理学铁碳相图学习教案

1、会计学1理学理学(lxu)铁碳相图铁碳相图第一页，共57页。第1页/共57页第二页，共57页。1 1、组元的特性、组元的特性(txng)(txng) 游离的碳有石墨和金刚石两种晶体结构，在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨游离的碳有石墨和金刚石两种晶体结构，在铁碳合金中的游离态是石墨。石墨(Graphite)(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合(jih),(jih),间距间距0.142nm0.142nm结合结合(jih)(jih)力较强，两层晶面的间距为力较强，两层晶面的间距为0.34nm0.34nm，结合，结合(jih)

2、(jih)力弱。力弱。 石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。 石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。 2 2）碳）碳第2页/共57页第三页，共57页。相相 C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为中的间隙固溶体，晶体结构为bccbcc，仅由，仅由相形成的组织相形成的组织(zzh)(zzh)称为铁素体，记为称为

3、铁素体，记为 F(Ferrite) F(Ferrite)。 相相 C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为中的间隙固溶体，晶体结构为fccfcc，仅由，仅由相形成相形成(xngchng)(xngchng)的组织称为奥氏体，的组织称为奥氏体，记为记为 A(Austenite) A(Austenite)。 相相 C C在在-Fe-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为中的间隙固溶体，晶体结构也为bccbcc，相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。体。 一、相图分析一、相图分析第3页/共57页第四页，共57页。L L相相 碳在高

4、温碳在高温(gown)(gown)下熔入液体，相图中标记下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)L(Liquid)。 第4页/共57页第五页，共57页。第5页/共57页第六页，共57页。第6页/共57页第七页，共57页。第7页/共57页第八页，共57页。性能：与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。第8页/共57页第九页，共57页。第9页/共57页第十页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图(xin t) 一、相图一、相图(xin t)分析分析这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化，不作讨论。这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化，不作讨论

5、。 共晶反应，产物共晶体组织称为共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体莱氏体，记录，记录LdLd(Ledeburite) (Ledeburite) 共析反应，产物为两相层片交替分布的共析体组织称为共析反应，产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体珠光体，记录，记录P P(Pearlite) (Pearlite) 第10页/共57页第十一页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图图1）相图）相图(xin t)形式形式一、相图分析一、相图分析第11页/共57页第十二页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图2）相图中各点的参数）相图中各点的参数(cnsh)及含义及含义一、相

6、图分析一、相图分析第12页/共57页第十三页，共57页。 3.相图(xin t)中重要的点和线 J为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到1495时，点成分的L与H点成分的发生(fshng)包晶反应，生成J点成分的A。 17. 0149509. 053. 01495ALALJHB 即 C点为共晶(n jn)点 合金在平衡结晶过程中冷却到1148时，C点成分的L发生共晶(n jn)反应，生成E点成分的A和Fe3C。 CFeALCFeALEC311. 211483 . 431148 即 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，以符号，以

7、符号LdLd表示。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状表示。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A A（室温时转室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。变成珠光体）分布在渗碳体基体上。 第13页/共57页第十四页，共57页。 S点为共析点 合金在平衡结晶过程(guchng)中冷却到727时，S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。 CFeFACFeFAPS30218. 072777. 03727 即 共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间(xingjin)分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条

8、）。 珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其力学性能如下：抗拉强度（b） 770 伸长率 () 20%30%冲击韧度 (k) 31054105 J/m2 硬度（HB） 180第14页/共57页第十五页，共57页。 相图中的ABCD为液相线；AHJECF为固相线。 水平线HJB为包晶反应线 碳的质量分数(fnsh)0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 水平线ECF为共晶反应线 碳的质量分数(fnsh)在2.11%6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。 水平线PSK为共析反应线 碳的质量分数(fnsh)0.0218%6.69%的铁

9、碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。 第15页/共57页第十六页，共57页。第16页/共57页第十七页，共57页。第17页/共57页第十八页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图3）相图）相图(xin t)中相区中相区五个单相区：液相区五个单相区：液相区 L 高温固溶体高温固溶体 奥氏体奥氏体 (A) 铁素体铁素体 (F)渗碳体渗碳体 Fe3C七个双相区：七个双相区：L L L Fe3C Fe3C Fe3C三个三相区：三个三相区：HJB线线 L ECK线线 L Fe3CPSK线线 Fe3C一、相图分析一、相图分析第18页/共57页第十九页，共57页。铁碳合

10、金按组织、性能、应用特点分为铁碳合金按组织、性能、应用特点分为(fn wi)(fn wi)以下类型：以下类型：工业纯铁工业纯铁 (C%0.02%) (C%0.02%)钢钢 (C%2.11%) (C%2.11%) (C%2.11%) 灰口铸铁灰口铸铁 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 1 1、工业、工业(gngy)(gngy)纯铁纯铁(C%0.02%) (C%0.02%) 含碳量大于含碳量大于Q Q点点(0.008%)(0.008%)时，理论上将从时，理论上将从FeFe中析出的中析出的FeFe3 3C C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。称为三次

11、渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。 通常的组织为单一铁素体。通常的组织为单一铁素体。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图第19页/共57页第二十页，共57页。第20页/共57页第二十一页，共57页。WC %211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdL

12、d+Fe3CL+Fe3C第21页/共57页第二十二页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图 之平衡冷却之平衡冷却(lngqu)分析分析相转变相转变(zhunbin(zhunbin) )过程过程组织转变过程组织转变过程 L L+A PL L+A P 第22页/共57页第二十三页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图 之平衡之平衡(pnghng)冷却分析冷却分析 共析转变共析转变(zhunbin)(zhunbin)全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比两相的厚度比两相的厚度比8:1 8

13、:1 第23页/共57页第二十四页，共57页。第24页/共57页第二十五页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图 之平衡冷却之平衡冷却(lngqu)分析分析组织转变组织转变 L L A F+A F+PA F+A F+P 第25页/共57页第二十六页，共57页。WC %211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld3

14、22LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C第26页/共57页第二十七页，共57页。第七节第七节 铁碳合金系相图铁碳合金系相图 之平衡冷却之平衡冷却(lngqu)分析分析组织组织(zzh)(zzh)相对数量计算：相对数量计算：第27页/共57页第二十八页，共57页。 以碳质量分数(fnsh)为0.4%的铁碳合金为例(如右图） ;含0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P，它们的质量分数(fnsh)为： 此种钢的组成物为F和Fe3C,它们(t men)的质量分数为： 亚共析钢的碳含量可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计，则钢中的碳含量全部(qunb)

15、在P中，因此由钢中P的含量可求出钢中碳的质量分数： wc =P%0.77% 第28页/共57页第二十九页，共57页。第29页/共57页第三十页，共57页。WC %211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C第30页/共57页第三十一页，共

16、57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图 之平衡冷却分析之平衡冷却分析组织转变：组织转变：L LL LA A AA A AFeFe3 3C CIIII P PFeFe3 3C CIIII第31页/共57页第三十二页，共57页。 3.3.过共析钢过共析钢 以碳质量分数(fnsh)为1.2%的铁碳合金为例（如右图）。 含wc 1.2%的过共析钢的组成物为F和Fe3C；组织组成物为Fe3C和P，它们的质量(zhling)分数为：第32页/共57页第三十三页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图(xin t) 之平衡冷却分析之平衡冷却分析说明：脆性说明：脆性(cuxng)的渗碳体以网分隔了

17、材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。第33页/共57页第三十四页，共57页。过共析钢组织过共析钢组织(zzh)金相图金相图第34页/共57页第三十五页，共57页。(c).0.77%C珠光体 500(b) 0.45%C铁素体+珠光体 500d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500第35页/共57页第三十六页，共57页。WC %211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800

18、453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C第36页/共57页第三十七页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图(xin t) 之平衡冷却分析之平衡冷却分析组织转变组织转变 L (LL (LLd) Ld LLd) Ld Ld d第37页/共57页第三十八页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图 之平衡之平衡(pnghng)冷却分析冷却分析第38页/共57页第三十九页，共57页。共晶白口铁组织

19、共晶白口铁组织(zzh)金相图金相图第39页/共57页第四十页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图 之平衡冷却分析之平衡冷却分析组织转变组织转变 L LL LA AA ALd ALd AFeFe3 3C CIIIILd PLd PFeFe3 3C CIIIIL Ld d 第40页/共57页第四十一页，共57页。WC %211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11

20、495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C第41页/共57页第四十二页，共57页。 铁碳合金系相图铁碳合金系相图(xin t) 之平衡冷却分之平衡冷却分析析第42页/共57页第四十三页，共57页。亚共晶亚共晶(n jn)白口铁组织金相图白口铁组织金相图第43页/共57页第四十四页，共57页。WC %211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A21400

21、1394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C第44页/共57页第四十五页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图 之平衡冷却分析之平衡冷却分析组织转变组织转变 L L+FeL L+Fe3 3C CI I Fe Fe3 3C CI I+Ld Fe+Ld Fe3 3C CI I+L+Ld d 第45页/共57页第四十六页，共57页。过共晶白口铁组织过共晶白口铁组织(zzh)金相图金相图第46页/共57页第四十七页，共57页。

22、铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图 之平衡冷却分析之平衡冷却分析Fe3CFe3C的形式的形式 一次渗碳体一次渗碳体Fe3CI Fe3CI 二次渗碳体二次渗碳体Fe3CII Fe3CII 三次三次(sn c)(sn c)渗碳体渗碳体Fe3CIIIFe3CIII( (共析共析) )珠光体中珠光体中 ( (共晶共晶) )莱氏体中莱氏体中第47页/共57页第四十八页，共57页。1 1、碳对室温平衡、碳对室温平衡(pnghng)(pnghng)组组织的影响织的影响 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图第48页/共57页第四十九页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图 之之第49页/共

23、57页第五十页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图第50页/共57页第五十一页，共57页。 铁碳合金铁碳合金(hjn)系相图系相图2 2、碳对力学性能的影响、碳对力学性能的影响(yngxing)(yngxing)第51页/共57页第五十二页，共57页。 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。 强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中P增多(zn du)而F减少。P的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc 0.9%时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。 合金的塑性变形全部由F提供。所

24、以随碳含量的增大，F量不断减少时，合金的塑性连续下降。 对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 硬度80F%+180P%(HB) 或硬度80F%+800Fe3C%(HB) 强度230F%+770P%(MPa) 延伸率()50F%+20P%(%) 第52页/共57页第五十三页，共57页。 （四）Fe-Fe3C相图的应用 1.在钢铁材料选用(xunyng)方面的应用 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此(ync)(ync)选用碳选用碳含量较低的钢材。含量较低的钢材。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都

25、较好的材料。应选用碳含量适各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。钢种。纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机