金属热处理铁碳合金(57)- 6

1、1第四章第四章 铁碳合金铁碳合金4-1 4-1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 4-2 4-2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析4-3 4-3 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织铁碳合金的平衡结晶过程及其组织4-4 4-4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响4-5 4-5 钢中的杂质元素及钢锭组织钢中的杂质元素及钢锭组织2铁碳合金铁碳合金含碳量大于含碳量大于6.69%时，合金太脆，已无实用价值。时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-C（6.69%）相图。）相图。（Fe-C合金）合金）Fe-C合金中合

2、金中Fe3CFe- Fe3C相图相图Fe-相图相图3Fe3CFe2CFeC温度C(6.69%C)1.1.铁与碳可以形成铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。等一系列化合物。2.2.稳定的化合物可以作为一个独立的组元。稳定的化合物可以作为一个独立的组元。 铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金的组元铁碳合金的组元：; Fe4-Fe-Fe(bcc)(bcc) -Fe-Fe(fcc)(fcc) -Fe-Fe(bcc)(bcc)4-1 4-1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相13941394FeFe912912Fe Fe（A2转变）转变）顺磁性（高温）顺磁性（高温） 铁磁性（

3、低温）铁磁性（低温）770居里点居里点（A4转变）转变）（A3转变）转变）磁性转变不属于相变54-1 4-1 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相奥氏体奥氏体铁素体铁素体Fe中的中的 Fe中的中的 Fe中的中的铁基固溶体具有同素异晶转变铁基固溶体具有同素异晶转变(铁基固溶体铁基固溶体)(bcc)(bcc) (fcc)(fcc) (bcc)(bcc) A A F F64-1 4-1 铁碳合金的铁碳合金的组元组元及基本相及基本相顺磁性（高温）顺磁性（高温） 铁磁性（低温）铁磁性（低温）230（A0转变）转变）铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相:铁素体铁素体奥氏体奥氏体Fe3C的晶格的晶格二元

4、合金的基本相二元合金的基本相固溶体固溶体金属间化合物金属间化合物74-2 4-2 Fe- Fe3C相图分析相图分析液相线、固相线；液相线、固相线；三条等温转变线；三条等温转变线；其余三条线：其余三条线： GS（A3 3）,ES(Acm), PQ两条磁性转变线：两条磁性转变线：770 770 （A A2 2）: : Fe230 (A230 (A0 0) ) : : ACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBN Fe3C JH5个单相区，个单相区，7个两相区，个两相区，3个三相区。个三相区。LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC

5、%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+9铁碳合金相图中的部分特性点铁碳合金相图中的部分特性点10铁碳合金相图中的部分特性线铁碳合金相图中的部分特性线LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.

6、32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+二、三条水平线二、三条水平线 和和 三个重要点三个重要点: :包晶转变包晶转变线线(1) HJB包晶点（包晶点（0.17%；1495 ）1495LB+H AJ C% = 0.090.17 %包晶反应后剩余的部分包晶反应后剩余的部分铁素体铁素体A（同素异构转变）（同素异构转变） C% 0.09%L （匀晶转变）匀晶转变） A（同素异构转变（同素异构转变） 成分在成分在HB区间的合金区间的合金C% = 0.090.53 % C% = 0.170.53 %包晶反应后剩余的部分包晶反应后剩余的

7、部分LA(匀晶转变匀晶转变) C% =0.532.11 %L A（匀晶转变）匀晶转变）LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+(2) ECF：共晶转变共晶转变线线1148LC AE + Fe3CC% = 2.116.69 %莱氏体莱氏体Ld莱氏体莱氏体共晶渗碳体共晶渗碳体14LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.7

8、70.02186.691495L+0.00080.530.171538912H(3) PSK:共析转变共析转变线线(A1线线)727AS FP + Fe3C（共析渗碳体）（共析渗碳体）珠光体（珠光体（P）共析点：共析点：s(0.77;727 )C% = 0.02186.69 % 共析转变结束后共析转变结束后P中两相含量的计算：中两相含量的计算：%7 .88%1000218.069.677.069.6PKSKwF%3 .11%100FFeCww15光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌珠光体组织珠光体组织相邻珠光体团的取向不同16ACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+

9、FF+ Fe3CKBN Fe3C JH三、三条重要的特性曲线三、三条重要的特性曲线碳在碳在A中的固溶线；中的固溶线；1148：2.11%；727：0.77%A中碳超量，析出中碳超量，析出Fe3CII碳在碳在F中的固溶线中的固溶线;727：0.0218%；室温：；室温：0.0008%；F中碳超量，析出中碳超量，析出Fe3CIII174-34-3铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金的平衡结晶过程及组织亚共析钢亚共析钢0.77%； 共析钢共析钢 = 0.77% ；过共析钢过共析钢0.77%亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3% ； 共晶白口铁共晶白口铁=4.3% ；过共晶白口铁过共晶白口铁 4.3%Fe

10、-C 合金的分类（含碳量）合金的分类（含碳量）碳以碳以Fe3C的形式存在，断口呈现的形式存在，断口呈现亮白色亮白色18过共晶白口铁亚共析钢ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+ Fe3C0.77%CK过共析钢亚共晶白口铁工业纯铁BJHN共析钢共晶白口铁Fe-C 合金分类合金分类194-3 4-3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金的平衡结晶过程及组织204-3 4-3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳合金的平衡结晶过程及组织ACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CF

11、A+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 21LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+22LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C铁碳相图铁碳相图4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+工业纯铁工业纯铁 ( ingot iron )( ingot iron ) L L + +A A A +

12、F F F + Fe3CIII 组织组成物：组织组成物： F+ Fe3CIII； 相组成物：相组成物： F+ Fe3C23ACDEFGSP室温室温LAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 0.0008杠杆定理的应用杠杆定理的应用工业纯铁室温时，工业纯铁室温时， Fe3CIII含量计算含量计算(C%=0.0218%)(C%=0.0218%)Fe3CIII最多的合金成分为多少？最多的合金成分为多少？24ACDEFGSP室温室温LAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 0.0008杠杆定理的应用杠杆定理的应用0.01

13、 0.0008100%6.690.00080.14%3IIIFe C Q%3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Q工业纯铁室温时，工业纯铁室温时， Fe3CIII含量计算含量计算(C%=0.0218%)(C%=0.0218%)Fe3CIII最多的合金成分为多少？最多的合金成分为多少？25LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+共析钢共析钢L L+A A A + F+ Fe3C P(F

14、+ Fe3C ）组织组成物：组织组成物：P F+ Fe3C 相组成物：相组成物：Fe3C的析出，的析出，脱溶转变，脱溶转变，量很少，忽略不计量很少，忽略不计26ACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 4L室温下各相的百分含量室温下各相的百分含量共析钢共析钢727时的百分含量时的百分含量：273 Fe C46.690.77w6.690.0008 88.5%W100%88.5% 11.5%LQLACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 4L室温下各相的百分含量室温下各相的百分含

15、量共析钢共析钢%7 .88%1000218.069.677.069.6PKSKwF%3 .11%1003FCFeww727时的百分含量时的百分含量：28LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+亚共析钢亚共析钢L L + A A F + A (A + F + Fe3C) P + F 组织组成物：组织组成物： P+F相组成物相组成物： F+ Fe3C Fe3C的析出，的析出，脱溶转变，脱溶转变，量很少，忽略不计量很少，忽略不计29LL

16、+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+355w100%, w100%Fe CPKPKPK共析转变之后相的相对重量；共析转变之后相的相对重量； 组织组成物的相对重量组织组成物的相对重量 55100%100%PPSWWPSPS，相组成物相组成物： F+ Fe3C 组织组成物：组织组成物： P+F530LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.1111487270.770.021

17、86.691495L+0.00080.530.171538912H+355w100%, w100%Fe CPKPKPK共析转变之后相的相对重量；共析转变之后相的相对重量； 组织组成物的相对重量组织组成物的相对重量 55100%100%PPSWWPSPS，相组成物相组成物： F+ Fe3C 组织组成物：组织组成物： P+F531S S32336W0.0008100%6.690.00086W100%WFe CFe CQQLCLQLS S33ACEGSPQLAL+AFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CBJHN43450 5p p0.77-0.400.77-0.40w = 49.5%w = 49.5

18、%0.77-0.02180.77-0.0218w =1-49.5% =. %w =1-49.5% =. %6 6994 36 6994 35.7p p. .- -0 0. .4 40 0w w = = =. . % %. .- -0 0. .0 02 21 18 8w w = =1 1- -. . % % = =% %ACEGSPQLAL+AFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CBJHN4Fe3C%共析钢共析钢%7 .88%1000218.069.677.069.6PKSKwF%3 .11%100FFeCwwFe3C%35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.

19、60%C钢的组织钢的组织含含0.40%C钢的组织钢的组织LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H+过共析钢过共析钢 L L + A A A+Fe3C P+Fe3C 组织组成物组织组成物： Fe3CII+ P相组成物相组成物 ：F + Fe3C727AS FP + Fe3CFe3C的析出，的析出，脱溶转变，脱溶转变，量不少，不能忽略不计量不少，不能忽略不计Fe3C的析出，的析出，脱溶转变，脱溶转变，量很少，忽略不计量很少，忽略不计37

20、含含1.4%C钢的组织钢的组织含含1.2%C钢的组织钢的组织38FeACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 形成三次渗碳体的最大值形成三次渗碳体的最大值39%6 .22%1000.776.690.772.113CFewFeACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 形成三次渗碳体的最大值形成三次渗碳体的最大值%3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe QLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe

21、3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H1148LC AE + Fe3CLd（莱氏体）（莱氏体）LCA成分沿着成分沿着Acm线变化；线变化；析出的析出的Fe3C依附于依附于Fe3C共晶共晶，难以分辨，难以分辨1148 727 温度降到温度降到727 ， A成成分达到分达到S点，发生共析点，发生共析转变转变727AS PF成分沿着成分沿着PQ线变化；同时析出线变化；同时析出Fe3C，量很少，忽略不计量很少，忽略不计组织组成物：组织组成物：Ld 相组成物：相组成物： F + Fe3C 41组织组成物：组织组成物：Ld ；相

22、组成物：；相组成物： F + Fe3C LLdLdPAFe3C共晶共晶(基体基体)室温莱氏体保持了在高温下莱氏体的形态特征，组成相发生了变化42LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H匀晶转变：匀晶转变：LA液相成分按BC变化，固相成分按照JE变化LC Ld （AE + Fe3C）1148A成分沿成分沿Acm变化；析出变化；析出Fe3C析出的析出的Fe3C依附于依附于Fe3C共晶共晶，难以，难以分辨分辨温度降到温度降到727 点，点

23、， A成分达成分达到到S点，发生共析转变点，发生共析转变AS P（F+ Fe3C ）727F成分沿成分沿PQ线变化；析出线变化；析出Fe3C，量很少，忽略不计量很少，忽略不计LL + A Ld + ALd + A + Fe3CII Ld + P + Fe3CII 43PLdLdLL + A Ld + ALd + A + Fe3CII Ld + P + Fe3CII Ld + P + Fe3CII：相组成物相组成物 F+ Fe3C组织组成物：组织组成物：A共晶共晶Fe3C共晶共晶(基体基体)44杠杆定理的应用杠杆定理的应用莱氏体的含量为莱氏体的含量为初晶奥氏体的含量为初晶奥氏体的含量为ACDEF

24、GSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 3.045杠杆定理的应用杠杆定理的应用莱氏体的含量为莱氏体的含量为初晶奥氏体的含量为初晶奥氏体的含量为ACDEFGSPQLAL+AL+ Fe3CFeA+Fe3CFA+FF+ Fe3CKBJHN Fe3C 3.046PLdFe3CII?Ld ：P分布于分布于Fe3C共晶共晶基体上的组织基体上的组织Ld ：A分布于分布于Fe3C共晶共晶基体上的组织基体上的组织p：F和和Fe3C共析共析的的2相组织相组织LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C4.32.11

25、11487270.770.02186.691495L+0.00080.530.171538912H匀晶转变：匀晶转变：L Fe3CILC Ld （AE + Fe3C）1148A成分沿成分沿Acm变化；析出变化；析出Fe3C析出的析出的Fe3C依附于依附于Fe3C共晶共晶，难以分辨，难以分辨AS P（F+ Fe3C ）727温度降到温度降到727， A成分达到成分达到S点，发生共析转变点，发生共析转变F成分沿成分沿PQ线变化；析出线变化；析出Fe3C，量很少，忽略不计量很少，忽略不计48 LL+Fe LL+Fe3 3C CI I Ld+Fe Ld+Fe3 3C CI I L Ld d +Fe+F

26、e3 3C CI I 组织组成物：组织组成物： Fe3CI+ Ld;相组成物：相组成物： F + Fe3C 49组织组成物：组织组成物：Fe3CI+ Ld; 相组成物：相组成物： F + Fe3C 50ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TFA+F0.77%CKBJHN( A+Fe3C )A+ Fe3CLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CLd( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )P51FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+

27、L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LdLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度52种类种类分类名称分类名称碳浓度碳浓度 ( % )室温平衡组织室温平衡组织铁铁工业纯铁工业纯铁0.0218 F F或或F FFe3C碳钢碳钢亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢 0.0218-0.770.770.77-2.11 先共析先共析F FP P P P Fe3CP P铸铁铸铁亚共晶铸铁亚共晶铸铁共晶铸铁共晶铸铁过共晶铸铁过共晶铸铁 2.11-4.304.304.30-6.69 P P Fe3C

28、L Ld d L Ld d Fe3C L Ld d 534-4 4-4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响FF+PPP+P+ + 54钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢 过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体FeFe3 3C C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 00.02180.02180.770.772.112.114

29、.34.36.696.691001001001000 00 0三次渗碳体三次渗碳体FF+PPP+P+ + 55同一种组成相，由于生成条件的不同，虽然相的本质未变，但其形态可有很大的差异。例如，从奥氏体中析出的铁素体一般呈块状，而经共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体相互制约，呈交替层片状。又如渗碳体，当含碳量很低0.0218%，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈小片分布。共析渗碳体是共析反应生成的，与铁素体呈交替层片状。而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则以网络状分布于奥氏体的晶界。共晶渗碳体是与共晶奥氏体同时形成的，在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。一次渗碳体是从液体中直接

30、形成的，规则条状。由此可见，成分的变化，不仅引起相的相对含量的变化，而且引起组织的变化，对合金性能产生很大影响。56钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢 过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体FeFe3 3C C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 00.02180.02180.770.772.112.114.34.36.696.691001001001000 0

31、0 0三次渗碳体三次渗碳体硬度对组织组成物和组成相不十分敏感，主要取决于组成相的数量和硬度，FeFe3 3C C硬度高，硬度高， 硬度低。硬度低。57含碳量对退火碳钢力学性能影响亚共析钢随含碳量增加，亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为时，组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的的性能。性能。0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，为晶界连续网状，强度下降强度下降, 但硬度仍上升。但硬度仍上升。2.11%C，组织中有以，组织中有以Fe3C为基为基的的Le,合金太脆合金太脆.为保证工业上使用的铁碳合金具有适当的塑性和韧性，合金中渗碳体相的数量不应过多，含碳量不超过1.3%。58铸铸造造模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨含碳量低切削热大，容易粘刀不易切断含碳量高，渗碳体多硬度高，磨损刀具594-5 4-5 钢中的杂质元素及铸锭组织钢中的杂质元素及铸锭组织（1）脱氧剂）脱氧剂（2）除硫作用除硫作用FeO + Fe + FeO + Fe + )604-5 4-5 钢中的杂质元素及铸锭组织钢