材料科学基础――铁碳相图

1、,金属工艺学,Fe-Fe3C相图,教师：李文琼 日期：2014年8月20日,铁碳合金组元性质 Fe-Fe3C相图分析 铁碳合金平衡结晶过程 Fe-Fe3C相图的应用 碳钢,基本知识,合金的结晶特点：,1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温度范围内完成，而纯金属在恒温下完成；,2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。,合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称,合 金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与 非金属元素组成的具有金属特性的物质,组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；在

2、大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合金分为二元合金、三元合金及多元合金,相：是指合金中化学成分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，并以界面互相分开的各均匀组成部分,组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。,相图： 表示合金系中合金的状态与温度、成分之间关系的图解。,相图的基本知识,热分析法,时间,温度,凝固开始,凝固终了,L,L+S,S,二元合金相图的建立,常见三相等温水平线上的反应,铁碳相图有两类： 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是06.69 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含

3、量的范围是0100。,一、铁碳合金中的组元及相 纯铁,1394,1538,912, - Fe, - Fe, - Fe,碳在-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，简称为铁素体()；最大溶碳量为727时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：b180280MPa、0.2100170MPa、30%50%，k160200J/2 、硬度80HB 。 碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，()，最大溶碳量为1495时的0.09。,铁素体,碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148时的wc=2.11；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：b400MPa

4、、40%50%、170220HB。 奥氏体主要存在于727以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。,奥氏体,渗碳体,渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(b)30MPa、伸长率()0、冲击韧度(k)0。,珠光体,FFe3C的一种机械 混合物，用符号P表 示，其组织为层片状 结构，综合了铁素体 和渗碳体优点，其综 合力学性能好。,莱氏体,莱氏体是由AFe3C组成的一种机械混合物，用符号L

5、d表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。,二、铁碳合金相图的分析,包晶相图,由三个相图组成,共析相图,共晶相图,五个基本相：五个单相区,液相L 高温铁素体 铁素体 奥氏体 渗碳体 Fe3C,相图的分析,三条水平线,HJB水平线（1495）,包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体,L0.53+0.090.17,ECF水平线（1148）,共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用“Le”表示,L 4.3 2.11+ Fe3C,莱氏体组织特征为蜂窝状，性能硬而脆,三条水平线,PSK水平线（727）,共析线，发生共析反应，反应产物为铁

6、素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示, 0.77F 0.0218+ Fe3C,共析线又称为A1线,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,图中的特性线,ABCD液相线,AHJECF固相线,GS、GP为 固溶体转变线,HN、JN为 固溶体转变线,GS线又称为A3线,JN线又称为A4线,六条重要的固态转变线,二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布,随着温度下降，C的溶解度下降,当含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148冷却到727时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体,标记为Fe3C,ES线又称为Acm线,ES线为碳在 -Fe中的固溶线,PQ线为碳在-Fe中的固溶线,标记为Fe3C,

7、随着温度下降，C的溶解度下降,铁碳合金自727向室温冷却时，会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体,因为析出量极少，在含碳量高的合金中不予以考虑,CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线,从液体中结晶出的渗碳体称为一次渗碳体,标记为Fe3C,注：各种不同的渗碳体分属于不同的组织组成物，区别在于形态和分布不同。但属于同一个相,三、典型铁碳合金相图的结晶过程,一、铁碳合金的分类,1. 工业纯铁（0.0218%C）,室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金，工业上很少使用,2. 钢（0.0218%-2.11%C）,高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室温组织的不同分为三类,(1) 亚共析钢（0.0

8、218%-0.77%C）,指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金，有熟铁之称,(2) 共析钢（0.77%C）,指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8钢,(3) 过共析钢（0.77%C- 2.11%C）,指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金,3.白口铸铁（ 2.11% - 6.69%C）,指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金,其断口白亮而得名，俗称生铁,具有较低的熔点，流动性好，便于铸造成形,含有一定数量的莱氏体，硬度高、脆性大，故不能承受锻造、轧制等压力加工，也不宜切削加工,特点,分类,亚共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,过

9、共晶白口铸铁,4、灰铸铁（ 2.11% C）,指室温下的平衡组织具有铁素体、珠光体，或是两者皆有的基体，且基体上分布着不同形态石墨的铁碳合金，其断口呈暗灰色,1. 工业纯铁 ( Wc 0.0218% ),纯铁组织金相图,2. 共析钢 ( Wc = 0.77% ),共析钢组织金相图,相组成：+Fe3C 组织组成：P,共析钢 ( Wc = 0.77% ),3. 亚共析钢 ( Wc = 0.45% ),亚共析钢组织金相图,组织组成： +P,亚共析钢 ( Wc = 0.45% ),相组成： +Fe3C,a)含碳量0.20 b)含碳量0.40 c)含碳量0.60,a,b,c,4. 过共析钢 ( Wc =

10、 1.2% ),过共析钢组织金相图,组织组成： Fe3C+P,过共析钢 ( Wc = 1.2% ),相组成： +Fe3C,a) 硝酸酒精浸蚀 b) 苦味酸钠的浸蚀 白色网状相为二次渗碳体 黑色网状为二次渗碳体 暗黑色为珠光体 浅白色为殊光体,5. 共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% ),共晶白口铸铁组织金相图,组织组成： Fe3C+PLd,共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% ),相组成： +Fe3C,6. 亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% ),亚共晶白口铸铁组织金相图,组织组成： Fe3C+P+Ld？,亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% ),相组成： +Fe3C,7. 过共晶白口铸铁 ( Wc =