第四节 铁碳合金相图.pdf

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一碳钢和 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%669%的称铸铁。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C Fe2CFeC,它们都可以作为相图的组元看待。含碳量大于Fe3c成分（6.69%时，合金太脆，已无实用价值。CFe3C Fe2C FeC C%(at%)t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.、铁碳合金的基本相和性能铁素体:碳在a-Fe中的固溶体称铁素体,用F或。表示。碳在厉Fe中的固溶体称3 铁素体，用，表示。铁素体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。奥氏体:碳在rFe中的固溶体称奥氏体。用A或7表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148c时最大为2.11%。组织为不规则多面体SS泰奥氏体晶粒，晶界较直。强餐 度低、塑性好，钢材 热加工都在A区进行.碳钢室温组织中无飨氏体。物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一一固态相变。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 9128-Fe 二 y-Fe W a-Fe渗碳体：即Fe3G含碳6.69%,用Fe3c或Cm表示。Fe3c硬度高、强度低9/35MPa,脆性大，塑性几乎为零 Fe3c是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解：Fe3c-3Fe+C（石墨）,该反应对铸铁有重要意义。由于碳在mFe中的溶解度 很小，因而常温下碳在铁 碳合金中主要以Fe3c或石i铁中的石塞墨的形式存在。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Fe3c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Fe3c两 相混合物，室温莱氏体是珠光体与Fe3c的两相混合物二、铁碳合金相图的分析 相图的简化 1.特征点1，A ft/I c%ft叼A EXEJ8 095 033蝴蹄嘛c EA 4,J0共独L尸甘邺IMr 669Qn18 ill蹄体中然墟髓Hu18 6仍跚嘶1 0魁QE触馥IB II95 0.09脏淞中然大滔艘u95 0.17AE：7 6.69KI D9J 0.-_ 0.0118:触Me帷瞬簸“0.77 0.0008椭产4+%C塾下献肝e中睇髓u /阿啕2.11 4.30 6.69 W佩%)2.特征线(1)液相线一ACD,固相线一AECF两条水平线：N 0 077 2.11 430做:加）ECF:共晶线Lc，加+Fe3c共晶产物是A与Fe3c的机械 混合物，称作莱氏体，用Le 表示。为蜂窝状，以Fe3c为 基，性能硬而脆。669 吗 C莱氏体 PSK:共析线?s WFp+Fe3c共析转变的产物是F与 Fe3c的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。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A1线。I其它相线 GST F固溶 体转变线,GS又 称A3线。ES碳在rFe中 的固溶线。又称 Ac m线。PQ碳在a-Fe 中的固溶线。沈()3.相区(1)单相区:L、A、F、Fe3c两相区：L+4、L+Fe3C A+Fe3CA+F.F+Fe3C两个三相区：即 ECF(L+A+Fe,C)L1227u /Ms?KPSK(A+F+Fe?)两条水平线三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金按成分可分为三类：(1)工业纯铁(V0.0218%(2)0(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)C 组织为单相铁素体。1538L、1148 L 超912 鸣二笏0.0218限00.77211纲F+Fe3CAFezC二F+AD1227FK4.30wc(%)-ft6.69 Fe3Cit*折钥 其新制 工*新胡 工出SIIMIit*晶自口铁 其岛白口铁 工*品自口铁白口铸铁(2.11 669%C)铸造性能好,硬而脆亚共晶白口铸铁(21143%C)共晶白口铸铁(4.3%C)过共晶白口铸铁(4.36.69%C)it奖品自口铁 共品白口铁 正共品自己铁过共听钢 共听纲（一）共析钢的结晶过程合金液体在L2 点间转变为A。至!JS点发生共析转变：AsFp+Fe3C,A全部转变为 珠光体。工CA 150014001300120011001000900r 800 r700Q1538A似上：L912F727|EI/IIA+FedC，2 点：LT A23点：A3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：QF-SK 6.69-0.77PK 6.69-0.0218=88.8%,Q%c=100%888%=11.2%L 1227 D珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析方中析出 Fe3cln，与共析Fe3c结合 不易分辨。室温组织为P。4+隹。IF+吗。肥 0 077 2.11 430wc(%)6.69 Fefi室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少?Qa=4LQL6.69一077=88.5%6.69-0.0008=100%-88.5%=11.5%共析钢的结晶过程3以下：A-P（二）亚共析钢的结晶过程以040%C的钢为例合金在3点以前通过匀晶 一包晶一匀晶反应全部转 变为A。到4点，由A，中析出F。至！J5点,A成分 沿GS线变到S点，A发生n，共析反应转变为珠光体。温度继续下降，厂中析Fe3Cra,由于与共析Fe3c结合，且量少，忽略不计.似上：L1 2点：LTA34：ATF3.0 4.3 5.0 6.69Fe3c44:ATP4点以下:P+FT.rA,150014001300120011001000G 900r 800 r700Q153811LI A共析温度下相的相对重量为:912A+FeA+F 727Ya)14|s八 0.40-0.0218 八 八QP R=-x 100%,Q=1 Or rFe3c 6.69-0.0218 a Fe3c组织组成物的相对重量为:F+P P 0.40-0.0218 八 八QP=-xlOO%,Qa=-QpP 0.77-0.0218 0 0.02 0.4 0.77 1.2 2.11 3.0 4.3 5.0 6.69Fe Wc(%)Fe3cT.r15001400130012001100A诞温度继续下降，。中析出FesGn，由于与共析Fe3c结合，且量少，忽L+A室温下相的相对重量百分比为:r 800 r700QI A3912F+P p727 J可4A+FA+FezC-0.0008 xl0Q%g 1-g/6.69-0.0008 0 飞室温下组织组成物的相对重量 百分比为：八 C-0.0008，八 1八QP=-x 100%,Q=1-QPP 0.77-0.0008 0 0 0.02 Fe0.4 0.77 1.2 2.11 3.0 4.3 5.0 6.69Wc(%)Fe3c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 x0.77%（忽略厂中含碳量，P面积=。尸）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。、亚共析钢的结晶过程(p)I3)200-a-Fe+Fe3c；0 12 3 4 5 6 6.67Fe C%Fe3c（三）过共析钢的结晶过程合金在12点转变为4,到3点，开始析出FesC。从奥氏体中析出的Fe3c称二次渗碳体,用Fe3Cn表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,F e3c 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点以匕L 12点：L-A 23点：ATA&15001400-1300-1200-1100 1000-G 91290子、L1L+AA8007000F+P3lj Fe3cli 可(4，)AFeoC44：ATPP+Fe3CnI j 室温组织：P+Fe3cli 400XP+Fe3cli0 0.02Fe0.4 0,77 1.2Wc(%)2.11P室温下两相的相对 重量百分比：Q。啮6.69-C6.69-0.0008。呻=目=100%2 QL过共析钢室温组织为P+Fe3cli o两组织组成物的相对重量百分比:m L+6,LxlOO%FepwtQ4CQ%芳=100%Q尸QP=5L 6.69 CSL 6.69-0.77xl00%,3c过共析钢的结晶过程200-a-Fe+Fe3c0 12 3 4 5 6 6.67Fe C%Fe3c总结：钢的结晶过程1、共析钢的结晶过程L f L+A-A-P相组成物：F,Fe3c 2、亚共析钢的结晶过程Lf L+A A A+F P+F相组成物：F,Fe3C3、过共析钢的结晶过程L-L+A-Af A+F e3c-P+F esG相组成物：F,Fe3C(四)共晶白口铁的结晶过程1 点 kA-I.L下口-L今Ld_I*L-C_莱氏体(Ld)是共晶A与共晶Fe3c的机+|共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:Q6.69-4.3Y 6.69-2.11x 100%=52.2%,QFe c=47.8%A 15001400130012001100WOO900 u 800 r700Qi（2，）I lI LdzD一 L十FedCF+、FeaCmPF+PP+Fe3c n0 0.02 Fe3.0 4.3 5.0 6.69Fe 3c，2 LdFe 3c 十 Fe 3cALc点以下，共晶A将析出 Fe3Cn,A成分沿ES线 变化。Fe3cli与共晶 Fe3c结合，不易分辨。A+Fe3c n启7 一等AIP+Fe3c iiC|(V)FI Ld9l(2)D 一 L+Fe3c温度降到2点，A成分达到；0.77%,此时，相的相对：K-oLd，、重量:0.77 1.2 2.11 3.0 4.3 59 6.69Wc(%)Fe3c6 69-4 3=_x 100%=40.4%,QFe c=59.6%6.69-0.77%。析反应，转变为珠光12-；-三体，这种由P与Fe3c;|!1P+Fe3Cn l组成的共晶体称低温 p I f莱氏体,用Ld，表示.I I!-J I下,Fe3cK43.4 0.77 1.22.11 3.0 4.3 5.0 6.69Wc(%)Fe3c2点以下:Ld，(P+Fe3ci+共晶Fe3C)室温组织：（低温）莱氏体Ld，500 XLdf的性能：硬而脆wc(%)Fe3c室温下两相的相对重量百分比为:=5-3一 5.59-0.0008x 100%=35.7%Q尸 u=100%-35.7%=Ld A+Fe3c共晶）Ld A+Fe3c共晶+Fe3cJ Ld P+Fe3c共晶+Fe3Cu）相组成物：F,Fe3C（五）亚共晶白口铁的结晶过程合金在12点间析出4。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。23点间从A中析出Fe3Cn,一次A的 Fe3cH被共晶A衬托出来。至!J3点，A转变为P。亚共晶白口铁室温组织 为 P+Fe3cH+Le，。室温下组织组成物相对 重量百分比为：心=必=窃 EC2C 2.11-0.77 EC 6.69-0.77Q,=100%Q“一Q 飞.室温下相的相对重量百分比?亚共晶白口铁的结晶过程0 12 3 4 5 6 6.67Fe C%Fe3c1以上:液态L（六）过共晶白口铁的结晶过程 12点间从液相中析出FesC,这种渗碳体称一次渗碳 体，用Fe3cl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。2点以下,Fe3c 成分重量不再 发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le，。I以匕液态L1-2:L-FP3Q+L总结：白口铸铁的结晶过程1、共晶白口铁的结晶过程LLd A+Fe3c共晶）-L d A+F+Fc3Cn Ld P+Fe3c共晶+Fe相组成物：F,Fe3C2、亚共晶白口铁的结晶过程LL+A A+L d（共晶A+Fe3c共晶）-A+Ld A+Fe3c共晶+Fe3G +Fe3Cjj-P+L d，（P+Fe3c共晶+Fe3Gi）+Fe3cli相组成物：F,Fe3C3、过共晶白口铁的结晶过程LL+Fe3cl Fe3cl+Ld（共晶A+Fe3c共晶）Fe3C!+Ld A+Fe3c共晶+Fe3Gi）Fe3cl+Ld P+Fe3c共晶+Fe3G 相组成物：F,Fe3C四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 1.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钢铁分类工共析钢白口铸铁共晶白口铸铁过共析钢亚共晶白口铸铁 I 过共晶白口铸铁含碳量 00.0218 0.77 2.114.3 6.69组相 织物量 组成对珠光体三次渗碳体一次渗碳体相组成100物相对量(L-Fe3cF F+P P f P+Fe3cH f P+Fe3cl式 Ld Ld-Ld +Fe3cl2.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 HBo23001200l(MX)200 800600l(X)400200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。3OOI2OO1000200 800600100 4002006an(e36030LE/f2=0a6c84但当碳质量分数超过共析成分之后，由于强度很低的Fe3cH 沿晶界出现，合金强度的增高 变慢,到约0.9%C时,Fe3cli 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,82(4 w(P)、w(Fe3C)相应表示组 织中F、P或Fe3c的质量分数。I五、铁碳相图的应用 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；各类弹板簧需要含碳0.5%0.75%3、需要耐磨的（工具、模具、轴 承类）可选用含碳。.8%1.3%的钢。在铸造工艺方面的应用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。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)在焊接方面的应用焊缝金属母材铁碳合金相图花的轧和得造Mi的应用由影响区(HAZ)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-Fe3c相图时应注意以下两点：Fe-Fe3c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-Fe3c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、丸合物的概念。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、Fe3C.P、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。