Fe—C合金的组织和性能.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,*,FeC,合金的组织和性能,钢,(Steels),和铸铁,(Cast irons),是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁,(Fe),和碳,(C),两种元素，故统称为,铁碳合金,（,alloys of the iron,carbon system,）,。,因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。,铁碳相图,(,如图,7.50),是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，,Fe,与,C,可以形成一系列化合物：,Fe3C,、,Fe,2,C,、,FeC,。,所以，,Fe-C,相图可以划分成,Fe-Fe,3,C,Fe,3,C-Fe,2,C,Fe,2,C-FeC,和,FeC,-C,四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过,5,），因此，,通常所说的铁碳相图就是,Fe-Fe,3,C,部分,。,Fe-Fe,3,C,相图,1.FeC,合金中的组元,铁碳合金中组元：,纯铁,(Fe),渗碳体（,Fe,3,C,）,(1),纯铁（,Fe,）,纯铁（,pure iron,）,W,Fe,99.8%,，,原子序数,26,，原子相对质量,55.85,，纯铁的熔点,1538,，汽化点,2738,，密度,7.87g/,。,纯铁固态下具有,同素异构转变（,allotropic transformation,）,：,912,C,以下为体心立方,(bcc),晶体结构，,912,C,到,1394,C,之间为面心立方,(,fcc,),结构,1394,C,到熔点之间为体心立方,(bcc),结构。,纯铁具有磁性转变,（,768,磁性转变、,magnetic transformation,）,。,纯铁的强度低，塑性好,(,软,),，很少用于结构材料。主要利用,铁磁性（,ferromagnetism,）,。,纯铁的同素异构转变,纯铁的显微组织,(2),渗碳体,(Fe3C),渗碳体（,cementite,）,是,FeC,合金中碳以化合物,(Fe,3,C),形式出现的。它具有复杂的晶格,(,正交晶系,),，其晶体结构如图,。,Fe,3,C,是由,C,原子构成的一个斜方晶格，原子周围有六个,Fe,原子，构成一个八面体，而每个,Fe,原子属于两个八面体共有，,Fe:C=3:1,。,Fe3C,熔点为,1227,，,Fe3c,是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：,Fe,3,C3Fe+C(,石墨,),。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以,FeFe3C,相图又叫介稳定系相图，,Fe,C,相图又叫稳定系相图，若把,FeFe3C,相图与,Fe,C,相图画在同一图上，称为,Fe,C,合金双重相图,.,Fe3C,在,230,以下具有铁磁性，常用,A0,表示这个临界点。,Fe3C,在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆,(HB800),，,塑性极低，延伸率接近于,0,。它是钢铁材料中的主要强化相。,Fe3C,中碳和,Fe,可以被其它元素替代形成以,Fe3C,为基的固溶体。,Fe,被,Cr,、,Mn,等原子金属置换，形成以,Fe3C,为基的固溶体，称为合金渗碳体。,渗碳体的晶格,Fe-Fe,3,C,双重相图,2.FeC,合金中的基本相,A,在,FeFe3C,相图中，,FeC,合金在不同条件,(,成分，温度,),下，可有,六个基本相：,L,相、,相、,相、,相、,Fe3C,相、石墨（,C,）,（,1,）,液相,(L),Fe,与,C,在高温下形成的液体溶液。,(ABCD,线以上,),（,2,）,相,高温铁素体（,high temperature ferrite,）,C,在,Fe,的间隙固溶体。在,1459,时最大溶解量可达,0.09%,，为,bcc,结构，也称,高温铁素体（,high temperature ferrite,）,。,（,3,）,渗碳体,（,cementite,）,前面已讨论过,FeC,合金中的基本相,B,（,4,）奥氏体（,austenite,）,奥氏体,(,或,A),是,C,溶解于,Fe,形成的间隙固溶体称为,奥氏体（,austenite,）,。,具有,fcc,结构。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，,1148,C,时最多可以溶解,2.11%,的碳，到,727,C,时含碳量降到,0.8%,。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心，单相,区存在于,NJBESGN,区域内（,727-1459,）。奥氏体的硬度,(HB170220),较低，塑性,(,延伸率,为,40%50%),高。奥氏体的显微组织见下图。,是,顺磁性（,paramagnetism,）,，,具有,fcc,结构。晶粒呈平直多边形。,碳在,Fe,晶格中的位置,奥氏体的显微组织,FeC,合金中的基本相,C,（,5,）铁素体（,ferrite,）,铁素体（,或,F,）是,C,溶于,Fe,形成的间隙固溶体称为,铁素体（,ferrite,）,。,C,原子溶于八面体间隙。单相,相在,CPQ,以左部分。铁素体的含碳量非常低，在,727,时,C,在,Fe,中最大溶解量为,0.0218%,，室温下含碳仅为,0.005%,，所以其性能与纯铁相似：硬度,(HB50-80),低，塑性,(,延伸率,为,30%50%),高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有,bcc,结构。,（,6,）石墨（,C,）,在一些条件下，碳可以以游离态,石墨（,graphite,）,(,hcp,),稳定相存在。所以石墨对于,FeC,合金中铸铁也是一个基本相。,3.FeFe3C,相图分析,如图为,FeFe3C,相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把,FeFe3C,相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线,Fe-Fe,3,C,相图,（,1,）,FeFe3C,相图的点,FeFe3C,相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,、,G,、,H,、,J,、,K,、,N,、,P,、,S,、,Q,各点,（,2,）,FeFe3C,相图的线,FeFe3C,相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线,(,水平,),和三条重要的相界线。,FeFe3C,相图中各线的意义如表（讲义,P4,51,）,A.,三条水平恒温转变线,包晶线：,HJB,线（,1459,）,，,J,为包晶点，,wc,=0.09,0.53%,的,Fe,、,C,合金缓冷到,HJB,线均发生包晶反应，即：,L0.53+,0.09,0.17,（,LB+,HJ,）,共晶线：,ECF,水平线（,1148,）,，,C,点为共晶点，,wc,=2.11,6.69%,的,Fe,、,C,合金缓冷到,EFC,线均发生共晶反应，即：,L4.30,2.11,+,Fe3C,（,LC,E,+,Fe3C,）,转变产物为,和,Fe3C,组成的共晶混合物称为,莱氏体（,ledeburite,），用,Ld,表示。,共析线：,PSK,水平线（,727,）,，,S,点为共析点。凡,wc,0.0218%,的,Fe,、,C,合金冷却到,PSK,线均发生共析反应，即：,0.77,0.0218,+,Fe3C,（,S,P,+,Fe3C,）,转变产物为,和,Fe3C,组成的机械混合物称为,珠光体（,pearlite,），用,P,表示。共析转变温度常用,A1,表示。,B.,两条磁性转变线,230,为水平线为,Fe3C,的磁性转变线,，,230,以上,Fe3C,无磁性，,230,以下为铁磁性。常用,A0,表示,770,为,的铁磁性转变线,。,770,以上无铁磁性，,770,以下为铁磁体。常用,A2,表示，又称居里点。,C.,几条重要的相界线,(,固态转变线,),GS,线：,A,中开始析出,或,全部溶入,(,升温时,),的转变线。常用,A3,表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析,相,开始析出线。,常称为,A3,线,或,A3,温度。,ES,线,：,C,在,中溶解度曲线。,常用,Acm,表示，称为,Acm,温度。低于此温度，溶解度降低，将析出,Fe3C,。,为了区别自液,(CD,线,),态合金中直接析出的一次,Fe3C,，将,中析出的,Fe3C,称为二次,Fe3C,。,PQ,线,：,C,在,中溶解度曲线,。在,727,时，,C,在,中的最大溶解度,0.0218%,，但温度下降，,C,在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，称为三次,Fe3C,。,以区别于沿,CD,线和,ES,线析出的,Fe3C,。,（,3,）,FeFe3C,相图中的区,FeFe3C,相图中的区：,4,个单相区,：,L,、,、,、,7,个两相区,：,L+,、,L+,、,L+Fe3C,、,+,、,+Fe3C,、,+,、,+Fe3C,3,个三相共存区,：,L+Fe3C,（,ECF,线）、,L+,（,HJB,线,）、,+Fe3C,（,PSK,线）,4.FeC,合金分类,Fe,、,C,合金通常按其含碳量,(,Wc,),及其室温平衡组织分为三大类：,工业纯铁（,pure iron,）、,碳钢（,carbon steel,）、,铸铁（,cast iron,）,。,根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：,（,1,）工业纯铁：,(,Wc,0.0218%),显微组织为固溶体,。,（,2,）钢,钢,（,steel,）,是含碳量在,(,Wc,=0.0218,2.11%),之间的,Fe,、,C,合金。,其特点是：,高温组织为单相的,，,具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，,碳钢（,carbon steel,）,又可分为：,共析钢（,eutectoid steel,）：,Wc,=0.77%,亚共析钢（,hypoeutectoid,steel,）：,Wc,=0.0218,0.77%,过共析钢（,hypereutectoid steel,）：,Wc,=0.77,2.11%,（,3,）白口铸铁,白口铸铁（,white cast iron,）,是含碳量在,Wc,=2.11,6.69%,之间的,Fe,、,C,合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以,Fe3C,为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻断。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：,共晶白口铸铁（,eutectoid cast iron,）：,Wc,=4.30%,亚共晶白口铸铁（,hypoeutectoid,cast iron,）：,Wc,=2.11,4.30%,过共晶白口铸铁（,hypereutectoid cast iron,）：,Wc,=4.30,6.69%,上述,Wc,=2.11%,具有重要的意义，它是钢和铸铁,(,生铁,),的理论分界线。,5.,碳素结构钢的分类和编号,关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。,一,.,分类,1.,根据钢的含碳量分类,（,1,）低碳钢,Wc0.25%,（,2,）,中碳钢,Wc,=0.25,0.60%,（,3,）高碳钢,Wc0.60%,2.,根据钢的质量（钢中含杂质,S,、,P,的量）分类,（,1,）普通碳素钢,Ws0.055%Wp0.045%,（,2,）,优质碳素钢,Ws0.040%Wp0.040%,（,3,）,高级优质碳素钢,Ws0.030%Wp0.030%,3.,根据钢的用途分类,（,1,）碳素结构钢,（,2,）碳素工具钢,二,.,碳钢的编号,我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，碳钢的具体编号方法如下：,1.,普通碳素结构钢,该类钢牌号表示方法是用“,Q+,数字,+,符号”表示，其中,Q,代表屈服点的字母，数字表示屈服点数值（,MPa,），,质量等级符号（,A,，,B,，,C,，,D,）,及脱氧方法符号（,F,，,b,，,Z,，,TZ,）,等四部分按顺序组成。如,Q235-A.F,，,表示屈服强度数值为,235MPa,的,A,级沸腾钢。质量等级符号表示普碳钢中杂质硫磷含量的高低，,C,，,D,级的含量最低，质量好。脱氧方法符号从,F,起依次分别表示沸腾钢，半镇静钢，镇静钢及特殊镇静钢，后两种钢牌号中的脱氧方法符号可省略。主要有：,Q195,、,Q215,、,Q235,、,Q255,、,Q275,2.,优质碳素结构钢,该类钢的钢号用“两位数字或两位数字,Mn,”,表示，其中两位数字表示钢中碳的平均含量，单位为万分之一；,Mn,表示对含锰量较高的钢，须将锰元素标出，一般锰的含量为,0.70,1.0%,，如：,20,、,20,Mn,、,45,、,40,Mn,。,钢号,45,，表示平均含碳量为,0.45%,的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢；钢号,20,Mn,表示碳的平均含量为,0.20%,、,Mn,表示锰的含量为,0.70,1.0%,的钢；钢号,25Mn,，,表示平均含碳量为,0.25%,而含锰量为,(0.7,1.0)%,的钢。,沸腾钢，半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如,15g,，,即平均含碳量为,0.15%,的锅炉钢；,08F,表示含碳量为,0.08%,的沸腾钢。,3.,碳素工具钢,碳素工具钢是用“,T+,数字”表示，其中,T,为碳的拼音，其后数字表示钢中平均含碳量的千分之几。如平均含碳量为,0.8%,的工具钢，其钢号记为“,T8”,；,T12,表示碳的平均含量为,1.2%,的碳素工具钢。含锰量较高者须在钢号后标以“,Mn,”,。,若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“,A”,，如,T10A,。,6.FeC,合金的平衡结晶过程及组织,（,1,）工业纯铁,以,Wc,=0.01%,的合金为例,室温组织为：,+,Fe3C Fe3C,最多为,0.33%,如下图,转变过程：,LL+,+,+,+,Fe3C,匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀,工业纯铁室温组织图（,200,）,（,2,）共析钢,共析钢（,Wc,=0.77%,）,室温组织为,P,（,+,Fe3C,），,P,呈层片状，是,和,Fe3C,的层片交替重叠的机械混合物。如图,7.53,图中的白色片状为,，,黑色片状为,Fe3C,。,过程如下：,LL+P+P,（,+Fe3C,）,匀晶转变共析转变脱溶沉淀,共析钢的室温组织（,500,）,（,3,）亚共析钢,亚共析钢（,Wc,=0.0218,0.77%,）,室温组织为：,+,P,如图,7.56,中的白色为,，,黑色片状为,P,。,过程如下：,LL+,L+,+,L+,+,+,P,+,+,+,P,（,析出,Fe3C,）,匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀,特别需注意：室温组织为,+,P,，,由于,是发生在共析转变之前，我们称为先共析,铁素体,。共析转变之前,+,和的相对量,(,即共析转变后,和,P,的相对量,),可通过杠杆法则来计算。,亚共析钢的室温组织（,200,）,（,5,）共晶白口铸铁,共晶白口铸铁（,Wc,=4.30%,）,液相冷至,1,点，发生共晶转变：,L4.30,2.11,+,Fe3C,此共晶体成为莱氏体,(Ld,：,+Fe3C),，,温度降至,PSK,线发生共析转变形成,P,，,共析转变结束后组织为,Fe3C+P+Fe3C,，,称为低温莱氏体,(,变态莱氏体,),，用,Ld,表示。,室温组织为：,Ld,（,P+Fe3C+Fe3C,）,过程如下：,LL+Ld,（,+Fe3C,）,LdLd,（,+Fe3C+Fe3C,）,Ld,（,P+Fe3C+Fe3C,）,共晶转变共析转变脱溶沉淀,共晶白口铸铁组织图（,200,）,（,6,）亚共晶白口铸铁,亚共晶白口铸铁（,Wc,=2.11,4.30%,）,冷却曲线如图：,室温组织为：,Fe3C,+Ld+P,，,其组织如图,7.59,过程如下：,LL+L+Ld+Ld,+Fe,3,C,+Ld+Fe,3,C,+Ld+P Fe,3,C,+Ld+P,匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应,亚共晶白口铸铁组织图（,200,）,（,7,）过共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁（,Wc,=0.77,2.11%,）,冷却曲线如图：,室温组织为：,Fe3C,+Ld,，,其组织如图,7.60,过程如下：,LL+Fe3C,Fe3C,+Ld,Fe3C,+Ld,匀晶反应共晶转变脱溶转变共析反应,过共晶白口铸铁组织图（,200,）,注意区别组织中的渗碳体,一次渗碳体,Fe3C,：,共晶渗碳体,Fe3C,：,二次渗碳体,Fe3C,：,共析渗碳体,Fe3C,：,二次渗碳体,Fe3C,：,7.Wc,对铁碳合金的组织和性能的影响,-A,随着含碳量的增加,Fe,、,C,合金的组织发生下列变化：,+,Fe3C,+,P P P+Fe3C,Fe3C,+Ld+P Ld Fe3C,+Ld,称为,组织组成物,所有,Fe-Fe,3,C,合金的室温组织都是由铁素体,和渗碳体,Fe,3,C,两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为,Fe-Fe,3,C,合金的,相组成物,。,注：随着,Wc,的增加，,Fe,、,C,合金中,的量逐渐减少，,Fe3C,的量逐渐增多，其变化呈线性关系。所有,Fe,、,C,合金都是由,和,Fe3C,组成，两个相的相对量可由杠杆法则来求得。随碳含量的增加，,W,Fe3C,增加，,Fe3C,形态也发生变化，由片状及球状形式分布在,基本内,(P),，,Fe3C,进一步成网状分布在晶界上，当,Ld,形成时，,Fe3C,又成为基体。,含碳量与,Fe-Fe,3,C,合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系,7.Wc,对铁碳合金的组织和性能的影响,-B,F,为软韧相，,Fe3C,为硬脆相，故,Fe,、,C,合金的力学性能取决于,和,Fe3C,两相的相对量及它们的相互分布特征。珠光体的强度比,高，比,Fe3C,低，而,P,的韧性和塑性比,低，比,Fe3C,高，而且,P,的强度随,P,片间距的减小而增大。在钢中,Fe3C,是一种强化相，随钢中,Wc,的增加使,FeC,合金强度升高，当,Wc,超过,0.77%,后，先,消失而,Fe3C,出现，合金强度增加变缓；当,Wc,达到,0.90%,时，由于沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降，当达到,2.11%,时，出现,Ld,，,强度降到最低。钢的塑性完全由,来提供，,Wc,的增加使,减少，塑性和韧性显著下降，当基体为,Fe3C,后，塑性就接近于,0,。为保证钢有足够的强度和适当的韧性配合，其,Wc,一般不超过,1.3,1.4%,。,对于白口铸铁，组织中存在大量的,Ld,，而,Ld,是以,Fe3C,为基的硬脆组织，因此白口铸铁具有很大的脆性。但由于大,Fe3C,存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。,Wc,对铁碳合金的性能的影响,