铁碳合金相图与共析钢结晶过程

1、铁碳合金相图与共析钢结晶过程 1 1、铁碳合金的基本相与性能、铁碳合金的基本相与性能 2 2、铁碳合金相图与共析钢结晶过程、铁碳合金相图与共析钢结晶过程 3 3、含碳量对铁碳合金组织性能的影响、含碳量对铁碳合金组织性能的影响 4 4、铁碳合金相图的应用、铁碳合金相图的应用 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l铁碳合金铁碳合金碳钢和碳钢和 铸铁，是工业应用铸铁，是工业应用 最广的金属材料。最广的金属材料。 l含碳量为含碳量为0.0218% 0.0218% 2.11%2.11%的称钢。的称钢。 l含碳量为含碳量为 2.11% 2.11% 6.69%6.69%的称铸铁。的称铸铁。 铁碳合金相图与共析钢结

2、晶过程 l铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物：FeFe3 3C C、 FeFe2 2C C、 FeCFeC，它们都可以作为相图的组元看待。，它们都可以作为相图的组元看待。 l含碳量大于含碳量大于FeFe3 3C C成分（成分（6.69%6.69%）时，合金太脆，已）时，合金太脆，已 无实用价值。无实用价值。 l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- FeFe- Fe3 3C C相图。相图。 FeFeFeFe3 3C CFeFe2 2C C FeC FeC C C C%(at%) C%(at%) 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 铁碳合金相图与共析钢结晶过

3、程 l碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称中的固溶体称 - -铁素体，用铁素体，用 表示。表示。 l都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, , 在在727727时最大为时最大为0.0218%0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%0.0008%。 l铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。 铁素体铁素体 l 铁素体：铁素体： l碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称铁中的固溶体称铁 素体素体, , 用用F F 或或 表示。表示。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 奥氏体奥氏体: : l碳在碳在

4、 -Fe-Fe中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称奥氏体。用A A或或 表示。表示。 l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体 大，大，11481148时最大为时最大为2.11%2.11%。 l组织为不规则多面体组织为不规则多面体 晶粒，晶界较直。强晶粒，晶界较直。强 度低、塑性好，钢材度低、塑性好，钢材 热加工都在热加工都在A A 区进行区进行. . l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥 氏体。氏体。 奥氏体奥氏体 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 构转变。同素异构转变属于构转变。同素异构转变属于 相变之一相变之一固态相变。固态相变。 l铁的同素

5、异构转变铁的同素异构转变 l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次 晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为： 13941394912912 -Fe -Fe -Fe -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纯铁的同素异构转变 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 渗碳体：即渗碳体：即FeFe3 3C, C, 含碳含碳6.69%, 6.69%, 用用FeFe3 3C C或或C Cm m表示。表示。 lFeFe3 3C C硬度高硬度高、强度低强度低( ( b b 35MPa35MPa) ), ,

6、 脆性大脆性大, , 塑性几乎为零塑性几乎为零 lFeFe3 3C C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解：定条件下可发生分解： FeFe3 3C3Fe+C(C3Fe+C(石墨石墨), ), 该反该反 应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。 l由于碳在由于碳在 -Fe-Fe中的溶解度中的溶解度 很小，因而常温下碳在铁很小，因而常温下碳在铁 碳合金中主要以碳合金中主要以FeFe3 3C C或石或石 墨的形式存在。墨的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨 钢中的渗碳体钢中的渗碳体 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 三个基本相：铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一三个基本相：铁素体、

7、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。组织中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。 五种组织组成物：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。多相混合物。 铁素体铁素体 奥氏体奥氏体 渗碳体渗碳体 珠光体珠光体 莱氏体莱氏体 珠光体：共析反应的产物，是珠光体：共析反应的产物，是F F与与FeFe3 3C C片层相间的两片层相间的两 相混合物相混合物 莱氏体：共晶反应的产物，高温莱氏体

8、是莱氏体：共晶反应的产物，高温莱氏体是A A与与FeFe3 3C C两两 相混合物相混合物, , 室温莱氏体是珠光体与室温莱氏体是珠光体与FeFe3 3C C的两相混合物的两相混合物 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 相图的简化相图的简化 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 特征点特征点 L L+Fe+Fe3 3C C 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 特征线特征线 l 液相线液相线ACDACD， 固相线固相线AECFAECF l 两条水平线：两条水平线： lECFECF：共晶线：共晶线L LC C E E+Fe+Fe3 3C C l共晶产物是共晶产物是A A与与FeFe3 3C C的机械的机械 混

9、合物，称作莱氏体混合物，称作莱氏体, , 用用LeLe 表示。为蜂窝状表示。为蜂窝状, , 以以FeFe3 3C C为为 基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。 莱氏体莱氏体 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 lPSKPSK：共析线：共析线 S S F FP P+ Fe+ Fe3 3C C l共析转变的产物是共析转变的产物是 F F与与 FeFe3 3C C的机械混合物，称的机械混合物，称 作珠光体，用作珠光体，用P P表示。表示。 珠光体珠光体 L+ FeL+ Fe3 3C C l珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布, , 性能介于两相之间。性能介于两相之间。 P

10、SKPSK线又称线又称A A1 1线线 。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 其它相线其它相线 lGSGSA A F F 固溶固溶 体转变线体转变线, GS, GS又又 称称A A3 3 线。线。 lESES碳在碳在 -Fe-Fe中中 的固溶线。又称的固溶线。又称 A Ac m c m线。 线。 lPQPQ碳在碳在 -Fe-Fe中中 的固溶线。的固溶线。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 两个三相区：两个三相区： l即即ECF(L+ECF(L+A A+ Fe+ Fe3 3C)C)、PSK(PSK(A A+ +F F+ Fe+ Fe3 3C)C)两条水平线两条水平线 l 相区相区 l 单相区：单

11、相区： L L、A A、F F、FeFe3 3C C l 两相区两相区: L+: L+A A、 L+FeL+Fe3 3C C、A A+Fe+Fe3 3C C、 A A+ +F F、F F+Fe+Fe3 3C C 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 钢钢(0.02182.11%C)(0.02182.11%C) 高温组织为单相高温组织为单相A A l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)(0.02180.77%C) l 共析钢共析钢 (0.77%C)(0.77%C) l 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)(0.772.11%C) l铁碳合金按成分可分为三类：铁碳合金按成分可分为三类

12、： l 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) (0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C)(2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, , 硬而脆硬而脆 l 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)(2.114.3%C) l 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 (4.3%C)(4.3%C) l 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)(4.36.69%C) 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l( (一一) ) 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合金液体在合金液体在1-21-2 点间转

13、变为点间转变为A A。 到到S S点发生共析点发生共析 转变：转变： A AS S F FP P+Fe+Fe3 3C,C, A A 全部转变为全部转变为 珠光体。珠光体。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 + + + + + + 1 1点以上：点以上：L L 1 12 2点：点：L LA A 2 23 3点：点：A A 3 33 3点：点： A AP P3 3点以下：点以下：P P 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l珠光体在光镜下呈指纹状珠光体在光镜下呈指纹状. . l转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中相 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为： l珠光体中的渗碳体称共析珠光体中的渗碳体称共

14、析 渗碳体。渗碳体。 lS S点以下，共析点以下，共析 F F 中析出中析出 FeFe3 3C C ，与共析 ，与共析FeFe3 3C C结合不结合不 易分辨。室温组织为易分辨。室温组织为P P。 3 Fe C 6.690.77 88.8%, 6.690.0218 100%88.8%11.2% F SK Q PK Q 珠光体珠光体 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l室温下，珠光体中两室温下，珠光体中两 相的相对重量百分比相的相对重量百分比 是多少？是多少？ 3 Fe C 4 6.690.77 88.5% 6.690.0008 100%88.5% 11.5% L Q QL Q Q Q4 3 2 1

15、 9 9 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 1 1、共析钢的结晶过程、共析钢的结晶过程 3 3、过共析钢的结晶过程、过共析钢的结晶过程 2 2、亚共析钢的结晶过程、亚共析钢的结晶过程 L L+A A PL L+A A P 相组成物：相组成物：F F，FeFe3 3C C LL+A A A+F P+FLL+A A A+F P+F 相组成物：相组成物：F F，FeFe3 3C C LL+AAA+FeLL+AAA+Fe3 3C CII IIP+FeP+Fe3 3C CII II 相组成物：相组成物：F F，FeFe3 3C C 铁碳合金相

16、图与共析钢结晶过程 四、四、 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响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：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢钢 铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢 过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢 白白 口口 铸铸 铁铁 二次渗碳体二次渗碳体 工工 业业 纯纯 铁铁 珠光体珠光体莱氏体莱氏体 一次渗碳体一次渗碳体 FeFe3 3C C 钢钢 铁铁 分分 类类 组织组组织组 成物相成物相 对量对量

17、% 相组成相组成 物相对物相对 量量% 含碳量含碳量% 0 00.02180.0218 0.770.772.112.114.34.36.696.69 100100 100100 0 0 0 0 三次渗碳体三次渗碳体 F F+P P P+ FeF F+P P P+ Fe3 3C CII II P+ Fe P+ Fe3 3C CII II + L+ L L L L L+ Fe+ Fe3 3C CI I 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响 硬度主要决定于组织中组硬度主要决定于组织中组 成相或组织组成物的硬度成相或组织组成物的硬度 和质量分数和质量分数, , 随

18、碳含量的随碳含量的 增加增加, , 由于硬度高的由于硬度高的FeFe3 3C C 增多增多, , 硬度低的硬度低的F F减少减少, ,合金合金 的硬度呈直线关系增大的硬度呈直线关系增大, , 由全部为由全部为F F的硬度约的硬度约80 HB80 HB 增大到全部为增大到全部为FeFe3 3C C时的约时的约 800 HB800 HB。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 强度是一个对组织形态很强度是一个对组织形态很 敏感的性能。随碳含量的敏感的性能。随碳含量的 增加增加, , 亚共析钢中亚共析钢中P P增多而增多而 F F减少。减少。P P的强度比较高的强度比较高, , 其大小与细密程度有关。其大小

19、与细密程度有关。 组织越细密组织越细密, , 则强度值越则强度值越 高。高。F F的强度较低。所以的强度较低。所以 亚共析钢的强度随碳含量亚共析钢的强度随碳含量 的增大而增大。的增大而增大。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 但当碳质量分数超过共析成分但当碳质量分数超过共析成分 之后之后, , 由于强度很低的由于强度很低的FeFe3 3C CII II沿沿 晶界出现晶界出现, , 合金强度的增高变合金强度的增高变 慢慢, , 到约到约0.9%C0.9%C时时, Fe, Fe3 3C CII II沿晶界沿晶界 形成完整的网形成完整的网, , 强度迅速降低强度迅速降低, , 随着碳质量分数的进一步增加

20、随着碳质量分数的进一步增加, , 强度不断下降强度不断下降, , 到到2.11%C2.11%C后后, , 合合 金中出现金中出现LeLe时时, , 强度已降到很强度已降到很 低的值。再增加碳含量时低的值。再增加碳含量时, , 由由 于合金基体都为脆性很高的于合金基体都为脆性很高的 FeFe3 3C, C, 强度变化不大且值很低强度变化不大且值很低, , 趋于趋于FeFe3 3C C的强度的强度( (约约20 MPa20 MPa30 30 MPa)MPa)。 铁碳合金相图与共析钢结晶过程 塑性铁碳合金中塑性铁碳合金中FeFe3 3C C是是 极脆的相极脆的相, , 没有塑性。合金没有塑性。合金 的塑性变形全部由的塑性变形全部由F F提供。提供。 所以随碳含量的增大所以随碳含量的增大, F, F量量 不断减少时不断减少时, ,