第三章 铁碳合金相图【详解版】

1、材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT第三章第三章 铁碳合金相图铁碳合金相图第一节第一节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相第二节第二节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图第三节第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响含碳量对碳钢组织与性能的影响材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT第一节第一节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金

2、的组元及基本相一、纯铁及其同素异构转变一、纯铁及其同素异构转变 (重结晶重结晶)1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe纯铁的纯铁的力学性能力学性能特点特点：强度、硬：强度、硬度低，塑性、韧度低，塑性、韧性好，一般不用性好，一般不用于结构件。于结构件。磁性转变：磁性转变：770 C以上无磁性以上无磁性770 C以下有磁性以下有磁性材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT二、铁碳合金中的基本相二、铁碳合金中的基本相Fe和和CL相：液态下无限

3、互溶、成分均匀相：液态下无限互溶、成分均匀固溶体相：固溶体相：C溶于溶于Fe中形成中形成 F、A等等金属化合物相：金属化合物相：Fe与与C化合形成化合形成Fe3C铁碳合金中的铁碳合金中的组元组元：Fe、C铁碳合金中的铁碳合金中的相相：液相：液相L、 、和和 固溶体、固溶体、 Fe3C金属化合物金属化合物在铁碳合金中碳既可溶入在铁碳合金中碳既可溶入 Fe、-Fe ，也可以也可以溶入溶入-Fe ，形成不同的固溶体。形成不同的固溶体。材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT

4、1）铁素体）铁素体体心立方结构体心立方结构碳溶于碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体,以以F或或表示；表示；铁素体的组织为多边形晶粒，其力学性能几乎与铁素体的组织为多边形晶粒，其力学性能几乎与 纯铁相同。纯铁相同。铁素体铁素体铁素体的溶碳能力很低，为体心立方晶格；铁素体的溶碳能力很低，为体心立方晶格；材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT 2）奥氏体）奥氏体:碳溶于碳溶于 -Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体；用；用A或或 表示。表示。面心立方晶格，溶碳

5、能力比铁素体大；面心立方晶格，溶碳能力比铁素体大；组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑强度低、塑性好性好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区进行。区进行。奥氏体奥氏体面心立方结构面心立方结构材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT3、渗碳体渗碳体（Fe3C）定义定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化相，化相，高温下可分解，高温下可分解， Fe3C3Fe+C(石墨石墨) 。特点：特点：含碳

6、量为含碳量为6.69%，晶，晶格构造十分复杂。性能很格构造十分复杂。性能很硬很脆，而塑性和韧性极硬很脆，而塑性和韧性极低，伸长率和冲击韧性几低，伸长率和冲击韧性几乎为零，在钢中主要起强乎为零，在钢中主要起强化作用，不能单独应用化作用，不能单独应用。 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT第第 二二 节节 铁碳合金状态图铁碳合金状态图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： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。它们都可以作为纯组

7、元看待。含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。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- Fe3C相图相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT一、一、Fe - Fe3C 相图的建立相图的建立材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engine

8、ering of XAUTCu-Ni合金相图的建立过程合金相图的建立过程 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUTFe - Fe3C 相图相图Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图

9、共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT二、铁碳合金状态图的分析二、铁碳合金状态图的分析1. 1. 特性点特性点 L LJ JN NG G +Fe+Fe3 3C C +Fe+Fe3 3C CL L+Fe+Fe3 3C CL+L+ + + 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT(3)

10、钢、铁分界点钢、铁分界点E（2.11%C） (1)共晶点共晶点C 1148, 4.3%C 共晶成分共晶成分 反应式：反应式：Lc(AE+Fe3C) 共晶体，即高温莱氏体共晶体，即高温莱氏体Ld ;(2)共析点共析点S 727 0.77% C 共析成分共析成分 反应式反应式: As (Fp + Fe3C共析共析) 共析体，即珠光体共析体，即珠光体;材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT 特征线特征线 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECF 三条水平线：三条水

11、平线：LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 727材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT 其它相线其它相线GS,GP 固溶体固溶体转变线转变线, GS又称又称A3 线。线。HN,JN 固溶体固溶体转变线，转变线，ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称Ac m线。线。PQ碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 scho

12、ol of material science and engineering of XAUT 三个三相区：三个三相区：即即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区相区l 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT4. 铁碳合金分类铁碳合金分类 （1

13、） 工业纯铁工业纯铁 0.0218% C 亚共析钢亚共析钢 0.77% C 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁4.3% C 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT三、典型铁碳合金的结晶过程三、典型铁碳合金的结晶过程 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT11珠光体珠光体1)共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程室温组织为：室温组织为：P（F+Fe3C

14、）材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT112)亚共析钢的亚共析钢的结晶过程结晶过程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 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量

15、增加而增加增加而增加。20钢组织钢组织 40钢组织钢组织 60钢组织钢组织 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUTu利用杠杆定律，可以计算出含碳量为利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢，的亚共析钢，在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT113)

16、过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程室温组织：室温组织：P+Fe3C T12钢组织钢组织 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT11补充：工业纯铁的结晶过程补充：工业纯铁的结晶过程 材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT4）共晶白口铁结晶过程）共晶白口铁结晶过程室温组织为：室温组织为： Ld（ P+ Fe3C共晶共晶+ Fe3C ）材料及

17、热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT115 5）亚共晶白口铁的结晶过程）亚共晶白口铁的结晶过程室温组织为室温组织为P+Fe3C+Ld。材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT116）过共晶白口铁的结）过共晶白口铁的结晶过程晶过程室温组织为：室温组织为：Fe3C +LdLd（ P+ Fe3C共晶共晶+ Fe3C ）材料及热加工工艺第三章 铁碳合金

18、相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT11一一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢钢铁素体铁素体 亚亚共析钢共析钢过共析钢过共析钢亚亚共晶白口铸铁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Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相

19、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 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体第三节第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响含碳量对碳钢组织与性能的影响材料及热加工工艺第三章 铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT11二、二、 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响亚共析钢亚共析钢随含碳量增加随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强度、硬度钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。升高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界为晶界连续网状，连续网