工程材料与热加工技术第3章.ppt

1、第3章 铁碳合金相图,3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相 3.2 铁碳合金相图分析 3.3 铁碳合金相图的应用 知识窗金相观察 学习指导 自测习题,3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相,3.1.1 纯铁的同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。,图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在153

2、8进行结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe。继续冷却到1394时发生同素异构转变，成为面心立方晶格的-Fe。再冷却到912时又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的-Fe。正因为纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。,图3-1 纯铁的冷却曲线,纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度(相变点)；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，-Fe

3、转变为-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。 纯铁的磁性转变温度为770。磁性转变不是相变，晶格不发生转变。,3.1.2 铁碳合金的基本相和基本组织 在铁碳合金中，铁和碳是它的两个基本组元。在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对铁碳合金的组织和性能产生影响。 (1) 液相。用符号L表示，是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀的液体。,(2) 铁素体。用符号F表示，是碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，600时为0.0057%，在7

4、27时溶碳量最大，为0.0218%。铁素体的性能特点是强度、硬度低，塑性和韧性良好。其力学性能与工业纯铁大致相同，即b250 MPa、80HBS、= 45%50%，工业纯铁(wC0.02%)的室温组织是由铁素体晶粒组成的。,(3) 奥氏体。用符号A表示，是碳溶入-Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形(= 40%50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。,(4) 渗碳体相。渗碳体是Fe与C形成的一种具有复杂结构的间隙化合物，含碳量为6.69%，通常称为

5、渗碳体，用Fe3C(或Cm)表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。 渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有很大影响。,(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。它是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体的含碳量为0.77%。由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此，珠光体有着良好的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高且仍有一定的塑性和韧性。珠光体在显微镜下呈片层状，如图3-2所示。图中黑色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。,(6) 莱氏体(合金的基本组织

6、之一)。它是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷却到727以下时，将转变为珠光体和渗碳体的机械混合物(P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，故其力学性能与渗碳体相近。,图3-2 珠光体的显微组织,3.2 铁碳合金相图分析,铁碳合金相图是以温度为纵坐标、含碳量为横坐标绘制的图形，如图3-3所示(这里将左上角进行了简化)。它是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工工艺的制定也具有重要的指导意义。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而有

7、实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。,图3-3 Fe-Fe3C相图,3.2.1 图形分析 铁碳合金相图中有四个基本相，即液相(L)、奥氏体(A)、铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)。它们各有其相应的单项区。 (1) 相图中的特性点。在铁碳合金相图中，用字母标出的点都有其特定的意义，称作特性点。主要特性点的温度、含碳量及含义见表3-1。,表3-1 铁碳合金相图各特性点的说明,(2) 相图中的特性线。相图中各条线都表示铁碳合金发生组织转变的界限，这些线就是组织转变线，又称作特性线。下面简单介绍一下主要特性线的含义。 ACD线为液

8、相线。此线以上的区域是液相区，液态合金冷却到此线温度时，便开始结晶。 AECF线为固相线。表示合金冷却到此线温度时将全部结晶成固态。 液相线和固相线之间所构成的两个区域，是由液态合金和结晶体组成的两相区。不过，这两个区所包含的结晶体不同，液态合金沿AC线结晶出来的是奥氏体，而沿CD线结晶出来的是渗碳体。由液态合金直接析出的渗碳体称为一次渗碳体(Fe3CI)。,ECF水平线为共晶反应线，C点为共晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1148时，C点成分的液相发生共晶反应，生成E点成分的奥氏体和Fe3C。共晶反应在恒温下进行，共晶转变的表达式如下：,共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物，称莱氏体，

9、以符号Ld表示。含碳量在2.11%6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。,PSK水平线为共析反应线，S点为共析点。合金在平衡结晶过程中冷却到727时，S点成分的奥氏体发生共析反应，生成P点成分的铁素体和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中奥氏体、铁素体、Fe3C三相共存。共析转变的表达式如下：,共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。含碳量为0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，通常称A3线。奥氏体之所以转变成铁素体是-Fe-Fe同素

10、异晶转变的结果。,ES线是碳在奥氏体中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在1148时A中溶碳量最大可达2.11%，而在727时仅为0.77%，因此碳含量大于0.77%的铁碳合金自1148冷却至727的过程中，将从奥氏体中析出Fe3C，析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的固溶线。在727时F中溶碳量最大可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此，含碳量大于0.0008%的铁碳合金自727冷却至室温的过程中，将从F中析出Fe3C，析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次渗碳体数量极少，对钢铁性能的影响可以忽略不计。为了初学者方便，可将铁碳相图的左

11、下角简化。,3.2.2 典型合金结晶过程分析 1铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类： (1) 工业纯铁(wC0.0218%)。 (2) 钢(0.0218%wC2.11%)。钢分为亚共析钢(0.0218%wC0.77%)、共析钢(wC=0.77%)和过共析钢(0.77%wC2.11%。 (3) 白口铸铁(2.11%wC6.69%)。白口铸铁分为亚共晶白口铸铁(2.11%wC4.3%)、共晶白口铸铁(wC=4.3%)和过共晶白口铸铁(4.3%wC6.69%)。,2钢的结晶过程分析,图3-4 典型铁碳合金的结晶过程分析,1) 共析钢的结晶过程 共析钢的冷却过程如图3-4中的合

12、金线所示，含碳量为0.77%，其结晶过程如图3-5所示。,图3-5 共析钢的结晶过程示意图,合金冷却时，于1点起从L中结晶出A，至2点全部结晶完了。在23点间A不变。至3点时，A发生共析反应生成P。从3点继续冷却至室温，P不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P。即,LL+AAA+PP(F+Fe3C),珠光体呈层片状，其显微组织如图3-2所示。,2) 亚共析钢的结晶过程 亚共析钢的冷却过程如图3-4中的合金线所示，以含碳量为0.4%的铁碳合金为例，其结晶过程如图3-6所示。,图3-6 亚共析钢的结晶过程示意图,亚共析钢在3点以上的结晶过程与共析钢相同，当冷却到3点时，由A中析出F，F在A晶

13、界处优先生核并长大，而A和F的成分分别沿GS和GP线变化。至4点时，A的成分变为0.77%C，F的成分变为0.0218%C。此时A发生共析反应，转变为P，F不变化。4点以下继续冷却，组织基本不发生变化，因此室温平衡组织为FP，即,LLAAFAFP,其显微组织如图3-7所示。F呈白色块状；P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。含碳量大于0.6%的亚共析钢，室温平衡组织中的F常呈白色网状，包围在P周围。,图3-7 亚共析钢显微组,3) 过共析钢的结晶过程 过共析钢的冷却过程如图3-4中的合金线所示，以含碳量为1.2%的铁碳合金为例，其结晶过程如图3-8所示。,图3-8 过共析钢的结晶过程示意图,合

14、金冷却时，从1点起自L中结晶出A，至2点全部结晶完了。在23点间A不变，从3点起由A中析出Fe3CII，Fe3CII呈网状分布在A晶界上。至4点时A的含碳量降为0.77%，发生共析反应转变为P，而Fe3CII不变化。在45点间冷却时组织不发生转变，即 LLAAAFe3CIIPFe3CII(网状) 因此室温平衡组织为PFe3CII。其显微组织如图3-9所示。Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。,图3-9 过共析钢的显微组织,3白口铸铁(2.11%wC6.69%)的结晶过程 1) 亚共晶白口铁(以合金为例) 合金冷却到1点(在AC线上)，从液态中先结晶出奥氏体A，温度下降到2点(共晶线上)时，剩

15、余液相转变为高温莱氏体(Ld)，先结晶的A在温度继续下降时转变为PFe3CII，而莱氏体也转变为低温莱氏体(Ld)，即 LLAALdPFe3CIILd 因此，亚共晶白口铁室温组织PFe3CIILd，如图3-10(a)所示。,2) 共晶白口铁(wC=4.3%的合金) 共晶白口铁在共晶点C由液态转变为莱氏体(Ld)组织，当温度降到2点(共析温度)转变为低温莱氏体(Ld)组织，即 LLd(AFe3C) Ld(PFe3CIIFe3C) 低温莱氏体室温组织如图3-10(b)所示。图中黑色为珠光体，白色为渗碳体。,3) 过共晶白口铁(以合金为例) 合金冷却到1(在DC线上)，从液态金属中析出一次渗碳体(F

16、e3CI)，温度下降到2点(共晶线上)时，剩余液相转变为高温莱氏体(Ld)，先结晶的粗大Fe3CI一直保留到室温，而莱氏体在3点(共析线上)转变为低温莱氏体(Ld)，即 LLFe3CILdFe3CILdFe3CI 如图3-10(c)所示，过共析白口铁中存在粗大片状一次渗碳体，图中的白色长条状。,图3-10 白口铸铁的显微组织 (a) 亚共晶白口铁；(b) 共晶白口铁；(c) 过共晶白口铁,3.3 铁碳合金相图的应用,3.3.1 含碳量、组织与力学性能的关系 1铁碳合金的含碳量与组织的关系 在室温下，碳含量不同的铁碳合金，不仅F和Fe3C的相对量不同，而且合金的组织也不同。铁碳合金的成分组织存在

17、一定的对应关系。随碳含量增大，组织按下列顺序变化： F、FP、P、PFe3CII、PFe3CIILd、Ld、LdFe3CI、Fe3C 含碳量小于0.0218%的合金的组织全部为F；含碳达到0.77%时全部为P；含碳4.3%时全部为Ld；含碳6.69%时全部为Fe3C。在上述含碳量之间，则为相应组织组成物的混合物。铁碳合金的成分、组织、相组成物及组织组成物的变化规律如图3-11所示。,图3-11 铁碳合金组织与碳含量的关系,2钢的含碳量与性能的关系 铁素体强度、硬度低，塑性、韧性较好，是软韧相；珠光体的强度、硬度较高，塑性、韧性较低；Fe3C是硬脆相，其塑性、韧性几乎为零。铁碳合金的性能取决于它

18、们的相对含量以及分布。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。亚共析钢的强度随着含碳量的增大而增大。但当含碳量超过共析成分之后，合金强度的增高变慢，约到0.9%时，强度迅速降低，随着含碳量的进一步增加，强度不断下降，到2.11%后，合金中出现Ld时，强度已降到很低的值。再增加含碳量时，由于合金基体都是脆性很高的Fe3C，强度变化不大且值很低。,图3-12 钢的含碳量与性能的关系,3.3.2 铁碳合金相图的应用 1在钢铁材料选用方面的应用 Fe-Fe3C相图所表明的成分组织性能的规律，为钢铁材料的选用提供了根据。例如：建筑结构等使用的各种型钢需用塑性、韧性好的材料，选用含碳量较低的钢材；机械零件需要

19、强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用含碳量适中的中碳钢；工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选含碳量高的钢种。,2在铸造工艺方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，如图3-13所示。浇注温度一般在液相线以上50100。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以在生产上的铸铁总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳含量规定在0.15%0.6%之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。,3在热锻、热轧工艺方面的应用 钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行，

20、如图3-13所示。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内。,图3-13 铁碳相图与铸锻工艺的关系,4在焊接工艺方面的应用 焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由Fe-Fe3C相图可知，受不同加热温度的各个区域在随后的冷却中可能会出现不同的组织与性能，这就需要采用热处理方法加以改善。,5在热处理工艺方面的应用 这方面的应用将在热处理一节中详细阐述。 在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： (1) Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。 (2) Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其

21、组织转变就不能只用相图来分析了。,知识窗金相观察,1金相显微镜 研究金属显微组织的光学显微镜称为金相显微镜。金相显微镜不同于生物显微镜。生物显微镜是利用透射光来观察透明的物体，而金相显微镜则是利用反射光将不透明物体放大并进行观察。利用金相显微镜观察可分析金属材料的细微组织和缺陷。一般金相显微镜的放大倍数是102000倍，金属颗粒的平均直径在0.10.001 mm范围内，正是借助于金相显微镜来看其轮廓的范围。故显微分析是目前生产检验与科学研究的主要方法之一。金相显微镜由两个透镜组成，对着金相试样的透镜称为物镜，对着人眼的透镜称为目镜。现代金相显微镜的物镜与目镜实际上不是单片透镜，而是由固定在金属

22、筒内的组合透镜所构成的。金相显微镜通过物镜与目镜两次放大而得到倍数较高的放大像。现代金相显微镜的最高放大倍数可达15002000倍。,2金相试样的制备 金相试样的制备包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀等五个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织，且无磨痕、麻点与水迹，并使金属组织中的夹物、石墨等不脱落。否则将会严重影响显微分析的正确性。 (1) 取样。取样的部位和检验面的选择，应根据检验目的选取有代表性的部位，试样的截取方法可根据金属材料的性能不同而异，金相试样的大小和形状以便于握持、易于磨制为准，通常采用直径为1520 mm、高为1520 mm的圆柱体或边长为1520 mm的立方体。,(2) 镶

23、嵌。一般情况下，如果试样大小合适，则不需要镶嵌。但试样尺寸过小或形状极不规则者(如金属丝、薄片、管等)，制备试样十分困难，这时就需要使用试样夹或利用样品镶嵌机，把试样镶嵌在低熔点合金或塑料(如胶木粉、聚乙烯及聚合树脂等)中。 (3) 磨制。试样取下后，先用砂轮磨平，磨平的试样经清水冲洗并吹干后，把磨面依次在由粗到细的各号金相砂纸上磨光。金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。,学 习 指 导,(1) 铁碳合金的基本组织及性能。 铁素体F，体心立方晶格，C溶于-Fe中的间隙固溶体，塑性、韧性好，强度低。 奥氏体A，面心立方晶格，C溶于-Fe中的间隙固溶体，高温存在，

24、塑性韧性良好。 从液态析出Fe3CI，从A析出Fe3CII，从F析出、Fe3CIII(可以忽略)。Fe3C硬而脆。 高温莱氏体Ld(A+Fe3C)，冷却变成低温莱氏体Ld(P +Fe3C)，都是机械混合物，硬而脆。 珠光体P，共析生成的(F+ Fe3C)机械混合物，有较好的力学性能。,(2) 要求牢固掌握简化的铁碳相图，并掌握铁碳相图各相区的组织及性能，尤其是室温时典型合金的组织特征。 (3) 铁碳合金的化学成分、组织状态和性能之间的关系。随含碳量增大，组织按下列顺序变化：FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+LdLdLd+Fe3CIFe3C。显然随碳含量增大，硬度不断增加。,自 测 习 题,一、名词解释 1. 铁素体 2. 奥氏体 3. 渗碳体 4.珠光体 5. 莱氏体