铁碳合金的平衡组织与非平衡组织教学课件PPT.ppt

1、,第四章 铁碳合金的平衡组织与非平衡组织,重点掌握 一般要求 教学内容,41 Fe-Fe3C相图 42 Fe-C合金平衡结晶过程 43 复线铁碳相图 44 铁碳相图的应用及局限 45 钢在加热时的组织转变 46 钢在冷却过程中的组织转变,1.各类特殊性能铸铁的成分，组织，性能特点和应用； 2.白口铁的组织与性能。,教学内容,一般要求,1. 纯铁的同素异构转变； 2. 铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌； 3. 铁碳合金相图中各点、钱、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程； 4

2、. 铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系； 5. 钢中常见杂质对钢的性能的影响？ 6. 碳钢的分类，编号和用途； 7. 铁碳相图的应用。 8. 铸铁的石墨化原理，石墨的形态，大小对铸铁性能的影响，铸铁的性能特点及应用范围； 9. 各类铸铁的成份，组织和性能特点及牌号识别； 10. 铸铁的常用热处理的方法和目的。,重点掌握,1Fe组元 -Fe(bcc) 1394-Fe(fcc)912-Fe(bcc) (同素异构转变) 强度低、硬度低、韧性、塑性好 2Fe3C （ Cem， Cm） （在Fe-C相图中表现为位于6.69C处的竖直线） 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,41 Fe-Fe3C相图,

3、1液相L 2相高温铁素体 （C固溶到-Fe中相） 3相铁素体F （C固溶到 -Fe中相） 强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%, 727 ：C%=0.0218%） 4相、A奥氏体 （C固溶到-Fe中相） 强度低，易塑性变形 5Fe3C,一、Fe-Fe3C相图的组元,二、Fe-Fe3C相图中的相,1三条水平线和三个重要点,三、相图分析,（1）包晶点J与包晶转变线HJB：1495 ，C%=0.17 LB+HAJ 即 L0.53+ 0.09 A0.17,（2）共晶点C与共晶转变线ECF 1148 ，C%=4.3% L4.3 A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）Le4.3 高温莱氏体,1三条

4、水平线和三个重要点,三、相图分析,ASFP+Fe3C（共析渗碳体） A0.77 F0.0218+Fe3CP（珠光体） 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间,（3）共析点S与共析转变线PSKA1线 727 ，C%=0.77%,2液固相线 液相线ACD 固相线AECF,3溶解度线 ES线：碳在A中的固溶线Acm， 1148 ，2.11% 727 ，0.77%， AA+Fe3CII 如： Le(P+Fe3CII)+Fe3C共晶低温莱氏体 Le PQ线：碳在F中的固溶线，727 ，0.0218%0.0008%室温，Fe3CIII,4GS线A3线 AA+F,三、相图分析,(一)Fe-C

5、合金平衡结晶过程分析,1工业纯铁（C%0.0218%）,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,工业纯铁结晶过程示意图,1工业纯铁（C%0.0218%）,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,LL+AAA+FF F+Fe3CIII 相组成物： Fe3C C%=6.69% F C%0.0008% 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）,2,3,4,5,1,2共析钢 C%=0.77%,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,2共析钢 C%=0.77%,L L+A A P 相组成物：F和Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物

6、 ： P (层片状) 100%,1,2,3-3,3亚共析钢 0.0218%C%0.77%,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,LL+A A A+F A+P+F P+F 相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：F、P P%= F%=,3亚共析钢 0.0218%C%0.77%,45钢金相,F,P,4过共析钢,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,4过共析钢,LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量： Fe3CII%= P%=,T12钢金相,(一)

7、Fe-C合金平衡结晶过程分析,1,1,3,4-4,2,Fe3CII,P,5共晶白口铁（C%=4.3%）,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,LL+LeLe (A+Fe3C共晶) Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII) Le(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相组成物：F，Fe3C F%= Fe3C%= 组织组成物：Le,5共晶白口铁（C%=4.3%）,共晶白口铁金相,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,6亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：P，Le，Fe3CII,亚共晶白口铸铁金相,

8、6亚共晶白口铸铁， 2.11%C%4.3%,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,7过共晶白口铸铁,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,共晶白口铁结晶过程示意图,过共晶白口铸铁金相,7过共晶白口铸铁,相组成物： F%= Fe3C%= 组织组成物：Le，Fe3C Fe3C%= Le%=Lc%=,(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析,43 复线铁碳相图,43 复线铁碳相图,1固溶固溶体 C-Fe（FCC）A ,C -Fe（bcc）F 2化合物 Fe3C 3石墨 Fe3C3Fe+G,复线铁碳相图，是在实线的Fe-Fe3C相图上再叠加上虚线的Fe-G相图，不同点在于： （1）Fe-G 共晶、共析温度高些，

9、1154, 738 （2）Fe-G 共晶、共析成分左移 4.26%, 0.68% （3）溶解度曲线也向左移E, 2.08% （4）液相线CD稍高于Fe-Fe3C相图 共晶：Lc1 G+AE (1154 ) 共析：As1 G+F (738 ),一、碳在Fe-C合金中的存在方式,二、复线铁碳相图,43 复线铁碳相图,铸铁组织中析出石墨的过程-石墨化 1两种形式 a. 按Fe-G相图从液相中或A中直接析去G。 b. 接Fe-Fe3C相图，先结晶出Fe3C，随后在一定条件下， Fe3CFe+G 2液态直接析出石墨的过程 a. 第I阶段 过共晶成分LL+GI (1154)AE+G（共晶）+GI (115

10、4 ) 共晶成分LAE+G（共晶） (1154 ) 亚共晶成分LAE+G（共晶）+AE初生 (1154 ) b. 第II阶段析出二次石墨 AA+GII (1154 738 ) c. 第三阶段共析石墨 AsFp+G（共析）（738 ),三、铸铁的石墨化过程,亚共晶铸铁（3.0%）稳定平衡转变示意图,附：举例：,43 复线铁碳相图,附：举例：亚共晶铸铁（3.0%）稳定平衡转变示意图,三、铸铁的石墨化过程,43 复线铁碳相图,1按石墨化各阶段进行的程度不同，得到不同组织的铸铁。,四、铸铁的组织和分类,石墨化程度,43 复线铁碳相图,2接石墨形态分类,四、铸铁的组织和分类,a. 灰口铸铁 片状石墨 b

11、. 可锻铸铁 团絮状 c. 球墨铸铁 球状 d. 蠕墨铸铁 蠕虫状,43 复线铁碳相图,a. C, Si强烈促进石墨化 P 促进石墨化微弱，提高铸铁流动性，(Fe3P) 碳当量：CE=C+1/3(Si+P) b. S Mn S阻碍石墨化，热脆 Mn+SMnS 削弱硫的危害 c. 合金元素Cr、W、Mo、V 与C亲合力强，阻碍石墨化 Al、Cu、Ni、Co增加Fe自扩散能力，促进石墨化。,五、影响石墨化过程的因素,1化学成分 Fe C Si S P,2冷却速度,43 复线铁碳相图,六、石墨形态对铸铁性能的影响,石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体的有效截面积，并引起应力集中。 片状石墨引起严

12、重应力集中，团絮状和球状轻。 变质处理后，石墨片细化，割裂作用减轻，强度提高。 蠕墨铸铁，端部钝，强度、塑性提高。 可锻、球状铸铁中石墨对基体裂作用小，强度、塑性提高,44 铁碳相图的应用及局限,二、局限性 1反映的是平衡相，而不是组织 2反映二元合金中相的平衡状态 3没有反映时间的作用平衡条件下,一、应用 1选材 2热加工工艺制定的基础,45 钢在加热时的组织转变,1共析钢奥氏体化温度 Ac1温度： F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (Fcc, 0.77),一、共析钢的奥氏体化（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）,45 钢在加热时的组织转变,a. 形核

13、（优先在相界（F，Fe3C） b. 长大 c. 渗碳体完全溶解 d. 碳的均匀化,一、共析钢的奥氏体化（晶格改 组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）,二、亚（过）析钢的奥氏体化,2共析钢奥氏体化过程,45 钢在加热时的组织转变,三、影响奥氏体化的因素,1加热温度 TA化 (D浓度梯度大）,V转变开始温度，转变时间,2加热速度,45 钢在加热时的组织转变,三、影响奥氏体化的因素,3含碳量 C%界面多核心多转变快,4合金元素 a. Cr、Mo、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，奥氏体形成速度 b. Co、Ni非碳化物形成元素，奥氏形成速度 c. Al、Si、Mn影响不太,5原始组织

14、片状，片间距小相界面多碳弥散度大碳原子扩散距离短奥氏体形核长大快 粒状,45 钢在加热时的组织转变,四、奥氏体晶粒大小及控制,表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。,1晶粒度:,2起始晶粒度、实际晶粒度、 本质晶粒度,本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大本质粗晶钢 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大本质细晶钢,三、影响奥氏体化的因素,3奥氏体晶粒度的控制,a. 加热工艺 加热温度，保温时间 b. 钢的成分合金化 A中C%晶粒长大 MxC% 晶粒长大 1)碳化物形成元素 细化晶粒 2) Al本质细晶钢 3) Mn 、P促进

15、长大 w,45 钢在加热时的组织转变,本质细晶粒和本质粗经历（示意图）,46 钢在冷却过程中的组织转变,过冷奥氏体的等温转变,1 等温处理 2 连续处理,一、过冷奥氏体的等温转变,1共析钢过冷A等温转变曲线,冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间 A1以上：A稳定 A1以下：A不稳定，过冷 C曲线有一最小孕育期： 1：T，AP的驱动力F提高 2：TD,46 钢在冷却过程中的组织转变,2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征,A1鼻子温度（550） A过冷P（S，T）索氏体，屈氏体。 P的形成取决于生核，长大速率。T，生核，长大。 T600，D，长大慢层间距薄，短 扩散型相变，综合

16、性能好，HB较低，韧性好。 THB，强度,（1）高温转变区,一、过冷奥氏体的等温转变,共析钢等温转变图（C曲线） （a）不同等温下的等温转变动力学曲线 （b）等温转变图（C曲线）,2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征,46 钢在冷却过程中的组织转变,一、过冷奥氏体的等温转变,（2）中温区转变，贝氏体转变 550230 （Ms） A过冷B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。,2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征,46 钢在冷却过程中的组织转变,a. A过冷M+A残余 b. 转变产物：马氏体M，碳在-Fe中的过饱和固溶体。 C%1.0%，针状，马氏体 c. 实质：T低C

17、无法扩散非扩散性晶格切变过饱和C的铁素体。 d. M转变的特征，无扩散性 瞬时性 存在Ms,Mf 不完全性 体积膨胀,（3）低温区转变马氏体转变，MSMf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变。,一、过冷奥氏体的等温转变,3共析钢等温转变组织性能的关系,46 钢在冷却过程中的组织转变,（1）珠光体型 （2）贝氏体 （3）马氏体,4亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线,转变温度降低，片间距小，细晶强化强度、硬度、塑性、韧性提高,B上：强度、韧性差 B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能,硬度高C%HRC 针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差 板条状，强度高，塑性，韧性好,二、影响C曲线的

18、因素,（一）A成分,46 钢在冷却过程中的组织转变,C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。 C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。,A中C%C曲线右移. 对亚共析钢，钢中C%，A中C%C曲线右移 对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%，未溶Fe3C有利于形核C曲线左移 共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高。,二、影响C曲线的因素,46 钢在冷却过程中的组织转变,（一）A成分 1含碳量,碳含量对碳钢C曲线的影响,二、影响C曲线的因素,46 钢在冷却过程中的组织转变,除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性右移 非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu, 不改变C曲线形状 强碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V、Nb、Ti, 改变C曲线形状 除Co、Al 外，均使Ms、Mf 下降，残余A,2合金元素，（Co%左移）,46 钢在冷却过程中的组织转变,2合金元素， （Co%左移）,（一）A成分,二、影响C曲线的因素,合金元素对碳钢C曲线的影响 （a）Ni的影响（b）Cr的影响（c）W的影响,二、影响C曲线的因素,46 钢在冷却过程中的组织转变,（一）A成分,除C0以外，所