航空工程材料课件 11 铁碳合金及其相图的认识-铁碳合金相图

3-2铁碳合金相图知识目标1.了解铁碳合金相图的分析过程和铁碳合金的结晶过程及组织变化；2.掌握铁碳合金的成分性能间的关系；3.理解铁碳合金相图的应用。能力目标能分析、识别铁碳合金相图。教学目标素质目标1.具有质量意识；2.具有科学意识。课前回顾1.什么是相、组织和相图？相图有哪些作用？2.二元合金相图是如何绘制的？二元匀晶相图的点、线、面是什么含义？3.铁碳合金有哪些基本相和基本组织？简称、结构/组成和性能分别是什么？相或组织简称介绍含碳量铁素体（相）F碳溶于α-Fe0.0218%奥氏体（相）A碳溶于γ-Fe2.11%渗碳体（相）Fe3C复杂晶格的间隙化合物6.69%珠光体（组织）PF+Fe3C0.77%莱氏体（组织）Ld(高温)A+Fe3C4.3%Ld’（低温）P+Fe3C钢和铁是两种不同的材料吗？两种材料有什么区别吗？导入新课铁碳合金的分类及用途种类含碳量用途工业纯铁<0.0218%锻造、焊接钢0.0218%~2.11%建筑材料、机械零部件铸铁2.11%~4.3%铸造铁碳合金相图一、Fe-Fe3C相图分析1.Fe-Fe3C相图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分。左端原点Wc=0%，即纯铁；右端点Wc=6.69%，即Fe3C。2.横坐标上任一点均代表一种成分的铁碳合金。例如图中C点：表示Wc=4.3%（WFe=95.7%）的铁碳合金。C一、Fe-Fe3C相图分析3.相图中的特性线是把具有相同转变性质的各个成分合金的开始点和终了点，分别用光滑曲线连接起来得到的，表示铁碳合金内部组织发生转变的界限。一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义特性点t/℃wc/%含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点，Lc---------

Ld（AE+Fe3CF）D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度G9120纯铁的同素异晶转变点，γ-Fe→α-FeP7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点，AS→

P

（FP+Fe3CK）Q6000.006碳在α-Fe中的溶解度一、Fe-Fe3C相图分析特性点t/℃wc/%含义A15380纯铁的熔点一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义D12276.69渗碳体的熔点一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义C11484.3共晶点，Lc---------

Ld（AE+Fe3CF）一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义G9120纯铁的同素异晶转变点，γ-Fe→α-Fe一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义S7270.77共析点，AS→

P

（FP+Fe3CK）一、Fe-Fe3C相图分析4.各特性点的含义

特性点t/℃wc/%含义Q6000.006碳在α-Fe中的溶解度ACD线(液相线)任何成分的铁碳合金在此线以上处于液态（L），液态合金缓冷至AC线时，开始结晶出奥氏体（A）；缓冷至CD线时，液体中开始结晶出渗碳体，称此渗碳体为一次渗碳体（Fe3CⅠ）。一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义AECF线(固相线)任何成分的铁碳合金缓冷至此温度线时全部结晶为固相。一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义ECF线(共晶线)凡是Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148℃）时，均发生共晶转变，生成莱氏体（Ld）。一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义PSK线(共析线，又称A1线)凡是Wc＞0.0218%的铁碳合金，缓冷至该线（727℃）时，均发生共析转变，生成珠光体（P）。一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义ES线(Acm线)碳在γ-Fe中的溶解度曲线。在1148℃时，wc=2.11%（E点），随着温度降低，熔碳量减少，727℃时，wc=0.77%（S点）。它也是Wc＞0.77%的铁碳合金，由高温缓冷时，从奥氏体中析出渗碳体的开始温度线，此渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义碳在α-Fe中的溶解度曲线。在727℃时，Wc=0.0218%（P点），随着温度降低，溶碳量减少，至600℃时，Wc=0.006%（Q点）。因此，由727℃缓冷时，铁素体中多余的碳将以渗碳体形式析出，此渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。PQ线一、Fe-Fe3C相图分析5.各特性线的含义Wc＜0.77%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的开始线。GS线(A3线)

Fe-Fe3C相图中一次、二次、三次渗碳体的含碳量、晶体结构和性能均相同，没有本质区别，只是来源、分布、形态不同，因而对铁碳合金性能的影响有所不同。一、Fe-Fe3C相图分析6.各次渗碳体二、铁碳合金的分类按Fe-Fe3C相图中碳的含量及室温组织的不同，铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁类。含碳量＜0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁；6.69%＞含碳量＞2.11%的铁碳合金称为铸铁；

2.11%＞含碳量＞0.0218%的铁碳合金称为钢。含碳量＜0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁；A：工业纯铁（Wc≤0.0218%）1.工业纯铁2.钢（0.0218%＜Wc≤2.11%）共析钢：Wc=0.77%，室温组织为P。亚共析钢：0.0218%＜Wc＜0.77%，室温组织为F+P过共析钢：0.77%＜Wc≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ二、铁碳合金的分类3.铸铁白口铸铁（2.11%＜Wc≤6.69%）共晶白口铸铁：Wc=4.3%

室温组织为Ld′亚共晶白口铸铁：2.11%＜Wc＜4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld′过共晶白口铸铁：4.3%＜Wc≤6.69%，室温组织为Ld’+Fe3CⅠ二、铁碳合金的分类3.铸铁灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，全部或大部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名。牌号：字母“HT”+数字（最小抗拉强度）例：HT200表示灰铁，抗拉强度为200MPa二、铁碳合金的分类三、典型铁碳合金结晶过程分析合金结晶过程组织共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁三、典型铁碳合金结晶过程分析合金结晶过程组织共析钢L—L+A—A—PP亚共析钢L—L+A—A—A+F—P+FP+F过共析钢L—L+A—A—A+Fe3CII—P+Fe3CIIP+Fe3CII亚共晶白口铸铁L—L+A—Ld+A—Ld’+P+Fe3CⅡ

Ld’+P+Fe3CⅡ

共晶白口铸铁L—Ld—Ld’Ld’过共晶白口铸铁L—L+Fe3CI—Ld+Fe3CI—Ld’+Fe3CILd’+Fe3CI三、典型铁碳合金结晶过程分析共析钢冷却过程如图所示，其室温组织为珠光体。三、典型铁碳合金结晶过程分析1.共析钢冷却过程分析珠光体显微组织一般为层片状，当放大倍数较低时，只能看到白色基体的铁素体和黑色条状的渗碳体，如图。放大倍数较高时，可清楚看到渗碳体是有黑色边缘围绕着的白色条状，如图。三、典型铁碳合金结晶过程分析1.共析钢冷却过程分析其冷却过程如图所示：三、典型铁碳合金结晶过程分析2.亚共析钢冷却过程分析亚共析钢的显微组织如图，图中白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。（a）Wc=0.1%（b）Wc=0.25%（c）Wc=0.45%三、典型铁碳合金结晶过程分析2.亚共析钢冷却过程分析冷却过程如图所示：三、典型铁碳合金结晶过程分析3.过共析钢冷却过程分析所有过共析钢的室温组织都是由珠光体和网状二次渗碳体组成的。不同的是随含碳量的增加，网状二次渗碳体量增多，珠光体量减少。过共析钢的显微组织如图所示，图中片状黑白相间的组织为珠光体，白色网状组织为二次渗碳体。三、典型铁碳合金结晶过程分析3.过共析钢冷却过程分析共晶白口铸铁的冷却过程如图：4.共晶白口铸铁冷却过程分析三、典型铁碳合金结晶过程分析显微组织如图，图中黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体（其中共晶渗碳体与二次渗碳体混在一起，无法分辨）。三、典型铁碳合金结晶过程分析4.共晶白口铸铁冷却过程分析亚共晶白口铸铁的冷却过程如图：三、典型铁碳合金结晶过程分析5.亚共晶白口铸铁冷却过程分析其显微组织如图，图中黑色块状或树枝状为珠光体，黑白相间的基本为低温莱氏体，二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，无法分辨。5.亚共晶白口铸铁冷却过程分析三、典型铁碳合金结晶过程分析过共晶白口铸铁的冷却过程如图：三、典型铁碳合金结晶过程分析6.过共晶白口铸铁冷却过程分析铁碳合金相图分析结果四、成分—组织—性能关系1.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：

四、成分—组织—性能关系2.对性能的影响

随碳含量增加，碳素钢的硬度线性提高而塑韧性下降；强度先随硬度的提高而提高，但大约当C%>0.9%后，强度反而下降。四、成分—组织—性能关系2.对性能的影响FPFe3Cσb(MPa)

23075030δ(%)50200ak(J/cm2)160300HB80200800铁碳相图的基本相是F＋Fe3C，随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大800HBW(100%Fe3C)。3.在选材方面的应用铁碳合金相图所表明的成分、组织与性能之间关系，为合理选用钢铁材料提供了依据。连连看低碳钢高的硬度和脆性各种切削工具、模具及量具中碳钢强度、韧性好需要耐磨而不受冲击的零件高碳钢高的硬度、耐磨性好桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料白口铸铁塑性、韧性好各种机械零件四、成分—组织—性能关系3.在选材方面的应用铁碳合金相图所表明的成分、组织与性能之间关系，为合理选用钢铁材料提供了依据。连连看低碳钢高的硬度和脆性各种切削工具、模具及量具中碳钢强度、韧性好需要耐磨而不受冲击的零件高碳钢高的硬度、耐磨性好桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料白口铸铁塑性、韧性好各种机械零件四、成分—组织—性能关系质量意识根据Fe-Fe3C相图可确定合金的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上50～100℃。由相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围小，故流动性好、分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。所以，在铸造生产中，共晶成分附近的铸铁得到了广泛的应用。1.在铸造方面的应用五、铁碳合金相图的应用常用铸钢的含碳量规定在Wc=0.15～0.6%之间，在此范围的钢，其结晶温度范围较小，铸造性能好。1.在铸造方面的应用五、铁碳合金相图的应用碳钢在室温时是由铁素体和渗碳体组成的复相组织，塑性较差，变形困难，当将其加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。含碳量越