铁碳合金的结构及其相图

1、工程技术学院n重点：重点： 1 1铁碳相图组成相铁碳相图组成相 2. 2. 合金的结晶过程分析合金的结晶过程分析 3 3铁碳相图应用铁碳相图应用n难点：难点： 相图的分析相图的分析n学习要求：学习要求： 掌握掌握“相构成组织、组织决定性能相构成组织、组织决定性能”的原则的原则第四章第四章 铁碳合金的结构及其相图铁碳合金的结构及其相图工程技术学院铁碳合金相图铁碳合金相图是是研究铁碳合金最基研究铁碳合金最基本的本的工具工具；是研究；是研究碳钢和铸铁的成分、碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能温度、组织及性能之间关系的之间关系的理论基理论基础；础；是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和铸热处理、冶

2、炼和铸造等工艺造等工艺依据。依据。工程技术学院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，已）时，合金太脆，已无实用价值。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%) FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 工程技术学院一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体铁素体，用，用 表示。

3、表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都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，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体 组元：组元：Fe、 Fe3C 相相 铁素体：铁素体：碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 工程技术学院 奥氏体奥氏体:碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。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

4、力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好。钢材度低、塑性好。钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体工程技术学院 渗碳体：渗碳体：含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。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Fe3C是一个亚稳相，在是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨) 。由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度

5、很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石墨的形式存在。石墨的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体工程技术学院 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 二、二、铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析工程技术学院 特征线特征线 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD 三条水平线：三条水平线：HJB：包晶线包晶线LB+H J ECF：共晶线共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机的机械混合物，称作械混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Ld表示。为蜂窝状表示。为蜂窝状, 以以

6、Fe3C为基，为基，性能硬而脆。性能硬而脆。莱氏体莱氏体工程技术学院PSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C珠光体的组织特点是两珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布相呈片层相间分布,性能性能介于两相之间。介于两相之间。 PSK线线又称又称A1线线 。工程技术学院 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 固溶体转固溶体转变线。变线。 ES碳在碳在

7、-Fe中的固溶中的固溶线。又称线。又称Ac m线。线。 PQ碳在碳在 -Fe中的固溶中的固溶线。线。工程技术学院 三个三相区：即三个三相区：即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 相区相区 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 工程技术学院三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程 钢钢(0.02182.11%C)高高温组织为单相温组织为单相 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢共析钢 (0

8、.77%C) 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C) 铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁工程技术学院 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, 硬而脆硬而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C) 共 晶 白 口 铸 铁共 晶 白 口 铸 铁(4.3%C) 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)工

9、程技术学院工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 NSJBH L+ + + 合金液体在合金液体在1-2点点间转变为间转变为 ，3-4点间点间 ，5-6点间点间 。到到7点，从点，从 中析出中析出Fe3C。 工程技术学院工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 工程技术学院 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，合金的增加，合金的室温下组织为室温下组织为F+ Fe3C。室温下室温下Fe3C最大量为最大量为: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Q从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示

10、。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。工程技术学院合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 。到到S点发生共点发生共析转变：析转变： S P+Fe3C, 全部转变为全部转变为珠光体。珠光体。 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程工程技术学院 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程工程技术学院珠光体在光镜下呈指纹状。珠光体在光镜下呈指纹状。转变结束时，珠光体中相的相对转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。体。S点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合不易结合不

11、易分辨。室温组织为分辨。室温组织为P。%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠光体珠光体Q工程技术学院室温下，珠光体中室温下，珠光体中两两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219工程技术学院 含碳量在含碳量在0.090.53%C亚共亚共析钢冷却时发生包晶反应。析钢冷却时发生包晶反应。以以0.45%C的钢为例的钢为例合金在合金在4点以前通过匀晶点以前通过匀晶包晶包晶匀晶反应全部转变为匀晶反应全部转变为 。到。到4点，由点，由 中析

12、出中析出 。到到5点点, 成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点， 发生共析反应转变为珠光体。发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，温度继续下降， 中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合, 且且量少量少, 忽略不计。忽略不计。 +Fe3CGSPABJH（三）（三） 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程工程技术学院亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程工程技术学院利用平衡组织中珠光体所占利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)

13、共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为： %PSSQ%PSPQP10051005 ，S工程技术学院室温下相的相对重量室温下相的相对重量百分比为：百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 S工程技术学院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

14、围内范围内珠光体的量随含碳量增加珠光体的量随含碳量增加而增加。而增加。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钢的组织钢的组织工程技术学院 4、过共析钢的结晶过程、过共析钢的结晶过程 合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3点点, 开始析出开始析出Fe3C。从奥氏。从奥氏体中析出的体中析出的Fe3C称二次渗碳体称二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示, 其沿晶界呈其沿晶界呈网状分布网状分布. 温度下降温度下降, Fe3C量增加。量增加。到到4点，点， 成分成分沿沿ES线变化到线变化到S点，余下的点，余下的 转变为转变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe

15、3 3C C的相对量？的相对量？工程技术学院过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程工程技术学院过共析钢室温组织为过共析钢室温组织为P+ Fe3C 。Fe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加, 含碳量为含碳量为2.11%时时, Fe3C量最大：量最大：%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含含1.4%C钢的组织钢的组织工程技术学院室温下两相的相对重室温下两相的相对重量百分比：量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653室温下两组织组成物的室温下两组织组成物的相对重量百分比：相对重量百分比：12345SPCFePQ%L

16、 S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653工程技术学院5、共晶白口铁的结晶过程、共晶白口铁的结晶过程 合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏莱氏体是共晶体是共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物, 呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C 工程技术学院共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， C点以下点以下, 成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合

17、，不易分辨。结合，不易分辨。12 Fe3C工程技术学院温度降到温度降到2点点, 成分达到成分达到0.77%, 此时此时, 相的相对重量相的相对重量: 在在2点点, 共晶共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由发生共析反应，转变为珠光体，这种由%.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， P P与与 FeFe3 3C C组成的共晶组成的共晶体称体称低温莱氏体低温莱氏体, , 用用LeLe表示。表示。 2 2 点以下，共晶体中点以下，共晶体中P P 的变化同共析钢。的变化同共析钢。S工程技术学院共晶白口铁室温共晶白口铁室温组织为组织为Le (P+ Fe3C), 它保留它保留

18、了共晶转变产物了共晶转变产物的形态特征。的形态特征。室温下两相的相室温下两相的相对重量百分比为：对重量百分比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ 工程技术学院六、亚共晶白口铁的结晶过程六、亚共晶白口铁的结晶过程合金在合金在12点间析出点间析出 。到。到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点点,并转并转变为变为Le。23点间从点间从 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被被共晶共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点， 转变为转变为P。工程技术学院亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程工程技术学院亚共晶

19、白口铁亚共晶白口铁室温组织为室温组织为P+Fe3C+Le。室温下组织组成物相对重室温下组织组成物相对重量百分比为量百分比为 ：IIIICFeLeCFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比?工程技术学院7、过共晶白口铁的结晶过程、过共晶白口铁的结晶过程12点间从液相中析出点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳这种渗碳体称一次渗碳体，用体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。到表示，呈粗条片状。到2点，余下的液点，余下的液相成分变到相成分变到C点并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C12

20、4工程技术学院2点以下点以下, Fe3C成分重量不再发生变化成分重量不再发生变化, Le变化同共晶变化同共晶合金合金,其其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。 工程技术学院渗碳体分类： Fe3C（块状） Fe3C共晶（鱼骨状） Fe3C（网状） Fe3C共析（层状） Fe3C（短杆状或粒状）工程技术学院n组织组成物与相组织组成物与相组成物标注区别组成物标注区别主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe3C两个相区两个相区. + Fe3C相区中相区中有有四个组织组成物四个组织组成物区，区， +Fe3C相区相区中中有七个组织组有七个组织组成物区。成物区。8、组织组成物在铁碳合金相图上的标注、组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C 工程技术学院FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度工程技术学院9、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 1） 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对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