金属学与热处理 - 铁碳合金.ppt

1、总目录，第三章钢碳合金，教育提示：钢材料是工业上应用最广泛的合金，铁碳合金相是研究铁碳合金的重要工具。它是研究铁碳合金的化学成分、组织和性能之间关系的理论基础。理解和掌握铁炭相对钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定等具有重要的指导意义。铁炭相是人类通过长期生产实践进行大量科学实验总结的。钢的碳含量最高不超过2.11%，铸铁的碳含量最高不超过5%，因此在研究铁碳合金时，只研究Fe-Fe3C(碳含量为0%6.69%)部分，下面介绍的铁碳合金相实际上是Fe-Fe3C相，铁碳合金中的碳有两种存在形式：三碳体一般来说，碳以炭体的形式存在。也就是说，铁碳合金随着Fe-Fe3C体系而变化。但是，由于F

2、e3C是在一定条件下可以分解成铁基固溶体(Fe)和石墨的亚稳定相，因此石墨是碳存在的更稳定的状态。因此，铁炭相有两种形式：Fe-Fe3C和Fe-石墨，本章仅研究Fe-Fe3C照片。教育要求：通过本章的学习，学生们可以了解Fe-Fe3C照片也是中点、线和各相球的物理意义，从而分析徐璐其他成分的铁碳合金的平衡测定过程，并利用杠杆定律计算室温下相成分和组织成分的相对数量。掌握铁碳合金室温下组织成分和相成分的形态和性能特征。，20点铁的密度为7.87g/cm3。1.铁的同素异晶转化铁具有多晶性，图3.1是铁的冷却曲线。如图所示，纯铁由1538确定为-Fe，X-张艺兴分析表明它具有体心立方晶格。温度持续

3、冷却到1394时，-Fe转换为面心立方晶格的-Fe，通常-Fe-Fe的转换称为A4转换，转换的平衡临界点称为A4点。当温度持续冷却到912时，面心立方晶格的-Fe再次转换为体心立方晶格的-Fe，-Fe-Fe的转换称为A3转换，转换的平衡临界点称为A3点。912以下，铁的晶体结构不再改变。因此，铁具有-Fe、-Fe和-Fe三种同素异晶状态。图3.1纯铁的冷却曲线，其中图3.2(a)是结晶后形成的-Fe结晶，图3.2(b)是通过再结晶后(A4转换)从-Fe结晶转换而来的-Fe结晶，图3.2(c)是最后再结晶(A3转换)由此，铁的多晶型转换具有重要的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。此外，必须

4、指出-Fe在770中从磁性转换，即高温的顺磁性状态转换到低温的铁磁状态。一般这种磁转换称为A2转换，磁转换温度称为铁的居里点。发生磁性转换时，铁的晶格类型不变，因此磁性转换不属于相变。3.1铁合金的成分和基本相，奥氏体是碳在-Fe中溶解的间隙铁素体和奥氏体是铁炭相中两个非常重要的基本相。铁索体的钢弹能力比奥氏体小得多。奥氏体的最大容弹量为2.11%(温度为1148时)，而铁素体的最大容弹量仅为0.0218%(温度为727时)，室温下容弹能力低，一般低于0.008%。面心立方体晶格比体心立方体晶格密度大，奥氏体比铁素体碳溶解能力大的原因是与晶体结构的间隙大小有关。根据测量和计算，-Fe的晶格常数

5、(950点)为0.36563nm，其八面体间距半径为0.535nm，接近碳原子半径0.77nm，因此碳在奥氏体中的溶解度更大。-Fe是20点晶格常数为0.28663nm，碳原子通常溶于八面体间距，而八面体的间距半径只有0.01862nm，远小于碳的原子半径，因此在铁素体中的碳溶解度很小。碳溶解在体芯立方晶格-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，这表明1495点最大容积为0.09%。铁素体的性能几乎与纯铁相同，居里点也为770。奥氏体的塑性很好，有顺磁性。，3因此，纯铁的力学性能大致范围为：屈服强度：98MPa166MPa拉伸强度：176MPa274MPa拉伸率：30P%剖面收缩率：70%冲击韧性：1

6、60j/cm2220纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性。工业中精制的电工纯铁和工程纯铁具有很高的导电率，可以在各种仪表的铁芯等需要软磁的情况下使用。3.1铁-碳合金的成分和基本相，3.1.2碳和渗碳体，图3.3碳晶体晶胞的原子位置，3.1铁-碳合金的成分和基本相，1碳的原子序数为6，原子量为12.01，在自然界中，碳以石墨和金刚石两种形式存在。铁碳合金中的碳不是以钻石形式存在的。石墨的空间晶格属于六字晶系，具有简单的六字晶体结构，六字层中相邻的原子间距为0.142nm，层间距为0.340nm，碳原子在六字层中有很强的共价键，层与层之间的耦合很弱，因此石墨容易沿此层滑动。硬度很低，只有3HB5

7、HB，塑料几乎接近0。铁碳合金的石墨通常用符号g或c表示。，三个晶格常数分别为a0.4524nm、b0.5089nm和c0.6743nm。图3.3是包含12个铁原子和4个碳原子的三碳体晶胞的立体图，符合FeC31的关系。为了进一步分析渗碳体的结构特征，图3.4(a)绘制了沿001方向向下看4个渗碳体晶胞的视图。在图中，大圆圈表示铁原子，小圆圈表示碳原子。用双圆绘制的是两个铁原子，它们的(X，Y)坐标完全相同，但z坐标不同。用不打剖面线和剖面线的方法表示Z坐标不同的铁，碳原子。如图所示，每个碳原子周围都有六个铁原子，这六个铁原子形成三角形棱柱，碳原子位于三角形棱柱的中心。这些单独的三角棱镜是图3

8、.4(b)所示的三角形棱镜拐角处的铁原子相邻的两个三角棱镜所共有的。因此，每个三棱镜有三个铁原子和一个碳原子形成Fe3C分子。这种三棱镜都是双层的(见图3.4(a)，虚线连接的是下层，虚线连接的是上层。，3.1铁合金的元素和基本相，理论计算表明，渗碳体的熔点为l227。、图3.5是Fe-Fe3C照片，图中每个特征点的温度、碳浓度和含义见表3-1。各特征点的符号在国际上通用，不能随意改变。3.2 Fe-Fe3C相图分析，3.2.1相图中的点、线、区域及其含义，图3.5 Fe-Fe3C相图，ABCD以上液相区域(L) AHNA雇用这些两相区域分别为ABJHA液相固溶体区域(L) JBCEJ液相奥氏

9、体区域(L) DCFD液相渗碳区域(LFe3C) HJNH固溶体奥氏体区域()GSPG铁氧体奥氏体区域()ECFKSE奥氏体渗碳体(L)上图有两条磁转换线。MO铁索体的磁转换线超过230的虚线渗碳体的磁转换线有三条水平线。HJB波正电环线ECF共融过渡线PSK共融过渡线下，以三条水平线为中心，分为三部分进行分析。、在磁转换温度A4转换温度wC0.5%时，磁碳含量在0.09%0.17%之间的合金有很多铁素体的杨怡，因此，在包晶反应结束后，液体枯竭，还剩下一些铁素体。这部分在后续冷却过程中通过同素异晶转换变成奥氏体。碳含量在0.17%0.53%之间的合金，反应前相少，液体多，因此，浦晶反应结束后还

10、剩下一定量的液体，这部分在后续冷却过程中由奥氏体决定。碳含量为0.09%0.53%的合金都要经过炮位转换过程，可见无论炮位转换前后转换过程如何，最终都要得到单相奥氏体。3.2.2光子晶体转换(水平线HJB)，3.2 Fe-Fe3C相图分析，结论碳量小于2.11%的合金在冷却过程中一定温度范围内可以得到单相奥氏体组织。这种合金叫钢。应该指出，由于铁碳合金的包晶反应温度高，碳原子扩散快，包晶分离不严重。但是在高合金钢中，合金元素扩散缓慢会导致严重的炮位偏析。3.2 Fe-Fe3C相图分析，Fe-Fe3C相的共晶转变在1148的恒温下，从碳含量为4.3%的液相转变为碳含量为2.11%的奥氏体和碳含量

11、为6.69%的渗碳体的混合物。反应式是由LC Fe3C共晶转换形成的奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体，用Ld表示。在莱氏体中，渗碳体连续分布，奥氏体在渗碳体的气体中呈短杆状分布。由于炭体脆，莱氏体是可塑性很低的组织。莱氏体中奥氏体和十六烷体的相对含量以杠杆定律为基础，碳含量在2.11%6.69%之间的合金要进行共晶转变，这种合金叫做铸铁，因为组织中均含有莱氏体，骨折为银白色，所以称为白珠铁。3.2.3共晶转换(水平线ECF)，3.2 Fe-Fe3C相图分析，其中碳含量为2.11%4.30%的合金称为共晶白口铸铁。当这种合金开始在液体中凝固时，从BC线开始析出先共晶奥氏体，然后在共晶温度下通过

12、共晶转变为莱氏体。先共晶奥氏体一般具有树突的形态。值得注意的是，在共晶温度1148和空缺温度727之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体的碳含量从2.11%下降到0.77%，析出第二次渗碳体(标记为Fe3C)，然后从727转变为珠光体。碳含量为4.3%6.69%的合金称为共晶白色铸铁。这种合金冷却后，会冷却到CD线，在液体中析出先孔熔化的炭体，然后剩下的液体通过共晶温度转换到莱氏体。先孔融洗弹体是板型的，也称为一次性洗弹体(Fe3C)。3.2 Fe-Fe3C相图分析，Fe-Fe3C相图的共析转换从727恒温下碳含量为0.77%的奥氏体转变为碳含量为0.0218%的铁素体和渗碳的混合物，共析碳含量超过0.0218%的铁碳合金都将发生空缺转换。通过空缺转换形成的珠光体是分层的。在这里，铁索体和渗碳体的含量可以用杠杆定律计算。=100%=88.7%=1-88.7%=11.3%渗碳和铁素体含量的比率为/1/8。也就是说，如果忽略比铁索体和渗碳体体积小的差异，铁索体的体积是渗碳体的8倍，在金相显微镜下观察时，珠光体组织的厚片是铁索体，薄片是渗碳体。3.2.4公共分析转换(PSK线)，