第五章-课件Fe-C相图4

1、铁碳合金相图与应用铁碳合金相图与应用 杨 洪Fe-C alloy Phase Diagram & application内容提纲内容提纲 三、铁碳合金的结晶过程及组织三、铁碳合金的结晶过程及组织 一、一、 Fe-Fe3C相图的组成、特征点、线介绍相图的组成、特征点、线介绍 二、二、 Fe-Fe3C合金的分类、基本相、组织及性能特点合金的分类、基本相、组织及性能特点四、四、 Fe- Fe3C相图的应用相图的应用钢钢(Steels)和铸铁和铸铁(Cast irons)应用最广金属，种类多，基本组成为应用最广金属，种类多，基本组成为Fe和碳和碳C元素，统称为元素，统称为铁碳合金铁碳合金铁碳相

2、图概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。铁碳相图概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和和FeC-C四部分。后面无应用价值四部分。后面无应用价值,铁碳相图就是铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。部分。 1868 年，俄国切尔诺夫发现只有把钢加热到某一温度以上快冷，才能淬硬，从而有了年，俄国切尔诺夫发现只有把钢加热到某一温度以上快冷，才能淬硬，从而有了临界点临界点(火候火候)的概念。的概念。1899年奥斯汀年奥斯汀(W.C.Roberts-Austen)制定了第一张铁碳相图；制定了第一张铁碳相图；H.W.Bakhius Roozeb

3、oom应用吉布斯应用吉布斯(Gibbs)相律相律,1990年制定较完整的铁碳平衡图。年制定较完整的铁碳平衡图。铁碳合金全相图铁碳合金全相图FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) Fe-Fe3C相图介绍相图介绍Fe-Fe3C相图的组成相图的组成5个单相单相区： 3个三相三相共存区：ECF、HJB、PSK线7个两相两相区： Fe-Fe3C相图的组成相图的组成5个单相单相区： 液相L、相、相、相、Fe3C相奥氏体（austenite）：C溶解于Fe的间隙固溶体，fcc。1148 可以溶解2.11%的碳，727时0.8%。碳原子在面心立方正八面体中心，NJESGN区域内（727-1495）。硬度

4、低，塑性高。铁素体（或F）：是C溶于Fe的间隙固溶体（ferrite）。在GPQ。在727C在Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳0.0008%，性能与纯铁相似：硬度低，塑性高。bcc结构。 石墨 (C)：在一些条件下，碳以游离态石墨（graphite） (hcp)稳定相存在。液相(L) ：Fe与C在高温下的液体溶液。(ABCD线以上) 相(high temperature ferrite)：C在Fe的间隙固溶体。在1459溶解量0.09%，bcc结构。 渗碳体（cementite):Fe3C，复杂斜方晶系 。熔点1227，可以分解：Fe3C3Fe + C(石墨)。铁碳相图五个单相区介

5、绍铁碳相图五个单相区介绍7个两相两相区： L+Fe3C L+ L+Fe3C+Fe3C铁碳相图七个两相区介绍铁碳相图七个两相区介绍3个三相三相共存区：ECF、HJB、PSK线铁碳相图三相共存区与转变线介绍铁碳相图三相共存区与转变线介绍包晶线：HJB线（1459），J为包晶点wc=0.090.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应即： L0.53+0.090.17 （LB+HJ）包晶转变包晶转变(HJB线线)共晶线：ECF水平线(1148)，C为共晶点，wc=2.116.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即: L4.302.11+ Fe3C (LCE+ Fe3C)转变物为

6、和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ledeburite）(Ld) 共晶转变共晶转变(ECF线线)v共析线：PSK水平线（727），S点为共析点。凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：0.770.0218 + Fe3C （SP+ Fe3C） 产物为和Fe3C的混合物称为珠光体（pearlite）(P)。共析转变温度常用A1表示。共析转变共析转变(PSK线线)铁碳合金相图特征点的介绍铁碳合金相图特征点的介绍科技开发研究中心 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + GS：A中开始析出或全部溶入(升温) 的转变线。常用A3表示。又称为先共析相开始析出线(

7、A3线)。ES：C在中溶解度曲线。常用Acm表示，低于此温度，析出Fe3C。为区别自液(CD)态中析出的一次Fe3C，将中析出的Fe3C称为二次Fe3C。 PQ：C在中溶解度曲线。在727时，C在中的最大溶解度0.0218%，温度下降，C在中溶解度下降，析出少量的渗碳体，称为三次Fe3C。区别于沿CD线和ES线析出的Fe3C。重要的相界线重要的相界线(固态转变线固态转变线)一次渗碳体 Fe3C，共晶渗碳体 Fe3C二次渗碳体 Fe3C，共析渗碳体 Fe3C三次渗碳体 Fe3C：脱溶渗碳体 Fe3C*根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，将铁碳合金分为：1）工业纯铁工业纯铁 c0.0218%。2）钢

8、钢 0.0218%c2.11%，又可分为： 亚共析钢 0.0218%c0.77%； 共析钢 c=0.77%； 过共析钢 0.77%c2.11%。3）铸铁铸铁 2.11%c6.69%，又可分为以下三种： 亚共晶白口铸铁 2.11%c4.3% 共晶白口铸铁 c=4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%c6.69% 二、二、 Fe-Fe3C合金的分类、基本相、组织及性能特点合金的分类、基本相、组织及性能特点v介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。根据钢的含碳量分类 低碳钢 Wc0.25% ，用于车身,薄板，强韧性好,可机加工,焊接性好； 中碳钢 Wc=0.250.65%，热处理（淬火，回火),车轮,车轨和齿轮等

9、； 高碳钢 Wc0.65%,硬化时效,用于工具钢,模具钢等v根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类 普通碳素钢 Ws0.055% Wp0.045% 优质碳素钢 Ws0.040% Wp0.040% 高级优质碳素钢 Ws0.030% Wp0.030%v1.按合金元素加入量分类v低合金钢（C5%）v中合金钢（C5-10%）v高合金钢（C10%）v2.按钢的用途分v合金结构钢v合金工具钢v特殊性能合金钢v3.按组织分类：珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢v4.按所含主要合金分类：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢碳素结构钢的分类和编号碳素结构钢的分类和编号铁碳合金的组织组成与相组成的变化铁碳合金的组织组

10、成与相组成的变化随着含碳量的增加, Fe、C合金的组织发生下列变化： +Fe3C +P P P+Fe3C Fe3C+Ld +P Ld Fe3C+ Ld 称为组织组成物 所有FeC合金的室温组织都是由和Fe3C两相组成，把铁素体和渗碳体称为FeC合金的相组成物。 随着W(C)的增加，FeC合金中的量逐渐减少，Fe3C的量逐渐增多。两相相对量可由杠杆法则求得。F()为软韧相，Fe3C为硬脆相，FeC合金力学性能取决于和Fe3C两相的相对量及它们的分布。P强度比高，比Fe3C低，而P的韧性和塑性比低，比Fe3C高，P的强度随P片间距的减小而增大。钢中Fe3C是一种强化相，随钢中Wc的增加FeC合金强

11、度升高，当Wc超过0.77%后，先消失而Fe3C出现，合金强度增加变缓；当Wc达到0.90%时，由于沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降，当达到2.11%时，出现Ld，强度降到最低。钢的塑性由来提供，Wc的增加使减少，塑性和韧性显著下降.当基体为Fe3C后，塑性接近于0。为保证钢有足够的强度和适当的韧性配合，其Wc一般不超过1.31.4%。对于铸铁，组织中存在大量的Ld，而Ld是以Fe3C为基的硬脆组织，因此铸铁具有很大的脆性。但由于大Fe3C存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。WcWc对铁碳合金组织和性能的影响对铁碳合金组织和性能的影响CFedLdLdLCFePCFePPPFF333WcWc对铁

12、碳合金性能的影响对铁碳合金性能的影响布氏硬度布氏硬度HB延伸率延伸率冲击韧性冲击韧性ak断面收缩率断面收缩率抗拉强度抗拉强度b随着随着Wc的增加的变化的增加的变化CFedLdLdLCFePCFePPPFF333铁的同素异构转变铁的同素异构转变纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化铁在不同温度下有不同晶体结构。温度变化晶格发生转变称为同素异构转变同素异构转变 纯铁随温度降低物相变化:液相Fe (T15380C)密排六方(hcp)Fe(15380CT13940C)面心立方(fcc)Fe(13940CT9120C)体心立方(bcc)Fe(9120C T)在15380C:相转变LFe

13、Fehcp在13940C:相转变FehcpFefcc在9120C:相转变FefccFebcc三、铁碳合金的结晶过程及组织三、铁碳合金的结晶过程及组织 FeFeFe 液相液相 9140C13940C15380C 转变过程：转变过程：LL+ + Fe3C 工业纯铁工业纯铁(Wc=0.01%)的平衡结晶过程及组织的平衡结晶过程及组织工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 Wc=0.01%的合金的合金合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 ，3-4点点间间 ，5-6点间点间 。到。到7点，从点，从 中析出中析出Fe3C。NSJBH L+ + + 室温组织为：+ Fe3C 铁铁素体素体共析钢（共析

14、钢（Wc=0.77%）的平衡结晶过程及组织）的平衡结晶过程及组织合金液体在合金液体在1-21-2点间转点间转变为变为 。到。到S S点发生共析点发生共析转变：转变： S S P P+Fe+Fe3 3C,C, 全全部转变为珠光体。部转变为珠光体。LL+P（+ Fe3C） 珠光体金相组织珠光体金相组织在同一珠光体中，铁素体和渗碳体具有一定的晶体学位向关系共析钢的室温组织共析钢的室温组织 冷却曲线如图： 亚共析钢（亚共析钢（Wc=0.02180.77% ）的平衡结晶过程及组织）的平衡结晶过程及组织需注意：需注意：室温组织为室温组织为+ P，由于由于发生在共析转变之前，发生在共析转变之前，称为先共析铁

15、素体。称为先共析铁素体。共析转变之前共析转变之前和和的相对量的相对量(即共析转变后即共析转变后和和P的相对量的相对量)可通过杠杆法则计算。可通过杠杆法则计算。室温组织为：室温组织为：+ P 的白色为的白色为。过程如下：过程如下：LL+L+L+ +P+ P （析出（析出Fe3C）v亚共析钢室温下的组织为亚共析钢室温下的组织为F+P .v在在0.02180.77%C 范围内珠光体量随含碳范围内珠光体量随含碳量增加而增加。量增加而增加。含含0.45%C钢钢的的组组织织含含0.20%C钢钢的的组织组织含含0.60%C钢钢的的组织组织亚共析钢的室温组织亚共析钢的室温组织过共析钢冷却曲线如图： （4） 过

16、共析钢（Wc=0.772.11%）过共析钢（过共析钢（Wc=0.772.1% ）的平衡结晶过程及组织）的平衡结晶过程及组织合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3点点, 开始析出开始析出Fe3C。奥氏体中析出的。奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体称二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示, 沿晶界呈网状分布沿晶界呈网状分布.温度下降温度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4点，点， 成分沿成分沿ES线变化到线变化到S点，余下的点，余下的 转变为转变为P。 凝固过程：LL+Fe3C P + Fe3C室温组织为：室温组织为：P+ Fe3C过共析钢的室温组织过共析钢的室温组织过共析钢室温组织为过共析钢

17、室温组织为P+ Fe3C 含含1.4%C钢的组织钢的组织共晶铸铁共晶铸铁(Wc=4.30%)平衡结晶过程及组织平衡结晶过程及组织液相冷至C点，发生共晶转变L4.302.11+ Fe3C 此共晶体成为高温莱氏体，温度降低从共晶奥氏体中析出二次渗碳体，当温度降至PSK线发生共析转变形成P,共析转变结束后组织为Fe3C+ P + Fe3C，称为低温莱氏体,用Ld表示。 室温组织室温组织为：Ld（P + Fe3C+Fe3C） 过程过程如下：LL+ Ld（+Fe3C）LdLd (+Fe3C+Fe3C）Ld（P + Fe3C+Fe3C） 亚共晶铸铁亚共晶铸铁(Wc=2.114.3%)冷却曲线如图LL+L+

18、 LdLL+L+ Ld+ Ld+Fe3C+ Ld+Fe3C+Ld+Fe3C+Ld+Fe3C+Ld+P Fe3C+Ld+P Fe3C+ Ld+ Ld +P +P 室温组织为：Fe3CFe3C+ Ld+ Ld +P+P 过共晶铸铁过共晶铸铁(Wc=4.36.67%)平衡结晶过程及组织平衡结晶过程及组织冷却曲线如图冷却曲线如图室温组织：室温组织：Fe3CI+ Ld 过程：过程：LL+Fe3CFe3C+ Ld Fe3C+ Ld铁碳合金相图相区中的组织铁碳合金相图相区中的组织CFedLdLdLCFePCFePPPFF333含碳量与含碳量与FeC合金相组成物、组织组成物相对量的关系合金相组成物、组织组成物

19、相对量的关系 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.临界温度与实际转变温度。铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象。将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示;冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。四、四、 Fe- Fe3C相图的应用相图的应用Fe- C相图在选材方面的应用相图在选材方面的应用 桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性塑性、韧性好的材料好的材

20、料可选用低碳钢（可选用低碳钢（c =0.10.25%）承受冲击载荷和较高强度的各种机械零件，希望承受冲击载荷和较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性强度和韧性好好可选用中碳钢（可选用中碳钢（c =0.250.65%）制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、耐磨性硬度、耐磨性可选用高碳钢（可选用高碳钢（c =0.77%1.44%）形状复杂的箱体、机器底座形状复杂的箱体、机器底座可选用可选用熔点低、流动性好熔点低、流动性好的铸铁材料。的铸铁材料。相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。可以根据零件的工

21、作条件和性能要求来选择材料。可以根据零件的工作条件和性能要求来选择材料。由Fe-C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。 铁碳相图与铸锻工艺间的关系温度温度在铸造生产上的应用在铸造生产上的应用加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为9001050；终锻轧温度为750850。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温度，以便打碎网状二次渗碳体。 在锻压生产上的应用在

22、锻压生产上的应用温度温度钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。在进行锻压和热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。在焊接生产上的应用在焊接生产上的应用焊接时，焊缝被快速加热，从焊缝到母材各区域的温度不同，由FeC相图可知，温度不同，冷却后的组织性能不同，为了获得均匀一致的组织和性能，需要在焊接后用热处理改善。在热处理的应用在热处理的应用从FeC相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故。热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺.为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。 热处理的一般过程热处理的一般过程热处理分类热处理分类共析钢转变为奥氏体，必须将钢加热到Ac1以上；亚共析钢必须加热到Ac3以上。退火是将合金加热到适