鲍魏涛铁碳相图上课课件

1、1/701/66/63材料科学与工程学院本科生课程金属学与热处理2/702/66/631、讲述铁碳合金的分类、铁碳合金的结晶过程及相对量的计算；2、介绍碳含量对铁碳合金的组织结构及性能的影响。 铁碳合金的结晶过程及相对量计算。 铁碳合金的结晶过程及相对量计算。共6学时。3/703/66/63一、组元和相一、组元和相1、组元、组元铁铁-石墨相图：石墨相图：Fe，C;铁铁-渗碳体相图：渗碳体相图：Fe，Fe3C。2、相、相L, , A(), F(), Fe3C(K)。 5.1 铁碳合金的组元和基本相铁碳合金的组元和基本相4/704/66/631、重要的点、重要的点五个重要的点：J、P、S、E、C。

2、2、重要的线、重要的线一条液相线、一条固相线、一条先共析相析出线、两条溶解度线、三条水平线、“四条垂直线”。3、重要的区、重要的区五个单相区：L、Fe3C。5.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析5/705/66/63J为包晶点为包晶点: 1495 oC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，0.17%C。 C点为共晶点：点为共晶点：1148 oC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），4.3%C。 S点为共析点：点为共析点：727 oC时，S点成分的发生共析反应，生成P点成分的和Fe3C（P），0.77%C。E为碳在为碳在相中的最大溶相中的最

3、大溶解度点，解度点，2.11%C。 P为碳在相中的最大溶解度点，0.0218%C。 1、五个重要的点、五个重要的点6/706/66/63一条液相线一条固相线一条先共析相析出线液相线：液相线：ABCDABCD固相线：固相线：AHJECFAHJECF先共析相析出线：先共析相析出线：GSGS2、几条重要的线、几条重要的线7/707/66/63两条溶解度线碳在碳在相中的固溶度线相中的固溶度线ESES。碳在碳在中的固溶度线中的固溶度线PQPQ。8/708/66/63包晶反应：包晶反应：L+共晶反应：共晶反应：LLd( FeC3+ )共析反应共析反应： P (FeC3+ ) 三条水平线三条水平线9/709

4、/66/63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“四条垂直线四条垂直线”10/7010/66/63液相区液相区L L。高温铁素体相区高温铁素体相区 ，碳在，碳在-Fe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。奥氏体相区奥氏体相区A/，碳在，碳在-Fe相相中的间隙固溶体。强度和硬中的间隙固溶体。强度和硬度低，易于塑性变形。度低，易于塑性变形。铁素体相区铁素体相区F/，碳在，碳在-Fe相相中的间隙固溶体。强度和硬中的间隙固溶体。强度和硬度低，塑性好。度低，塑性好。渗碳体渗碳体Fe3CFe3

5、C。复。复杂结构间隙化合杂结构间隙化合物。硬度高，脆物。硬度高，脆性大，塑性和韧性大，塑性和韧性低。性低。3、五个单相区、五个单相区11/7011/66/63一、铁碳合金分类一、铁碳合金分类1、工业纯铁、工业纯铁w(C)0.0218%。2、钢、钢0.0218% w(C)2.11%；亚共析钢： 0.0218% w(C)0.77%；共析钢： w(C)=0.77%；过共析钢：0.77% w(C)2.11%。5.3 铁碳合金的平衡结晶与组织铁碳合金的平衡结晶与组织12/7012/66/633、白口铸铁、白口铸铁2.11% w(C)6.69%； 亚共晶白口铁：2.11% w(C)4.3%；共晶白口铁：w

6、(C)=4.3%；过共晶白口铁：4.3% w(C)6.69%。13/7013/66/63二、平衡结晶过程及其组织二、平衡结晶过程及其组织典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。 14/7014/66/63冷却过程中匀晶反应：冷却过程中匀晶反应：L相相相相（F）相中沿晶界析出片状Fe3C1、工业纯铁结晶过程、工业纯铁结晶过程室温组织F+Fe3C15/7015/66/63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P2、共析钢结晶过程、共析钢结晶过程室温组织：P（F+Fe3C）16/7016/66/63共析转变：共析转变：由一个固

7、相在恒温下转变为另外两个固相的转变。组织为F+FeC3两相交替排列的混合物。两相的相对质量是多少两相的相对质量是多少? ?？共析反应生成的P在冷却过程中，F析出Fe3C，但与共析Fe3C连在一起，难以分辨。17/7017/66/63%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6M%5 .11%1000008. 069. 60008. 077. 03CFeM共析钢相组成物相对量计算18/7018/66/635001000380019/7019/66/63L相冷却相冷却L相相相相L相相+ 相相相（相（A），并且），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

8、先共析先共析相（相（F），但），但相有剩余相有剩余剩余剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存在先析相（相（F）3、亚共析钢结晶过程、亚共析钢结晶过程室温组织：室温组织：F+P20/7020/66/63 亚共析钢相组成物与组织组成物相对量亚共析钢相组成物与组织组成物相对量先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略；亚共析钢室温相组成亚共析钢室温相组成：+Fe3C；亚共析钢室温平衡组织：亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体先析铁素体F先先+珠光体珠光体P；以wC=0.4%钢冷却到727 oC为例： 相组成物相对量相组成物相对量 组织组成物相对量组织组成物相对量36.690.41

9、00%94%6.690.02181 94%6%Fe Cww 0.770.4100%49%0.770.0218149%51%FPww先 21/7021/66/63 亚共析钢组织组成物中亚共析钢组织组成物中Fe3CIII最大含量最大含量30.02180.0008100%0.3%6.690.00083IIIIII%CFe CFe Cw 含0.0218的过共析钢冷却到室温时析出的最多。22/7022/66/63单相液体的冷却单相液体的冷却L相相 相（相（A）单相固溶体的冷却单相固溶体的冷却相中析出二次渗碳体（相中析出二次渗碳体（Fe3C）相相P（ +Fe3C），存在），存在Fe3C4、过共析钢结晶过程

10、、过共析钢结晶过程室温组织室温组织P+Fe3C23/7023/66/6323/63 过过共析钢相组成物与组织组成物相对量共析钢相组成物与组织组成物相对量从奥氏体中析出的Fe3C称为Fe3C，沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料整体脆性加大；过共析钢室温平衡相：过共析钢室温平衡相：+Fe3C；过共析钢室温平衡组织：过共析钢室温平衡组织：P+Fe3C。以wC=1.2%钢冷却到727 oC为例：相组成物相对量相组成物相对量 组织组成物相对量组织组成物相对量6.69 1.2100%82%6.690.02181 82%14%3Fe Cww 6.69 1.2100%93%6.690.771 93%7%3IIPF

11、e Cww 24/7024/66/63 过共析钢组织组成物中过共析钢组织组成物中Fe3CII最大含量最大含量32.117272.110.77100%23%6.690.773IIoII%CCFe CFe Cw 成分为的过共析钢冷却到析出的最多。25/7025/66/63单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：共晶反应：LLd（+Fe3C）共晶中共晶中相不断析出相不断析出Fe3CII发生共析反应，剩余发生共析反应，剩余转变为转变为P。共析反应后共析反应后Ld(Fe3C+Fe3CII+P)5、共晶合金结晶过程、共晶合金结晶过程室温组织：室温组织：Ld(P+ Fe3CII+Fe3C) 26/7026/6

12、6/6326/63 共晶白口铸铁的平衡冷却共晶白口铸铁的平衡冷却冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出Fe3C，但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见；共晶白口铁室温相组成：共晶白口铁室温相组成：+Fe3C；共晶白口铁室温组织：共晶白口铁室温组织：变态莱氏体变态莱氏体Ld （珠光体呈条状或粒状分布在Fe3C基体上）；共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高。27/7027/66/63 共晶白口铁冷却到共晶白口铁冷却到1148 oC时相组成物相对量时相组成物相对量3o3C+Fe C4.32.11100%48%=1-48%=52%6.692.11Fe Cww1148时的相组成为。

13、；28/7028/66/63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LLd(+Fe3C)先共晶先共晶相不断析出相不断析出Fe3C，共晶，共晶相析出相析出Fe3C共析反应：共析反应：及及Ld(+Fe3C+Fe3CII) P+Ld（P+Fe3C+Fe3CII）匀晶反应：匀晶反应： L 先共晶先共晶室温组织：室温组织：P+Ld(P+Fe3C+Fe3CII) +Fe3CII6、亚共晶白口铁结晶过程、亚共晶白口铁结晶过程室温组织：室温组织：P+ Ld (P+ Fe3C+ Fe3C) + Fe3C29/7029/66/63 亚共晶白口铁亚共晶白口铁相组成物与组织组成物相对量相组成物与组织组

14、成物相对量1148 oC时初晶相析出完毕，剩余L发生共晶反应，形成Ld；继续冷却时，初晶相和共晶相中均将析出Fe3CII，冷却到727 oC时剩余初晶相转变为P，Ld转变为Ld；室温相组成：+Fe3C；室温组织组成：P+Ld+Fe3CII以3.0%C的亚共晶白口铁为例，1148 oC时：4.33.0100%59%;=1-59%=41%4.32.11Ldww初30/7030/66/63 1148 oC冷到冷到727 oC时时初初中析出的中析出的Fe3CII3II2.110.7759%6.690.77100%13.4%Fe Cw727 oC时时P的含量的含量=59%-13.4%=45.6%P6.6

15、92.11()59%6.690.77100%45.6%w727 oC时的相组成：时的相组成：+Fe3C36.693.0()=55.3%;155.3%45.7%6.690.0218Fe Cww31/7031/66/631148 oC冷到冷到727 oC时时Fe3CII=(13.4+4.8)%=18.2%36.69 3.02.11 0.77()6.69 2.116.69 0.77100% 18.2%IIFe Cw 1148 oC时时Ld中的中的奥氏体奥氏体含量含量共共6.694.341%6.692.11100%21.4%w共 1148 oC冷到冷到727 oC时时 共共中析出的中析出的Fe3CII

16、3IIFe C2.110.7721.4%6.690.77100%4.8%w727 oC时的组织组成：时的组织组成：P+Ld +Fe3CII3345.6%;41%;13.4%;100%IIIIPLdFe CpLdFe Cwwwwww32/7032/66/6333/7033/66/63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LLd (+Fe3C)共晶共晶相析出相析出Fe3C共析反应：共析反应： Ld(+Fe3C) Ld(P+Fe3C+Fe3CII) 匀晶反应：匀晶反应： L Fe3CI室温组织：室温组织：Ld(P+Fe3C+Fe3CII) + Fe3CI7、过共晶白口铁结晶过程、过

17、共晶白口铁结晶过程室温组织室温组织Fe3C+ Ld 34/7034/66/635%C钢在1148 oC时的相组成物是什么？如何计算？5%C钢在1148 oC时的组织组成物是什么？如何计算？35/7035/66/63 计算计算1148 oC时时wc=5.0%的过共晶合金初的过共晶合金初晶渗碳体和萊氏体相对含量？晶渗碳体和萊氏体相对含量？354.3100%29%;=1-29%=71%6.694.3IFe CLdww 室温下的相组成相对量？室温下的相组成相对量？3350.0008100%75%;125%6.690.0008Fe CFFe Cwww 36/7036/66/63铁碳合金中的基本组织铁碳合

18、金中的基本组织37/7037/66/63钢中组织组分与相组分的计算钢中组织组分与相组分的计算38/7038/66/63亚共晶白口铁中组织组分与相组分的计算亚共晶白口铁中组织组分与相组分的计算39/7039/66/63铁碳合金中的渗碳体铁碳合金中的渗碳体40/7040/66/63铁碳合金的分类铁碳合金的分类41/7041/66/63三、相图标注三、相图标注标注相的标注相的Fe-Fe3C相图相图42/7042/66/63三、相图标注三、相图标注标注组织的标注组织的Fe-Fe3C相图相图43/7043/66/63一、碳对平衡组织的影响一、碳对平衡组织的影响铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳铁素体

19、和渗碳体两相组成体两相组成，并且随着含碳量的增加，渗碳体逐惭增加，铁素体量逐惭减少。5.4 碳对铁碳合金平衡组织与性能影响碳对铁碳合金平衡组织与性能影响3333FeCIIIIdddIFF PPP FeCP FeCLLL FeC 44/7044/66/63铁碳合金成分与组织之间的关系铁碳合金成分与组织之间的关系相组织组成物和组织组成物的相对含量均可由杠杆定律求得。45/7045/66/63二、碳对铁碳合金机械性能的影响二、碳对铁碳合金机械性能的影响1、对硬度的影响、对硬度的影响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；随 C ， 硬 度 高 的Fe3C，硬度低的F，硬度呈直线。 46/

20、7046/66/632、对强度的影响、对强度的影响0.0218%C0.77%，脆性Fe3CII断续沿晶界析出，合金强度的增高变慢，到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网，强度迅速降低，随着C，强度不断下降，到2.11%C后，合金中出现Ld时，强度已降到很低的值；C2.11%后，合金基体都为脆性很高的Fe3C，强度变化不大且值很低，趋于Fe3C的强度(约20 MPa30 MPa)。47/7047/66/633、对塑性的影响、对塑性的影响铁碳合金中Fe3C是极脆的相，没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。随C, F量不断，合金的塑性连续。到合金成为白口铸铁时，塑性就降到近于零值了。 4

21、8/7048/66/631、切削加工性能、切削加工性能材料的硬度太软，容易粘刀，切削热大，切屑不易折断，影响表面粗糙度；材料的硬度太硬，刀具磨损严重；钢硬度为HB250时，切削加工性最好；粗晶粒钢的韧性较差，切削易断，切削性能较好；片状珠光体的切削加工性能好于二次渗碳体，当二次渗碳体呈粒状分布时，可改善其切削加工性能； 三、碳对铁碳合金工艺性能的影响三、碳对铁碳合金工艺性能的影响49/7049/66/63导热性对切削加工意义重大 奥氏体钢，导热性低，切削热基本聚集在切削刀附近而很少被工件吸收，使刀具变热，降低了刀具寿命。因此，尽管奥氏体钢的硬度不高，但切削加工性能不好。50/7050/66/6

22、32、可锻性、可锻性低碳钢塑性好，可锻性好。随C，可锻性变差；白口铸铁不能锻造。 3、铸造性、铸造性C，钢结晶温度区间增大，对流动性不利；C液相线温度降低，当浇注温度相同时，含C高钢的液相线与钢液温差较大，对流动性有利；综合考虑，钢液的流动性随C而提高；浇注温度越高，流动性越好，铸造性越好。51/7051/66/63铸铁的液相线温度比钢低，流动性比钢好。共晶铸铁的结晶温度最低，同时又是恒温结晶，流动性最好；钢的分散缩孔多，偏析大，铸造性越差。而共晶成分铸铁的收缩为集中缩孔，偏析小，铸造性好。52/7052/66/631、Mn和和Si的影响的影响Mn和和Si是有益杂质；是有益杂质；作为脱氧剂产物

23、的MnO和SiO2若留在钢中，成为非金属夹杂，将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降；Mn在钢中形成MnS，可消除硫的有害作用；Mn还可溶入Fe3C中形成合金渗碳体；溶解于铁素体中的Mn可增加P数量并使其细化，提高强度；Mn和Si溶入铁素体起固溶强化作用，但降低塑性和韧性。5.5 钢中杂质元素对组织与性能的影响钢中杂质元素对组织与性能的影响53/7053/66/632、S的影响的影响在钢中一般起有害作用。在钢中一般起有害作用。不能溶于固溶体中，而是以FeS夹杂物的形式存在晶界上（严重的偏析）。最大的危害是引起“热脆”；热脆的原因：热脆的原因：形成（-Fe+FeS）共晶，熔点为989 oC。当钢在115

24、0-1250 oC进行热加工时， -Fe+FeS共晶熔化，使钢沿奥氏体晶界开裂而变脆；防止热脆的方法：防止热脆的方法：加入适当Mn，MnS先于FeS而形成，MnS的熔点(1600 oC)，高于热加工温度，在高温下具有一定塑性，可避免热脆的发生。但MnS在压力加工后可能对性能产生不利影响。54/7054/66/63S的有利作用。的有利作用。提高钢的切削加工性能；在易切削钢中，含S量一般为0.15-0.3%，同时加入0.6-1.2%Mn。为何可提高切削加工性能？为何可提高切削加工性能？夹杂物是应力集中源，从而成为裂纹源和细碎化切削，但又不致使工件产生裂纹；生成MnS，硬度较低，起断屑，减少摩擦作用

25、。55/7055/66/633、P的影响的影响在钢中一般起有害作用；可全部溶于铁素体中，铁素体的强度和硬度，钢的室温塑性和韧性，韧脆转变温度，产生冷脆冷脆。但可提高切削加工性能。严重偏聚于晶界，引起回火脆性。在钢基体中的扩散速度很小，很难用热处理消除。与铜共存可显著提高钢的耐蚀性能。56/7056/66/634、H的影响的影响(1) 引起氢脆引起氢脆对于钢而言，一般认为，在钢凝固过程中，溶入其中的H没能及时逸出，向晶格缺陷附近扩散，到室温时原子H在缺陷处结合成H2并不断聚集，从而产生巨大的内压力，使金属发生裂纹而致脆。(2) 产生白点产生白点钢材内部产生的细微裂纹缺陷，在钢材纵断面上呈光滑的银白色白点，在酸洗后的断面呈发丝状裂纹。57/7057/66/6357/6358/7058/66/635、N的影响的影响引起淬火时效引起淬火时效钢由高温快冷到室温，过剩的N来不及析出而过饱和于-Fe中，在室温长时间停留或稍加热时，N将以FeN形式从-Fe中析出，强度和硬度，塑性和韧性，使钢变脆。加入Al、Ti形成AlN和TiN，可以消除时效脆性。59/7059/66/636、O及其他非金属夹杂物的影响及其他非金属夹杂物的影响氧化物及其他非金属夹杂破坏了钢基体的连续性，在载荷作用下，往往成为裂纹源