船舶工程第四章铁碳合金教学文案

1、船舶工程第四章铁碳合金汇总 第一节第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 纯铁是铁碳合金的组元之一，工业纯铁的纯度为纯铁是铁碳合金的组元之一，工业纯铁的纯度为99.8%99.9%，其性能塑性好，强度、硬度低，只能利用，其性能塑性好，强度、硬度低，只能利用它的磁性制造仪器仪表中的铁芯。铁是过渡族元素，熔点它的磁性制造仪器仪表中的铁芯。铁是过渡族元素，熔点为为1538，密度为，密度为7.87gcm3。 固态纯铁具有二种晶格：固态纯铁具有二种晶格：912以下和以下和13941538之间的体心立方晶格的之间的体心立方晶格的-Fe和和-Fe，912一1394 之间的面心立方晶格的-Fe。 铁碳合金

2、组织中组成物：铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体。体、渗碳体。一、铁素体一、铁素体 碳溶于碳溶于- -FeFe中的间隙固溶体称为铁素体（又称固溶中的间隙固溶体称为铁素体（又称固溶体）。用符号体）。用符号F F或或表示。它仍保持表示。它仍保持- -FeFe的的体心体心立方晶格立方晶格: : （1)1)- -FeFe中碳的溶解度很小，在室温时仅为中碳的溶解度很小，在室温时仅为0.0008%0.0008%，727C727C时达到最大为时达到最大为0.0218%0.0218%; ; (2) (2) 性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，强度和性能与纯铁相似，具有良好的塑

3、性和韧性，强度和硬度较低；硬度较低； (3) (3)组织为均匀明亮的多边形晶粒。组织为均匀明亮的多边形晶粒。铁素体铁素体- -FeFe的显微组织如图所示的显微组织如图所示二、奥氏体二、奥氏体A 碳溶于碳溶于- -FeFe中形成的间隙固溶体称奥氏体，又称固溶体，中形成的间隙固溶体称奥氏体，又称固溶体，用符号用符号A A或或表示。奥氏体仍保持表示。奥氏体仍保持-Fe-Fe铁的面心立方晶格：铁的面心立方晶格： （1 1）在）在727C727C时的溶解度为时的溶解度为0.77%0.77%，在，在1148C1148C时达最大为时达最大为2.11%2.11%； （2 2）奥氏体存在于奥氏体存在于727C7

4、27C以上的高温，具有很好的塑性，以上的高温，具有很好的塑性，适于锻造，绝大多数钢材锻造前都要加热到奥氏体状态。强适于锻造，绝大多数钢材锻造前都要加热到奥氏体状态。强度和硬度不高。度和硬度不高。 奥氏体奥氏体- -FeFe的显微组织如图所示的显微组织如图所示三、渗碳体三、渗碳体Fe3C 铁碳合金中多余的碳与铁按一定比例化合成金属化合物，铁碳合金中多余的碳与铁按一定比例化合成金属化合物，称为渗碳体，用分子式称为渗碳体，用分子式FeFe3 3C C表示：表示： （1 1）含碳量为）含碳量为6 669%69%，具有复杂斜方晶格，具有复杂斜方晶格； （2 2）具有金属特性）具有金属特性( (有金属光泽

5、和导电性等有金属光泽和导电性等) )，熔点高，熔点高(1227)(1227)，硬度高，脆性大，强度低，不能单独使用，硬度高，脆性大，强度低，不能单独使用 ； （3 3）有）有粗大片状、沿晶界呈网状粗大片状、沿晶界呈网状或或细小片状或粒状细小片状或粒状形态；形态； （4 4）亚稳定组织，一定条件亚稳定组织，一定条件下发生：下发生：33Fe CFeC 四、珠光体四、珠光体P 珠光体是共析产物，是在珠光体是共析产物，是在727C727C含碳量为含碳量为0.77%0.77%的奥氏的奥氏体发生共析转变所生成的体发生共析转变所生成的铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体的机械混合物，的机械混合物，用符号用符号P P

6、表示：表示： （1 1）在低倍显微镜下呈片状或暗黑色，在高倍放大下，）在低倍显微镜下呈片状或暗黑色，在高倍放大下，为在铁素体基体上分布层片状渗碳体；为在铁素体基体上分布层片状渗碳体； （2 2）强度较高，塑性、韧性和硬度在铁素体和渗碳体之）强度较高，塑性、韧性和硬度在铁素体和渗碳体之间。间。珠光体珠光体P的显微组织如图所示的显微组织如图所示五、莱氏体五、莱氏体 莱氏体是碳莱氏体是碳c c=4.3%=4.3%的液态铁碳合金在的液态铁碳合金在1148C1148C时发生的共时发生的共晶转变产物，是晶转变产物，是奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体的机械混合物，的机械混合物，用用L Ld d表示，表示，也叫高

7、温莱氏体：也叫高温莱氏体： （1 1）在）在1148C1148C存在时存在时渗碳体基体渗碳体基体上分布着上分布着短棒状或粒状短棒状或粒状奥氏体奥氏体，组织细密，性能硬、脆，称为高温莱氏体；室温下，组织细密，性能硬、脆，称为高温莱氏体；室温下，其为渗碳体基体上分布着其为渗碳体基体上分布着珠光体珠光体，称为，称为低温莱氏体或变态莱低温莱氏体或变态莱氏体，用符号氏体，用符号LLd d表示表示。 （2 2）莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。）莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。 在铁碳合金五种基本组织中，在铁碳合金五种基本组织中，F F、A A、FeFe3 3C C都是都是单相单相组织，是基本相；而

8、组织，是基本相；而P P、L Ld d是是由基本相组成的由基本相组成的二相二相组织。组织。 小 结第二节第二节 Fe-Fe3C（铁碳合金）相图分析（铁碳合金）相图分析 相图建立是通过实验获得的。Fe-Fe3C相图（一定要默记、（一定要默记、 默画）默画）PSECGQAFKD0.0008FAA+FL+ALL+Fe3CA+Fe3CII727C1148C碳钢铸铁0.02180.772.114.36.69F+Fe3C C（%）简化的Fe-Fe3C相图FeFe3C温度一、一、 Fe-Fe3C相图中的特性点及其意义相图中的特性点及其意义A纯铁的熔点纯铁的熔点(1538，c=0%)；D渗碳体的熔点渗碳体的熔

9、点(理论计算值理论计算值1227， c=6.69%)；C共晶点共晶点(1148， c=4.3)；E温度为温度为1148， c=2.11，表示碳在，表示碳在-Fe中的最大溶解中的最大溶解度；度；G纯铁的同素异构转变点，在纯铁的同素异构转变点，在912时，时，-Fe -Fe；S共析点。共析点。温度为温度为727， c=0.77，在该温度时，奥氏在该温度时，奥氏体同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。这体同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。这一过程即共析反应一过程即共析反应.二、二、Fe-Fe3C相图中主要特性线及其意义相图中主要特性线及其意义 在简化的在简化的Fe-Fe3C相图中

10、有相图中有六条重要的特性线：六条重要的特性线：1）共晶转变线共晶转变线，即，即ECF水平线水平线（1148），液态合金冷却到该线），液态合金冷却到该线时发生共晶反应，产生莱氏体时发生共晶反应，产生莱氏体Ld。2）共析转变线，共析转变线，即即PSK水平线，又称水平线，又称A1线线（727），产生珠光），产生珠光体体P。3）ES固溶线固溶线，即碳在奥氏体中的溶解度曲线，即碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称又称Acm线。线。4）PQ固溶线固溶线，即碳在铁素体中的溶解度曲线。，即碳在铁素体中的溶解度曲线。5）GS线，线，又称又称A3线线，是冷却时高温下的奥氏体转变为铁素体的开，是冷却时高温下的奥氏体转变为

11、铁素体的开始线，随着温度的降低，从奥氏体中析出铁素体，始线，随着温度的降低，从奥氏体中析出铁素体，GS为发生同为发生同素异构的转变线素异构的转变线。6 6）GPGP线线，也是发生同素异构转变的线也是发生同素异构转变的线，是冷却时奥氏体转，是冷却时奥氏体转变为铁素体的终了线。变为铁素体的终了线。ABCDABCD液相线液相线。该线以上全部为液态金属，用符号。该线以上全部为液态金属，用符号L L表示。表示。AECFAECF固相线固相线，该线以下全部为固态。，该线以下全部为固态。 根据上述各主要特性点、线意义的分析，可以填写出根据上述各主要特性点、线意义的分析，可以填写出铁碳合金状态图中各区域的组织。

12、铁碳合金状态图中各区域的组织。三、相图中的相区三、相图中的相区三个单相区：L、A、F；五个两相区：L+A、L+Fe3C、A+ Fe3C、F+A、F+ Fe3C两个三相共存区：ECF、PSK上的L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C。注意区分注意区分相组成物相组成物和和组织组成物组织组成物四、铁碳合金的分类四、铁碳合金的分类可分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁三大类可分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁三大类。熟记组织成分熟记组织成分 （1 1）工业纯铁：）工业纯铁：小于0.0218的铁碳合金。 （2 2）碳钢：）碳钢：为0.02182.11的铁碳合金，根据其室温组织的特点，又可以S点为界分为三类： 共析钢为

13、0.77；亚共析钢为0.021 80.77；过共析钢为0.772.11。（3 3）白口铸铁：）白口铸铁：2.116.69的铁碳合金。根据白口铸铁的特点，也可以C点为界分为三类。 共晶白口铸铁为4.30； 亚共晶白口铸铁为2.114.30； 过共晶白口铸铁为4.306.69。 第三节第三节 典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程 从简化的从简化的FeFeFeFe3 3c c相图中选择典相图中选择典型合金，分析其型合金，分析其结晶过程和高温结晶过程和高温下的显微组织，下的显微组织，以便更深入了解以便更深入了解铁碳合金的形成铁碳合金的形成规律。规律。一、共析钢（一、共析钢（ ） 0.77%c

14、相图中合金相图中合金是碳的质量分数为是碳的质量分数为0.77%的共析钢。共的共析钢。共析钢的结晶过程可以用下式表示析钢的结晶过程可以用下式表示：)(727(727727330008. 077. 0030218. 077. 0077. 00277. 02177. 0共析溶解度降低共析共析转变不变匀晶转变室温）CFeCFeFPCCFeFPCACtALttLFA 用杠杆定理可以求出珠光体中的用杠杆定理可以求出珠光体中的F F与与FeFe3 3C C相相对含量对含量( (略去室温铁素体的含量略去室温铁素体的含量) )： 所以 77. 0)77. 069. 6(cmFQQ1cmFQQ%49.8869.

15、677. 069. 6FQ%59.111FcmQQ共析钢的结晶过程示意图共析钢的结晶过程示意图渗碳体铁素体 二、亚共析钢（二、亚共析钢（ ）0.0218%0.77%c 以以c c =0.45% =0.45% 的的4545钢为例，亚共析钢的结晶过程可以用钢为例，亚共析钢的结晶过程可以用下式表示：下式表示： 合金合金IIII的为亚共析钢。其结晶过程如图的为亚共析钢。其结晶过程如图4-74-7所示：所示：CFeFPPFCtAFCttAttALttLFA30008. 077. 0077. 00218. 00477. 00218. 004345. 0322145. 072772772745. 0溶解度降

16、低共析转变同素异构转变不变匀晶转变室温亚共析钢的结晶过程示意图亚共析钢的结晶过程示意图铁素体铁素体(白色不规则多边形晶粒)亚共析钢亚共析钢珠光体珠光体(暗黑色团) 依据杠杆定理可以计算出依据杠杆定理可以计算出 c =0.45%的亚共析的亚共析钢中，钢中，F与与P的相对含量：的相对含量： 还可以计算出还可以计算出 c =0.45%的亚共析钢中，的亚共析钢中，F与与 的相对含量：的相对含量：%56.41%10077. 045. 077. 0FQ%44.581FPQQ%27.92%10069. 645. 069. 6FQ%37. 61FcmQQCFe3三、过共析钢三、过共析钢（ ）0.77%2.11

17、%c 合金含量合金含量IIIIII为过共析钢。过共析钢的结晶过程为过共析钢。过共析钢的结晶过程可以用下式表示（以可以用下式表示（以c c=0.90%=0.90%为例）：为例）：CFePCtCFePCtCFeACttAttALttLFAA377. 004377. 004377. 004332219 . 07277277279 . 09 . 0溶解度降低共析转变溶解度变化不变匀晶转变室温过共析钢过共析钢珠光体(暗黑色球团)FeFe3 3C C(白色网状)四、共晶的白口铸铁四、共晶的白口铸铁（c=4.3%）合金合金为共晶的白口铸铁。为共晶的白口铸铁。含碳量为含碳量为4.3%的铁碳合金的铁碳合金(共晶

18、白口铸铁共晶白口铸铁) 的结晶过程如下的结晶过程如下:)()330008. 07273377. 07273377. 07271148311. 211483 . 4000共析室温溶解度降低共晶共析转变共晶溶解度变化共晶共晶转变（CFeCFeFLCFeCFePLCFeCFeALCFeALLdCFdCdCCAdCoo共晶白口铸铁的结晶过程共晶白口铸铁的结晶过程渗碳体珠光体共晶白口铁共晶白口铁的显微组织，的显微组织，在在白色白色的的渗渗碳体基体碳体基体上上分布着分布着黑色黑色的的珠光体珠光体。 图图4-54-5相图中的合金相图中的合金表示亚共晶白口铸铁。其结晶表示亚共晶白口铸铁。其结晶过程可用下式表示

19、（以过程可用下式表示（以c c =3.0% =3.0%为例）：为例）： 五、亚共晶白口铸铁（五、亚共晶白口铸铁（2.11%2.11%c c4.3%4.3%）dCFdCdCCAdCttLCFePLCFePLCFeALAALLoo室温溶解度变化共析转变溶解度变化共晶转变匀晶转变377. 0727377. 0727377. 0727114811. 2114811. 23 . 40 . 300021亚共晶白口铸铁的结晶过程亚共晶白口铸铁的结晶过程亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：含碳量小于含碳量小于4.3%4.3%的铁碳合的铁碳合金金。珠光体低温莱氏体六、过共晶白口铸铁六、过共晶白口铸铁（4.3% 4.

20、3% c c 6.69%6.69%） 合金合金表示过共晶白口铸铁。过共晶白口铸表示过共晶白口铸铁。过共晶白口铸铁可用下式表示其结晶过程（以铁可用下式表示其结晶过程（以c c =5.0% =5.0%为例）：为例）：IdCFIdCIdCCAdCIttCFeLCFeLCFeLCFeLCFeLLoo37273727372711483114833 . 40 . 500021室温溶解度变化共析转变溶解度变化共晶转变匀晶转变过共晶白口铸铁的结晶过程过共晶白口铸铁的结晶过程 过共晶白口铸过共晶白口铸铁：铁：含碳量大含碳量大于于4.3%的铁碳的铁碳合金。合金。FeFe3 3C C低温莱氏体第四节第四节 Fe-F

21、e3C相图的应用相图的应用 一、碳的质量分数对平衡组织的影响一、碳的质量分数对平衡组织的影响 铁碳合金的两组元铁碳合金的两组元FeFe是和是和FeFe3 3C C，各种不同成分的铁碳合金的，各种不同成分的铁碳合金的室温平衡组织都是由室温平衡组织都是由铁素体铁素体和各种形态的和各种形态的渗碳体渗碳体组成。组成。 二、二、c c对铁碳合金机械性能的影响对铁碳合金机械性能的影响三、三、Fe-Fe3C相图在生产中的应用相图在生产中的应用一、在选材方面的应用一、在选材方面的应用 铁碳合金状态图提示了合金的组织随成分变化的铁碳合金状态图提示了合金的组织随成分变化的规律：规律： 1)工程构件如工程构件如船体

22、、桥梁船体、桥梁及及建筑结构建筑结构所需的各种所需的各种型钢要求塑性、韧性好，应采用低碳钢型钢要求塑性、韧性好，应采用低碳钢c 0.25。 2)各种机器零件如：船用各种机器零件如：船用柴油机的曲轴、连杆，柴油机的曲轴、连杆，机床上的齿轮、轴类零件机床上的齿轮、轴类零件需要强度、塑性及韧性都需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应采用中碳钢较好的材料，应采用中碳钢(0.25 c 0.6)。归纳理解归纳理解 （1 1）工程结构件材料，应选）工程结构件材料，应选含碳量较低含碳量较低（小于（小于0.25%0.25%）的钢，以保证其塑性、冷变形和焊接性能。）的钢，以保证其塑性、冷变形和焊接性能。 （2 2）

23、一般的机器零件应选）一般的机器零件应选含碳量中等含碳量中等的（的（0.25% 0.25% 0.6% 0.6%）的钢，以保证其一定的强度和硬度，同时）的钢，以保证其一定的强度和硬度，同时又具有一定的塑性和韧性，即综合机械性能较好的又具有一定的塑性和韧性，即综合机械性能较好的材料。材料。 （3 3）对于精密偶件和各种刃具、模具、量具和弹）对于精密偶件和各种刃具、模具、量具和弹簧等零件，应选含碳量较高（簧等零件，应选含碳量较高（0.6%0.6%）的中、高碳）的中、高碳钢。以保证高硬度、高耐磨性，或高强度、高疲劳钢。以保证高硬度、高耐磨性，或高强度、高疲劳强度、高弹性的材料。强度、高弹性的材料。 二、在铸造工艺方面的应用二、在铸造工艺方面的应用 （1 1）纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的，即结晶）纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的，即结晶过程中温度保持不变，因此其流动性好，缩孔集中，易于充过程中温度保持不变，