第三章 铁碳合金和铁碳相图

1、.,第三章 铁碳合金和铁碳相图,第三章 铁碳合金和铁碳相图,3.1 铁碳合金中的组元和基本相 3.2 Fe-Fe3C相图 3.3 铁碳合金的平衡结晶 3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响,.,组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（）、 铁素体（）、 奥氏体（） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Le/Le）,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,.,纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。 由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,纯铁特点,同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现

2、象。,.,1538,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,.,渗碳体(Cm，Fe3C) C与Fe形成的具有复杂结构的间隙化合物。 含碳量：6.67% 性能特点：硬度高，脆性大，塑性和韧性极低。,返回,渗碳体,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,.,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,铁素体,铁素体( ，F)：C在-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。 最高含碳量：0.0218% 性能特点：强度、硬度低，塑性好。,.,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,奥氏体,奥氏体(，A)：C在 -Fe中的间隙固溶体。面心立方晶格。 最高含碳量：2.11% 性能特点：强度、硬度低

3、，塑性好。,.,铁素体和渗碳体组成的机械混合物,强度、硬度比铁素体高，比渗碳体低，塑性也较好；综合力学性能较好.,返回,3.1 铁碳合金中的组元和基本相,.,相图中的三个重要点,相图中的五个单相(区),相图中的三条水平线,相图中的四条垂直线,3.2 Fe-Fe3C相图,.,J为包晶点: 1495 时, B点成分的L与H点成分的 发生包晶反应, 生成J点成分的。,C点为共晶点 1148 时, C点成分的L发生共晶反应, 生成E点成分的和Fe3C（莱氏体）。,S点为共析点 727 时, S点成分的发生共析反应, 生成P点成分的和Fe3C（P）。,返回,3.2 Fe-Fe3C相图,.,共析反应分析,

4、珠光体的组成：,3.2 Fe-Fe3C相图,.,珠光体形态,铁素体与渗碳体的机械混合物，一般为层片状。球化退火时获得粒状渗碳体分布在铁素体基体上的组织。 强度、硬度比铁素体高，比渗碳体低，塑性也较好。,共析反应：,3.2 Fe-Fe3C相图,.,3.2 Fe-Fe3C相图,.,3.2 Fe-Fe3C相图,包晶反应：L+,共晶反应：LLe( FeC3+ ),共析反应： P (FeC3+ ),返回,.,3.2 Fe-Fe3C相图,过共析钢,共析钢,共晶白口铁,亚共晶白口铁,过共晶白口铁,碳素钢,白口铸铁,工业纯铁,.,3.3 铁碳合金的平衡结晶,过共析钢,共析钢,亚共析钢,共晶白口铁,亚共晶白口铁

5、,过共晶白口铁,铁碳合金,碳素钢,白口（铸）铁,工业纯铁,0.0218%,0.02182.11%,2.116.68%,0.77%,4.3%,.,过共析钢,共析钢,共晶白口铁,亚共晶白口铁,过共晶白口铁,碳素钢,白口铸铁,工业纯铁,.,.,冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C,返回,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,单相液体的冷却,匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）,单相固溶体的冷却,相发生共析反应生成珠光体P,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,注意事项,共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的Fe3C连在一起，难以分辨。,共析钢的室温

6、平衡组织：P,P：铁素体（F）和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,杠杆定律计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成分点。,.,L相冷却,L相 相,L相+ 相 相，并且L相有剩余,剩余L相 相,单相的冷却,相 相，但相有剩余,共析反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,亚共析钢用途实例,45钢 碳含量0.45,60钢 碳含量0.60,.,注意事项,先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略,亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P,利用

7、杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁素体+P中的铁素体）与渗碳体的质量分数,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,计算727 下, 组织组成物的质量分数,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,单相液体的冷却,L相 相,单相固溶体（奥氏体）的冷却,相中析出二次渗碳体（Fe3C）,共析转变： 相（ +Fe3C），存在Fe3C,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,注意事项,从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体,Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大,过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C,利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,T8钢

8、 碳含量 0.80,过共析钢用途实例,.,亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分数。（亚共析钢以含碳量0.45%为例，过共析钢以含碳量1.0%为例）,返回,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,单相液体的冷却,共晶反应：LLe（+Fe3C）,共晶中的相不断析出Fe3C，不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C）,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,注意事项,冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3C，但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见,共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le （珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上）,共晶白口铁的基体相是

9、Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高,3.3 铁碳合金的平衡结晶,.,亚共晶白口铁的平衡结晶过程,单相液体的冷却,共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）,先共晶相不断析出Fe3C，共晶相析出Fe3C不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 先共晶相 P,匀晶反应： L 相,室温组织： Le（P+Fe3C） + P,.,过共晶白口铁的平衡结晶过程,单相液体的冷却,共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）,共晶相析出Fe3C不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C）,匀晶反应： L Fe3C相,室温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C,.,碳含量对铁碳合金室

10、温组织的影响,a+Fe3C,a+P,P,P+Fe3C,P+Fe3C+Le,Le,Fe3C+Le,.,硬度,硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。,3.4 铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响,.,强度, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随而增大。 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿

11、晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa30 MPa)。,3.4 铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响,.,铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。,塑性,返回,3.4 铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响,.,一、脱氧剂：硅和锰；FeO还原成Fe，形成SiO2和MnO。但SiO2易成为非金属夹杂, Si%0.5% Si+O2SiO2,二、除硫剂：锰与钢液中S，形成MnS易成为非金属夹杂物, Mn%0.8% Mn+OMnO Mn+SMnS,三、硫不利作用：引起热脆。原因:FeS（Tm=1190）；与-Fe形成共晶体（Tm=989）；也可能形成熔点更低的(Fe+FeS+FeO)共晶体（Tm=940）;锻造温度：1150-1250，轧制或锻造，分布在晶界处的共晶体会沿晶界开裂。 S0.050%,3.5 钢中的杂质元素,.,.,四、磷不利作用：引起冷脆。原因：固