材料第2章之3 铁碳合金的结晶

1、2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院1第第2章章 金属材料组织与性能的控制金属材料组织与性能的控制之之2.2.3 铁碳合金的结晶铁碳合金的结晶2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院2n碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了解碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分重要的意义。重要的意义。n铁碳合金中的碳有两种存在形式：铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳

2、体渗碳体FeFe3 3C C和石墨和石墨。由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%5%，所，所以重点研究以重点研究Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院3一、铁碳相图一、铁碳相图Fe-Fe3C相图相图2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院41、Fe组元组元-Fe(体心立方体心立方) 1394-Fe(面心立方面心立方) 912-Fe(体心立方体心立方) 同素异构转变，强度低、硬度同素异构转变，强度低、硬度低、韧性、塑性好。低、韧性、塑性好。2Fe3C（渗碳体）

3、（渗碳体） 熔点高，硬而脆，塑性、韧性熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。几乎为零。（1）Fe-Fe3C相图的组元相图的组元抗拉强度极限抗拉强度极限 b 延伸率延伸率 断面收缩率断面收缩率 冲击韧性冲击韧性 ak 硬度硬度 30 MPa 0 0 0 800 HB 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院51液相液相L：铁与碳的液溶体：铁与碳的液溶体2相：相：高温铁素体高温铁素体 碳在碳在-Fe中的中的间隙固溶体间隙固溶体3相：相：铁素体、铁素体、F或或 碳在碳在-Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 强度、硬度低、塑性好强度、硬度低、塑性好 室温：室温：C%=0.0008%

4、727 含碳量最大：含碳量最大： C%=0.0218%4相：相：奥氏体奥氏体 、A 或或 碳在碳在-Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体 强度低，易塑性变形强度低，易塑性变形5Fe3C相：相：渗碳体渗碳体 化合物化合物（2）Fe-Fe3C相图中的相相图中的相2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院6（3）三条水平线和三个重要点）三条水平线和三个重要点包晶点包晶点J与包晶转变线与包晶转变线HJB：1495 ，C%=0.17LB+HAJ 即即 L0.53+ 0.09 A0.172022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院7共晶点共晶点C与共晶转变线与共晶转变线E

5、CF1148 ，C%=4.3%L4.3 A2.11+Fe3C 高温莱氏体高温莱氏体Ld 共晶渗碳体共晶渗碳体L4.3 Ld4.32022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院8AS FP+Fe3CA0.77 F0.0218+Fe3C P（珠光体）（珠光体） 共析渗碳体共析渗碳体共析点共析点S与共析转变线与共析转变线PSKA1线线727 ，C%=0.77% A0.77 P0.772022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院9 抗拉强度极限抗拉强度极限 b冲击韧性冲击韧性ak 延伸率延伸率 硬度硬度 770 MPa 3105 4105 J/m2 20%35% 18

6、0 HB 珠光体的强度较高，珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于塑性、韧性和硬度介于Fe3C和和F之间。之间。2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院10 液相线液相线ACD 固相线固相线AECF（4）液固相线）液固相线2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院11ES线线：碳在碳在A中的固溶线中的固溶线AcmE点点 1148 ，2.11%S点点 727 ，0.77%，A A+Fe3CII 二次渗碳体二次渗碳体 PQ线线：碳在碳在F中的固溶线，中的固溶线，P点点727 ，0.0218%Q点点 室温，室温，0.0008%F F+Fe3CIII 三次渗碳

7、体三次渗碳体（5）溶解度线）溶解度线2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院12GS线：线：A3线线A A+F2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院13总结：总结：Fe-Fe3C相图相图2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院14Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中各点的温度、碳含量及含义相图中各点的温度、碳含量及含义 符号符号温度温度, , 碳含量碳含量(C)%(C)%含含 义义A A153515350 0纯铁的熔点纯铁的熔点B B149514950.530.53包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分C C114

8、811484.304.30共晶点共晶点 L Lc c A AE E+Fe+Fe3 3C CD D122712276.696.69FeFe3 3C C的熔点的熔点E E114811482.112.11碳在碳在 -Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F F114811486.696.69FeFe3 3C C的成分的成分 G G9129120 0 -Fe -Fe -Fe -Fe同素异构转变点同素异构转变点(A(A3 3) )H H149514950.090.09碳在碳在 -Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 J J149514950.170.17包晶点包晶点L LB B+ + H H A AJ

9、 J K K7277276.696.69FeFe3 3C C的成分的成分N N139413940 0 -Fe -Fe -Fe -Fe同素异构转变点同素异构转变点(A(A4 4) )P P7277270.020.02碳在碳在 -Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析点共析点(A(A1 1) A) As s F FP P+Fe+Fe3 3C C Q Q6006000.00570.0057600600时碳在时碳在 -Fe-Fe中的溶解度中的溶解度 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院15二、二、Fe-C合金平衡结晶过程分析合金平衡结晶过

10、程分析 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院16几种碳钢的钢号和碳质量分数几种碳钢的钢号和碳质量分数类型类型 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 20 45 60 T8 T10 T12 碳质量分数碳质量分数/% 0.20 0.45 0.60 0.80 1.00 1.20 根据根据Fe-Fe3C相图相图, 铁碳合金可分为三类：铁碳合金可分为三类： (1) 工业纯铁工业纯铁 w(C)0.0218% (2) 钢钢0.0218% w(C)2.11% 亚共析钢亚共析钢 0.0218%w(C)0.77% 共析钢共析钢 w(C) = 0.77% 过共析钢过共

11、析钢 0.77%w(C)2.11% (3) 白口铸铁白口铸铁2.11%w(C)6.69% 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11% w(C)4.3% 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 w(C) = 4.3% 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3% w(C)6.69% 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院17按组织组成物标注的铁碳合金相图按组织组成物标注的铁碳合金相图L140012001000 800 600 400 200温度 / CEFDAJNSGPKQLLFe3CLd+Fe3CIIPFe3CII L B 5Ld+Fe3CIFe3CIIPLd+Fe3CIILd+Fe3CIP

12、2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院181工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%） 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院19L1以上工业纯铁结晶过程示意图LFeFe3 3C C1223344556677以下2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院202共析钢共析钢 C%=0.77%合金冷却时合金冷却时, 于于1点点起从起从L中结晶出中结晶出A, 至至2点全部结晶完了。点全部结晶完了。 在在23点间点间A冷却不冷却不变。至变。至3点时点时, A发生发生共析反应生成共析反应生成P。从。从3继续冷却至继续冷却至4点点, P不发

13、生转变。因此不发生转变。因此共析钢的室温共析钢的室温平衡平衡组织组织全部为全部为P。P呈呈层片状层片状。课本P61 图2-222022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院21共析钢结晶过程示意图LLP 1以上 12 23 3以下姓名语文数学英语物理李小红85939094刘兵8394曾小玲8189 珠光体组织珠光体组织2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院2236.690.77( )100%88%6.690.0008(Fe C)1 88%12%w Fw 共析钢的组织组成物全部为P，组成相为F和Fe3C 。2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大

14、学自动化学院233亚共析钢亚共析钢 0.0218%C%0.77%主讲课本 P63 图2-24亚共析钢结晶简化过程示意图2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院241以上 12 2 23 34 45 5以下亚共析钢结晶过程示意图亚共析钢结晶过程示意图LLPLL25亚共析钢的显微组织亚共析钢的显微组织2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院2545钢金相FP2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院260.40.0218(P)100%51%0.770.0218(F)1 51%49%ww 含碳量为0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P。

15、忽略F中的含碳量，则钢中的碳含量全部在P中。(C)(P) 0.77%ww2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院27含碳量为0.4%的亚共析钢的组成相为F和Fe3C。36.690.4(F)100%94%6.69(Fe C)1 94%6%ww 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院284过共析钢过共析钢课本P63 图2-25 过共析钢结晶过程示意图 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院29PFe3CL 1以上 12 23 34 4以下过共析钢结晶过程示意图过共析钢结晶过程示意图L25过共析钢的显微组织过共析钢的显微组织202

16、2-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院30T12钢金相Fe3CIIP2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院31含碳量为1.2%的过共析钢的组成相为F和Fe3C；组织组成物是Fe3CII 和P。3II1.20.77(Fe C )100%7%6.690.77(P)1 7%93%ww 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院325共晶白口铁（共晶白口铁（C%=4.3%） 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院33共晶白口铁（共晶白口铁（C%=4.3%） 合金在合金在1点发生共晶反应点发生共晶反应, 由由L转变为转

17、变为(高高温温)莱氏体莱氏体Le即即(A+Fe3C)。12点间点间, Le中的中的A不断析出不断析出Fe3CII。 Fe3CII与共与共晶晶Fe3C相连相连, 在显微镜下无法分辨在显微镜下无法分辨, 但此但此时的莱氏体由时的莱氏体由A+ Fe3CII+ Fe3C组成。组成。由于由于Fe3CII的析出的析出, 至至2点时点时A的碳质量的碳质量分数降为分数降为0.77%, 并发生共析反应转变为并发生共析反应转变为P; 高温莱氏体高温莱氏体Le转变成低温莱氏体转变成低温莱氏体Le(P+ Fe3CII+ Fe3C)。从。从2至至3点组织点组织不变化。所以室温平衡组织仍为不变化。所以室温平衡组织仍为Le

18、, 由由黑色条状或粒状黑色条状或粒状P和白色和白色Fe3C基体组成。基体组成。 共晶白口铸铁的组织组成物全为共晶白口铸铁的组织组成物全为Le, 而组成相还是而组成相还是F和和Fe3C。2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院34 1以上 12 2以下共晶白口铁结晶过程示意图共晶白口铁结晶过程示意图LLdLd25共晶白口铁的显微组织共晶白口铁的显微组织2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院35共晶白口铁共晶白口铁金相金相2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院366亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3% 2022-3-29北京邮电大学自动化学院北京邮电大学自动化学院37 1以上 12 23 3以下亚共晶白口铁结晶过程示意图亚共晶白口铁结晶过程示意图LPLdLdL60亚共晶白口铁的显微组织亚共晶白口铁的显微组织2022-3-29北京邮电