铁碳合金相图与共析钢结晶过程.ppt

铁铁碳合金碳合金相图与共析钢结晶过程相图与共析钢结晶过程 1、铁碳合金的基本相与性能 2、铁碳合金相图与共析钢结晶过程 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 l铁碳合金碳钢和 铸铁，是工业应用 最广的金属材料。 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，它们都可以作为相图的组元看待。 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 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一、铁碳合金的基本相和性能 l碳在-Fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 l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%。 l铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。 铁素体 l 铁素体： l碳在-Fe中的固溶体称 铁素体, 用F 或 表示。 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A 区进行. l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。 l铁的同素异构转变 l铁在固态冷却过程中有两次 晶体结构变化，其变化为： 1394912 -Fe -Fe -Fe l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 l 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 lFe3C硬度高、强度低(b35MPa), 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。 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 l 特征点 L+Fe3C l 特征线 l 液相线ACD， 固相线AECF l 两条水平线： lECF：共晶线LC E+Fe3C l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。 莱氏体 lPSK：共析线 S FP+ Fe3C l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 L+ Fe3C l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 。 l 其它相线 lGSA F 固溶 体转变线, GS又 称A3 线。 lES碳在 -Fe中 的固溶线。又称 Ac m线。 lPQ碳在-Fe 中的固溶线。 l 两个三相区： l即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线 l 相区 l 单相区： L、A、F、Fe3C l 两相区: L+A、 L+Fe3C、A+Fe3C、 A+F、F+Fe3C l 钢(0.02182.11%C) 高温组织为单相A 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铁碳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 。 三、三、典型铁碳合金典型铁碳合金的平衡结晶过程的平衡结晶过程 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(一) 共析钢的结晶过程 l合金液体在1-2 点间转变为A。 到S点发生共析 转变： ASFP+Fe3C, A 全部转变为 珠光体。 1点以上：L 12点：LA 23点：A 33点： AP 3点以下：P l珠光体在光镜下呈指纹状. l转变结束时，珠光体中相 的相对重量百分比为： l珠光体中的渗碳体称共析 渗碳体。 lS点以下，共析 F 中析出 Fe3C，与共析Fe3C结合 不易分辨。室温组织为P。 珠光体 l室温下，珠光体中两 相的相对重量百分比 是多少？ Q4 3 2 1 9 l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，Fe3C LL+A A A+F P+F 相组成物：F，Fe3C LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C 四、 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 l 含碳量对室温平衡组织的影响 l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 Fe3C 钢 铁 分 类 组织组 成物相 对量% 相组成 物相对 量% 含碳量%00.0218 0.772.114.36.69 100 100 0 0 三次渗碳体 F F+P P P+ Fe3CII P+ Fe3CII + L L L+ Fe3CI 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 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Fe3CII 沿晶界出现, 合金强度的增高 变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII 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Fe3C, 强度变化不 大且值很低, 趋于Fe3C的强度 (约20 MPa30 MPa)。 塑性 铁碳合金中Fe3C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。 五、铁碳相图的应用五、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