学习情境四 铁碳合金

1、知识目标知识目标 1 1了解铁碳合金的五种基本组织的组织结构与了解铁碳合金的五种基本组织的组织结构与性能特点性能特点； 2 2掌握掌握 Fe-Fe3C 相图中各特征点、特征线的含相图中各特征点、特征线的含义及各区域的组织随成分、温度变化规律义及各区域的组织随成分、温度变化规律。技能目标技能目标 1 1能够利用能够利用 Fe-Fe3C 相图来选材、选择热加工相图来选材、选择热加工方法；方法； 2 2掌握金相组织观察试验的方法掌握金相组织观察试验的方法。铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能Fe-Fe3C 相图分析相图分析典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程Fe-Fe3C

2、 相图的实际应用相图的实际应用观察金相显微组织试验观察金相显微组织试验u在在液态下液态下，铁和碳可以互溶铁和碳可以互溶成均匀的液体。成均匀的液体。u在在固态下固态下，碳可以，碳可以有限地溶于铁有限地溶于铁的同素异构体中的同素异构体中形成间隙固溶体。形成间隙固溶体。u当含碳量当含碳量超过超过在相应温度固溶体的在相应温度固溶体的溶解度溶解度时，则会时，则会析出析出具有复杂晶体结构的金属化具有复杂晶体结构的金属化合物合物渗碳体渗碳体Fe3CFe3C。u铁碳合金的固态下的基本组织有以下几种。铁碳合金的固态下的基本组织有以下几种。概述：概述：1.1.铁素体铁素体2.2.奥氏体奥氏体3.3.渗碳体渗碳体4

3、.4.珠光体珠光体5.5.莱氏体莱氏体铁素体的晶胞示意图铁素体的晶胞示意图铁素体的显微组织铁素体的显微组织是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为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。强度、硬度较低，塑性、韧性好。性能与纯铁相似。强度、硬度较低，塑性、韧性好。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 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铁素体体, 用用F 或或 表示。表示。 铁素体组织金相图奥氏体奥氏

4、体的晶胞示意图的晶胞示意图奥氏体奥氏体的显微组织的显微组织l 碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体。用奥氏体。用A或或 表示。表示。l 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。727 时为时为0.77%l组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶界较直。无磁性，强度无磁性，强度低、塑性好低、塑性好，钢材热加工钢材热加工都在都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体 奥氏体组织金相图渗渗碳碳体体的的晶晶体体结结构构l 渗碳体：即渗碳体：即

5、Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。l Fe3C硬度高、强度低硬度高、强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零lFeFe3 3C C是组元，又是基本相，也是一是组元，又是基本相，也是一个亚稳相，在一定条件下可发生分个亚稳相，在一定条件下可发生分解：解：FeFe3 3C3Fe+CC3Fe+C( (石墨石墨), ), 该反应对该反应对铸铁有重要意义。铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe-Fe中的溶解度很小，因中的溶解度很小，因而而常温下碳在铁碳合金中主要以常温下碳在铁碳合金中主要以FeFe3 3C C或或石墨石墨的形式存在。的形式存

6、在。l是铁碳合金中主要的强化相，是铁碳合金中主要的强化相，通常通常分为：分为：一次渗碳体一次渗碳体Fe3CFe3C（液体中（液体中直接结晶生成，块状分布）；直接结晶生成，块状分布）；二次二次渗碳体渗碳体Fe3C（由奥氏中析出，网（由奥氏中析出，网状分布）状分布） ；三次渗碳体三次渗碳体Fe3C（铁（铁素体中析出，断续片状分布）素体中析出，断续片状分布） 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体渗碳体组织金相图珠光体：珠光体：铁素体铁素体与与Fe3C的机械混合物的机械混合物，用，用P表示。表示。l珠光体的组织特点是两相珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布呈片层相间分布,性能介性能介于两相

7、之间，具有较高的于两相之间，具有较高的强度和硬度，具有一定的强度和硬度，具有一定的塑性和韧性，是一种综合塑性和韧性，是一种综合性能较好的组织。性能较好的组织。珠光体珠光体珠光体 ( P )莱氏体：莱氏体： 与与Fe3C的机械混合物的机械混合物l 高温莱氏体高温莱氏体：727 以上，奥氏体与渗碳体，以以上，奥氏体与渗碳体，以Ld表示表示l 低温莱氏体：低温莱氏体：727 以下，珠光体与渗碳体，以以下，珠光体与渗碳体，以Ld表示表示l 为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为基，碳含量为为基，碳含量为4.3%，性能硬而脆。，性能硬而脆。莱氏体莱氏体莱氏体 ( Ld )简化的简化的 Fe-Fe3C 相图相

8、图铁碳合金相图：铁碳合金相图：是研究铁碳合金最基本的工具；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；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。是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。简化后的简化后的Fe- Fe3C相图如下图所示：相图如下图所示：五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、Fe3C成分点。成分点。（1 1）ACAC线线 液体向奥氏体转变的开始线液体向奥氏体转变的开始线。即：。即：LALA。（2 2）CDCD线线 液体向渗碳体转变的开始线液体向渗碳体转变的开始

9、线。即：。即：LFeLFe3 3CC。 ACDACD线统称为液相线线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L L表示。表示。（3 3）AEAE线线 液体向奥氏体转变的终了线液体向奥氏体转变的终了线。（4 4）ECFECF水平线水平线 共晶线共晶线。AECFAECF线统称为固相线线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5 5）ESES线线 又称又称AcmAcm线线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：。即：LFeLFe3 3CC。（6 6

10、）GSGS线线 又称又称A3A3线线，（7 7）GPGP线线 奥氏体向铁素体转变的终了线奥氏体向铁素体转变的终了线。（8 8）PSKPSK水平线水平线 共析线（共析线（727727），又称又称A1A1线线。（9 9）PQPQ线线 碳在铁素体中的溶解度曲线碳在铁素体中的溶解度曲线。四条重要的线四条重要的线: ECF、ES、GS、PSQ。 Fe - FeFe - Fe3 3C C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+ Fe3C0.77%CK共晶共晶相图相图共析相图共析相图匀晶相图

11、匀晶相图液相线固相线A(C)AcmA3F(C)共析线，A1共晶线（1）单相区单相区 简化的简化的Fe- Fe3C相图中有相图中有F、A、L和和Fe3C 四个单相区四个单相区。（2）两相区两相区 简化的简化的Fe- Fe3C相图中有相图中有五个两相区五个两相区，即，即 L+A两相区、两相区、L+Fe3C两相区、两相区、A+Fe3C两相区、两相区、A+F两相两相 区和区和F+ Fe3C两相区两相区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线两条三相共存线，即即共晶线共晶线ECF，L、A和和Fe3C三相共存，三相共存，共析线共析线PSK，A、F和和Fe3C三

12、相共存。三相共存。 v二个重要温度二个重要温度: 1148 、727 。 在钢的热处理中，在钢的热处理中，钢的加热温度一般都在钢的加热温度一般都在 A3、Acm 以上以上30 50 （回火除（回火除外），保温后再冷却，可以利外），保温后再冷却，可以利用用 Fe-Fe3C 相图根据钢的成分相图根据钢的成分 确定加热温度。确定加热温度。合金合金类别类别工业工业纯铁纯铁钢钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析过共析钢钢亚共晶白亚共晶白口铸铁口铸铁共晶白共晶白口铸铁口铸铁过共晶白过共晶白口铸铁口铸铁wC/ (%)0.021 80.021 8wC2.112.11wC6.690.770.77

13、0.774.34.34.3室温组织FF+PPP+Fe3CLd+P+ Fe3CLdLd+ Fe3C六种铁碳合金在相图中的位置六种铁碳合金在相图中的位置共析钢共析钢亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢共晶白共晶白口铸铁口铸铁亚共晶白亚共晶白口铸铁口铸铁过共晶白过共晶白口铸铁口铸铁工业纯铁工业纯铁ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TA+Fe3CFA+FF+ Fe3C0.77%CK亚共析钢 过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁工业纯铁共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁1.共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析2.亚共析钢的

14、结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析3.过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析4.共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铸铁的结晶过程分析5.亚共晶白口铸铁的结晶过程分析亚共晶白口铸铁的结晶过程分析6.过共晶白口铸铁的结晶过程分析过共晶白口铸铁的结晶过程分析工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%） 相组成物：相组成物：F+Fe3C C%0.0008% ; F C%L+A-A-A+F-F+Fe3CIII单相液体的冷却单相液体的冷却匀晶反应匀晶反应L相中析出相中析出相（奥氏体相（奥氏体A）单相固溶体

15、的冷却单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体相发生共析反应生成珠光体Pu共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析共析钢共析钢 C%=0.77% L-L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P相组成物：相组成物：F F和和FeFe3 3C C组织组成物组织组成物 ： P 珠光体珠光体u共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析珠光体珠光体室温组织为：室温组织为：P（F+Fe3C）L相冷却相冷却L相相 相相L相相+ 相相 相，并且相，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 相，但相，但相有剩余相有剩余共析反应：剩余共析反应：剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存

16、在先析相相u亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢亚共析钢 0.0218%C%L+A-A-A+F-A+P+F-P+F 相组成物相组成物：F，Fe3C 45钢金相钢金相 u亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析含含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钢的组织钢的组织亚共析钢室温下的组织为亚共析钢室温下的组织为F+P。在在0.02180.77%C 范围内珠光体范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。的量随含碳量增加而增加。LL+A AA+F先共析先共析AS(0.77% C) P室温组织为：室温组织为：P+F 单相液体的冷却单相液体的冷却L相相

17、 相相单相固溶体（奥氏体）的冷却单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变：共析转变： 相相（ +Fe3C），存在），存在Fe3Cu过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析过共析钢过共析钢 0.77%C%L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CIIT12钢金相钢金相相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，Fe3CII u过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析含含1.4%C钢的组织钢的组织u过共析钢的结晶过程分析过共析钢的结晶过程分析含含1.4%C钢的组织钢的组织室温组织：室温组织：P+Fe3C单相液体的冷却单相液体的冷却

18、共晶反应：共晶反应：LLd（+Fe3C）共晶共晶中的中的相不断析出相不断析出Fe3C，不可见。，不可见。 Ld （+Fe3C+ Fe3C）共析反应：共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C + Fe3C） u共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铁（共晶白口铁（C%=4.3%） L-L+Ld-Ld (A+Fe3C共晶共晶)-Ld (A+Fe3C共晶共晶+Fe3CII)- Ld(P+Fe3CII+Fe3C) u共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铁金相 相组成物：相组成物：F，Fe3C 组织组成物：Ld u共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口

19、铸铁的结晶过程分析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） (+ +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不可见不可见 (+ Ld(+Fe3C+Fe3C)共析反应：共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 先共晶先共晶相相 P匀晶反应：匀晶反应： L 相相室温组织：室温组织： Ld（P+ Fe3C+ Fe3C） + P+ Fe3Cu亚共晶白口铸铁的结晶过程分析亚共晶白口铸铁的结晶过程分析亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3% u亚共晶白口铸铁的结晶过程分析亚共晶白口铸铁的结晶过程分析亚共晶

20、白口铁金相 相组成物：F，Fe3C组织组成物：P，Ld，Fe3CIIu亚共晶白口铸铁的结晶过程分析亚共晶白口铸铁的结晶过程分析11 室温组织为：室温组织为：P+Fe3C+Ld。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不可见不可见共析反应：共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 匀晶反应：匀晶反应： L Fe3C相相室温组织：室温组织： Ld（P+ Fe3C+ Fe3C） + Fe3Cu过共晶白口铸铁的结晶过程分析过共晶白口铸铁的结晶过程分析过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 2.11%C%4.3% u过共晶白口铸铁的结晶过

21、程分析过共晶白口铸铁的结晶过程分析过共晶白口铁金相 相组成物相组成物 ：F，Fe3C组织组成物：组织组成物：Ld，Fe3C u过共晶白口铸铁的结晶过程分析过共晶白口铸铁的结晶过程分析室温组织为：室温组织为：Fe3C +LdLd（ P+ Fe3C共晶共晶+ Fe3C ）小结a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+LdLdFe3C+Ld复习小结：复习小结：标注组织的铁碳相图标注组织的铁碳相图概述：概述：从铁碳相图可知，铁碳合金的从铁碳相图可知，铁碳合金的室温组织室温组织都是由都是由铁素体和渗碳铁素体和渗碳体两相组成体两相组成。但是，因其但是，因其含碳量不同含碳量不同，故故组织中两个相的相对

22、数量、相对组织中两个相的相对数量、相对分布及形态不同分布及形态不同，因而因而不同成分的铁碳合金具有不同的性能不同成分的铁碳合金具有不同的性能。1.1.碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响2.2.FeFe- - F Fe e3 3C C相图的应用相图的应用室温下铁碳合金的成分、相组成、组织及性能的定量关系图室温下铁碳合金的成分、相组成、组织及性能的定量关系图1.1.碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响AtFPP+FP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%C0.77%C相

23、相图图FeFe3 3C C100%100%0 0相相组组成成4.32.110.02186.690.77FPLdLdFeFe3 3C CFeFe3 3C C组组织织性性能能* 含碳量对平衡组织的影响 铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：（沿（沿F晶界分布的基片）晶界分布的基片）共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状） （沿（沿A晶界呈网状分布）晶界呈网状分布）共晶渗碳体（为莱氏体的共晶渗碳体（为莱氏体的基体）基体） （分布在莱氏体上的粗大片状）。（分布在莱氏体上的粗大片状）。dddLCFeLLCFePCFePPPFCF

24、eF3333CFe3CFe3CFe3随含碳量增加，组织中随含碳量增加，组织中FeFe3 3C C不仅数量增加，而且形态不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在也在变化，由分布在 基体内基体内( (P P中中FeFe3 3C C) )变为分布在变为分布在A A晶界上晶界上( (FeFe3 3C C) )，最后形成莱氏体时，最后形成莱氏体时，FeFe3 3C C已作为基体已作为基体出现。出现。 2.Fe- Fe3C相图在工业中的应用（1 1）在选材方面的应用）在选材方面的应用 Fe- Fe3CFe- Fe3C相图相图反映了反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。

25、这样，就可以根据零件的这样，就可以根据零件的工作条件和性能要求工作条件和性能要求来合理的选择材料。来合理的选择材料。例如，例如，桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢（低碳钢（cc =0.1%0.25% =0.1%0.25%）；）；对工作中对工作中承受冲击载荷承受冲击载荷和要求和要求较高强度的各种机械零件较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比，希望强度和韧性都比较好，可较好，可选用中碳钢（选用中碳钢（cc =0.25%0.65% =0.25%0.65%）；）；制造各种制造各种切削工具、模具及量具切削

26、工具、模具及量具时，需要高的硬度、而耐磨性，可时，需要高的硬度、而耐磨性，可选用高碳钢选用高碳钢（cc =0.77%1.44% =0.77%1.44%）。）。对于对于形状复杂的箱体、机器底座形状复杂的箱体、机器底座等，可选用熔点低、流动性好的等，可选用熔点低、流动性好的铸铁铸铁材料。材料。（2）在铸造生产上的应用由由Fe- Fe3C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶相图可见，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，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。经常选用接近共晶成分的铸铁。 铁碳相图与热加工工艺的关系（3）在锻压生产上的应用 u钢在室温时组织为钢在室温时组织为两相混合物两相混合物，塑性较差塑性较差，变形困难变形困难。u而而奥氏体奥氏体的的强度较低强度较低，塑性较好塑性较好，便于塑性变形。因此在进行，便于塑性变形。因此在进行锻压和热锻压和热轧轧加工时，要把坯料加工时，要把坯料加热到奥氏体状态加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重以免钢材氧化烧损严重，变形的终止温度也不宜过低变