工程材料与成形技术基础 第2版 教学课件 ppt 作者 庞国星 第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图 2第四节铁碳合金相图

第四节 铁碳合金相图 l铁碳合金碳钢和铸铁，是工业中应用最 广的合金。 l含碳量为0.0218% 2.11%的称钢 l含碳量为2.11% 6.69%的称铸铁。 l铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C 、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 l含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。 l实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。 FeFe3CFe2C FeCC C%(at%) 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，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、冶炼和铸造等工艺的依据。 一、铁碳合金的组元和相 l1、组元：Fe、 Fe3C l2、相 l 铁素体： l碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F 或 表示。 l碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。 l都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低 ，在727时最大为0.0218%，室温下仅0.0008%。 l铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。 铁素体 l 奥氏体: l碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。 l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%。 l组织为不规则多面体晶粒， 晶界较直。强度低、塑性好， 钢材热加工都在区进行。 l碳钢室温组织中无奥氏体。 奥氏体 l 渗碳体：即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。 lFe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。 lFe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。 l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Fe3C或石墨的形式存在。 二、铁碳合金相图的分析 l1、特征点 LJ N G +Fe3C +Fe3C L+Fe3C L+ + l2、特征线 l 液相线ABCD， 固相线AHJECFD l 三条水平线： l HJB：包晶线LB+H J lECF：共晶线LC E+ Fe3C l共晶产物是 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。 莱氏体 lPSK：共析线， S FP+ Fe3C， 共析转变的产物是 与 Fe3C的机械混合物，称作 珠光体，用P表示。其组 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 。 珠光体 L+ L+ L+ Fe3C + + Fe3C + F+ Fe3C l 其它相线 lGS,GP 固溶体转变线，GS又称A3 线。 lHN,JN 固溶体转变线， lES碳在 -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 lPQ碳在-Fe中的固 溶线。 l3、相区 l 五个单相区： L、Fe3C l 七个两相区：L+ 、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C 、+ 、+Fe3C l 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C) 三条水平线 三、典型合金的平衡结晶过程 l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： l 工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。 l 钢(0.02182.11%C) 高温组 织为单相，易于变形， l 亚共析钢(0.02180.77%C) l 共析钢(0.77%C) l 过共析钢(0.772.11%C) l 白口铸铁(2.116.69%C) 铸造性能好，硬而脆 l 亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C) l 共晶白口铸铁(4.3%C) l 过共晶白口铸铁 (4.36.69%C) l 工业纯铁的结晶过程 （合金） l合金液体在1-2点间转变为，3-4点间，5-6 点间。到7点，从中析出Fe3C。 4 3 2 1 + L+ L+ L 5 6 7 + +Fe3C l从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表 示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。随温 度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为 F+ Fe3C。 l室温下Fe3C的最大量为: l 共析钢的结晶过程 （合金） l合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变： S P+ Fe3C， 全部转变为珠光体，P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： lP中的渗碳体称共析渗碳体。 lS点以下，共析中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不 易分辨。室温组织为P。 珠光体 l 亚共析钢的结晶过程(合金) l0.090.53%C亚共析钢冷却时发 生包晶反应.以0.45%C的钢为例 。 l合金在4点以前通过匀晶包晶 匀晶反应全部转变为。到4点 ， 由 中析出 。到5点， 成分沿GS线变到S点， 发 生共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出 Fe3C，但量少，忽略不计。 +Fe3C l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% （忽略中含碳量，P面积%=QP） 共析温度下相的相对重量百分比为： 组织组成物的相对重量百分比为 ： l亚共析钢室温下的组织为F+P 。 l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 l 过共析钢的结晶过程 （合金） l合金在3点转变为 ，到3点，开始析出Fe3C。从奥氏 体中析出的Fe3C称二次渗碳体。用Fe3C 表示。 lFe3C 沿晶界呈网状分布。 l温度下降，Fe3C 量增 加。到4点， 成分沿 ES线变化到S点，余下 的 转变为P。 l过共析钢室温组织为 P+ Fe3C 。 lFe3C量随含碳量而 增加，含碳量为 2.11%时，Fe3C量 最大： 含1.4%C钢的组织 l 共晶白口铁的结晶过程 （合金） l合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le)， 莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物，呈蜂窝状 。此时 ： C点以下， 成分 沿ES线变化，共晶 将析出Fe3C 。 lFe3C 与共晶Fe3C 结合，不易分辨。温度降到2点， 成分达到0.77%，此时： l在2点，共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由 P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体，用Le表示。 2 点以下，共晶体中P的变化同共析钢。 l共晶白口铁室温组织为 Le（P+ Fe3C），它保 留了共晶转变产物的形 态特征。 l室温下两相的相对重量 百分比为： l 亚共晶白口铁的结晶过程 （合金） l合金在12点间析出 。到2点，液相成分变到C点， 并转变为Le。23点间从中析出Fe3C，一次的 Fe3C被共晶衬托出来。到3点，转变为P。 l亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。室温下组 织组成物相对重量百分比为 ： l 过共晶白口铁的结晶过程 （合金） l1-2点间从液相中结晶出Fe3C。从液相中析出的渗碳 体称一次渗碳体，用Fe3C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。 l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注 l组织组成物的标注与相组成物的标注主要区别在 +Fe3C和+ Fe3C两个相区。 +Fe3C相区中有 四个组织组成物 区， +Fe3C相 区中有七个组织 组成物区。 + Fe3C + Fe3C l 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 l1、含碳量对室温平衡组织的影响 l根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的 相及组织组成物之间的定量关系： 随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在 基体内(P 中Fe3C)变为分布在A晶界上(Fe3C)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。 l2、含碳量对力学性能的影响 l亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。 l0.77%C时，组织为100%P， 含碳量对力学性能的影响 钢的性能即P的性能。 l0.9%C,