材料科学基础第8章 铁碳相图

1、(1)2022-5-311765328947.5 二元包晶相图 包晶转变：包晶转变：一定温度一定温度下，由下，由特定成分特定成分的固相与的固相与确定成分确定成分的液相发生反应生成另一种的液相发生反应生成另一种特定成分特定成分的固相的转变。的固相的转变。 包晶相图：两组元包晶相图：两组元液态无限液态无限互溶，互溶，固态有限固态有限互溶并具有互溶并具有包晶转变包晶转变的相图。的相图。 图形特点：图形特点：LLp+c = D(2)2022-5-311765328947.5 二元包晶相图三种类型包晶相图三种类型包晶相图(3)2022-5-311765328947.5 二元包晶相图7.5.1 相图分析相

2、图分析 点：点： 线：线： 区：区：(4)2022-5-311765328947.5.2 包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.1 Ag=0.424的的Pt-Ag合金（包晶合金）合金（包晶合金） 结晶过程：结晶过程： 包晶转变机理：包晶转变机理：(5)2022-5-311765328947.5.2 包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.1 Ag=0.424的的Pt-Ag合金（包晶合金）合金（包晶合金） 结晶过程：结晶过程： 包晶转变机理：包晶转变机理：包晶反应时原子迁移示意图(6)2022-5-311765328947.5.2 包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.2其他包晶合金的平衡凝固其他包晶合

3、金的平衡凝固(7)2022-5-311765328947.5.2 包晶合金的平衡凝固和组织7.5.2.2其他包晶合金的平衡凝固其他包晶合金的平衡凝固(8)2022-5-311765328947.6 其他二元相图7.6.1形成化合物的二元相图形成化合物的二元相图 稳定化合物：有稳定化合物：有固定的熔点固定的熔点，熔点以下保持固有的结构，熔点以下保持固有的结构而不发生分解。而不发生分解。在相图上，可将其看作一个在相图上，可将其看作一个独立组元独立组元 不稳定化合物：加热至一定温度时发生分解。不稳定化合物：加热至一定温度时发生分解。分解为液分解为液相及另一个固相，而相及另一个固相，而液相成分不同于化

4、合物的成分液相成分不同于化合物的成分。K-Na二二元元相相图图(9)2022-5-311765328947.6 其他二元相图(10)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2具有三相平衡恒温转变的其他二元相图具有三相平衡恒温转变的其他二元相图恒温反应类型：分解型，合成型恒温反应类型：分解型，合成型7.6.2.1分解型恒温转变相图分解型恒温转变相图(1)具有共析转变的相图具有共析转变的相图 共析转变：由一个固相在恒温下转变为另外共析转变：由一个固相在恒温下转变为另外两个两个固相。固相。 反应式：反应式： + 图形特点：图形特点： 共析组织：共析转

5、变产物，为两相交替排列的混合物，共析组织：共析转变产物，为两相交替排列的混合物，比共晶组织细密。比共晶组织细密。 相图实例：铁碳相图相图实例：铁碳相图(11)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.1分解型恒温转变相图分解型恒温转变相图(2)偏晶相图偏晶相图 偏晶转变：一定温度下从一定成分的一种液相中分解偏晶转变：一定温度下从一定成分的一种液相中分解出一个固相与另一种成份的液相，且固相的相对量总出一个固相与另一种成份的液相，且固相的相对量总是偏多的转变。是偏多的转变。 反应式：反应式：L1 L2+ 图形特点：图形特点： 相图实例：相图实例：

6、Cu-Pb，Cu-O，Mn-Pb，Cu-S L2L1(12)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图Cu-Pb二元相图二元相图(13)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.1分解型恒温转变相图分解型恒温转变相图(3)熔晶相图熔晶相图 熔晶转变：一定温度时，从一个固相分解成一个熔晶转变：一定温度时，从一个固相分解成一个液相和另一个固相的反应。液相和另一个固相的反应。 反应式：反应式： +L 图形特点：图形特点： 相图实例；相图实例；Fe-B，Fe-S，Cu-Sb L(14)2022-5-311765

7、328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图Fe-B二元相图二元相图(15)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.2合成型恒温转变相图合成型恒温转变相图(1)具有包析转变的相图具有包析转变的相图 包析转变：一定温度时，有包析转变：一定温度时，有两个两个一定成份的固相生成一定成份的固相生成另另一个一个一定成分的固相的转变。一定成分的固相的转变。 反应式：反应式： + 图形特点：图形特点： 相图实例：相图实例：Fe-B，Fe-Sn，U-Si，Al-Cu(16)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其

8、他二元相图Fe-B二元相图二元相图(17)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图7.6.2.2合成型恒温转变相图合成型恒温转变相图(2)合晶相图合晶相图 合晶转变：一定温度下，两个液相相互作用形成一个合晶转变：一定温度下，两个液相相互作用形成一个固相的转变。固相的转变。 反应式：反应式：L1+L2 图形特点：图形特点： 相图实例：相图实例：Na-ZnL1L2(18)2022-5-311765328947.6.2 具有三相平衡恒温转变的其他二元相图(19)2022-5-311765328947.6.3 具有无序-有序转变相图有些二元系合金在一定成分和一

9、定温度范围会发生有些二元系合金在一定成分和一定温度范围会发生有序化转变，形成有序固溶体。有序化转变，形成有序固溶体。(20)2022-5-311765328947.5.4 具有同素异晶转变的相图当组元具有同素异构转变当组元具有同素异构转变时，形成的固溶体也常有时，形成的固溶体也常有异晶转变。异晶转变。Fe和和Ti在固态均发生同在固态均发生同素异构转变，故形成相素异构转变，故形成相图时，在近铁一边有图时，在近铁一边有转变转变;在近钛一边有在近钛一边有转变。转变。(21)2022-5-31176532894(22)2022-5-311765328947.7.1 复杂二元相图的分析方法 相图分析步骤

10、相图分析步骤 以稳定的化合物分割相图；以稳定的化合物分割相图； 确定各点、线、区的意义；确定各点、线、区的意义； 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。分析具体合金的结晶过程及其组织变化。注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序无序转变线。学转变线、有序无序转变线。(23)2022-5-31176532894第第8 8章章 铁碳合金相图铁碳合金相图 1 1 组元和相组元和相 （1 1）组元：）组元： 铁石墨相图：铁石墨相图：Fe,C;Fe,C; 铁渗碳体相图：铁渗碳体相图：Fe-FeFe-Fe3 3C C。 （2 2）相：）相：L,

11、, A(), L, , A(), F(), Fe F(), Fe3 3C(K)C(K)。 （其定义）（其定义）(24)2022-5-31176532894第六节第六节 铁碳合金相图铁碳合金相图 2 2 相图分析相图分析 点：点：1414个。个。 线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线： GS,ES,PQGS,ES,PQ。 区：区：5 5个单相区，个单相区，7 7个两相区，个两相区，3 3个三相区。个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图相图标注：相组成物标注的相图; ; 组织组成物标注的相图。组织组成物标注的相图。(25)2022-5-3

12、1176532894 2 2 相图分析相图分析 点：点：1414个。个。 (26)2022-5-31176532894 3 3 合金分类合金分类 工业纯铁（工业纯铁（C%0.0218%C%0.0218%） 碳钢（碳钢（0.0218C%2.11%0.0218C%2.11%C%2.11%）(27)2022-5-31176532894 纯铁的结晶过程Crystallization of pure iron-Fe-Fe-Fe 固态下，一种元素的晶体固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象结构随温度发生变化的现象 同素异构转变同素异构转变 (28)2022-5-31176532894Fe3C的结构

13、胞(29)2022-5-31176532894(30)2022-5-311765328947.7.2 二元相图分析实例（铁碳相图）7.7.2.1相图中的相相图中的相铁素体：铁素体：或或F奥氏体：奥氏体： 或或A渗碳体：渗碳体：Fe3C7.7.2.2相图中的点和线相图中的点和线 点：点：16个。个。 线：两条磁性转变线；线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条等温转变线；其余三条线：三条线： GS,ES,PQ。 区：区：5个单相区，个单相区，7个两个两相区，相区，3个三相区。个三相区。 LL+L+ Fe3C+Fe3C+Fe3C L+ L+ (31)2022-5-311765328941.5.

14、1 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体：铁素体：碳溶解在碳溶解在Fe中的间隙固溶中的间隙固溶( F）。塑性）。塑性 （=45-50%）、韧性好，强度、硬度低。）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：奥氏体：碳溶解在碳溶解在 Fe中的间隙固溶体（中的间隙固溶体（A）。塑）。塑 性好。性好。渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很）。硬度很 高（高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。），塑性、韧性几乎为零。珠光体：珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（与渗碳体的共析体（P）。）。莱氏体：莱氏体

15、：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性）。硬度高，塑性 差。差。(32)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （1 1）典型合金（）典型合金（7 7种）的平衡结晶过程、组织变化、室种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。温组织及其相对量计算。 2h-10h,由学生分析七种合金的结晶过程，下次课重点分析。布置课下列表计算相组成物和组织组成物的相对含量。(33)2022-5-31176532894Fe-Fe3C相图（局部）ANG纯铁的

16、冷却曲线8.1 Fe-Fe3C 合金相图工业纯铁的室温组织(34)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （1 1）典型合金（）典型合金（7 7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。相对量计算。 工业纯铁结晶过程（工业纯铁结晶过程（ +Fe+Fe3 3C C，三次渗碳体最大量计算）三次渗碳体最大量计算）(35)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （1 1）典型合金（）典型合金（7 7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及种）的平衡结晶过

17、程、组织变化、室温组织及其相对量计算。其相对量计算。 共析钢结晶过程共析钢结晶过程 P P（ +Fe+Fe3 3C C）SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E(36)2022-5-311765328941234共析钢的室温组织(37)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 亚共析钢结晶过程亚共析钢结晶过程 （ +P+P）( (Fe3C?)?)SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGR

18、AW.HILL.3/E(38)2022-5-31176532894123456Wc=0.20%Wc=0.40%亚共析钢的室温组织(39)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 亚共析钢结晶过程亚共析钢结晶过程 （ +P+P）(40)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 过共析钢结晶过程（过共析钢结晶过程（P+FeP+Fe3 3C C，二次渗碳体最大量计算），二次渗碳体最大量计算）SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.H

19、ILL.3/E(41)2022-5-3117653289412345硝酸酒精浸蚀苦味酸浸蚀过共析钢的室温组织(42)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 共晶白口铁结晶过程共晶白口铁结晶过程 LdLd（P+ P+ FeFe3 3C C+ Fe+ Fe3 3C C共晶共晶） （L Ld d-L-Ld d 转变转变） Ld（ + Fe3C共晶）共晶） (43)2022-5-31176532894123L+Fe3C(44)2022-5-31176532894共晶白口铁的室温组织(45)2022-5-31176532894(46)2022-5-3117

20、6532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 亚共晶白口铁结晶过程亚共晶白口铁结晶过程 （ P+ FeP+ Fe3 3C C+ L+ Ld d ）(47)2022-5-311765328941234L+Fe3C(48)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 过共晶白口铁结晶过程过共晶白口铁结晶过程 （ FeFe3 3C C+ L+ Ld d ）(49)2022-5-31176532894过共晶白口铁的室温组织1234L+Fe3C(50)2022-5-31176532894 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （2

21、 2）重要问题）重要问题 FeFe3 3C C, Fe, Fe3 3C C, Fe, Fe3 3C C 的意义的意义 及其最大含量计算。及其最大含量计算。 L Ld d-L-Ld d 转变。转变。 二次杠杆的应用。二次杠杆的应用。2h-12h,由学生写出7种合金室温组织组成物和相组成物含量表；分析亚共析钢、亚共晶铁的凝固过程、渗碳体的最大含量计算、默写与修改相图。(51)2022-5-31176532894 5 5 含碳量对平衡组织和性能的影响含碳量对平衡组织和性能的影响（1 1）对平衡组织的影响（随）对平衡组织的影响（随C%C%提高）提高） 组织：组织：FeFe3 3C C L Ld d F

22、eFe3 3C C； 相：相：减少，减少，FeFe3 3C C增多；增多； FeFe3 3C C形态：形态：FeFe3 3C C（薄网状、点状）（薄网状、点状） 共析共析FeFe3 3C C（层片状）（层片状） FeFe3 3C C（网状）（网状） 共晶共晶FeFe3 3C C（基体）（基体） FeFe3 3C C（粗大片状）。（粗大片状）。(52)2022-5-31176532894 5 5 含碳量对平衡组织和性能的影响含碳量对平衡组织和性能的影响 （2 2）对力学性能的影响）对力学性能的影响 随随C%提高提高, 强度、硬度升高，强度、硬度升高， 塑韧性下降。塑韧性下降。(53)2022-5

23、-31176532894 5 5 含碳量对平衡组织和性能的影响含碳量对平衡组织和性能的影响 （3 3）对工艺性能的影响）对工艺性能的影响 适合锻造：适合锻造：C%2.11%C%2.11%，可得到单相组织。，可得到单相组织。 适合铸造：适合铸造：C%C%4.3%4.3%，流动性好。，流动性好。 适合冷塑变：适合冷塑变：C%0.25%C%0.25%，变形阻力小。，变形阻力小。 适合热处理：适合热处理：0.0218-2.110.0218-2.11，有固态相变。，有固态相变。 (54)2022-5-31176532894两种反应：两种反应：1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相

24、在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成出两种成分和结构均分和结构均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)(55)2022-5-311765328942 、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。A2.11%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0

25、.02%c+Fe3C6.69%c(56)2022-5-31176532894 1.5.2 铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析渗碳体的熔点渗碳体的熔点共晶点共晶点共析线共析线共析点共析点纯铁的熔点纯铁的熔点共晶线共晶线ACD线线液相线液相线AECF线线固相线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度A3线线Acm(57)2022-5-31176532894 铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符号温度温度t/ 含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 12

26、27 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温室温0 04.34.36.696.692.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-Te同素异晶转变点同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度(58)2022-5-31176532894 相图中主要线的含义相图中主要线的含义 ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。

27、是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。 AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。线。 ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在的液态合金冷却到此线时，在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。应称为共晶反应。 PSK水平线水平线共析线共析线（A1线）线） 含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此的奥氏体冷却到此线时，在线时，在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称铁素体

28、和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。为共析反应。 GS线线（A3线）线） 是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。 ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。(59)2022-5-31176532894 典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析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。共晶生铁：共晶生铁： 含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶生铁：亚共晶生铁：含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之间；之间；过共晶生铁：过共晶生铁：含碳量在含碳量在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生铁生铁 含碳量为含碳量