铁碳合金与铁碳合金相图

1、111材料科学基础材料科学基础Chapter 8 铁碳合金与铁碳合金相图铁碳合金与铁碳合金相图22o 8.1 铁碳合金基本组元、基本相铁碳合金基本组元、基本相o 8.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析 o 8.3 碳碳 钢钢.Chapter Outline 338.1 铁碳合金基本组元、基本相铁碳合金基本组元、基本相8.1.1铁碳合金基本组元及特性铁碳合金基本组元及特性 1纯铁纯铁-Fe-Fe-Fe BCC FCC BCC 442. 渗碳体（渗碳体（Cementite） 间隙化合物，正交晶系，含碳量为间隙化合物，正交晶系，含碳量为6.69%， 其晶胞内铁原子数与碳原子

2、数之比为其晶胞内铁原子数与碳原子数之比为3：1，故通常以，故通常以Fe3C表表示。示。 8.1.1铁碳合金基本组元及特性铁碳合金基本组元及特性渗碳体的硬度很高（渗碳体的硬度很高（ 800HBS），但强度很低（），但强度很低（b 40MPa），塑性、韧性很差（，塑性、韧性很差（ 0， 0，Ak 0）。）。 渗碳体是介稳定化合物，当条件适当时，它将按下式分解渗碳体是介稳定化合物，当条件适当时，它将按下式分解Fe3C3Fe+C，这种分解出来的单质状态的碳称为石墨碳。，这种分解出来的单质状态的碳称为石墨碳。558.1.2铁碳合金中的基本相、组织及其性能铁碳合金中的基本相、组织及其性能 1. 基本相基本

3、相 L ： 碳在碳在FeFe中的间隙固溶体。中的间隙固溶体。 A()：碳在碳在Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 F()：碳在：碳在Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 Fe3C(K) 662.基本组织及其性能基本组织及其性能o 铁素体（铁素体（FeriteFerite） 碳溶于体心立方晶格的碳溶于体心立方晶格的 - -FeFe所形成的间隙固溶体，用所形成的间隙固溶体，用F F或或 表示。表示。 性能：强度和硬度低，塑性和韧性好。性能：强度和硬度低，塑性和韧性好。o 奥氏体（奥氏体（AusteniteAustenite） 碳溶于面心立方晶格的碳溶于面心立方晶格的 -Fe-Fe所形成的间隙固溶体。用所

4、形成的间隙固溶体。用A A 或或 表示。表示。 性能：强度、硬度不高，但塑性很好。性能：强度、硬度不高，但塑性很好。77o 高温铁素体高温铁素体 碳溶于体心立方晶格的碳溶于体心立方晶格的 -Fe-Fe所形所形成的间隙固溶体称为高温体素体或成的间隙固溶体称为高温体素体或 固溶体，常固溶体，常用用 表示。表示。高温铁素体与铁素体的本质相同，两高温铁素体与铁素体的本质相同，两者的区别仅在于高温铁素体存在的温度范围较者的区别仅在于高温铁素体存在的温度范围较铁素体为高。铁素体为高。o FeFe3 3C C 既是铁碳合金中的组元，又是基本相。既是铁碳合金中的组元，又是基本相。 根据其生成条件不同有根据其生

5、成条件不同有条状条状、网状网状、片状片状、粒粒状状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。884.珠光体珠光体 (Pearite ）铁素体和渗碳体组成的机械混合物铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用，用P表示。表示。Fe3C片状分布于片状分布于F基体上，呈贝壳状。基体上，呈贝壳状。5.莱氏体莱氏体 (Ledeburite ） 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用，用Ld表示表示性能：硬而脆性能：硬而脆性能：良好的综合力学性能性能：良好的综合力学性能（较高强度和一定的塑、韧性）（较高强度和一定的塑、韧性）998.2 Fe-Fe3C

6、相图相图（Iron-carbon equilibrium diagram）分析）分析10108.2.1 Fe-Fe8.2.1 Fe-Fe3 3C C相图中的点、线、区相图中的点、线、区o 点点：14个个11118.2.1 Fe-Fe8.2.1 Fe-Fe3 3C C相图中的点、线、区相图中的点、线、区o 线线：两条磁性转变线；：两条磁性转变线； 三条三条等温等温转变线转变线 CFeALEC31148JHBAL1495CFeFAPS3727 包晶包晶共晶共晶共析共析GS：奥氏体与铁素体之间的转变曲线：奥氏体与铁素体之间的转变曲线 。 ES：碳在奥氏体中的溶解度曲线：碳在奥氏体中的溶解度曲线PQ：

7、碳在铁素体中的溶解度曲线。：碳在铁素体中的溶解度曲线。 1212p区：区：5 5个单相区，个单相区，7 7个两相区，个两相区，1 1个三相区个三相区 8.2.1 Fe-Fe8.2.1 Fe-Fe3 3C C相图中的点、线、区相图中的点、线、区13138.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织铁碳合金分类：铁碳合金分类：o 工业纯铁工业纯铁（C%0.0218%）o 碳钢碳钢（0.0218C%2.11%）亚共析钢亚共析钢0.02180.77% 共析钢共析钢0.77% 过共析钢过共析钢0.772.11% 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 4.3亚共晶白口铸铁亚共晶白

8、口铸铁2.114.30%过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁4.306.69 1414图图8-3 8-3 七种典型铁碳合金在相图上的位置七种典型铁碳合金在相图上的位置15151.工业纯铁工业纯铁 wC0.01%o 室温组织为室温组织为F F+(Fe+(Fe3 3C)C)IIIIII o 相组成为相组成为 FeFe3 3C C6.690.01(%)100%99.97%6.690.0008Fe3C （% ）=199.85% 0.03% 8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织1616工业纯铁室温组织：工业纯铁室温组织：F或或F+（ Fe3C） o F F（等轴晶

9、）（等轴晶）o （FeFe3 3C C）IIIIII（小（小片状）片状）8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织17172. 共析钢共析钢(Eutectoid steel) wC 0.77% o 室温组织：室温组织：P o 相组成为：相组成为： 和和Fe3C 6.690.77(%)100%88.5%6.690.0008Fe3C(%) =188.5% =11.5% 1818共析钢室温组织共析钢室温组织19193.3.亚共析钢亚共析钢(Hypoeutectoid steel) (Hypoeutectoid steel) wC 0.4%0.4%o 室温组织

10、为室温组织为P+P+F Fo 相组成物为相组成物为 Fe3C P(%) =148.1% 51.9% 6.690.4(%)100%94%6.690.0008 Fe3C (%) =194% 6% %1 .48%100%0218. 077. 04 . 077. 0F8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织2020不同碳含量的亚共析钢室温平衡组织不同碳含量的亚共析钢室温平衡组织组织特征：组织特征： 随含碳量增加，随含碳量增加，P量逐渐增加，量逐渐增加，F量逐渐减少；量逐渐减少；形态从形态从块状块状断续网状断续网状。15钢钢FP45钢钢FP65钢钢FP2121

11、在显微分析中常以在显微分析中常以P P与与F F的面积数量比来的面积数量比来估计亚共析钢的含碳量估计亚共析钢的含碳量。钢中含碳量钢中含碳量%Vp0.77%VF0.0008%即：即：C500.80.40此钢含碳量约为此钢含碳量约为0.40，即，即40钢。钢。磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：组织中含有组织中含有50P和和50F，例如，一种未知钢号的碳钢例如，一种未知钢号的碳钢(退火态退火态)，利用金相法估算，利用金相法估算此钢的碳含量。此钢的碳含量。可忽略可忽略8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组

12、织22224.过共析钢过共析钢(Hypereutectoid steel) wC 1.2o 室温平衡组织为室温平衡组织为P+(Fe3C)II 6.69 1.2P(%)100%92.7%6.690.77(Fe3C)II (%) =192.7% 7.3% 6.69 1.2(%)100%82.1%6.690.0008Fe3C (%) =182.1% 17.9% o室温相组成为室温相组成为 Fe3C2323T12钢退火组织钢退火组织PFe3C （4%硝酸酒精浸蚀）硝酸酒精浸蚀）（碱性苦味酸钠水溶液浸蚀）（碱性苦味酸钠水溶液浸蚀）组织特征：组织特征：Fe3C呈网状分布于层片状呈网状分布于层片状P周围周围

13、24245. 共晶白口铸铁共晶白口铸铁( Eutectic white cast iron ) wC4.30% o室温组织：室温组织： 低温莱氏体低温莱氏体 L Ld d （P+FeP+Fe3 3C C+Fe+Fe3 3C C）p高温组织：高温组织： 高温莱氏体高温莱氏体 L Ld d（A+FeA+Fe3 3C C ）8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织2525共晶白口铸铁的室温组织共晶白口铸铁的室温组织Ld26266. 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁(Hhypoeutctic white cast iron ) wC3.0% 8.2.2 典型合金

14、的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织2727室温平衡组织：室温平衡组织：P+(Fe3C)II+ Ld P+ (Fe3C)II+Fe3C。 3.52.11%100%63.5%4.32.11LLdLd0.776.692.11%100%1 63.5%28%6.690.77P室温相组成物：室温相组成物： Fe3C6.693.5%100%47.7%6.69Fe3C%=1-47.7%=52.3% 8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织(Fe3C) %=1-63.5%-28%=27.635% 2828亚共晶白口铸铁室温平衡组织亚共晶白

15、口铸铁室温平衡组织LdFe3CAP29297.7.过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁(Hypereutectic white cast iron) wC5.0% 室温平衡组织室温平衡组织L Ld d+ + FeFe3 3C C8.2.2 典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织3030过共晶白口铸铁室温组织过共晶白口铸铁室温组织LdFe3C3131用组织组成物填写的相图用组织组成物填写的相图32328.2.3铁碳合金的碳含量与平衡组织、铁碳合金的碳含量与平衡组织、 力学性能之间的关系力学性能之间的关系（一）一）碳碳含含量量对对平平衡衡组组织织的的影影响响 15钢钢45

16、钢钢65钢钢T121.1.碳含量对平衡组织的影响碳含量对平衡组织的影响 3333 组织组织：F+Fe3CF+PPP+ Fe3CIIP+ Fe3CII+Ld? Ld?Fe3CI+ Ld? FeFe3 3C C形态形态：o FeFe3 3C C（薄网状、点状）（薄网状、点状） o 共析共析FeFe3 3C C（层片状）（层片状） o FeFe3 3C C（网状）（网状） o 共晶共晶FeFe3 3C C（基体）（基体） o FeFe3 3C C（粗大片状）（粗大片状）8.2.3铁碳合金的碳含量与平衡组织、铁碳合金的碳含量与平衡组织、 力学性能之间的关系力学性能之间的关系34342.碳含量对机械性能

17、的影响碳含量对机械性能的影响o Wc1.0时，随着含时，随着含碳量的增加，碳量的增加，钢的强度钢的强度和硬度增加和硬度增加，而塑性和，而塑性和韧性不断下降；韧性不断下降；o Wc1.0时，因出现时，因出现网状渗碳体网状渗碳体而导致而导致钢的钢的强度下降，但硬度仍会强度下降，但硬度仍会增加。增加。工业上使用的钢的碳工业上使用的钢的碳质量分数一般质量分数一般1.31.4。8.2.3铁碳合金的碳含量与平衡组织、铁碳合金的碳含量与平衡组织、 力学性能之间的关系力学性能之间的关系35358.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相图的应用相图的应用1.为选材提供成分依据为选材提供成分依据o

18、 低碳钢（低碳钢（0.100.25%C）：建筑结构和容器）：建筑结构和容器等等o 中碳钢（中碳钢（0.250.60%C）：如轴等）：如轴等o 高碳钢（高碳钢（0.61.3%C）：如工具等）：如工具等o 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等 36362.为制定热加工工艺提供依据为制定热加工工艺提供依据（1）在铸造生产方面的应用）在铸造生产方面的应用根据根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度，相图可以确定铁碳合金的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上浇注温度一般在液相线以上50100。共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性共晶成分的铸铁凝固区间最

19、小（为零），流动性好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可能得到致密的铸件得到较广泛的应用。能得到致密的铸件得到较广泛的应用。 8.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相图的应用相图的应用3737铸钢铸钢（碳含量一般在wC0.150.60%之间）u 铸钢的铸造性能不好铸钢的铸造性能不好。u 铸态时晶粒粗大，常出现魏氏组织（铸态时晶粒粗大，常出现魏氏组织（铁素体沿铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体），使晶界分布并呈针状插入珠光体），使钢的塑性钢的塑性和韧性显着下降和韧性显着下降。另外，。另外，内应力较大内应力较大。解决办法解决办法：退火

20、退火或或正火正火u 应用：用于一些形状复杂、难以进行锻造或切应用：用于一些形状复杂、难以进行锻造或切削加工、而又要求较高强度和塑性的铸造零件。削加工、而又要求较高强度和塑性的铸造零件。8.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相图的应用相图的应用38382. 2. 在锻造生产方面的应用在锻造生产方面的应用 一般始锻、始轧温度控一般始锻、始轧温度控制在固相线以下制在固相线以下100100200200范围内。一般始锻范围内。一般始锻温度为温度为115011501250, 1250, 终锻温度为终锻温度为750 750 850 850 。 8.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相图的应用相图的应用39393. 3. 在热处理生产方面的应用在热处理生产方面的应