铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)

1、2021-8-31铁碳相图和铁碳合金铁碳相图和铁碳合金 2021-8-32一、一、 铁碳相图铁碳相图 Fe-C diagram钢与铸铁（金属材料）钢与铸铁（金属材料）钢与铸铁的基本组成是铁和碳两种元素钢与铸铁的基本组成是铁和碳两种元素铁与碳可以形成铁与碳可以形成FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC等多种稳等多种稳定化合物定化合物 铁碳相图：铁碳相图：18681868年发现（俄国冶金学家）年发现（俄国冶金学家）2021-8-33铁碳合金中的碳可以有两种方式存在即铁碳合金中的碳可以有两种方式存在即渗碳体渗碳体(Fe3C)和石墨和石墨 铁碳相图常表示为铁碳相图常表示为Fe- Fe

2、3C和和Fe石墨石墨双重相图双重相图 Fe-Fe3C（6.69%C）相图）相图（用实线表示）（用实线表示）Fe-C（石墨（石墨100%C）相图）相图（用虚线表示）（用虚线表示） 一、一、 铁碳相图铁碳相图2021-8-34铁碳合金中的组元及相铁碳合金中的组元及相& 组元：纯铁和碳组元：纯铁和碳& 相：碳在铁中形成的固溶体铁素体相：碳在铁中形成的固溶体铁素体ferrite （F F）、奥氏体）、奥氏体austenite （A A）、高温铁素体）、高温铁素体（）和铁与碳形成的间隙化合物渗碳体）和铁与碳形成的间隙化合物渗碳体cementite （FeFe3 3C C）2021-8-35（1）纯铁）纯

3、铁pure iron（多型性）（多型性） 纯铁熔点纯铁熔点1538，温度变化温度变化时会发生同素异构转变。时会发生同素异构转变。 在在912以下为体心立方，以下为体心立方，称称铁铁(-Fe)； 低温的铁具有铁磁性，在低温的铁具有铁磁性，在770以上铁磁性趋于消失。以上铁磁性趋于消失。 9121394之间为面心之间为面心立方，称为立方，称为铁铁(-Fe)； 在在1394-1538(熔点熔点)之间之间为体心立方，被称为为体心立方，被称为铁铁(-Fe)。2021-8-36纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 -Fe，fcc -Fe，bcc912 C2021-8-37图图 纯铁的同素异构转变纯铁的同素

4、异构转变2021-8-382021-8-39铁的同素异构转变铁的同素异构转变2021-8-310纯铁的性能特点纯铁的性能特点塑性好塑性好韧性好韧性好磁导率高（磁导率高（仪器仪表的铁芯仪器仪表的铁芯）强度硬度低：强度硬度低：屈服强度：屈服强度：100-170MPa抗拉强度：抗拉强度：180-270MPa硬度硬度HBS：50-802021-8-311硬度测量硬度测量布氏硬度计布氏硬度计 洛氏硬度计洛氏硬度计2021-8-312（2）铁的固溶体）铁的固溶体 F碳溶解于碳溶解于铁或铁或铁中形成的固溶体为铁铁中形成的固溶体为铁素体素体ferrite ，用，用或或表示表示(或或用用F表示表示)。F碳在铁素

5、体中的最大溶解度为碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218F碳溶解于碳溶解于铁中形成的固溶体称为奥氏体铁中形成的固溶体称为奥氏体austenite ，用，用表示表示( (或用或用A A表示表示) )。F碳在奥氏体中的最大溶解度为碳在奥氏体中的最大溶解度为2.112.112021-8-313铁素体的显微组织铁素体的显微组织u铁素体的显微组织与纯铁相同，用铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒。亮的多边形等轴晶粒。2021-8-314奥氏体的组织奥氏体的组织n奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为奥氏体的组织与铁素体

6、相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。平直，且常有孪晶存在。2021-8-315（3）FeFe3 3C C(渗碳体渗碳体） cementiteFeFe3 3C C属正交晶系，复杂的斜方结属正交晶系，复杂的斜方结构，无同素异构转变。构，无同素异构转变。硬度很高，塑性几乎为零，是脆硬度很高，塑性几乎为零，是脆硬相。可刻划玻璃硬相。可刻划玻璃在钢和铸铁中呈片状、球状、网在钢和铸铁中呈片状、球状、网状、板状状、板状是碳钢中主要的强化相是碳钢中主要的强化相它的量、形状、分布对钢的性能它的量、形状、分布对钢的性能影响很大影响很大 )(33石墨CFeCFe2021-8-316FeFe3 3C C(渗碳体渗碳

7、体)的组织的组织2021-8-3172、 Fe-Fe3C相图分析相图分析 符号符号 温度温度/ 含碳量含碳量/% 含义含义A15380纯铁的熔点纯铁的熔点 B14950.53包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分 C11484. 3共晶点共晶点 D12276.69Fe3C的熔点的熔点 E11482.11碳在碳在 -Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 F11486.69Fe3C的成分的成分 G9120与与同素异构转变点同素异构转变点(A3) 特征点特征点1414个个 2021-8-3182、 Fe-Fe3C相图分析相图分析 符号符号 温度温度/ 含碳量含碳量/% 含义含义H14950.0

8、9碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 J14950.17包晶点包晶点 K7276.69Fe3C的成分的成分 N13940与与同素异构转变点同素异构转变点(A4) P7270.0218碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 S7270.77共析点共析点 Q室温室温 0.0008室温下碳在室温下碳在-Fe中的溶解度中的溶解度 特征点特征点 2021-8-3192、 Fe-Fe3C相图分析相图分析 FABCD为液相线为液相线FAHJECF为固相线为固相线F整个相图主要由包晶、共晶、共析整个相图主要由包晶、共晶、共析三个三个恒温转变恒温转变所组成所组成 特征线特征线2021-8-320特征

9、线特征线2021-8-321Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中四条重要的固态转变线相图中四条重要的固态转变线 （1）GS线线奥奥氏体中开始析出铁氏体中开始析出铁素体或铁素体全部素体或铁素体全部转变为奥氏体的转转变为奥氏体的转变线，常称此温度变线，常称此温度为为A3温度。温度。 2021-8-322Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中四条重要的固态转变线相图中四条重要的固态转变线 （2）ES线：碳在奥氏线：碳在奥氏体中的固溶度线体中的固溶度线此温度常称为此温度常称为Acm温度温度低于此温度，奥氏体中低于此温度，奥氏体中将析出渗碳体，称为二将析出渗碳体，称为二次渗碳体记作次渗碳体记作Fe3C

10、IIFe3CII以以区别液相中经区别液相中经CD线析线析出的出的一次渗碳体一次渗碳体Fe3CIFe3CI。 2021-8-323Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中四条重要的固态转变线相图中四条重要的固态转变线 （3）GP线：碳在线：碳在铁素体铁素体()中的固中的固溶度线溶度线在在+两相区，温两相区，温度变化时，铁素体度变化时，铁素体中的含碳量沿这条中的含碳量沿这条线变化。线变化。2021-8-324Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中四条重要的固态转变相图中四条重要的固态转变线线 （4）PQ线：碳在铁素线：碳在铁素体体()中的固溶度线中的固溶度线(共析共析温度以下温度以下) 在在727时

11、，铁素体含碳时，铁素体含碳量为量为0.0218，在，在600时仅为时仅为0.008，因此温，因此温度下降时铁素体中将析度下降时铁素体中将析出渗碳体，称为三次渗出渗碳体，称为三次渗碳体记作碳体记作Fe3CIIIFe3CIII。 图中图中(770)线表示铁素线表示铁素体的磁性转变温度体的磁性转变温度(居里居里温度温度)，常，常称称A2温度。温度。 230水平虚线表示渗碳水平虚线表示渗碳体的磁性转变温度体的磁性转变温度 2021-8-3253、 典型铁碳合金的平衡凝固典型铁碳合金的平衡凝固 钢和铸铁的区分钢和铸铁的区分通常按有无共晶转变来区分钢和铸铁通常按有无共晶转变来区分钢和铸铁含碳量在含碳量在0

12、.02180.02182.112.11的铁碳合金无的铁碳合金无共晶转变，有共析转变，称为钢。共晶转变，有共析转变，称为钢。含碳量大于含碳量大于2.112.11的铁碳合金有共晶反应，的铁碳合金有共晶反应，称为铸铁称为铸铁含碳量小于含碳量小于0.02180.0218的铁碳合金则称为工的铁碳合金则称为工业纯铁业纯铁 2021-8-326根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种 F工业纯铁工业纯铁(0.02180.0218C)；F共析钢，共析钢，0.77C；F亚共析钢亚共析钢(0.02180.77C)；F过共析钢过共析钢(0.77-2.11C)；F共晶铸铁共晶铸铁(4.

13、30%C)；F亚共晶铸铁亚共晶铸铁(2.11%-4.30C)；F过共晶铸铁过共晶铸铁(4.306.69C)。 2021-8-327白口铸铁白口铸铁 灰口铸铁灰口铸铁 按按Fe-Fe3CFe-Fe3C相图结晶的铸铁，称为白口铸铁；相图结晶的铸铁，称为白口铸铁；按按Fe石墨相图结晶的铸铁称为灰口铸铁。石墨相图结晶的铸铁称为灰口铸铁。2021-8-328(1)(1) 共析钢共析钢Eutectoid steel（0.77C，图中合金，图中合金） 2点温度结晶完成点温度结晶完成2-3点为单相奥氏体点为单相奥氏体 2021-8-329(1) 共析钢（共析钢（0.77C，图中合金，图中合金） 珠光体中的铁素

14、体珠光体中的铁素体p p称为共析铁素体称为共析铁素体珠光体名称的由来：珠光体组织经磨制抛光及硝珠光体名称的由来：珠光体组织经磨制抛光及硝酸溶液浸蚀后表面可见珍珠色酸溶液浸蚀后表面可见珍珠色 转变产物为珠光体，一转变产物为珠光体，一般用般用P表示表示Pearlite 珠光体是铁素体与渗碳珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物体的机械混合物2021-8-330珠光体的光学显微组织照片珠光体的光学显微组织照片 共析渗碳体呈层片状分布在铁素共析渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上体基体上 共析渗碳体经适当的球化退共析渗碳体经适当的球化退火后，呈球状或粒状分布在火后，呈球状或粒状分布在F基体上基体上 2021-

15、8-331(1) 共析钢（共析钢（0.77C，图中合金，图中合金） 2021-8-332共析钢的组织为共析钢的组织为100的珠光体的珠光体 F从相组成看共析钢由铁从相组成看共析钢由铁素体和渗碳体两相组成素体和渗碳体两相组成 %880218. 069. 677. 069. 6PFA AD DC CE EF FS SQ QP PG GK K1 15 53 38 81 12 22 27 71 11 14 48 87 72 27 79 91 12 26 60 00 00 06 6. .6 69 94 4. .3 32 2. .1 11 10 0. .7 77 70 0. .0 02 21 18 8L

16、LA A + + F Fe e3 3C CL L+ +A AA AF F + + F Fe e3 3C CF FF F+ +A AF Fe e( (F Fe e3 3C C) )T TL LF Fe e3 3C CWc / %2021-8-333（2）亚共析钢）亚共析钢(0.0218-0.77C) 2021-8-334（3）过共析钢）过共析钢(0.77-2.11C，图中合金，图中合金) 2021-8-335（4）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁(4.3C，图中合金，图中合金) 2021-8-336共晶白口铸铁CDEFK12Fe3Cd Fe3C+Fe3C PLd (P+ Fe3C+Fe3C)温度温度时

17、间时间11222021-8-337（4）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁(4.3C，图中合金，图中合金) 共晶白口铸铁的相组成是铁素体和渗碳体，其组织则为共晶白口铸铁的相组成是铁素体和渗碳体，其组织则为100的的变态莱氏体变态莱氏体(见图见图)。 白色基体是共晶渗碳体，黑白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒是由共晶奥氏体转变色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体而来的珠光体 2021-8-338（4）共晶白口铸铁）共晶白口铸铁(4.3C，图中合金，图中合金) 1148，L4.3=A2.11+Fe3C （Ld）%5211. 269. 63 . 469. 611. 2A%4 .4077. 069. 63 . 4

18、69. 677. 0A2021-8-339（5 5）亚共晶白口铸铁）亚共晶白口铸铁(2.11(2.11-4.3-4.3C C，图中合金，图中合金) )2021-8-340CDEFK亚共晶白口铸铁wC=3.0%123时间时间温温度度12233 Fe3CIILd+P+Fe3CIILLL+ + Ld P2021-8-341（5 5）亚共晶白口铸铁）亚共晶白口铸铁(2.11(2.11-4.3-4.3C C，图中合金，图中合金) )Ld=（3.0-2.11）/（4.3-2.11 ） A2.1159%，P=0.59（6.69-2.11）/（6.69-0.77）=46% ，Fe3CII=0.59 （2.11

19、-0.77）/（6.69-0.77）=13%2021-8-342（6 6）过共晶白口铸铁）过共晶白口铸铁(4.30(4.306.696.69，图中合金，图中合金) )2021-8-343CDEFK过共晶白口铸铁wC=5.0%123dFe3C温度温度时间时间12233Fe3CdLd( Fe3CII)Ld ( P)2021-8-344铁碳相图铁碳相图2021-8-345按组织分区的铁碳合金相图按组织分区的铁碳合金相图2021-8-346铁碳合金的成分与性能的对应关系铁碳合金的成分与性能的对应关系 2021-8-347拉伸实验拉伸实验2021-8-348钢铁的生产流程钢铁的生产流程2021-8-34

20、9钢铁的冶炼钢铁的冶炼2021-8-350二二 、碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响（自学）碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响（自学） 2021-8-351思考题思考题u1.为什么钢适宜用于压力成形为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜而铸铁适宜用于铸造成形用于铸造成形?u可得到单相组织；适合铸造，流动性好可得到单相组织；适合铸造，流动性好u2.歌曲歌曲“比铁还硬比铁还硬,比钢还强比钢还强”能不能改成能不能改成“比钢还硬比钢还硬,比铁还强比铁还强”? ? 随随C%提高提高, 强度、硬度升高，塑韧性下降。强度、硬度升高，塑韧性下降。2021-8-352三、三、 合金铸件的组织与缺陷合金铸件的组织与

21、缺陷 v宏观组织的好坏，对铸件的使用性能，对铸宏观组织的好坏，对铸件的使用性能，对铸锭的热加工性能及热变形后合金的性能都有锭的热加工性能及热变形后合金的性能都有显著影响。显著影响。v由于凝固过程中所发生的包括液由于凝固过程中所发生的包括液-固相变的一固相变的一系列物理化学变化，造成了铸件系列物理化学变化，造成了铸件(铸锭铸锭)在宏观在宏观范围内的不均匀。范围内的不均匀。（不均匀性分为三类）（不均匀性分为三类）2021-8-353三、三、 合金铸件的组织与缺陷合金铸件的组织与缺陷 v不均匀性分为三类（根据形态）：不均匀性分为三类（根据形态）：v物理不均匀性，包括缩孔、疏松、气泡、物理不均匀性，包括缩孔、疏松、气泡、裂纹等；裂纹等；v结晶不均匀性，指初生树枝状晶的大小、结晶不均匀性，指初生树枝状晶的大小、形状、位向和分布；形状、位向和分布；v化学不均匀性，包括树枝状偏析化学不均匀性，包括树枝状偏析(晶内偏晶内偏析析)和区域偏析。和区域偏析。 2021-8-3541、 铸