铁碳相图对共析钢-亚共析钢和过共析钢的详细分析-PPT.ppt

,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,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。,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%),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,.,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。,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,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,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,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,二、铁碳合金相图的分析,相图的简化,特征点,L,+Fe,3,C,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,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。,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。,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,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,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),(,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。,1点以上：,L,12点：,L,A,23点：,A,33点：,A,P,3,点以下：,P,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,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,共析钢的结晶过程,(,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,1点以上：,L,12点：,L,A,23点：,A,34：,A,F,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：,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：,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,),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,亚共析钢的结晶过程,(,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,。,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,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,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,过共析钢的结晶过程,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,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,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为,:,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,:,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),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,室温下两相的相对重量百分比为：,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,(,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,。,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,?,亚共晶白口铁的结晶过程,(,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,1,2,4,2,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,。,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,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,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,。,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。,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),。,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。,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。,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。,(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。,(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。,（,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。,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。,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。,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。,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。,