清华讲课教案(合金与熔炼)

1、清华讲课教案（合金与熔炼）改进开放大学的单元铁-碳平衡图及其在生产中的应用一、铸造工程师的资格l 具有札实的理论基础l 具有丰富的生产经验l 具有较强的分析能力l 具有理论结合实际，独立解决生产中实际的能力二、札实的理论基础的含义1、铁-碳平衡图较全面的读懂与认识铁-碳平衡图，铁-碳平衡图是认识铸造合金与熔炼的理论基础。重要的是将铁-碳平衡图与生产实际结合起来，用理论指导实践，同时也可将复杂的实际问题上升至理论，加以进一步分析与归纳，以便更准确、有效地解决生产中的问题。2、组织与性能铸铁的性能是由其相对应的组织决定的，控制了铸铁的组织就控制了铸铁的性能，因此必须对铸铁的组织要有一个全面的了解。

2、铸铁究竟具有哪些组织，铸铁组织是怎样影响铸铁性能的，这是铸造工程师必备的基础知识。3、组织的控制控制铸铁的组织是生产高质量铸件的关键，因此必须了解铸铁的组织是如何形成的，哪些因素影响组织的形成。我们如果控制这些因素以达到理想的组织，从而达到性能要求的目的。三、铁-碳平衡图1、为什么要看懂铁-碳平衡图l 铸铁的力学性能、铸造性能和使用性能，甚至切削加工性能等皆与铁-碳平衡图中的凝固过程及过程中形成的组织有关，只有了解凝固规律，才能控制所获得的凝固组织。l 铸铁的性能是由铸铁的组织决定的，生产中有多种因素会影响铸铁组织的形成，从铁-碳平衡图上可一目了然的分析出这些因素对组织的影响情况，从而通过控制

3、形成的组织类型和数量来控制铸件的性能。l 铸造技术人员必须具备熟练应用铁-碳平衡图的能力，才能在生产实践中对铸件生产的各类问题进行有理论依据的分析，减少盲目性。2、什么是铁-碳合金相图在及缓慢冷却条件下，不同成分的铁碳合金在不同温度时形成各类组织的图形。这个图形说明什么呢，主要是说明：铸铁组织是在什么条件下形成的，即铸铁从液态到凝固到室温，不同成分的铁碳合金在不同温度时段其形成的组织是不同的。不了解各个时段的所形成的组织，就无法控制组织，当然也无法控制铸铁性能。3、什么是铁-碳合金双重相图l 铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁-碳相图存在两重性，及铁-石墨（C）相图与铁-渗碳体（

4、Fe3C）相图，故称为铁-碳合金双重相图。这是什么意思呢？在生产实践中，我们要牢记铸铁中的碳是可以以石墨形式存在，也可以以渗碳体（Fe3C）形式存在的，又可以两相同时存在的。如以石墨形式存在的是灰铸铁，以渗碳体存在的是白口铸铁，两相同时存在的是麻口铸铁。因此在铁-碳合金相图上即有Fe-C（石墨）相图，又有Fe- Fe3C相图。所以称为双重相图。l 由于Fe- Fe3C相图在一定条件下可向Fe-C（石墨）相图转化，故称Fe-C（石墨）为稳定系相图，Fe- Fe3C为亚稳定系相图。图1为铁-碳合金的双重相图，虚线的稳定系的Fe-C（石墨）相图，实线的为亚稳定系的Fe- Fe3C相图图1Fe-C（石

5、墨）、Fe-Fe3C双重相图l 石墨为100%的碳，渗碳体Fe3C含碳量为6.67%。l 在铸造工厂中，炉前检验的三角试块，其尖端为白口，此处碳以Fe3C形式出现。试块厚部为灰口，此处以石墨形式出现。白口与灰口的过渡区为麻口，此处石墨与Fe3C共存。充分说明同一成分的铸铁即可按Fe-C（石墨）相图结晶，也可按Fe- Fe3C相图结晶。因此认识铁-碳相图的双重性是否重要4、铁-碳相图与铸铁的结晶l 认识铁-碳相图时，必须了解相图中的三个结晶阶段，两个临界点，4条特性曲线。液相线析出初相固相线析出共晶组织碳在奥氏体中的溶解曲线析出二次石墨或2次渗碳体共析线析出共析产物 4条特性曲线共晶点产生共晶转

6、变共析点产生共析转变 铸铁的结晶 2个临界点初析结晶阶段共晶结晶阶段共析结晶阶段 三个结晶阶段1) 4条特性曲线在铁-碳平衡图4条特性曲线十分重要，这就是：液相线、固相线、共析线及固相线与共析线之间的碳在奥氏体中的溶解曲线。（1） 液相线 特性见表1表1 铁-碳相图中液相线的特性名称曲线或临界点特性图标标识液相线BC线CD线CD线（1）该线称为液相线，此线以上为液相区，用L表示（2）铁液冷却至此线时，开始结晶并析出初相（3）BC线以下皆析出初生奥氏体，用A或表示。此线以下L与A同时存在。（4）在CD线以下析出初生渗碳体，用Fe3C表示。此线以下，L与Fe3C同时存在。（5）在CD线以下析出初生

7、石墨，用G表示。此线以下L与G同时存在从表1可以看出，相图中的液相线有2个特性，一是铁液温度到达液相线温度时皆要析出初相组织；二是三条液相线析出的初相组织是不同的，分别为初生奥氏体、初生石墨、初生渗碳体。这三种初相对铸铁性能的影响差异极大。（2） 固相线 特性见表2表2 铁-碳相图中固相线的特性名称曲线特性图标标识固相线（共晶线）ECF线ECF线（1）该线称为固相线，铁液冷却至此线后凝为固体，此线以下为固态区（2）该线也称为共晶转变线，铁液冷却至此线以下时发生共晶转变，铁液转变为共晶奥氏体+共晶渗碳体（按ECF线）或转变为共晶奥氏体+共晶石墨（按ECF线）（3）共晶奥氏体+共晶渗碳体可称为高温

8、莱氏体Ld，用公式表示为Ld=A+Fe3C从表2可看出，相图中固相线有两个特性：一是铸液到达共晶温度时皆要发生共晶转变，由液态转变为2个固相共生共长的共晶体，被称为共晶团；二是按稳定型相图Fe-C（石墨）转变的组织是共晶奥氏体+共晶石墨，而按亚稳定型Fe- Fe3C相图转变的组织是共晶奥氏体+共晶渗碳体。这2个组织对铸铁性能影响是完全不同的。（3） 碳在奥氏体中的溶解曲线图，其特性见表3.表3 铁-碳相图中碳在奥氏体中的溶解曲线的特性名称曲线或特性图标标识碳在奥氏体中的溶解曲线ES线ES线碳在奥氏体中的含量随温度降低而减少，当温度下降时，沿着此线析出二次渗碳体（按ES线）或析出二次石墨（按ES

9、线）2.10%2.14%共晶转变后，在形成的组织中，无论是按Fe-C（石墨）系统转变还是按Fe- Fe3C系统转变，皆有共晶奥氏体的这个组织，共晶转变后的奥氏体，其含C量为2.10%（按Fe-C（石墨）转变）或2.14%（按Fe- Fe3C系统转变）。值得注意的是，随着温度的下降，碳在奥氏体中的溶解度是逐渐下降的，即不同的温度下，奥氏体中的含C量是不同的，这一点在热处理中十分重要。当温度下降至共析温度时奥氏体中的碳分别降至0.69%及0.76%。（4） 共析线 特性见表4表4 铁-碳相图中共析线的特性名称曲线特性图标标识共析线PSK线PSK线（1）合金冷却至此线时发生共析转变，按PSK线奥氏体

10、转变为珠光体（铁素体+渗碳体），用P来表示，按PSK线奥氏体转变为铁素体石墨，铁素体用或F表示（2）共析转变按Fe-Fe3C进行，高温莱氏体（奥氏体+渗碳体）则变为低温莱氏体（珠光体+渗碳体），低温莱氏体的表示公式为Ld=P+Fe3C在共析转变中值得注意的是，只有奥氏体发生转变。共晶转变中产生的初生石墨，共晶石墨或共晶渗碳体是不发生变化的。而奥氏体发生转变所形成的组织，视按那个相图系转变而异，按Fe-C（石墨）系统，奥氏体转变为铁素体+石墨(F+G)，按Fe- Fe3C系统，奥氏体转变为珠光体，这2个组织对铸铁性能的影响相差甚大。上述表明：铸铁组织与这4条特性曲线有着密切的关系，因此要记住这4

11、个特性曲线的有关系数。表5 4条特性曲线的特性与有关参数名称特性参数液相线BC线下析出初生ACD线下析出初生GCD线下析出初生Fe3C固相线EF线下为共晶A+共晶GEF线下为共晶A+共晶Fe3CEF的温度时1153EF的温度1147碳在奥氏体中的溶解曲线碳在奥氏体中的溶解度随着温度下降共晶转变后奥氏体中的C为2.10%或2.14%至共析温度的奥氏体中的C为0.69%或0.76%共析线SK线下为铁素体+石墨（F+G）SK线下为珠光体+石墨（P+G）SK线的温度736SK线的温度727通过表5说明了，这4条特性曲线的意义：到液相线时析出初相；到固相线时发生共晶转变；到共析线时发生共析转变；在固相线

12、与共析线之间，碳在奥氏体中的溶解度发生变化。2) 两个临界点（共晶点、共析点）（1） 共晶点碳当量、共晶度与铸铁分类铸液随着温度的下降，铁液中的含C量也在发生变化。当成分到达某一个临界点时，则发生共晶转变，该成分则为共晶临界点，简称共晶点。Fe-C（石墨）系的共晶点C，共晶成分为4.26%，Fe- Fe3C系的共晶点C，共晶成分为4.30%。见表6表6 共晶点的特性名称符号特性图标标识共晶点C（C）Fe-C（石墨）系的共晶点为C点，共晶成分4.26%CFe- Fe3C系的共晶点为C点，共晶成分为4.30%C（2） 碳当量共晶度与铸铁的分类l 铸铁中除了Fe、C元素意外，还有S.Mn.P.Si.

13、Cu.Cr等各种元素，这些元素对共晶点的实际碳量皆有影响。将这些元素折算成碳量的增减，称为碳当量以CE表示。在生产中一般只考虑Si.P的影响。故碳当量CE的计算如下：CE%=C%+1/3(Si+P)l 铸铁以碳当量分类将CE值与点含碳量4.26%相比，可判断该铸铁偏离共晶点的程度CE4.26% 过共晶铸铁CE=4.26% 共晶铸铁CE4.26% 亚共晶铸铁l 共晶度C铁l 铸铁偏离共晶点的程度也可用共晶度来表示。共晶度Sc是铸铁的实际含C量与共晶点的实际含C量之比： C CSc= =SC1 为亚共晶铸铁SC = 1 为共晶铸铁SC1 为过共晶铸铁3) 铸铁结晶的三个阶段及形式的组织（1） 亚共

14、晶铸铁的结晶过程与组织表7 亚共晶铸铁的结晶过程与组织结晶过程铁-碳相图系统亚共晶铸铁在铁-碳相图中的位置Fe-C(石墨)Fe- Fe3C初析阶段初生奥氏体初生奥氏体共晶阶段共晶石墨+共晶奥氏体共晶奥氏体+共晶渗碳体析出二次石墨或二次渗碳体阶段二次石墨二次渗碳体共析阶段共析铁素体+共析石墨珠光体室温组织铁素体+石墨珠光体+渗碳体注：Fe-C(石墨)的室温组织中，铁素体由初生奥氏体与共晶奥氏体转变而来。石墨包括共晶石墨，二次石墨及共析石墨。Fe- Fe3C的室温组织中，珠光体由初生奥氏体与共晶奥氏体转变而来，渗碳体包括共晶渗碳体与二次渗碳体也可用珠光体+莱氏体（珠光体+渗碳体）+二次渗碳体来表示

15、。由上可知，对于亚共晶铸铁，按Fe-C(石墨)系结晶室温组织是铁素体+石墨，碳全部以石墨形式出现，是灰口铸铁，以石墨以共晶石墨为主。亚共晶铸铁按Fe- Fe3C系结晶，室温组织是珠光体+渗碳体。碳全部以化合碳形式出现，没有石墨是白口铸铁。（2） 过共晶铸铁的结晶过程与组织表8 过共晶铸铁的结晶与组织结晶过程铁-碳相图系统过共晶铸铁在铁-碳相图中的位置Fe-C(石墨)Fe- Fe3C初析阶段初生石墨初生渗碳体共晶阶段共晶石墨+共晶奥氏体共晶渗碳体+共晶奥氏体析出二次石墨或二次渗碳体阶段二次石墨二次渗碳体共析阶段共析铁素体+共析石墨珠光体室温铁素体+石墨珠光体+渗碳体（3） 共晶铸铁的结晶过程与组

16、织共晶铸铁的结晶过程，除无初析阶段与无初相外，其余的结晶过程与亚共晶、过共晶铸铁的结晶过程与室温组织相同4) 铸铁组织（1） 铁-碳双重相图上的铸铁组织在铁-碳双重相图中除液外有6个组织，见图1与表9。图1 铁-碳双重相图中除液相L外有6个组织表9 表Fe-C（石墨）、Fe- Fe3C双重相图中铸铁部分的组成相类别组织代号特征主要性能液相液溶体L1.存在液相线之上的铁液为液相，是碳与其他元素在铁中的无限液溶体2.在液、固线之间也有液体，但成分随温度而变化1.优良的流动性2.流动性的高低与温度、成分有关石墨石墨G1.石墨使铸铁中以游离状态存在的碳，含碳量近乎100%2.按化学成分与温度不同，石墨

17、有初析石墨，共晶石墨，二次石墨和共析石墨3.石墨的形态有片状、球状、蠕虫状、团絮状1.力学性能低：Rm20MPa硬度3HBW无塑性2.减震好，耐磨性优良基体渗碳体Fe3C1.铁和碳的化合物，碳的质量分数为6.69%2.按化学成分与温度不同，有初生渗碳体，共晶渗碳体，二次渗碳体及共析渗碳体3.渗碳体是不稳定的化合物，在一定的温度条件下可转变成铁素体+石墨，更高温度时又可变为奥氏体+石墨1.性能硬、脆：硬度8001000HBW，塑性与韧性近为零2.强度低：Rm为2050MPa莱氏体Ld1.按Fe- Fe3C系共晶转变的共晶组织，为渗碳体与奥氏体的共晶体，称为高温莱氏体2.冷却至共析温度以下，按Fe

18、- Fe3C转变，奥氏体转变为珠光体，形成珠光体+渗碳体，称为低温莱氏体1.具有高的耐磨性2.性硬、脆、冲击韧性低，易脆裂奥氏体A()1.碳在-Fe中的固溶体，面立方晶格，1147时最大的溶碳量是2.14%2.为铸铁的高温组织，存在于7271147之间，只有Mn.Ni含量足够时，才可能出现室温下的奥氏体铸铁3. 等温淬火时也会有约30%的富碳奥氏体1.具有良好的塑性与强度Rm=400MPa800MPaA=40%50%2.有一定的硬度160200HBW珠光体P1.铁素体与渗碳体组成的机械混合体，碳的质量分数为0.76%2.是过冷奥氏体在共析转变时形成的共析组织3. 共析转变时的冷度不同，可形成片

19、状珠光体，细片状珠光体（索氏体），极细片状珠光体（托氏体）。通过热处理可获得粒状珠光体1.具有较高强度与硬度Rm=400MPa800MPa硬度175330HBW2.塑性、韧性优于渗碳体A=10%25%铁素体(F)1、碳在-Fe中的固溶体，体心立方晶格2、727时最大溶碳量的质量分数为0.034%3、因生成条件不同，其形态有等轴晶粒状、破碎状、牛眼状、网状和针状1.具有良好的塑性与韧性A=25%60%2.强度与硬度稍低Rm=200MPa400MPa硬度70150HBW但是在实际生产中除了这6个组织外还有6个组织，见表10。表10 铁、碳相图中不出现的铸铁中的6个组成相名称铸铁中存在的原由特性奥铁体热处理时形成的组织1、加热至奥氏体化区域并保温，在250400冷却并保温，使过冷奥氏体等温分