第5章+铁-碳合金相图

1、机械工程材料机械工程材料大连海洋大学精品课程大连海洋大学精品课程大连理工大学经济系0501班 姜珊2目录目录第第4 4篇篇 材料的应用材料的应用第第3 3篇篇 常用机械工程材料常用机械工程材料第第2 2篇篇 金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制第第1 1篇篇 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能大连理工大学经济系0501班 姜珊3第第2 2篇篇 金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制第第5 5章章 铁铁- -碳合金相图碳合金相图3 第第8 8章章 钢的合金化钢的合金化3 3 3 第第6 6章章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶3第第7 7章章 钢的热处理钢

2、的热处理3第第3 3章章 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变第第4 4章章 二元合金相图二元合金相图大连理工大学经济系0501班 姜珊4铁铁- -碳合金碳合金-以以铁铁为基础的合金为基础的合金第第5 5章章 铁铁- -碳合金相图碳合金相图铁铁 含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%0.0218% 2.11%铸铁铸铁 含碳量为含碳量为2.11% 6.69%2.11% 6.69%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，它们都可以作为纯组元看待。，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于含碳量大于FeF

3、e3 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。大连理工大学经济系0501班 姜珊5铁铁- -碳合金碳合金第第5 5章章 铁铁- -碳合金相图碳合金相图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。FeFe3CFe2C FeCCwC/% 大连理工大学经济系0501班 姜珊65.1.1 5.1.1 铁铁- -碳合金的组元碳合金的组元第第5 5章章 铁铁- -碳合金相图碳合金相图1. Fe1. Fe2. 2. 渗碳体渗碳体( (FeFe3 3C C) )大连理工大学经济系0501班 姜珊75

4、.1.2 5.1.2 铁铁- -碳合金中的相碳合金中的相第第5 5章章 铁铁- -碳合金相图碳合金相图一种是碳溶于铁的晶格中形成的固溶体一种是碳溶于铁的晶格中形成的固溶体 另一种是铁和碳形成的金属化合物另一种是铁和碳形成的金属化合物铁碳作用方式不同铁碳作用方式不同固态下固态下 铁碳合金中铁碳合金中 两种两种相结构相结构铁素体铁素体 奥氏体奥氏体渗碳体渗碳体大连理工大学经济系0501班 姜珊85.1.2 5.1.2 铁铁- -碳合金中的相碳合金中的相第第5 5章章 铁铁- -碳合金相图碳合金相图1.1.铁素体铁素体碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙中形成的间隙固溶体固溶体；体心体心立方晶格；立

5、方晶格；用符号用符号F F或或表示；表示；溶碳能力低溶碳能力低, ,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%。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。大连理工大学经济系0501班 姜珊95.1.2 5.1.2 铁铁- -碳合金中的相碳合金中的相第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图2.2. 奥氏体奥氏体碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙中形成的间隙固溶体固溶体；面心面心立方晶格；立方晶格；用符号用符号A A或或表示；表示；溶碳能力大溶碳能力大, ,在在11481148时溶碳量

6、最时溶碳量最 大达大达2.11%2.11%，在，在727727时约为时约为0.77%0.77%；奥氏体的组织为多边形晶粒，晶界较铁素体平直；奥氏体的组织为多边形晶粒，晶界较铁素体平直；硬度低，塑性好，易于锻造。硬度低，塑性好，易于锻造。大连理工大学经济系0501班 姜珊105.1.2 5.1.2 铁铁- -碳合金中的相碳合金中的相第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图3.3.渗碳体渗碳体是铁和碳形成的一种间隙是铁和碳形成的一种间隙化合物化合物；含碳量为含碳量为6.69%6.69%；用符号用符号FeFe3 3C C表示；表示；塑性和韧性几乎为零，脆性极大；塑性和韧性几乎为零，脆性极大；存在存在

7、多种多种形态：条状、片状、形态：条状、片状、 网状或粒（球）状等。网状或粒（球）状等。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体FeFe3 3C3Fe+C(C3Fe+C(石墨石墨) )大连理工大学经济系0501班 姜珊115.2.1 5.2.1 铁铁- -碳相图中的碳相图中的点点、线、区、线、区第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图0 . 0 2 1 84 . 3 02 . 1 10 . 7 7+ F e3CF + P+ F e3CLeF e3C+LeP + F e3C+LeA + F e3CLeF e3C+Le1 5 0 01 3 0 01 1 0 09 0 07 0 05 0 03

8、 0 01 0 06 . 6 96 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01 . 00FF + AL + F e3CL + AA + F e3C+LeLAEFDKPQGF eF e3CASCc大连理工大学经济系0501班 姜珊125.2.1 5.2.1 铁铁- -碳相图中的碳相图中的点点、线线、区、区第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图0 . 0 2 1 84 . 3 02 . 1 10 . 7 7+ F e3CF + P+ F e3CLeF e3C+LeP + F e3C+LeA + F e3CLeF e3C+Le1 5 0 01 3 0 01 1 0 09 0 07 0 05

9、0 03 0 01 0 06 . 6 96 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01 . 00FF + AL + F e3CL + AA + F e3C+LeLAEFDKPQGF eF e3CASCc特征线特征线ACDACD线：液相线线：液相线AECAEC线：固相线线：固相线水平线水平线ECFECF线：共晶线线：共晶线PSKPSK：共析线：共析线大连理工大学经济系0501班 姜珊135.2.1 5.2.1 铁铁- -碳相图中的碳相图中的点点、线线、区、区第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图0 . 0 2 1 84 . 3 02 . 1 10 . 7 7+ F e3CF + P+ F

10、 e3CLeF e3C+LeP + F e3C+LeA + F e3CLeF e3C+Le1 5 0 01 3 0 01 1 0 09 0 07 0 05 0 03 0 01 0 06 . 6 96 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01 . 00FF + AL + F e3CL + AA + F e3C+LeLAEFDKPQGF eF e3CASCcECFECF线：共晶线线：共晶线共晶反应式共晶反应式: :LL（A+FeA+Fe3 3C C）共晶产物是共晶产物是A A与与FeFe3 3C C的机械的机械混合物。混合物。称作莱氏体称作莱氏体, , 用用LeLe表示。表示。大连理工大学

11、经济系0501班 姜珊145.2.1 5.2.1 铁铁- -碳相图中的碳相图中的点点、线线、区、区第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图0 . 0 2 1 84 . 3 02 . 1 10 . 7 7+ F e3CF + P+ F e3CLeF e3C+LeP + F e3C+LeA + F e3CLeF e3C+Le1 5 0 01 3 0 01 1 0 09 0 07 0 05 0 03 0 01 0 06 . 6 96 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01 . 00FF + AL + F e3CL + AA + F e3C+LeLAEFDKPQGF eF e3CASCcPS

12、KPSK线：线：共共析线析线共析反应式共析反应式:A:A（F F+Fe+Fe3 3C C）共析产物是共析产物是F F与与FeFe3 3C C的机械的机械混合物。混合物。称作珠光体称作珠光体, , 用用P P表示。表示。大连理工大学经济系0501班 姜珊155.2.1 5.2.1 铁铁- -碳相图中的碳相图中的点点、线线、区、区第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图0 . 0 2 1 84 . 3 02 . 1 10 . 7 7+ F e3CF + P+ F e3CLeF e3C+LeP + F e3C+LeA + F e3CLeF e3C+Le1 5 0 01 3 0 01 1 0 09 0

13、 07 0 05 0 03 0 01 0 06 . 6 96 . 05 . 04 . 03 . 02 . 01 . 00FF + AL + F e3CL + AA + F e3C+LeLAEFDKPQGF eF e3CASCc其他线其他线AEAE线：奥氏体结晶终了线。线：奥氏体结晶终了线。ESES线：碳在奥氏体中的固线：碳在奥氏体中的固溶线。溶线。GSGS线：奥氏体和铁素体的线：奥氏体和铁素体的相互转变线。相互转变线。GPGP线：奥氏体线：奥氏体与与铁素体的铁素体的转变线转变线。PQPQ线：碳在铁素体中的固线：碳在铁素体中的固溶线。溶线。大连理工大学经济系0501班 姜珊16第第5 5章章 二

14、元合金相图二元合金相图KFD5.2.1 5.2.1 铁铁- -碳相图中的碳相图中的点点、线线、区区FeFe3CSQPGECAA+FL+AFALL+ Fe3CIA+ Fe3CA+ Fe3C+LdLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度大连理工大学经济系0501班 姜珊17第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.2.2 Fe-Fe3C5.2.2 Fe-Fe3C相图中铁相图中铁- -碳合金的分类碳合金的分类1.1.工业纯铁工业纯铁成分在成分在P P点以左点以左室温组织单相铁素体室温组织单相铁素体应用较少应用较少2.2.钢钢成分在

15、成分在P-EP-E之间之间高温组织奥氏体高温组织奥氏体可热压力加工可热压力加工FeFe3CC%AGF工业纯铁工业纯铁温度温度亚亚共共析析钢钢KFDSQPECAL过过共共晶晶白白口口铁铁共共晶晶白白口口铁铁过过共共析析钢钢共共析析钢钢亚亚共共晶晶白白口口铁铁大连理工大学经济系0501班 姜珊18第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.2.2 Fe-Fe3C5.2.2 Fe-Fe3C相图中铁相图中铁- -碳合金的分类碳合金的分类钢按钢按成分成分分类：分类： 亚共析钢亚共析钢 (0.0218(0.02180.77%C)0.77%C) 共析钢共析钢 (0.77%C)(0.77%C) 过共析钢过共析

16、钢 (0.77(0.772.11%C)2.11%C)钢按钢按碳质量碳质量分数分分数分类：类： 低碳钢低碳钢 (0.25%C)(0.60%C)(0.60%C)FeFe3CC%AGF工业纯铁工业纯铁温度温度亚亚共共析析钢钢KFDSQPECAL过过共共晶晶白白口口铁铁共共晶晶白白口口铁铁过过共共析析钢钢共共析析钢钢亚亚共共晶晶白白口口铁铁大连理工大学经济系0501班 姜珊19第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.2.2 Fe-Fe3C5.2.2 Fe-Fe3C相图中铁相图中铁- -碳合金的分类碳合金的分类3.3.白口铸铁白口铸铁铸造性能好铸造性能好硬而脆硬而脆不能热压力加工不能热压力加工分类：

17、分类： 亚共晶白口铁亚共晶白口铁 (2.11(2.114.3%C)4.3%C) 共晶白口铁共晶白口铁(4.3%C)(4.3%C) 过共晶白口铁过共晶白口铁 (4.3(4.36.69%C)6.69%C)FeFe3CC%AGF工业纯铁工业纯铁温度温度亚亚共共析析钢钢KFDSQPECAL过过共共晶晶白白口口铁铁共共晶晶白白口口铁铁过过共共析析钢钢共共析析钢钢亚亚共共晶晶白白口口铁铁大连理工大学经济系0501班 姜珊20第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图钢部分典型合金结晶过程分析示意图钢部分典型合金结晶过程分析示意图EAGQSPFe0.772.110.0218c/%123123412341233

18、311224444LLLAAP(F+Fe3C)ApLAAPLLLAALAAAFAFApF+PFPLLLAALAAAFe3CAFe3CApFe3CpFe3C+P时 间温度/温度/1.20.4大连理工大学经济系0501班 姜珊21第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.1 5.3.1 共析钢的结晶过程及其组织转变共析钢的结晶过程及其组织转变大连理工大学经济系0501班 姜珊22第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.1 5.3.1 共析钢的结晶过程及其组织转变共析钢的结晶过程及其组织转变珠光体在光镜下呈指纹珠光体在光镜下呈指纹状；状；相变结束时相变结束时，珠光体中相的，珠光体中相的

19、相对重量百分比为：相对重量百分比为：3 Fe C6.690.7788.8%,6.690.0218100%88.8%11.2%SKQPKQ珠光体珠光体珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S S点以下，共析点以下，共析铁素体铁素体中析出中析出FeFe3 3C C，与共析，与共析FeFe3 3C C结合不易结合不易分辨。室温组织为分辨。室温组织为P P。大连理工大学经济系0501班 姜珊23第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.2 5.3.2 亚共析钢的结晶过程及其组织转变亚共析钢的结晶过程及其组织转变EAGQSPFe0.772.110.0218c/%1231234

20、12341233311224444LLLAAP(F+Fe3C)ApLAAPLLLAALAAAFAFApF+PFPLLLAALAAAFe3CAFe3CApFe3CpFe3C+P时 间温度/温度/1.20.4大连理工大学经济系0501班 姜珊24第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.2 5.3.2 亚共析钢的结晶过程及其组织转变亚共析钢的结晶过程及其组织转变C%=0.4%C%=0.4%的亚共析钢的的亚共析钢的组织组成物组织组成物为为F F和和P P，它们的质量分数分别为：它们的质量分数分别为： C%=0.4%C%=0.4%的亚共析钢的的亚共析钢的组成相组成相为为F F和和FeFe3 3C

21、 C， 它们的质量分数分别为：它们的质量分数分别为：%49%511%1%51%1000218. 077. 00218. 04 . 0%PFP%6%941%1%94%10069. 64 . 069. 6%3FCFeF大连理工大学经济系0501班 姜珊25第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.2 5.3.2 亚共析钢的结晶过程及其组织转变亚共析钢的结晶过程及其组织转变利用平衡组织中珠光体所利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量似估算亚共析钢的含碳量: :C%=PC%=P面积面积% %0.77%0.77% c%=0.10%c%=0.10%

22、c%=0.35%c%=0.35% c%=0.45%c%=0.45% 大连理工大学经济系0501班 姜珊26第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.3 5.3.3 过共析钢的结晶过程及其组织转变过共析钢的结晶过程及其组织转变大连理工大学经济系0501班 姜珊27第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.3 5.3.3 过共析钢的结晶过程及其组织转变过共析钢的结晶过程及其组织转变C%=C%=1.21.2% %的的过过共析钢的共析钢的组织组成物组织组成物为为F Fe e3 3C CIIII和和P P，它们的它们的相对含量为相对含量为： C%=C%=1.21.2% %的亚的亚过共析钢的过

23、共析钢的组成相组成相为为F F和和FeFe3 3C C； FeFe3 3C C量随含碳量而增加量随含碳量而增加, ,含碳量为含碳量为2.11%2.11%时时最大最大：%93%711%7%77. 069. 677. 02 . 1%33CFePCFe32.11 0.77%100%22.6%6.690.77IIFe C最多大连理工大学经济系0501班 姜珊28第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.3 5.3.3 过共析钢的结晶过程及其组织转变过共析钢的结晶过程及其组织转变过共析钢过共析钢的的室温组织室温组织为为F Fe e3 3C CIIII和和P P含含1.4%C钢的组织钢的组织大连理工

24、大学经济系0501班 姜珊29第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.4 5.3.4 共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变(P+Fe3C+Fe3C)Fe3C（A+Fe3C）（A+Fe3C）(A+Fe3C）(P+Fe3C+Fe3C)ECDSKFFeFe3C6.694.30温度/11122233温度/时 间LLALLLALpA(P+Fe3C+Fe3C)（A+Fe3C）LL2321321Fe3C（A+Fe3C+Fe3C）12AAAFe3CAFe3CApFe3CPpAA233Fe3C2LLLLL1Fe3CFe3CFe3CFe3CFe3CLeLeLeLeLeLeL

25、eLeLeFe3C+LeP+Fe3C+LeLeLeLeLec/%大连理工大学经济系0501班 姜珊30第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.4 5.3.4 共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体。黑色部分为珠光体，白色基体为渗碳体。共晶白口铸铁共晶白口铸铁大连理工大学经济系0501班 姜珊31第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图(P+Fe3C+Fe3C)Fe3C（A+Fe3C）（A+Fe3C）(A+Fe3C）(P+Fe3C+Fe3C)ECDSKFFeFe3C6.694.30温度/11122233温度/时 间LLALL

26、LALpA(P+Fe3C+Fe3C)（A+Fe3C）LL2321321Fe3C（A+Fe3C+Fe3C）12AAAFe3CAFe3CApFe3CPpAA233Fe3C2LLLLL1Fe3CFe3CFe3CFe3CFe3CLeLeLeLeLeLeLeLeLeFe3C+LeP+Fe3C+LeLeLeLeLec/%5.3.5 5.3.5 亚共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变亚共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变大连理工大学经济系0501班 姜珊32第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.5 5.3.5 亚共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变亚共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变黑色部分为初晶奥氏体

27、转变而成的珠光体和黑色部分为初晶奥氏体转变而成的珠光体和二次渗碳体，其余部分为低温莱氏体。二次渗碳体，其余部分为低温莱氏体。亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁大连理工大学经济系0501班 姜珊33第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图(P+Fe3C+Fe3C)Fe3C（A+Fe3C）（A+Fe3C）(A+Fe3C）(P+Fe3C+Fe3C)ECDSKFFeFe3C6.694.30温度/11122233温度/时 间LLALLLALpA(P+Fe3C+Fe3C)（A+Fe3C）LL2321321Fe3C（A+Fe3C+Fe3C）12AAAFe3CAFe3CApFe3CPpAA233Fe3C2LLLLL

28、1Fe3CFe3CFe3CFe3CFe3CLeLeLeLeLeLeLeLeLeFe3C+LeP+Fe3C+LeLeLeLeLec/%5.3.6 5.3.6 过共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变过共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变大连理工大学经济系0501班 姜珊34第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.3.6 5.3.6 过共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变过共晶白口铸铁的结晶过程及其组织转变白色板条状部分为一次渗碳体，其余为低温白色板条状部分为一次渗碳体，其余为低温莱氏体。莱氏体。过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁大连理工大学经济系0501班 姜珊35第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图

29、5.4.1 5.4.1 含碳量对铁碳合金平衡组织的影响含碳量对铁碳合金平衡组织的影响相组成物相对量%组织组成物相对量%c%钢铁分类6.694.302.110.770.0218共晶白口铁共析钢10001000过共晶白口铁亚共晶白口铁过共析钢亚共析钢铸铁钢工业纯铁FFe3CFe3CFFe3CLe大连理工大学经济系0501班 姜珊36第第5 5章章 二元合金相图二元合金相图5.4.2 5.4.2 含碳量对铁碳合金性能的影响含碳量对铁碳合金性能的影响-力学性能力学性能l 亚共析钢随含碳量增加，亚共析钢随含碳量增加，P P 量增加，量增加，钢的强度、硬度升高，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。l0.77%C0.77%C时，时，组织