第四章铁碳合金.ppt

1、第四章 铁碳合金,要求： 1. 了解铁碳合金的组元及基本相 2. 理解铁碳合金的平衡结晶过程及组织 3. 掌握Fe-Fe3C相图分析,本章是本课程的重点章,共4学时,本章重点,（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 二次渗碳体 （2）熟记铁碳相图：弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征 （3）典型铁碳合金的结晶过程分析：室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算，熟悉各组织特征 （4）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关系,引言,铁碳相图,碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢与铸铁，组织和性能也不同。在研究和

2、使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。,在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe3C(渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase),而石墨是稳定相。在通常情况下，铁碳合金是按Fe- Fe3C系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe- Fe3C相图。,铁碳相图,纯铁的同素异构转变 金属的多晶型性（同素异构现象） 多晶型性转变（同素异构转变） 纯铁的同素异构转变 -Fe -Fe -Fe 纯铁的成分及性能 纯铁（工业纯铁）：含杂质0.10%0.20% 性能：b=180230MPa 0.

3、2=100170MPa =30%50% =70%80% ak=128160J/cm 2 HBS=5080,1394 ,912 ,A4,A3,A2,铁素体（F或） 定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体 晶格结构：bcc 最大溶解度：0.0218%（727） 性能： b=180230MPa 0.2=100170MPa HBS=5080 =30%50% =70%80% ak=160200J/cm 2 -铁素体：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体， 最大溶解度：0.09%（1495）,铁碳合金的相和组织组成,铁碳相图,奥氏体（A或） 定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织） 晶格结构：fcc

4、 溶解度：0.77% (727) 2.11% (1148) 性能：b400MPa HBS=170220 =40%50% 高塑性、无磁性,铁碳合金的相和组织组成,铁碳相图,渗碳体（Fe3C） 定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物 晶格结构：复杂正交 性能：HBS=800 0 0 硬而脆钢中强化相（耐磨性好） Fe3C 3Fe+C（石墨） 弱的铁磁性(230 ) 石墨碳 晶格结构：简单六方 性能: 加工性能 机械性能,铁碳合金的相和组织组成,高温,铁碳相图,珠光体（P） 定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%） 性能：b750MPa HBS=180 20%25% ak=

5、3040J/cm2 综合性能,铁碳合金的相和组织组成,莱氏体（Ld、 或 Le 、 ） 定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%） 性能：硬而脆,铁碳合金的相和组织组成,铁碳合金的基本相,基本组织： 单相组织: F、A、 Fe3C 莱氏体Ld:(A Fe3C)在共晶点上得到,塑性韧性很差,是硬而脆的组织 变态莱氏体(Ld): PFe3C 珠光体P:(F Fe3C)在共析点上得到，具有良好的力学性能,铁碳合金的相和组织组成,Fe-Fe3C亚稳平衡相图 相区 重要线 ABCD AHJECF CD HJB ECF PSK（A1） GS（A3） ES（Acm） PQ,铁碳合金相图

6、分析,铁碳相图,ES: 相的溶解度曲线 PQ: 相的溶解度曲线 GS: 先共析相析出线,重要点 N、G 同素异构转变点 H、E、P最大溶解度点 J、C、S 包晶、共晶、共析点 A、D Fe、Fe3C 熔点 包晶反应 共晶反应 共析反应,铁碳合金相图分析,包晶转变：A体在相和液相界面上生核，并向相和液相两个方向长大，包晶反应结束，和液相同时耗尽，变成单相A。,含碳量在0.09-0.17的合金，相较多，包晶反应结束，相还有残余，通过同素异构转变成A。,含碳量在0.17-0.53的合金，L相较多，包晶反应结束，L相还有残余，L在随后冷区过程中结晶成A。,铁碳合金相图分析,铁碳合金分类,根据组织特征，

7、将铁碳合金分为七种类型： （1）工业纯铁 Wc0.0218 （2）共析钢 Wc=0.77 （3）亚共析钢 Wc=0.02180.77 （4）过共析钢 Wc=0.772.11 （5）共晶白口铁 Wc=4.3 （6）亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 （7）过共晶白口铁 Wc=4.306.69,钢,铸铁,典型铁碳合金冷却时的平衡结晶过程分析,铁碳合金及平衡结晶,室温平衡组织:F+ Fe3C,Fe3C含量最大的是Wc=0.0218%的合金，用杠杆定律求出其含量：,工业纯铁 wc0.0218%,铁碳合金及平衡结晶,室温平衡组织:100% P（F和Fe3C）,组成相的质量分数为：,88.7%,88.7%

8、=11.3%,常温下的组织构成：P,共析钢 wc=0.77%,铁碳合金及平衡结晶,不同放大倍数下珠光体P的显微组织,2500 x,1500 x,400 x,铁碳合金及平衡结晶,共析钢的平衡组织,铁碳合金及平衡结晶,亚共析钢 0.0218%wc 0.77%,组成相的质量分数为：,0.40%C,室温平衡组织:F+P，其相对量为：,149.550.5,铁碳合金及平衡结晶,0.40%,49.5,0.20%C,含0.2%C钢的组织,含0.45%C钢的组织,含0.60%C钢的组织,亚共析钢的平衡组织, 亚共析钢室温下的组织为F+P 在0.02180.77%范围内珠光体的量随含碳量增加而增加,铁碳合金及平衡

9、结晶,硝酸酒精侵蚀,苦味酸侵蚀,室温平衡组织:P+ Fe3C ，其相对量为：,过共析钢 0.077%wc2.11%,铁碳合金及平衡结晶,过共析钢平衡组织,含1.4%C钢的组织,铁碳合金及平衡结晶,变态萊氏体Ld (P+ Fe3C共 Fe3C),共晶白口铁 wc=4.3%,室温平衡组织:100% Ld,铁碳合金及平衡结晶,亚共晶白口铁 2.11%wc 4.3%,室温平衡组织:P+ Fe3C+Ld,铁碳合金及平衡结晶,室温平衡组织： Fe3C+ Ld,过共晶白口铁4.3% wc 6.69%,铁碳合金及平衡结晶,共晶白口铸铁室温显微组织200,3.0%C亚共晶白口铸铁室温平衡显微组织200,5.0%

10、C过共晶白口铸铁室温平衡显微组织200,铁碳合金及平衡结晶,铁碳合金平衡组织,小结,纯铁同素异构转变、成分及性能 铁碳合金的相和组织组成 FeFe3C相图分析（重要的点、线及转变） 典型铁碳合金冷却时的平衡结晶过程分析 铁碳合金的平衡结晶组织,组织组成物相对量,相组成物相对量,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,含碳量对性能影响的原因分析,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,原因：与构成相或组织的性能有关。 铁素体相: 软韧相， 渗碳体相：硬脆相； 珠光体组织的性能介与两者之间: 强韧,总体：随碳含量增加，碳素钢的硬度线性提高而塑韧性下降；强度先随硬度的提高而提高

11、，但大约C%0.9%后，强度反而下降；, 碳含量对碳钢机械性能的影响,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,硬度： 非组织敏感性能 主要取决于相构成，包括组成相的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。 相构成： FFe3C,随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C),亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,强度： 对组织形态很敏感。故不仅与相构成有关，更主要的与组成相的形态、分布即组织构成有极大关系。,b (0.30

12、.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40,亚共析钢： F先+P构成，均为韧性组织，强度与硬度一致。随碳含量增加，钢中强韧的P组织数量增加，而强硬度很低的F先不断下降，故合金强度随硬度增大而增大。此时强度与硬度之间有如下关系式：,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,含1.2%C的铁碳合金显微组织,塑韧性： Fe3C极脆相，无塑、韧性；合金塑性变形完全由 F 提供，随C%增高，F不断减少，故塑韧性不断下降。,过共析钢： P + Fe3C先，为韧性组织脆性组织 与脆性组织Fe3C先的形态直接相关： C0.9%1.0%后， 随C而陡降。,原因：C0.9%1.0%后，

13、Fe3C为网状,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,切削加工性能： 材料的硬度太软,容易粘刀,切削热大,影响表面粗糙度。 材料的硬度太硬,刀具磨损严重。 钢的硬度为HB170250时，切削加工性能较好。,铸造性： 共晶成分的铸铁流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性好。 液相线和固相线距离越大，流动性差，分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。所以，钢的铸造性差。, 碳含量对碳钢工艺性能的影响,可锻性：低碳钢塑性好，可锻性好。随含碳量增加，可锻性变差。,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,锰的影响: 脱氧剂。有益元素，碳钢中不超过0.8% 固溶强化； 形成MnS，消除硫的有害影响。,钢中的杂质元素和钢锭组织,

14、硅的影响: 脱氧剂。有益元素，碳钢中含量不超过0.5% 固溶强化。, 杂质元素对钢性能的影响,少量的锰、硅、硫、磷及微量的氧、氢、氮等元素，它们会影响到钢的质量和性能。,硫的影响: 有害元素，矿石和燃料带入。 以FeS夹杂物形式存在晶界上“热脆”。 原因：形成Fe+FeS共晶，熔点为989，低于热加工的加热温度1150，而导致热加工时开裂。 若钢中含氧量高时，还会形成熔点更低（940）的Fe+FeO+FeS三相共晶，危害更大。,防止热脆： 降硫。 普通碳素结构钢要求：S0.040%0.050% 改变硫的存在方式：加入适当的Mn，Mn与S的化学亲和力大于Fe，优先形成MnS，MnS的熔点1600

15、，高于热加工温度，可避免热脆的发生。,磷的影响： 有害杂质元素； 矿石和生铁等炼钢原料带入。,磷在钢中固溶强化作用很强，但同时剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，使韧脆转变温度升高，称为“冷脆”。,韧性降低体现在两方面： (1) 冲击功Ak；,(2) 韧脆转变温度Tk,氢 高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，氢在钢中的溶解度急剧降低，氢来不及逸出表面，过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚，并形成氢气，由于体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹，这种由氢使钢变脆的现象称为氢脆。 严重的缺陷。 消除方法： 锻后缓冷。尤其是大型锻件。, 氮、氢、氧等微量气体的影响,氮 炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮

16、因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。 称为蓝脆(在300上下应变时最易产生) 蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原因之一。 消除方法：加Al形成AlN,钢材横断面低倍形貌： “发裂纹”,钢材纵断面低倍形貌： “白点”,钢材中过饱和氢所引起的缺陷,氧 氧化物夹杂，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。,有害元素的利用： S、P在易切钢中的应用 P在炮弹钢中的应用。,(一)填空题 1Cr、V在-Fe中将形成 固溶体。C、N则形成 固溶体。 2渗碳体的晶体结构是 ，按其化学式铁与碳原子的个数比为

17、 。 3当一块质量一定的纯铁加热到 温度时，将发生a-Fe向-Fe的转变，此时体积将发生 。 4共析成分的铁碳合金平衡结晶至室温时，其相组成物为 ，组织成物为 。 5在生产中，若要将钢进行轧制或锻压时，必须加热至 相区。 6当铁碳合金冷却时发生共晶反应的反应式为 ，其反应产物在室温下被称为 。 7在退火状态的碳素工具钢中，T8钢比T12 钢的硬度 ，强度 。 8当W(C)077一211间的铁碳合金从高温缓冷至ES线以下时，将从奥氏体中析出 ，其分布特征是 。 9在铁碳合金中，含三次渗碳体最多的合金成分点为 ，含二次渗碳体最多的合金成分点为 。 10对某亚共析碳钢进行显微组织观察时，若估计其中铁

18、素体约占10，其W(C) = ，大致硬度为 。 11奥氏体是 在 的固溶体，它的晶体结构是 。 12铁素体是 在 的固溶体，它的晶体结构是 。 13渗碳体是 和 的金属间化合物。 14珠光体是 和 的机械混合物。,作业,15莱氏体是 和 的机械混合物，而变态莱氏体是 和 的机械混合物。 16在FeFe3C相图中，有 、 、 、 、 五种渗碳体，它们各自的形态特征是 、 、 、 、 。 17钢中常存杂质元素有 、 、 、 等，其中 、 是有害元素，它们使钢产生 、 。 18纯铁在不同温度区间的同素异晶体有(写出温度区间) 、 、 。 19碳钢按相图分为 、 、 ；按W(C)分为(标出W(C)范围

19、) 、 、 。 10在铁渗碳体相图中，存在着四条重要的线，请说明冷却通过这些线时所发生的转变并 指出生成物。ECF水平线 、 ；PSK水平线 、 ；ES线 、 ；GS线 、 。 21 标出FeFe3C相图(图43)中指定相区的相组成物： ， ， ， ， 。 ；,22铁碳合金的室温显微组织由 和 两种基本相组成。 23若退火碳钢试样中先共析铁素体面积为41.6，珠光体的面积为58.4，则其W(C) 。 24若退火碳钢试样中二次渗碳体面积为7.3，珠光体的面积为92.7，则其W(C) 。,(二)判断题 1在铁碳合金中，含二次渗碳体最多的成分点为W(C)：4.3的合金。 ( ) 2在铁碳合金中，只有

20、共析成分点的合金在结晶时才能发生共析反应，形成共析组织。 ( ) 3退火碳钢的塑性与韧性均随W(C)的增高而减小。而硬度与强度则随W(C)的增高而不断增高。 ( ) 4在铁碳合金中，渗碳体是一个亚稳相，而石墨才是一个稳定相。 ( ) 5白口铸铁在高温时可以进行锻造加工。 ( ) 6因为磷使钢发生热脆，而硫使钢发生冷脆，故硫磷都是钢中的有害元素。 ( ) 7在室温下，共析钢的平衡组织为奥氏体。 ( ) 8纯铁加热到912时，将发生a-Fe一Fe的转变，体积发生膨胀。 ( ) 9铁碳合金中，一次渗碳体，二次渗碳体和三次渗碳体具有相同的晶体结构 ( ) 10在FeFe3C相图中，共晶反应和共析反应都

21、是在一定浓度和恒温下进行的。 ( ) 11在FeFe3C相图中，凡发生共晶反应的铁碳合金叫做白口铁；凡发生共析反应的铁碳合金叫做钢。 ( ) 12 珠光体是单相组织。 ( ) 13白口铁是碳以渗碳体形式存在的铁，所以其硬度很高，脆性很大。 ( ),14W(C)13的铁碳合金加热到780时得到的组织为奥氏体加二次渗碳体。( ) 15a-Fe是体心立方结构，致密度为68，所以其最大溶碳量为32。( ) 16-Fe是面心立方晶格，致密为074，所以其最大溶碳量为26。( ) 17钢材的切削加工性随w(C)增加而变差。 ( ) 18碳钢进行热压力加工时都要加热到奥氏体区。 ( ) 19W(C)10的碳

22、钢比W(C)=05的碳钢硬度高。 ( ) 20在室温下，w(C)08的退火碳钢的强度比W(C)12的退火碳钢高。 ( ) 21钢铆钉一般用低碳钢制成。 ( ) 22钳工锯T10、T12钢料时比锯10、20钢费力，且锯条容易磨钝。 ( ) 23钢适宜于通过压力加工成形，而铸铁适宜于通过铸造成形。 ( ) 24工业纯铁的W(C)02。 ( ) 25工业纯铁的室温平衡组织为铁素体。 ( ) 26汽车外壳用低碳钢板制造，而理发工具用碳素工具钢制造。 ( ) 27退火碳钢W(C)09左右时强度极限最高。 ( ) 28过共析钢由液态缓冷至室温中所析出的二次渗碳体在组织形态与晶体结构方面均与次渗碳体不相同。

23、 ( ),(三)选择题 1渗碳体属于 。 A间隙固溶体 B 间隙化合物 C 间隙相 D正常化合物 2 -Fe的晶型是 。 A体心立方 B面心立方C密排六方 D 简单立方 3铁素体的机械性能特点是 。 A具有良好的硬度与强度 B 具有良好的综合机械性能 C具有良好的塑性和韧性 D具有良好的切削性和铸造性 4W(C)43碳的铁碳合金具有 。 A良好的可锻性 B 良好的铸造性 C 良好的焊接性 D良好的热处理性 5建筑用钢筋宜选用 。 A低碳钢 B 中碳钢 C 高碳钢 D工具钢 6装配工使用的锉刀宜选用 。 A低碳钢 B中碳钢 C高碳钢 D过共晶白口铁 7纯铁在912以下的晶格类型是 。 A密排六方晶格 B 面心立方晶格 C 体心立方晶格 D简单立方晶格 8三次渗碳体是从 。 A 钢液中析出的 B 铁素体中析出的 C 奥氏体中析出的 D 珠光体中析出的 9二次渗碳体是从 。 A钢液中析出的 B 铁素体中析出的 C 奥氏体中析出的 D莱氏体中析出的 10在下述钢铁中，切削性能较好的是 。 A工业纯铁 B 45 C白口铁 DT12A,习题与思考题 1 何谓铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、变态莱氏体？分别写出它们的