第5章铁碳合金

1、5. 5.1 1 Fe-Fe Fe-Fe3 3C C系合金的组元与基本相系合金的组元与基本相5. 5.2 2 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图5.3 5.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶5. 5.4 4 含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响5.5 Fe-Fe5.5 Fe-Fe3 3C C相图的应用相图的应用第5章铁碳合金和铁碳相图铁碳合金主要由铁和碳两种元素组成，包括铁碳合金主要由铁和碳两种元素组成，包括碳钢（非合金钢）和铸铁，是现代经济建设应用碳钢（非合金钢）和铸铁，是现代经济建设应用及其广泛的重要基础材料。及其广泛的重要基础材料。铁碳相图

2、铁和碳可以形成一系列的化合物，如：铁和碳可以形成一系列的化合物，如：FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC。 FeFe3 3C C的含碳量为的含碳量为6.69%6.69%，碳含量超过，碳含量超过6.69%6.69%的铁碳合金脆的铁碳合金脆性很大，没有使用价值。性很大，没有使用价值。常用的铁碳相图是常用的铁碳相图是Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。5. 5.1 1 Fe-Fe Fe-Fe3 3C C系合金的组元与基本相系合金的组元与基本相5.1.1 5.1.1 组元组元（1 1）纯铁）纯铁FeFe：熔点：熔点15381538,密度密度7.877.8710103 3kg

3、/mkg/m3 3 。纯铁的纯铁的冷却曲线冷却曲线 同素异构转变：金属在固态下晶体结构随温度同素异构转变：金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。的改变而发生变化的现象。 FeFe的同素异构转变：的同素异构转变：纯铁的力学性能：纯铁的力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。强度、硬度低，塑性、韧性好。b b=180=180280MPa280MPa， 0.20.2=100=100170MPa,170MPa, =40 =405050，HBSHBS50508080。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 -Fe（bcc） -Fe（fcc） -Fe（bcc）1394 C912 C-Fe，fcc-

4、Fe，bcc912 （2 2）FeFe3 3C C渗碳体，间隙化合物，复杂晶体结构。渗碳体，间隙化合物，复杂晶体结构。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。HV=950HV=95010501050。5.1.2 铁碳合金中的相液相液相：铁与碳形成的液体。：铁与碳形成的液体。相相：13941394以上存在，以上存在，高温铁素体高温铁素体，碳在，碳在-Fe-Fe中的中的间隙固溶体间隙固溶体，bccbcc。相相：912912以下存在，以下存在，铁素体铁素体，碳在，碳在-Fe-Fe中的中的间间隙固溶体隙固溶体，bccbcc。其性能是强度低，硬度低，塑性好。其性能是强度低

5、，硬度低，塑性好。相相：1495-7271495-727范围内存在，范围内存在，奥氏体奥氏体，碳在，碳在-FeFe中的中的间隙固溶体间隙固溶体，fccfcc，。其性能是强度低，硬度低，。其性能是强度低，硬度低，塑性好。塑性好。FeFe3 3C C：渗碳体渗碳体，间隙化合物间隙化合物，复杂晶体结构。根据，复杂晶体结构。根据其形成条件不同，有条状、粒状、片状等形态。其形成条件不同，有条状、粒状、片状等形态。5.2 5.2 ( (Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图) )液相线液相线ABCD固相线固相线AHJECF包晶线包晶线 HJB，包晶点包晶点 JLB+ H J共晶线共晶线 ECF，共晶点共

6、晶点CLC (E+Fe3C) 高温莱氏体高温莱氏体,Le或或Ld共析线共析线 PSK，共析点共析点SS (P+Fe3C) 珠光体珠光体, PES线：线：C在在A中的固溶线中的固溶线PQ线：线：C在在F中的固溶线中的固溶S线：线：A3线，线， 5.3 5.3 铁碳合金的平衡结铁碳合金的平衡结晶晶Fe-C 合金分类合金分类工业纯铁工业纯铁 C % 0.0218 %钢钢 0.0218 % C % 2.11 %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 %白口铸铁白口铸铁 2.11 % C % 6.69 %亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4

7、.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 %类型类型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数0.200.450.600.801.001.20几种几种常见常见碳钢碳钢(1)(1)工业纯铁工业纯铁 ( ( C % 0.0218 % )C % 0.0218 % )结晶过结晶过程程室温组织室温组织F + Fe3C (微量微量)Fe3C % 0.0218 / 6.69 = 0.3 %F % 1 0.03 % = 99.7 %工业纯铁的室温组织工业纯铁的室温组织( (2)2)共析钢共析钢 ( ( C % = C

8、 % = 0.77 % 0.77 % ) )结晶过结晶过程程室温组织室温组织: 层片状层片状 P (F + 共析共析 Fe3C ) P中各相的相对量：中各相的相对量：Fe3C % = (0.77 xF)/(6.69 xF) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光体的性能：珠光体的性能：强度较高，塑性、韧性和强度较高，塑性、韧性和硬度介于硬度介于FeFe3 3C C 和和 F F 之间。之间。b b=1000MPa=1000MPa， 0.20.2=600MPa,=600MPa,=10=10，HBSHBS240240。共析钢的平衡组织：共析钢的平衡组织：P P(

9、3)(3)亚共析钢亚共析钢 ( ( C % C % = = 0.4 % 0.4 % ) )结晶过结晶过程程室温组织室温组织: : F + PF + P各组织组成物的相对量：各组织组成物的相对量：P %=(0.40.0218)/(0.770.0218) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相对量：各相的相对量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %亚共析钢组织：亚共析钢组织：F+P(4)(4)过共析钢过共析钢 ( ( C % C % = = 1.2 % 1.2 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织:P + Fe3CII 组织组成物组织组成

10、物的相对量：的相对量：Fe3CII%=(1.20.77)/(6.690.77) 7 %P % 1 7 % = 93 %相相的相对量：的相对量：Fe3C% 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %WWC C1.21.2的过共析碳钢缓冷后的组织的过共析碳钢缓冷后的组织 500500过共析钢组织过共析钢组织P+Fe3CII(5)(5)共晶白口铁共晶白口铁 ( ( C % C % = = 4.3 % 4.3 % ) )结晶过结晶过程程11481148，组织组织的相对量：的相对量：2.11=(6.69-4.3)/(6.69-2.11)=52 Fe3C=1-52=1-52=48

11、=48 727，组织，组织的的相对量：相对量：P=P=0.770.77=(6.69-=(6.69-4.3)/(6.69-0.77)=40.44.3)/(6.69-0.77)=40.4FeFe3 3C=1-40.4=59.6C=1-40.4=59.6室温组织室温组织: (低温低温)莱氏体莱氏体 Le (P + Fe3CII + 共晶共晶 Fe3C )莱氏体莱氏体 Le的性能：的性能：硬而脆硬而脆相相的相对量：的相对量：Fe3C% 4.3 / 6.69 = 64 %F % 1 64 % = 36 %共晶白口铸铁组织共晶白口铸铁组织LdLd( () )亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( ( C % C %

12、 = = 3 % 3 % ) )结晶过结晶过程程室温组织室温组织: :Le+ P + Fe3CII 组成相组成相: :F F、 FeFe3 3C C。相相的相对量：的相对量：Fe3C % 3.0 / 6.69 = 49 %F % 1 49 % = 51 %组织组成物组织组成物的相对量：的相对量：2.112.11=(4.3-3)/(4.3-2.11)=59=(4.3-3)/(4.3-2.11)=59; ; Le Le4.34.3=1-59=1-59=41=41FeFe3 3C C=59%=59%* *(2.11-0.77)/(6.69-0.77)=13(2.11-0.77)/(6.69-0.77

13、)=13; ; P=P=0.770.77=59%=59%* *(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=46(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=46 亚共晶白口铸铁组织亚共晶白口铸铁组织 ： P+FeP+Fe3 3C CII II+Ld+Ld( (7 7) )过共晶白口铁过共晶白口铁 ( ( C % C % = = 5 5 % % ) )结晶过结晶过程程室温组织室温组织:Le+ Fe3CI 相相的相对量：的相对量：Fe3C % 5.0 / 6.69 = 72 %F % 1 72 % = 28 %组织组成物组织组成物的相对量：的相对量：FeFe3 3C C =100 =100%

14、 %* *(5-4.3)/(6.69-4.3)=29(5-4.3)/(6.69-4.3)=29 Le=1-29=1-29% % =71=71 组成相组成相: :F F、 FeFe3 3C C。过共晶白口铁的室温组织过共晶白口铁的室温组织过共晶白口组织过共晶白口组织 Le+ Fe3CI 标注了组织组成物的相标注了组织组成物的相图图5.4 5.4 含碳量对铁碳合金含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响组织与力学性能的影响含碳量与相的相对量关系含碳量与相的相对量关系：C %F %，Fe3C %含碳量与组织关系：含碳量与组织关系：图（图（a）和（和（b）FeFe3 3C CII II含量最大点：含量最大

15、点：E E点点含碳量与性能关系：含碳量与性能关系：硬度硬度HB：随随C %，成直线增大成直线增大强度强度：随：随C %， 先增后减，先增后减，C%=0.9% 时最大时最大塑性、韧性：塑性、韧性：随随C%而单调而单调。%6 .2277. 069. 677. 011. 23 IICFe工业纯铁工业纯铁 0.0218 %， F + Fe3C 亚共析钢亚共析钢 0.77 %，F+P共析钢共析钢 0.77 % ，P过共析钢过共析钢 0.77 %，P+ FeFe3 3C CII II亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3 %，P+FeFe3 3C CII II +Le共晶白口铁共晶白口铁 4.3 % ， Le过

16、共晶白口铁过共晶白口铁 4.3 %，Le+ Fe3CI Fe3C % 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %Fe3C % 5.0 / 6.69 = 72 %F % 1 72 % = 28 %Fe3C % 3.0 / 6.69 = 49 %F % 1 49 % = 51 %Fe3C% 4.3 / 6.69 = 64 %F % 1 64 % = 36 %Fe3C% 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %Fe3C % 0.0218 / 6.69 = 0.3 %F

17、 % 1 0.03 % = 99.7 %5.5 5.5 铁碳相图的应用铁碳相图的应用钢铁选材：钢铁选材：相图相图性能性能用途用途低碳钢：建筑钢材；中碳钢：轴类等；高碳钢：工模具等。低碳钢：建筑钢材；中碳钢：轴类等；高碳钢：工模具等。局限性局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度：铸件选材和确定浇注温度：液相线以上液相线以上5050100100 C C 。确定锻造温度：确定锻造温度：在在 A A 区。区。始锻、始轧：固相线以下始锻、始轧：固相线以下100 100 200200 C C ,终锻、终轧：亚共析钢终锻、终轧：

18、亚共析钢GSGS线以上，过共析钢线以上，过共析钢PSKPSK线以上。线以上。制定热处理工艺：制定热处理工艺：淬火加热温度：淬火加热温度：A1、A3、Acm练习题（练习题（1）一、名词解释一、名词解释奥氏体奥氏体铁素体铁素体 渗碳体渗碳体珠光体珠光体 莱氏体莱氏体二、判断二、判断1、在铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织才有二次渗碳、在铁碳合金中，只有过共析钢的平衡组织才有二次渗碳体存在。体存在。2、铁碳合金的强度随含碳量的增加而增加。、铁碳合金的强度随含碳量的增加而增加。3、含碳、含碳6.69%的铁碳合金，其室温平衡相为铁素体加渗碳的铁碳合金，其室温平衡相为铁素体加渗碳体。体。4、所有含碳量大于

19、、所有含碳量大于0.77%的铁碳合金平衡结晶后，其室温的铁碳合金平衡结晶后，其室温组织中均存在二次渗碳体。组织中均存在二次渗碳体。5、珠光体和低温莱氏体的性能差别大是因为它们的组成相、珠光体和低温莱氏体的性能差别大是因为它们的组成相不同。不同。6、铁碳合金中的一次渗碳体与二次渗碳体在晶粒形貌和晶、铁碳合金中的一次渗碳体与二次渗碳体在晶粒形貌和晶体结构上均相同。体结构上均相同。7、在铁碳合金中，只有共析成分的合金结晶时才发生共析、在铁碳合金中，只有共析成分的合金结晶时才发生共析转变，形成共析组织。转变，形成共析组织。练习题（练习题（2）三、选择三、选择1、同素异构转变伴随着体积的变化，其主要原因是、同素异构转变伴随着体积的变化，其主要原因是（ ）a.