铁碳相图对共析钢-亚共析钢和过共析钢的详细分析.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,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,Fe3,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,3C,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：,1,2,3,45,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,CA,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,