第三章 铁碳合金和铁碳相图

1、编辑课件第三章第三章 铁碳合金和铁碳相图铁碳合金和铁碳相图第三章第三章 铁碳合金和铁碳相图铁碳合金和铁碳相图 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相 3.2 Fe-Fe3C相图相图 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶 3.4 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 3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响钢中杂质元素对组织性能的影响编辑课件组 元： 纯铁、渗碳体纯铁、渗碳体基 本 相： 高温铁素体（高温铁素体（）、 铁素体（铁素体（）、）、 奥氏体（奥氏体（）基本组织： 珠光体（珠光体（P）、）、 莱氏体（莱氏体（Le/Le）3.1 3.1 铁

2、碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相编辑课件 纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。 由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。3.1 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相纯铁特点纯铁特点同素异构转变同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现象。编辑课Fe-Fe-Fe温度温度 时间时间/s室温室温3.1 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相编辑课件F渗碳体(Cm，Fe3C) C与Fe形成的具有复杂结构的间隙化合物。F含碳量：6.67%F性能特点：硬度高，脆性大，塑性和韧性极低。返回返回渗碳体渗

3、碳体3.1 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相编辑课件3.1 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相铁素体铁素体F铁素体( ，F)：C在-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。F最高含碳量：0.0218%F性能特点：强度、硬度低，塑性好。编辑课件3.1 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相奥氏体奥氏体 奥氏体(，A)：C在 -Fe中的间隙固溶体。面心立方晶格。 最高含碳量：2.11% 性能特点：强度、硬度低，塑性好。编辑课件铁素体和渗碳体组成的机械混合物铁素体和渗碳体组成的机械混合物强度、硬度比铁素体高，比渗碳体低，塑性也较强度、硬度比铁

4、素体高，比渗碳体低，塑性也较好；好；综合力学性能较好综合力学性能较好.返回返回3.1 3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相编辑课件3.2 Fe-Fe3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图编辑课件J为包晶点为包晶点: 1495 时, B点成分的L与H点成分的 发生包晶反应, 生成J点成分的。 C点为共晶点点为共晶点 1148 时, C点成分的L发生共晶反应, 生成E点成分的和Fe3C（莱氏体）。 S点为共析点点为共析点 727 时, S点成分的发生共析反应, 生成P点成分的和Fe3C（P）。返回返回3.2 Fe-Fe3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图编辑课件共析反应分析共

5、析反应分析珠光体的组成：珠光体的组成：3.2 Fe-Fe3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图编辑课件珠光体形态珠光体形态铁素体与渗碳体的机械混合物铁素体与渗碳体的机械混合物，一般为层片状。球化退，一般为层片状。球化退火时获得粒状渗碳体分布在铁素体基体上的组织。火时获得粒状渗碳体分布在铁素体基体上的组织。强度、硬度比铁素体高，比渗碳体低，塑性也较好。强度、硬度比铁素体高，比渗碳体低，塑性也较好。CFeC30218. 072777. 0 共析反应：共析反应：3.2 Fe-Fe3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图编辑课件3.2 Fe-Fe3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图编辑课件3.2 Fe

6、-Fe3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图包晶反应：L+共晶反应：LLe( FeC3+ )共析反应： P (FeC3+ ) 返回返回编辑课件3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢过共析钢共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢工业纯铁工业纯铁编辑课件3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶0.0218%0.02182.11%2.116.68%0.77%4.3%编辑课件过共析钢过共析钢共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共

7、析钢工业纯铁工业纯铁编辑课件编辑课件冷却过程中匀晶反应：冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C返回返回3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件单相液体的冷却匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体P3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件注意事项注意事项共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的，但与共析的Fe3C连在一连在一起，难以分辨。起，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：共析钢的室温平衡组织：P

8、P：铁素体（：铁素体（F）和渗碳体的两相）和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？混合物，两相的相对质量是多少？3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件 杠杆定律杠杆定律计算二元相图中计算二元相图中 平衡状态下平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。两平衡相的相对质量分数。杠杆的杠杆的支点支点是两相合金的是两相合金的成分点成分点，端点，端点分别是两个相的分别是两个相的成成分点分点。%5 .11%1000008. 069. 60008. 077. 03CFeM%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6M 相的质量分数相的质量分数Fe3C相的质量分数相的质

9、量分数Fe3CA(0.0008)B(6.69)0.77C编辑课件L相冷却相冷却L相相 相相L相相+ 相相 相，并且相，并且L相有剩余相有剩余剩余剩余L相相 相相单相的冷却单相的冷却相相 相，但相，但相有剩余相有剩余共析反应：剩余共析反应：剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存在先析相相3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件编辑课件注意事项注意事项先析先析铁素体（铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出相）在随后的冷却过程中会析出FeFe3 3C C，但量很少可忽略但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+ +珠光体珠光体P P利用杠杆定

10、律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁素体算铁素体（先析铁素体+P+P中的铁素体）与渗碳体的质量中的铁素体）与渗碳体的质量分数分数3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件计算计算727 下下, 组织组成物组织组成物的质量分数的质量分数%28.77%1000218. 077. 00218. 06 . 0PM%72.22%1000218. 077. 06 . 077. 0M 组织组成物的组织组成物的质量分数质量分数P组织组成物的组织组成物的质量分数质量分数P P PA(0.0218)B(0.77)0.6C3.3 3

11、.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件单相液体的冷却L相 相单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变： 相（ +Fe3C），存在Fe3C3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件注意事项注意事项从奥氏体中析出的从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体称为二次渗碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大大过共析钢室温平衡组织：珠光体过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数3.3 3.3 铁碳合金的平

12、衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件编辑课件 亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相渗碳体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分数。的质量分数。（亚共析钢以含碳量（亚共析钢以含碳量0.45%为例，为例，过共析钢以含碳量过共析钢以含碳量1.0%为例）为例） 返回返回3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：共晶反应：LLe（+Fe3C）共晶共晶中的中的相不断析出相不断析出Fe3C，不可见，不可见共析反应：共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 3

13、.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件注意事项注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3C，但其依，但其依附于莱氏体中的附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le （珠光体呈粒状（珠光体呈粒状分布在分布在Fe3C基体上基体上）共晶白口铁的基体相是共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高大，硬度较高 3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶编辑课件亚共晶白口铁的平衡结晶过程亚共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却

14、单相液体的冷却共晶反应：剩余共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）先共晶先共晶相不断析出相不断析出Fe3C，共晶，共晶相相析出析出Fe3C不可见不可见共析反应：共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 先共晶先共晶相相 P匀晶反应：匀晶反应： L 相相室温组织：室温组织： Le（P+Fe3C） + P编辑课件过共晶白口铁的平衡结晶过程过共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：剩余共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）共晶共晶相析出相析出Fe3C不可见不可见共析反应：共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 匀晶反应：匀晶反应： L Fe3C相相室温组织：室

15、温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C编辑课件a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+LeLeFe3C+Le编辑课件硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和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质量分数, 随碳含量的增加随碳含量的增加, 由于硬度高的由于硬度高的Fe3C增多增多, 硬度硬度低的低的F减少减少,合金的硬度呈直线关系增大合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为由全部为F的硬度的硬度约约80 HB增大到全部为增大到全部为Fe3C时的约时的约800 HB。 3.4 3.4 铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响编辑课件 , 亚共

16、析钢中中P增多而增多而F减少。减少。P的强度高。组织越细密的强度高。组织越细密, 则强度值越高。则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随的强度较低。所以亚共析钢的强度随而增大。而增大。 共析成分之上共析成分之上, 由于强度很低的由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现沿晶界出现, 合金强度合金强度的增高变慢的增高变慢, 到约到约0.9%C时时, Fe3CII沿晶界形成完整的网沿晶界形成完整的网, 强强度迅速降低度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加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%C后后, 合金中出现合金中出现Le时时, 强度已降到很低的值。强度已降

17、到很低的值。 再增加碳含量时再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度强度变化不大且值很低变化不大且值很低, 趋于趋于Fe3C的强度的强度(约约20 MPa30 MPa)。 3.4 3.4 铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响编辑课件 铁碳合金中铁碳合金中FeFe3 3C C是极脆的相是极脆的相, , 没有塑性。合金的塑性变没有塑性。合金的塑性变形全部由形全部由F F提供。所以随碳含量的增大提供。所以随碳含量的增大, F, F量不断减少时量不断减少时, , 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时合金的塑性连续下降。到合金

18、成为白口铸铁时, , 塑性就塑性就降到近于零值了。降到近于零值了。 返回返回3.4 3.4 铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响铁含碳量对铁碳合金力学性能的影响编辑课件一、脱氧剂一、脱氧剂：硅和锰；FeO还原成Fe，形成SiO2和MnO。但SiO2易成为非金属夹杂, Si%0.5% Si+O2SiO2二、除硫剂二、除硫剂：锰与钢液中S，形成MnS易成为非金属夹杂物, Mn%0.8% Mn+OMnO Mn+SMnS三、三、硫不利作用：硫不利作用：引起热脆。原因:FeS（Tm=1190）；与-Fe形成共晶体（Tm=989）；也可能形成熔点更低的(Fe+FeS+FeO)共晶体（Tm=940）;锻造温度：1150-1250，轧制或锻造，分布在晶界处的共晶体会沿晶界开裂。