第4章 Fe-C合金.ppt

1、工程材料学,第四章 铁碳合金,第四章 铁碳合金 ( Iron Carbon Alloy ),Fe C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。 Fe - Fe3C 相图的应用。 铁碳合金的生产及分类。,金属的同素异构转变 纯铁的同素异构( allomorph )转变反应式:,第一节 Fe - C相图的基础知识,纯铁的冷却曲线,1394,1534,912, - Fe, - Fe, - Fe, Fe在700度（居里温度）发生磁性转变，即在该温度以上磁性消失，不属相变 工业纯铁力学性能

2、特点：强度、硬度低，塑性、韧性好 抗拉强度b =180-230MPa, 伸长率 30-50%，断面收缩率=70-90%，冲击韧度K =160-200 J/cm2 , 硬度50-80HB,第一节 Fe - C相图的基础知识,1.铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物。,2.稳定的化合物可以作为一个独的组 元。,3.Fe C 二元相图。,Fe C 二元相图,(6.69%C),Mg Si 合金相图,第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元 和基本组织的结构与性能,一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite ),二.基本组织,1.铁素体 ( F )

3、 ( Ferrite ) 碳溶于 Fe中形成 的间隙固溶 体。,铁素体组织金相图,2.奥氏体 ( A ) - Austenite 碳溶于 -Fe中形成 的间隙固溶 体。,奥氏体组织金相图,3. 渗碳体 ( Fe3C ) - Cementite 铁与碳 形成的金属 化合物。 特点：硬、脆 b =30MPa, 0%， 0%， K 0 J/cm2 , 硬度800HB,渗碳体组织金相图,4.珠光体 ( P ) - Pearite,铁素体和渗碳体组成的机械混合物。,5.莱氏体 ( Ld ) - Ledeburite,奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。,第 三 节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析,一.

4、Fe - Fe3C 相图的建立,包晶反应相图,共晶反应相图,共析反应相图,Fe - Fe3C 相图,Fe - Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,(A+Fe3C),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,(F+ Fe3C),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,共晶相图,共析相图,匀晶相图,Fe - Fe3C 相图,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,(A+Fe3C),Ld,Ld+Fe3C

5、,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,(F+ Fe3C),P,P+F,P+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,Fe - Fe3C 相图,二. Fe - Fe3C 相图的分析,五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶 转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 、727 。,三.典型铁碳合金的结晶过程分析,工业纯铁 ( ingot iron ) 共析钢 ( eutectoid steel ) 亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 过共析钢 ( hyper

6、eutectoid steel ) 共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁( hypereutectoid white iron ),1.工业纯铁 ( Wc 0.0218% ),工业纯铁组织金相图,2. 共析钢 ( Wc = 0.77% ),共析钢组织金相图,3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% ),亚共析钢组织金相图,4.过共析钢 ( Wc = 1.2% ),过共析钢组织金相图,5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% ),共晶白口铁组织金相图,6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0%

7、),亚共晶白口铁组织金相图,7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% ),过共晶白口铁组织金相图,组织组成物:,F ; Fe3C,F ; P,相组成物:,P = 1 WF = 57%,Fe3C = 1 - WF = 6%,0.02,0.45,0.77,6.69,第四节 碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响,碳的质量分数对平衡组织的影响。 碳的质量分数对力学性能的影响。 碳的质量分数对工艺性能的影响。,一.碳的质量分数对平衡组织的影响,二.碳的质 量分数对 力学性能 的影响,三.碳的质量分数对 工艺性能的影响,对铸造性能的影响。 对锻造性能的影响。 对焊接性能的影响。 对切削加工性能的影响。

8、,第五节 Fe - Fe3C 相图的应用,一.选择材料方面的应用,1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。,2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。,二.制定热加工工艺方面的应用,第六节 铁碳合金的生产及分类,钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。,一.钢铁的冶炼,高炉 炼铁,铸铁锭,生产铸铁件,炼钢生铁,转炉 平炉 电炉,生产钢件,转炉炼钢,平炉炼钢,电弧炉炼钢,1.炼铁的冶金反应特点:,还原反应,2.炼钢的冶金反应特点:,氧化反应,二.钢锭的组织、质量及缺陷,一)杂质元素对

9、钢的质量和性能的影响,Mn 脱氧、去硫,提高钢的强度 和硬度。,Si 有很强的固溶强化作用,能脱 氧。,1.有益元素,2.有害元素:,P 有很强的固溶强化作用,低温 韧性差 ( 冷脆 )。,S 能引起钢在热加工时或高温工 作下开裂 ( 热裂 )。,3.气体元素:,N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时 效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效 倾向。 O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。 H：原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起氢 脆。当氢在缺陷处以 分子态析出时，会产 生很高内压，形成微 裂纹，其内壁为白色， 称白点或发裂。,二)钢锭的组织及其宏观缺陷,1.镇静钢 ( killed stee

10、l ),钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅 进行了充分脱氧 ,Wo = 0.01%左右, 成 分较均匀、组织较致密。主要用于机 械性能要求较高的零件。,2.沸腾钢 ( boiling steel ),钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧, Wo = 0.03%0.07%,成分偏析较严重、 组织不致密。机械性能不均匀, 冲击韧 性差, 常用于要求不高的零件。,3.半镇静钢 ( balanced steel ),半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢 和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进 行脱氧。其质量也介于二者之间,可代 替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。,三.碳素钢的分类、编号及用途,碳素钢的分类 碳素钢的编号及用途

11、,一)碳素钢的分类,1.按碳的质量分数分类: * 低碳钢: Wc 0.25% * 中碳钢: 0.25% Wc 0.6% * 高碳钢: Wc 0.6%,2.按钢的质量分类:,* 碳素钢: Wp = (0.035% 0.045%) Ws = (0.035% 0.050%),* 优质碳素钢: Wp = 0.035% Ws = (0.030% 0.035%),* 高级优质碳素钢: Wp 0.030% Ws = ( 0.020%0.025% ),3.按钢的用途分类:,碳素结构钢 ( carbon structural steel ) 用于制造各种机械零件、工程构 件。一般为低、中碳钢。,碳素工具钢 ( carbon tool steel ) 用于制造各种工具。一般为高碳钢。,二)碳素钢的编号