金属学-铁碳合金和铁碳相ppt课件

1、第九章 铁碳合金和铁碳相图9.1 铁碳合金中的组元和根本相铁碳合金中的组元和根本相9.2 Fe-Fe3C相图分析相图分析9.3 典型合金的平衡结晶典型合金的平衡结晶9.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响胡平胡平uping1985126 鉴于含碳量为鉴于含碳量为6.69%的的Fe3C硬而脆，超越硬而脆，超越6.69的铁碳合金没有适用价值的铁碳合金没有适用价值。所以我们研讨的铁碳相。所以我们研讨的铁碳相图，实践上是图，实践上是Fe和和Fe3C二二个根本组元组成的个根本组元组成的FeFe3C相图或相图或Fe和自在碳组和自在碳组成的成的FeG

2、相图。相图。 整个整个FeFeC C相图包括相图包括FeFeFe3CFe3C、Fe3CFe3CFe2CFe2C、Fe2CFe2CFeCFeC、FeCFeCC C等部分组成。等部分组成。组组 元：元： 纯铁、渗碳体纯铁、渗碳体基基 本本 相：相： 高温铁素体高温铁素体、 铁素体铁素体、 奥氏体奥氏体根本组织：根本组织： 珠光体珠光体P、 莱氏体莱氏体Le/Le9.1 铁碳合金中的组元和根本相钢和铸铁可以看成是铁碳二元合金，碳含量分量小于2.11%的合金称为钢，大于2.11%的合金称为铸铁。4 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 - Fe - Fe - Fe一、纯铁的同素

3、异构转变一、纯铁的同素异构转变第一节第一节 铁碳合金的组元与根本相铁碳合金的组元与根本相铁在室温为体心立方构造，称为 铁，具有铁磁性。在770 居里点以上铁磁性消逝，磁性转变不属于相变温度到达912 以上时具有面心立方点阵构造，称为铁；温度到达4 以上时再次具有体心立方点阵构造，称为铁；温度到达1538 以上时成为液态。4 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 - Fe - Fe - Fe4 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 - Fe - Fe - Fe15384912-Fe-Fe-Fe液液 相相体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立

4、方温度温度 时间时间/s室温室温前往前往9.1 铁碳合金中的组元和根本相770非 磁 性磁性纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做构造资料。由于有高的磁导率，可作为电工资料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度压力改动时发生晶同素异构转变：金属在温度压力改动时发生晶体构造变化的景象。体构造变化的景象。9.1 铁碳合金中的组元和根本相二、铁碳合金的根本相及其性能二、铁碳合金的根本相及其性能铁素体铁素体F：碳溶与碳溶与-Fe中构成中构成的间隙固溶体。的间隙固溶体。性能性能-强度和硬度强度和硬度低，塑性和韧性好低，塑性和韧性好奥氏体奥氏体A：碳与碳与-Fe构成的间隙构成的间隙固溶体。高温组织固溶体。

5、高温组织，在大于，在大于727时存时存在。在。性能性能-塑性好，强塑性好，强度和硬度高于度和硬度高于F。在。在锻造、轧制时常要锻造、轧制时常要加热到加热到A，可提高塑，可提高塑性，易于加工。性，易于加工。渗碳体渗碳体 Fe3C ：铁与碳构成：铁与碳构成的金属化合物。的金属化合物。在在Fe - Fe3C相相图中，既是组元图中，既是组元又是根本相。又是根本相。性能性能-硬度高，硬度高，脆性大。脆性大。珠光体珠光体 P ： 铁素体铁素体F和渗碳体和渗碳体Fe3C组成的机械混合物。组成的机械混合物。性能性能-力学性能介于两者之间。力学性能介于两者之间。莱氏体莱氏体 Ld ： 奥氏体奥氏体A和渗碳体和渗

6、碳体Fe3C组成的机械混合物。组成的机械混合物。性能性能-硬度高，塑性差。硬度高，塑性差。莱氏体莱氏体Le或或Ld ：高温莱氏体：高温莱氏体,Le或或LdA+Cm 低温莱氏体低温莱氏体,Le或或LdP+CmFeTFe3C第三节第三节 Fe - Fe3C Fe - Fe3C 相图分析相图分析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

7、+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe3C( A+Fe3C )两种反响：两种反响：1148 1、共晶反响、共晶反响 一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和构造均不一样的固相的反响。分和构

8、造均不一样的固相的反响。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反响的产物即莱氏体共晶反响的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2 、共析反响、共析反响 一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和构造均不一样的构造均不一样的 新的固相的反响。新的固相的反响。A0.77%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反响的产物即珠光体共析反响的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c9.2 Fe-Fe3C相图J为包晶点为包晶点:1495时时,B点成分的点成分的L与与H点成分的点成分的发生包

9、晶反响发生包晶反响,生成生成J点成分点成分的的。C点为共晶点点为共晶点1148时时,C点成分的点成分的L发发生共晶反响生共晶反响,生成生成E点成分的点成分的和和Fe3C莱莱氏体。氏体。S点为共析点点为共析点 727 时时, S点成分的点成分的发生共发生共析反响析反响, 生成生成P点成分的点成分的和和Fe3CP。前往前往9.2 Fe-Fe3C相图前往前往9.2 Fe-Fe3C相图包晶反响：L+共晶反响：LLd( FeC3+ )共析反响： P (FeC3+ ) 前往前往9.2 Fe-Fe3C相图9.2 Fe-Fe3C相图过共析钢过共析钢共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶

10、白口铁过共晶白口铁碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢工业纯铁工业纯铁 相图中主要线的含义相图中主要线的含义ABCD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金是不同成分铁碳合金开场结晶的温度线。开场结晶的温度线。JECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在各种成分的合金均处在固体形状。结晶温度终止线。固体形状。结晶温度终止线。ECF程度线程度线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液的液态合金冷却到此线时，在态合金冷却到此线时，在1148 由液态合由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反响称为共晶反响。此反响称为共晶反响。PSK程度线程

11、度线共析线共析线A1线线 含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在的奥氏体冷却到此线时，在727 同同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反响称为共析反响。响称为共析反响。GS线线A3线线 是冷却时奥氏体转变为铁是冷却时奥氏体转变为铁素体的开场线。素体的开场线。ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解是碳在奥氏体中的溶解度线，实践上是冷却时由奥氏体中析出二次度线，实践上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开场线。渗碳体的开场线。A3Acm铁碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%6.69%2.11%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶白口铸铁

12、：共晶白口铸铁： 含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶白口铸铁：含碳量在亚共晶白口铸铁：含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间；之间；过共晶白口铸铁：含碳量在过共晶白口铸铁：含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。工业纯铁工业纯铁钢钢白口白口铸铁铸铁 含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根的铁碳合金。根据金相据金相 组织的不同，可分为三种。组织的不同，可分为三种。共析钢：共析钢： 含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在亚共析钢：含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：含

13、碳量在过共析钢：含碳量在0.77%2.11%之间；之间；典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反响：冷却过程中匀晶反响：L相相相相相相相相 相中沿晶界析出片状相中沿晶界析出片状Fe3C前往前往共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却匀晶反响L相中析出相奥氏体A单相固溶体的冷却相发生共析反响生成珠光体P共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析本卷须知本卷须知共析反响生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素共析反响生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成体产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的，但与共析的Fe3C连连在一同，难以分辨。在一

14、同，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：共析钢的室温平衡组织：P共析钢的平衡结晶过程P：铁素体：铁素体F和渗碳体的两相和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？混合物，两相的相对质量是多少？ 杠杆定律杠杆定律计算二元相图中计算二元相图中 平衡形状下平衡形状下 两平衡相的相对质两平衡相的相对质量分数。量分数。杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成分点。个相的成分点。%5 .11%1000008. 069. 60008. 077. 03CFeM%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6M 相的质量分数相的质量分数Fe3C相的

15、质量分数相的质量分数Fe3CA(0.0008)B(6.69)0.77C亚共析钢的平衡结晶过程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响：剩余共析反响：剩余相相P+Fe3C，存在先析，存在先析相相亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析本卷须知本卷须知先析铁素体先析铁素体相在随后的冷却过程中会析出相在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略，但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+ +珠光体珠光体P P利用杠杆定律计算先析铁素体与珠

16、光体的质量分数，计算铁素体先析利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体先析铁素体铁素体+P+P光体中的铁素体与渗碳体的质量分数光体中的铁素体与渗碳体的质量分数亚共析钢的平衡结晶过程计算计算727 下下, 组织组成物的质量分数组织组成物的质量分数%28.77%1000218. 077. 00218. 06 . 0PM%72.22%1000218. 077. 06 . 077. 0M 组织组成物的组织组成物的质量分数质量分数P组织组成物的组织组成物的质量分数质量分数P P PA(0.0218)B(0.77)0.6C亚共析钢的平衡结晶过程过共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却L相 相单

17、相固溶体奥氏体的冷却相中析出二次渗碳体Fe3C共析转变： 相 +Fe3C，存在Fe3C过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析本卷须知本卷须知从奥氏体中析出的从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体称为二次渗碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使资料的整体脆性加大沿奥氏体晶界呈网状析出，使资料的整体脆性加大过共析钢室温平衡组织：珠光体过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数过共析钢的平衡结晶过程共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反响：共晶反响：LLd+Fe3C共晶中的共晶中的相不断析

18、出相不断析出Fe3C，不，不可见可见共析反响：共析反响： Ld+Fe3C LdP+Fe3C 本卷须知本卷须知冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3C，但其依靠于莱氏体中的，但其依靠于莱氏体中的Fe3C长大，不可见长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le 珠光体呈粒状分布在珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上基体上共晶白口铁的基体相是共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，资料整体脆性较大，硬度较高脆性相，资料整体脆性较大，硬度较高 亚共晶白口铁的平衡结晶过程亚共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反响：剩余共晶

19、反响：剩余LLd+Fe3C先共晶先共晶相不断析出相不断析出Fe3C，共，共晶晶相析出相析出Fe3C不可见不可见共析反响：共析反响： Ld+Fe3C LdP+Fe3C 先共晶先共晶相相 P匀晶反响：匀晶反响： L 相相室温组织：室温组织： LdP+Fe3C + P+ Fe3C亚共晶白口铁的室温组织亚共晶白口铁的室温组织 低温莱氏体珠光体二次渗碳体低温莱氏体珠光体二次渗碳体 LdLdP PFe3C)Fe3C) 基体为低温莱氏体基体为低温莱氏体LdLd ，大块黑色颗，大块黑色颗 粒为由初晶奥氏体共析转变构成的珠粒为由初晶奥氏体共析转变构成的珠 光体光体P P ，初晶奥氏体中析出的，初晶奥氏体中析出的

20、Fe3CFe3C 与共晶与共晶Fe3CFe3C连成一体难以分辨。连成一体难以分辨。留意留意室温组织室温组织如如 w(C) w(C)3.0%3.0%合金，利用杠杆定律可计算合金，利用杠杆定律可计算: :组织组成物：组织组成物： Ld Ld P PFe3CFe3C6401001123411203459100112340334.%.)()(%.%.)(CELwLdww 从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的数量为从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的数量为%.%.)()(max4134597706967701123EwCFew %.%.)(46413459Pw)(CFew3过共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷

21、却单相液体的冷却共晶反响：剩余共晶反响：剩余LLe+Fe3C共晶共晶相析出相析出Fe3C不可见不可见共析反响：共析反响： Le+Fe3C LeP+Fe3C 匀晶反响：匀晶反响： L Fe3C相相室温组织：室温组织： LeP+Fe3C + Fe3C过共晶白口铁的室温组织过共晶白口铁的室温组织小结a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+Ld LdFe3C+Ld铁铁素体素体珠光体珠光体渗渗碳碳体体莱莱氏体氏体钢铁钢铁分界限分界限两个单相之间是混合相两个单相之间是混合相四主要组织组成物四主要组织组成物Ld含碳量对平衡组织的影响表示图含碳量对平衡组织的影响表示图重要！重要！碳含量变化对碳含量变化

22、对和和Fe3CFe3C分布和形状的影响：分布和形状的影响： 碳含量碳含量 w(C)0.0218% w(C)0.0218w(C)0.0218 为延续分布的块状组织为延续分布的块状组织w(C)w(C)接近接近0.77% 0.77% 先共析沿先共析沿晶界呈网状分布晶界呈网状分布w(C)w(C)0.770.77 为片层状的共析铁素体为片层状的共析铁素体w(C)w(C)6.69% 6.69% 已不存在已不存在 碳含量碳含量 Fe3C Fe3Cw(C)0.0218% w(C)0.0218w(C)0.0218 共析转变构成层片状共析共析转变构成层片状共析Fe3C Fe3C w(C)0.77w(C)0.77

23、沿奥氏体晶界析出网状沿奥氏体晶界析出网状Fe3CFe3C ES ES线：线：w(C)2.11w(C)2.11 共晶反响构成共晶共晶反响构成共晶Fe3C Fe3C ，为延续的基体组织，为延续的基体组织w(C)w(C)4.3% 4.3% 全部是以共晶全部是以共晶Fe3CFe3C为基体的为基体的LdLd组织组织w(C)4.30w(C)4.30 从液相中直接结晶出粗大长条状的从液相中直接结晶出粗大长条状的Fe3CFe3C CD CD线：线：CFe3 CFe3 CFeL3硬度主要决议于组织中组成相或组织组成物的硬度和硬度主要决议于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数质量分数, 随碳含量的添加随碳含量

24、的添加, 由于硬度高的由于硬度高的Fe3C增多增多, 硬度硬度低的低的F减少减少,合金的硬度呈直线关系增大合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为由全部为F的硬度的硬度约约80 HB增大到全部为增大到全部为Fe3C时的约时的约800 HB。 含碳量对铁碳合金力学性能的影响n, 亚共析钢中亚共析钢中P增多而增多而F减少。减少。P的强度高。组织越细密的强度高。组织越细密, 那么强度值越高。那么强度值越高。F的强的强度较低。所以亚共析钢的强度随度较低。所以亚共析钢的强度随而增大。而增大。 n共析成分之上共析成分之上, 由于强度很低的由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现沿晶界出现, 合金强度的增高变慢合金强度的增高变慢, 到约到约0.9%C时时, Fe3CII沿晶界构