机械制造第四章 铁碳合金相图

1、第四章第四章 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。含碳量为含碳量为0.0218% 0.0218% 2.11%2.11%的称的称钢钢含碳量为含碳量为 2.11% 2.11% 6.69%6.69%的称的称铸铁铸铁。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FeFe3 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。实际所讨

2、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 FeCCC%(at%) 铁碳合金相图铁碳合金相图是研是研究铁碳合金最基本究铁碳合金最基本的的工具工具，是研究碳，是研究碳钢和铸铁的成分、钢和铸铁的成分、温度、组织及性能温度、组织及性能之间关系的之间关系的理论基理论基础础,是制定热处理、是制定热处理、冶炼、塑性加工和冶炼、塑性加工和铸造等工艺铸造等工艺依据依据.一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相碳在碳在-Fe-Fe中的固溶体称中的固溶体称 - -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很

3、低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, ,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，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体 组元：组元：Fe、 Fe3C 相相 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 奥氏体奥氏体: :碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A A或或 表示。表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，

4、大，11481148时最大为时最大为2.11%2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在A区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体 渗碳体：渗碳体：即即FeFe3 3C, C, 含碳含碳6.69%, 6.69%, 用用FeFe3 3C C或或C Cm m表示。表示。FeFe3 3C C硬度高硬度高、强度低强度低( ( b b 35MPa35MPa) ), , 脆性大脆性大, , 塑性几乎为塑性几乎为零零lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生

5、分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 特征线特征线 液相线液相线ACDACD， 固相线固相线AECFAECF 水平线：水平线：ECFECF：共晶线：共晶线L LC C A AE E+Fe+Fe3 3C C共

6、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，称作混合物，称作莱氏体莱氏体, , 用用LdLd表示。为蜂窝状表示。为蜂窝状, , 以以FeFe3 3C C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体PSKPSK：共析线：共析线 A AS S F FP P+ Fe+ Fe3 3C C共析转变的产物是共析转变的产物是 F F与与FeFe3 3C C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P P表示。表示。珠光体珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介

7、于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。 其它相线其它相线GSGSA A中析出中析出F F 转变线转变线, , GSGS又称又称A A3 3 线。线。ESES碳在碳在 -Fe-Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称A Ac mc m线。线。 三相区：三相区：即即ECF(L+ECF(L+A A+ Fe+ Fe3 3C)C)、PSKPSK( (A A+ +F F+ Fe+ Fe3 3C)C) 水平水平线线 相区相区 单相区：单相区： L、A、Fe3C 两相区两相区: L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F 、F+Fe3C 三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程

8、 钢钢(0.02182.11%C)(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组织为单相A A 亚共析钢亚共析钢 ( (0.02180.77%C0.02180.77%C) ) 共析钢共析钢 ( (0.77%C0.77%C) ) 过共析钢过共析钢 ( (0.772.11%C0.772.11%C) )l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁 白口铸铁白口铸铁

9、(2.116.69%C)(2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, , 硬硬而脆而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 ( (2.114.3%C2.114.3%C) ) 共 晶 白 口 铸 铁共 晶 白 口 铸 铁( (4.3%C4.3%C) ) 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 ( (4.36.69%C4.36.69%C) )工业纯铁的工业纯铁的结晶过程结晶过程 合金液体在合金液体在1-21-2点间转变为点间转变为 ，3-43-4点间点间 ，5-65-6点间点间 。到到7 7点，从点，从 中中析出析出FeFe3 3C C。NSJBH L+ + + 工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 随温度下

10、降，随温度下降，FeFe3 3C C量不断量不断增加，合金的增加，合金的室温下组织为室温下组织为F+ FeF+ Fe3 3C C。室温下室温下FeFe3 3C C最大量为最大量为: : %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间为点间为L+A。从。从2-3点之间点之间A均均匀化。到匀化。到S点发点发生共析转变：生共

11、析转变： AS FP+Fe3C, A全部转变为全部转变为珠珠光体光体。共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状. .转变结束时，珠光体中相转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析FP 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。室温组织为不易分辨。室温组织为P.%2 .11%8 .88%100,%8 .880218. 069. 677. 069. 6CFe 3QPKSKQ珠光体珠光体Q室温下，珠光体中两室温下，珠光体中两相的相对重量

12、百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程0.090.53%C0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应. .以以0.45%C0.45%C的钢为例的钢为例合金在合金在4 4点以前通过反点以前通过反应全部转变为应全部转变为A A。到。到4 4点，点，由由A 中析出中析出F。到。到5点点, A成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点，A发生发生共析反应转变为珠光体共析反应转变为珠光体(P) 。温度组织为。温度组织为F与与P. +Fe3C

13、GSPABJH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% ( (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P P面积面积%=Q%=QP P) )共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为： %PSSQ%PSPQP10051005 ，S室温下相的相对重量室温下相的相对重量百分比为：百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分

14、比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 S亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+PF+P。在在0.02180.77%C 0.02180.77%C 范围范围内珠光体的量随含碳量内珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 合金在合金在1212点间为点间为A+LA+L, , 2 2点为点为A.A.到到3 3点点, , 开始析出开

15、始析出FeFe3 3C C。从从A A中析出的中析出的FeFe3 3C C称称二次渗碳体二次渗碳体, , 用用FeFe3 3C C表示表示, , 其其沿沿晶界呈网状分布晶界呈网状分布. .l温度下降温度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4点，点， A成分沿成分沿ES线变线变化到化到S点，余下的点，余下的A转变为转变为P。过共。过共析钢室温下的组析钢室温下的组织为：织为：Fe3C+P在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的相对量？的相对量？过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程过共析钢过共析钢室温组织为室温组织为P+ FeP+ Fe3 3C C 。FeFe3 3C C量随含碳量而增量随含碳

16、量而增加加, , 含碳量为含碳量为2.11%2.11%时时, , FeFe3 3C C量最大：量最大：%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含含1.4%C钢的组织钢的组织室温下两相的相对室温下两相的相对重量百分比：重量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653l室温下两组织组成物室温下两组织组成物的相对重量百分比：的相对重量百分比：12345SPCFePQ%L S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 合金冷却到合金冷却到C C点发生共晶反应全部

17、转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Ld)(Ld), ,莱氏体是莱氏体是A A与与FeFe3 3C C的机械混合物的机械混合物, , 呈蜂窝状呈蜂窝状. .Fe3C 共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为: :%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， lC点以下点以下, A成分沿成分沿ES线变化，从线变化，从A中中将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨结合，不易分辨。12 Fe3C温度降到温度降到2 2点点, , A A成分达到成分达到0.77%, 0.77%, 此时此时, , 相的相对重量

18、相的相对重量: : l在在2点点, 共晶共晶A发生共析反应，转变为珠光体，这种由发生共析反应，转变为珠光体，这种由%.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， P与与 Fe3C组成的组成的共晶体称低温共晶体称低温莱莱氏体氏体, 用用Ld表示表示. S共晶白口铁室共晶白口铁室温组织为温组织为Ld Ld (P+ Fe(P+ Fe3 3C), C), 它保留了共晶它保留了共晶转变产物的形转变产物的形态特征。态特征。室温下两相的室温下两相的相对重量百分相对重量百分比为：比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 C

19、FeQQ 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程合金在合金在1212点间结晶出点间结晶出A A 。到。到2 2点，剩余点，剩余L L成分变到成分变到C C点点, ,共晶共晶出出LdLd。2323点间从点间从A A中析出中析出FeFe3 3C C，到，到3 3点剩余点剩余A A共共析出析出P P，同，同时高温时高温莱氏体莱氏体L Ld d转变为转变为低温低温莱氏体莱氏体L Ld d 。亚共晶白口铁室。亚共晶白口铁室温组织为：温组织为：P+ FeP+ Fe3 3C C +Ld+Ld亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁亚共晶白口铁室温组织室温组织为为P+FeP+Fe3 3C

20、 C+Ld+Ld。室温下组织组成物相对室温下组织组成物相对重量百分比为重量百分比为 ：IIIICFeLeCFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比? 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程1212点间点间从从L L结晶出结晶出FeFe3 3C, C, 称称一次渗碳体一次渗碳体，用用 FeFe3 3C C表表示，呈粗条片状。示，呈粗条片状。到到2 2点，余下的点，余下的L L成分变到成分变到C C点并转点并转变为变为LdLd。DFK3Fe3C1242 2点以下点以下, Fe, Fe3 3C C成分重量不再发成分重量不再发生变化生变化, Ld, Ld变化同共晶合金变化同共晶合金, ,其室温组织为其室温组织为FeFe3 3C C+Le+Le。 组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度 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