV），塑性和韧性几乎为零，脆性极大。四、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。珠光体的显微组织a)光学显微镜观察组织b)电子显微镜观察组织珠光体的含碳量为0.77%。强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。五、莱氏体(Ld)莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。【含碳量4.30%】由于莱氏体的基体是渗碳体，所以它性能接近于渗碳体，硬度很高，塑性很差。铁碳合金基本组织的性能及特点§3-3铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。一、铁碳合金相图的组成在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C（碳化三铁）、Fe2C（碳化二铁）、FeC（碳化铁）等。强调：生产中铁碳合金的含碳量一般不超过5%，因为含碳量更高的材料脆性太大，难以加工。只研究相图中含碳量为0～6.69%的部分。为便于掌握和分析Fe—Fe3C相图，将相图上实用意义不大的部分省略，简化后的Fe—Fe3C相图如下。二、Fe—Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域内的组织Fe—Fe3C相图中有七个特性点及六条特性线。

1.主要特性点纯铁熔点共晶点渗碳体的熔点碳在奥氏体中最大溶解度点纯铁的同素异构转变点共析点碳在铁素体中最大溶解度点（1）共晶点C高温的铁碳合金液体缓慢冷却到一定温度（1148℃）时，在保持温度不变的条件下，从一个液相中同时结晶出两种固相（奥氏体和渗碳体），这种转变称为共晶转变。（2）共析点S固相的铁碳合金缓慢冷却到一定温度（727℃）时，在保持温度不变的条件下，从一个固相（奥氏体）中同时析出两种固相（铁氏体和渗碳体），这种转变称为共析转变。2.主要特性线（1）ACD线

液相线，此线以上区域全部为液相，称为液相区，用L表示。在AC线以下结晶出奥氏体，在CD线以下结晶出渗碳体（称为一次渗碳体Fe3CⅠ）ACD线（2）AECF线

固相线，对应成分的液态合金冷却到此线上的对应点时完成结晶过程，变为固态，此线以下为固相区。AEC区内为液相合金与固相奥氏体，CDF区内为液相合金与固相渗碳体。AECF线（3）GS线

奥氏体冷却时析出铁素体的开始线，也称A3线。GS线（4）ES线

碳在奥氏体中的溶解度曲线，也称Acm线。在1148℃时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11%，在727℃时降到0.77%。ES线（5）ECF线

共晶线。当不同成分液态合金冷却到此线（1148℃）时，将发生共晶转变，从剩余液态合金中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物，即莱氏体（Ld）。共晶转变是一种可逆转变。ECF线（6）PSK线

共析线。也称A1线。当合金冷却到此线（727℃）时将发生共析转变，从合金的奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体（P）。共析转变也是一种可逆转变。PSK线三、铁碳合金的分类思考：什么是钢？含碳量不大于0.0218%的铁碳合金称为纯铁。含碳量大于0.0218%而不大于2.11%的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。铁碳合金的室温组织及分类1.共析钢图中合金Ⅰ为含碳量0.77%的共析钢。2.亚共析钢图中合金Ⅱ是含碳量为0.45%的亚共析钢。3.过共析钢图中合金Ⅲ是含碳量为1.2%的过共析钢。4.白口铸铁图中合金Ⅳ是共晶白口铸铁，合金Ⅴ表示某一成分的亚共晶白口铸铁，合金Ⅵ表示某一成分的过共晶白口铸铁。四、铁碳合金结晶过程分析五、铁碳合金的成分、组织与性能的关系分析铁碳合金的室温组织不难发现，随含碳量的增加，其组织顺序为F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L'd→L'd→L'd+Fe3CⅠ

含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性越低，在钢经过热处理后表现尤为明显。对非合金钢及低、中碳合金钢来说，其含碳量一般不超过1.3%。六、Fe—Fe3C相图的应用作为选材的依据2.在铸造