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,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四节,铁碳合金相图,1、,铁碳合金的基本相与性能,2,、铁碳合金相图与结晶过程,3,、含碳量对铁碳合金组织性能的影响,4,、铁碳合金相图的应用,1,铁碳合金,碳钢,和,铸铁,,是工业应用最广的金属材料。,含碳量为,0.0218%2.11%,的称,钢。,含碳量为,2.11%6.69%,的称,铸铁,。,2,铁和碳可形成一系列稳定化合物:,Fe,3,C,、,Fe,2,C,、,FeC,,它们都可以作为相图的组元看待。,含碳量大于,Fe,3,C,成分(,6.69%,)时,合金太脆,已无实用价值。,实际所讨论的铁碳合金相图是,Fe-Fe,3,C,相图,。,Fe,Fe,3,C,Fe,2,C,FeC,C,C%(at%),3,铁碳合金相图,是研究铁碳合金最基本的,工具,,,是研究碳钢和铸铁的,成分,、,温度,、,组织及性能,之间关系的,理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺,依据,.,4,一、铁碳合金的基本相和性能,碳在,-Fe,中的固溶体称,-,铁素体,,用,表示。,都是体心立方,间隙固溶体,。铁素体的溶碳能力很低,在,727,时最大为,0.0218%,,室温下仅为,0.0008%,。,铁素体的组织为,多边形晶粒,,,性能与纯铁相似,。,铁素体,铁素体:,碳在,-Fe,中的固溶体称,铁素体,用,F,或,表示。,5,奥氏体,:,碳在,-Fe,中的固溶体称,奥氏体,。用,A,或,表示。,是,面心立方,晶格的,间隙固溶体,。溶碳能力比,铁素体,大,,1148,时最大为,2.11%,。,组织为不规则多面体晶粒,晶界较直。,强度低、塑性好,,,钢材热加工都在,A,区进行,.,碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,6,构转变,。,同素异构转变属于相变之一,固态相变,。,铁的同素异构转变,铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化,其变化为:,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称,同素异,纯铁的同素异构转变,7,渗碳体:,即,Fe,3,C,含碳,6.69%,用,Fe,3,C,或,C,m,表示。,Fe,3,C,硬度高,、,强度低,(,b,35MPa,),脆性大,塑性几乎为,零,Fe,3,C,是一个亚稳相,在一定条件下可发生分解:,Fe,3,C3Fe+C,(,石墨,),该反应对铸铁有重要意义。,由于碳在,-Fe,中的溶解度很小,因而,常温下碳在铁碳合金中主要以,Fe,3,C,或,石墨,的形式存在,。,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体,8,三个基本相,:,铁素体、奥氏体和渗碳体,。但奥氏体一般仅存在于,高温,下,所以,室温,下所有的铁碳合金,平衡组织,中只有,两个相,,就是,铁素体,和,渗碳体,。,五种组织组成物:,是构成显微组织的独立部分,可以是,单相,,也可以是,两相,或者,多相混合物,。,铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体,珠光体,:,共析反应,的产物,是,F,与,Fe,3,C,片层相间的,两相混合物,莱氏体,:,共晶反应,的产物,,高温莱氏体,是,A,与,Fe,3,C,两相混合物,室温莱氏体,是,珠光体,与,Fe,3,C,的两相混合物,9,二、铁碳合金相图的分析,相图的简化,10,特征点,L,+Fe,3,C,11,特征线,液相线,ACD,,,固相线,AECF,两条水平线:,ECF,:共晶线,L,C,E,+Fe,3,C,共晶产物是,A,与,Fe,3,C,的机械混合物,称作,莱氏体,用,Le,表示。,为蜂窝状,以,Fe,3,C,为基,性能硬而脆。,莱氏体,12,PSK,:共析线,S,F,P,+Fe,3,C,共析转变的产物是,F,与,Fe,3,C,的机械混合物,称作,珠光体,,用,P,表示。,珠光体,L+Fe,3,C,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。,PSK,线又称,A,1,线。,13,其它相线,GS,A,F,固溶体转变线,GS,又称,A,3,线。,ES,碳在,-Fe,中的固溶线。,又称,A,c m,线。,PQ,碳在,-Fe,中的固溶线。,14,两个三相区:,即,ECF,(,L+,A,+Fe,3,C,),、,PSK,(,A,+,F,+Fe,3,C,),两,条水平线,相区,单相区:,L,、,A,、,F,、,Fe,3,C,两相区,:,L+,A,、,L+Fe,3,C,、,A,+Fe,3,C,、,A,+,F,、,F,+Fe,3,C,15,钢,(0.02182.11%C),高温组织为单相,A,亚共析钢,(,0.02180.77%C,),共析钢,(,0.77%C,),过共析钢,(,0.772.11%C,),铁碳合金按,成分,可分为,三类,:,工业纯铁,(0.0218%C),组织为单相铁素体。,三、,典型铁碳合金,的平衡结晶过程,16,白口铸铁,(2.116.69%C),铸造性能好,硬而脆,亚共晶白口铸铁,(,2.114.3%C,),共晶白口铸铁,(,4.3%C,),过共晶白口铸铁,(,4.36.69%C,),17,(,一,),共析钢的结晶过程,合金液体在,1-2,点间转变为,A,。到,S,点发生共析转变:,A,S,F,P,+Fe,3,C,A,全部转变为,珠光体。,18,1点以上:,L,12点:,L,A,23点:,A,33点:,A,P,3,点以下:,P,19,珠光体,在光镜下呈指纹状,.,转变结束时,珠光体中相的相对重量百分比为:,珠光体中的渗碳体称,共析渗碳体,。,S,点以下,共析,F,中析出,Fe,3,C,,与共析,Fe,3,C,结合不易分辨。,室温组织为,P,。,珠光体,20,室温下,珠光体中,两相的相对重量百分比是多少?,Q,4,3,2,1,9,21,共析钢的结晶过程,22,(,二,),亚共析钢的结晶过程,以,0.40%C,的钢为例,合金在,3,点以前通过匀晶,包晶,匀晶反应全部转变为,A,。到,4,点,由,A,中析出,F,。到,5,点,A,成分,沿,GS,线变到,S,点,,A,发生,共析反应转变为珠光体。温度继续下降,,F,中析出,Fe,3,C,,由于与共析,Fe,3,C,结合,且量少,忽略不计,.,+Fe,3,C,G,S,P,A,B,J,H,23,1点以上:,L,12点:,L,A,23点:,A,34:,A,F,24,44,:,A,P,4,点以下:,P+F,共析温度下相的相对重量为:,组织组成物的相对重量为:,25,温度继续下降,,中析出,Fe,3,C,,由于与共析,Fe,3,C,结合,且量少,忽略不计,.,室温下相的相对重量百分比为:,室温下组织组成物的相对重量百分比为:,26,利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比,可以近似估算亚共析钢的含碳量,:,C%=P,面积,%0.77%,(,忽略,F,中含碳量,,P,面积,%=Q,P,),27,亚共析钢室温下的组织为,F+P,。,在,0.02180.77%C,范围内,珠光体的量随含碳量增加而增加,。,含,0.45%C,钢的组织,含,0.20%C,钢的组织,含,0.60%C,钢的组织,28,亚共析钢的结晶过程,29,(,三,),过共析钢的结晶过程,合金在,12,点转变为,A,到,3,点,开始析出,Fe,3,C,。,从奥氏体中析出的,Fe,3,C,称,二次渗碳体,用,Fe,3,C,表示,其,沿晶界呈网状分布,.,温度下降,Fe,3,C,量增加。到,4,点,,A,成分沿,ES,线变化到,S,点,余下的,A,转变为,P,。,30,1点以上:,L,12点:,L,A,23点:,A,34:,A,Fe,3,C,44:,A,P,4点以下:,P+Fe,3,C,室温组织:,P+,Fe,3,C,4,00,31,室温下两相的相对重量百分比:,过共析钢,室温组织为,P+Fe,3,C,。,两组织组成物的相对重量百分比:,1,2,3,4,5,S,32,Fe,3,C,量随含碳量而增加,含碳量为,2.11%,时,Fe,3,C,量最大:,1,2,3,4,5,S,33,过共析钢的结晶过程,34,总结:,钢的结晶过程,1,、共析钢的结晶过程,3,、过共析钢的结晶过程,2,、亚共析钢的结晶过程,L L+A A P,相组成物,:,F,,,Fe,3,C,LL+A A A+F P+F,相组成物,:,F,Fe,3,C,LL+AAA+Fe,3,C,II,P+Fe,3,C,II,相组成物,:,F,Fe,3,C,35,莱氏体,(Ld),是共晶,A,与共晶,Fe,3,C,的机械混合物,1点以上:,L,11:,L,Ld,(,四,),共晶白口铁的结晶过程,36,共晶转变结束时,两相的相对重量百分比为,:,37,12:,Ld,C,点以下,共晶,A,将析出,Fe,3,C,,,A,成分沿,ES,线变化。,Fe,3,C,与共晶,Fe,3,C,结合,不易分辨。,温度降到,2,点,A,成分达到,0.77%,此时,相的相对重量,:,38,在,2,点,共晶,A,发生共析反应,转变为,珠光体,,这种,由,P,与,Fe,3,C,组成的共晶体称,低温莱氏体,用,Ld,表示,.,22:,Ld,Ld,(A,P),39,2点以下:,Ld,(,P+Fe,3,C,II,+,共晶,Fe,3,C,),室温组织:(低温)莱氏体,Ld,5,00,Ld,的性能:硬而脆,40,室温下两相的相对重量百分比为:,41,共晶白口铁的结晶过程,LL,(,A+Fe,3,C,共晶,),L,(,A+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,),L,(,P+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,),相组成物,:,F,Fe,3,C,42,(,五,),亚共晶白口铁的结晶过程,合金在,12,点间析出,A,。到,2,点,液相成分变到,C,点,并转变为,Le,。,23,点间从,A,中析出,Fe,3,C,,一次,A,的,Fe,3,C,被共晶,A,衬托出来。到,3,点,,A,转变为,P,。,43,亚共晶白口铁,室温组织为,P+Fe,3,C,+Le,。,室温下,组织组成物,相对重量百分比为:,E,C,F,D,1,2,3,4,N,室温下相的相对重量百分比,?,44,亚共晶白口铁的结晶过程,45,(,六,),过共晶白口铁的结晶过程,12,点间,从液相中析出,Fe,3,C,这种渗碳体,称,一次渗碳体,,,用,Fe,3,C,表示,呈粗条片状。,到,2,点,余下的液相成分变到,C,点并转变为,Le,。,D,F,K,3,Fe,3,C,1,2,4,46,2,点以下,Fe,3,C,成分重量不再发生变化,Le,变化同共晶合金,其,室温组织为,Fe,3,C,+Le,。,47,总结:,白口铸铁的结晶过程,1,、共晶白口铁的结晶过程,3,、过共晶白口铁的结晶过程,2,、亚共晶白口铁的结晶过程,LL,(,A+Fe,3,C,共晶,),L,(,A+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,)L,(,P+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,),相组成物,:,F,Fe,3,C,LL+A A+L,(共晶,A+Fe,3,C,共晶,),A+L,(,A+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,)+Fe,3,C,II,P+L,(,P+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,)+Fe,3,C,II,相组成物,:,F,Fe,3,C,LL+Fe,3,C,I,Fe,3,C,I,+L,(共晶,A+Fe,3,C,共晶,),Fe,3,C,I,+L,(,A+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,)Fe,3,C,I,+L,(,P+Fe,3,C,共晶,+,Fe,3,C,II,),相组成物,:,F,Fe,3,C,48,四、,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,含碳量对室温平衡组织的影响,含碳量,与缓冷后,相,及,组织组成物,之间的定量关系,为:,钢,铁素体,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,共析钢,白 口 铸 铁,二次渗碳体,工,业,纯,铁,珠光体,莱氏体,一次渗碳体,Fe,3,C,钢 铁,分 类,组织组,成物相,对量,%,相组成,物相对,量,%,含碳量,%,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,6.69,100,100,0,0,三次渗碳体,F F+P P P+Fe,3,C,II,P+Fe,3,C,II,+L,L,L,+Fe,3,C,I,49,含碳量对力学性能的影响,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,Fe,3,C,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,Fe,3,C,时的约,800 HB,。,50,强度,是一个对,组织形态,很,敏感,的性能。随碳含量的增加,亚共析钢中,P,增多而,F,减少。,P,的,强度,比较,高,其大小与,细密程度,有关。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,随碳含量的,增大,而,增大,。,51,但当碳质量分数超过,共析成分,之后,由于,强度很低,的,Fe,3,C,II,沿,晶界,出现,合金强度的增高变慢,到约,0.9%C,时,Fe,3,C,II,沿晶界形成,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,Fe,3,C,强度变化不大且值很低,趋于,Fe,3,C,的,强度,(,约,20 MPa,30 MPa),。,52,塑性,铁碳合金中,Fe,3,C,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。,53,亚共析钢的硬度、强度和塑性,可根据成分或组织作如下的估算:,硬度,80,w,(,F,),+180,w,(,P,),(HB),或,硬度,80,w,(,F,),+800,w,(,Fe,3,C,),(HB),强度,(,b,)230,w,(,F,),+770,w,(,P,),(MPa),延伸率,(,)50,w,(,F,),+20,w,(,P,),(%),式中的数字相应为,F,、,P,或,Fe,3,C,的大概硬度、强度和延伸率,;,w,(,F,)、,w,(,P,)、,w,(,Fe,3,C,)相应表示组织中,F,、,P,或,Fe,3,C,的质量分数。,54,五、铁碳相图的应用,(1),钢铁选材,1,、需要,韧性、塑性好,的(起重机构架、输电铁塔)可选用含碳,小于,0.25%,的碳钢,2,、需要,强度、韧性,都较好(重要的地脚螺栓、轴、齿轮等)可选用含碳,0.3%0.5,%,的钢;各类,弹簧、板簧,需要含碳,0.5%0.75%,的钢;,3,、需要,耐磨,的(工具、模具、轴承类)可选用含碳,0.8%1.3%,的钢。,55,(2),在铸造工艺方面的应用,1,、根据相图可确定合金的,浇注温度,。从图中看出,,铸铁,的浇注温度比钢,低,,所以铸铁的铸造性能大大,优,于铸钢。,2,、,共晶点,C,的铁碳合金,铸造性能最好,。越是,接近,共晶点,C,的铁碳合金结晶温度越低,合金的,流动性好,。,3,、固液线距离,近,,,偏析,倾向,小,。,56,(3),在压力加工方面的应用,相图中有很广阔的,奥氏体区,,,面心立方晶格,的高温奥氏体有优良的,塑性,和较好的,强度,,塑性变形,抗力,很,低,,是热锻、热轧极好的组织,轧、锻温度一般选在图中影线部分。,57,(,4),在焊接方面的应用,含碳量越低的钢焊接性越好,含碳量增加时,随着焊件壁厚的增加,需要,预热,和,焊后回火,处理。,58,在运用,Fe-Fe,3,C,相图时应,注意,以下两点:,Fe-Fe,3,C,相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其它元素,相图将发生变化。,Fe-Fe,3,C,相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能只用相图来分析了。,59,本章小结,三种常见晶格及其致密度。,单晶体、多晶体结构。,晶格缺陷及其对金属性能的影响。,掌握纯金属结晶的条件和结晶过程。,影响结晶过程的因素;过冷度。,细化晶粒的措施。,同素异晶(构)转变。,60,相、组织、固溶体、化合物,的概念。,二元相图(,匀晶、共晶、共析,)。,匀晶反应的合金的,结晶过程,;,枝晶偏析,。,杠杆定律,应用。,相图,与,性能,的关系。,61,Fe-C,合金的,基本相,、,组织,(,F、A、Fe,3,C、P、Ld),的结构、成分、性能。,铁碳相图。典型铁碳合金的平衡结晶过程。,各类碳钢室温平衡组织。,铁碳合金的成分-组织-性能关系。,用杠杆定律计算各相、组织组分的相对含量。,62,
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