铁碳合金相图实用PPT课件

1、(2)组元 组元可以是金属、 非金属或稳定化合物 组成合金的独立的，最基本的单元合金的相结构第2章17(3)合金系 若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金（4）相在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。 在物质中，凡是物理和化学性能相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金的相结构第2章18（5）组织合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金

2、属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。不同组织具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织。并获得不同的性能。组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。合金的相结构第2章19复 习2.相图合金相图是表示在平衡条件下，合金的成分、温度、合金相（合金状态）之间关系的图形。又称状态图或平衡图。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元

3、相图。Fe-C二元相图三元相图第三章 铁碳合金相图第一节铁碳合金的基本组织第二节铁-渗碳体相图分析第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织第四节铁碳合金相图的应用铁碳合金碳钢和铸铁，是工业中应用最广的合金。含碳量为0.0218% 2.11%的称钢含碳量为2.11% 6.69%的称铸铁。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。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组

4、织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。Fe-Fe3C相图的相区69%）时，合金太脆，已无实用价值。(1)单相区简化的Fe- Fe3C相图中有L、 、 和Fe3C四个单相区。共析反应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Fe3C，但与共析的Fe3C连在一起，难以分辨。含碳量对力学性能的影响同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶相图中的特征点随着钢中含碳量的增加，虽然其熔点随之降低，但其液相线与固相线的距离却增大，铸造性能变差。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。图3-32珠光体的显微组织(6) GS线又称A3线，是wC0.铸铁

5、的焊接性差，故焊接主要用于铸铁件的修复和焊补。匀晶反应： L Fe3C相碳含量对铁碳合金室温组织的影响第二节铁-渗碳体相图分析第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织第四节铁碳合金相图的应用在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.组 元： 纯铁、渗碳体基 本 相： 高温铁素体（）、 铁素体（F）、 奥氏体（A）基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Ld/Ld）第一节铁碳合金的基本相纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发

6、生晶体结构变化的现象。3.1 铁碳合金中的组元和基本相返Fe-Fe-Fe液 相体心立方体心立方面心立方温度 时间/s室温返回转变过程伴随着体积变化， Fe Fe 膨胀为1%。 3.1 铁碳合金中的组元和基本相渗碳体（Fe3C ）：含碳6.69%，铁与碳形成具有复杂晶格的稳定间隙化合物返回硬度很高脆性大，塑性和韧性极低Fe3C是钢中的强化相，其形态、大小、数量与分布对铁碳合金性能产生很大影响。通常将渗碳体进行如下分类：一次渗碳体Fe3C（由液体中直接结晶生成，呈块状分布）；二次渗碳体Fe3C（由奥氏体中析出，成网状分布）；三次渗碳体Fe3C（由铁素体中析出，成断续片状分

7、布）。返回铁素体（F或 ）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体返回体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727时最大为0.0218%，室温下仅0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。晶界处易于腐蚀，呈不规则的黑色线条。强度、硬度低塑性、韧性好奥氏体（ A或）：碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。返回奥氏体面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。有一定的强度和硬度，塑性也很好, 钢材热加工都在区进行。珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的机械混合物其组织特点是两相呈片层相间分布，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合

8、力学性能好。返回莱氏体（Ld/Ld）：渗碳体基体上分布着奥氏体（或珠光体）硬度很高，塑性很差返回莱氏体图4-3铁素体的显微组织图4-4奥氏体的显微组织相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。随着钢中含碳量的增加，虽然其熔点随之降低，但其液相线与固相线的距离却增大，铸造性能变差。P+Fe3C+LdFe3C是钢中的强化相，(9) PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织过共析钢的平衡结晶过程图3-35过共析钢结晶过程示意图第一节铁碳合金的基本组织1 铁碳合金中的组元和基本相图3-35过共析钢结晶过程示意图

9、有一定的强度和硬度，塑性也很好, 钢材热加工都在区进行。固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。(6) GS线又称A3线，是wC0.转变过程伴随着体积变化，第二节铁-渗碳体相图分析第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织第四节铁碳合金相图的应用先共晶相不断析出Fe3C，共晶相析出Fe3C不可见同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。第二节 FeFe3C相图图3-3 简化后的Fe-Fe3C相图 相图是表示合金系中不同成分的合金在不同温度下所具有的相，以及这些相之间的平衡关系的图形。铁碳合金相图是研究铁碳合金成分、温度、相(或组织)之间关系的图形。 相图中的特征点 相

10、图中的相区 相图中的特征线 相图中的四条垂直线第二节铁-渗碳体相图分析J为包晶点: 1495 时, B点成分的L与H点成分的 发生包晶反应, 生成J点成分的。 C点为共晶点 1148 时, C点成分的L发生共晶反应, 生成E点成分的和Fe3C（莱氏体）。 S点为共析点 727 时, S点成分的发生共析反应, 生成P点成分的和Fe3C（P）。返回包晶反应：L+共晶反应：LLd( FeC3+ )共析反应： P (FeC3+ ) 返回主要特性线(1)AC线液体向奥氏体转变的开始线。(2)CD线液体向渗碳体转变的开始线。(3) AE线液体向奥氏体转变的终了线。(4) ECF水平共晶线wC=4.3%6.

11、69%的液态铁碳合金冷却至此线时，将在恒温(1148)下发生共晶转变，形成高温莱氏体。(5) ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。(6) GS线又称A3线，是wC0.77%的铁碳合金固态冷却时，奥氏体向铁素体转变的开始线。(7) GP线奥氏体向铁素体转变的终了线。(8) PSK水平线共析线，又称A1线。(9) PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。返回相 区(1)单相区简化的Fe- Fe3C相图中有L、 、 和Fe3C四个单相区。(2)两相区简化的Fe- Fe3C相图中有五个两相区，即L+ 两相区、L+Fe3C两相区、 +Fe3C两相区、 + 两相区和 + Fe3C两相区。返回3. Fe

12、-Fe3C相图的相区第二节 FeFe3C相图两相区单相区液相区L奥氏体相区A铁素体相区FF+A两相区L+A两相区L+Fe3C两相区A+Fe3C两相区F+Fe3C两相区共析线PSK线是F、A、Fe3C三相共存线共晶线ECF线是L、A、Fe3C三相共存线图3-3 简化后的Fe-Fe3C相图3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢白口铸铁亚共析钢工业纯铁亚共析钢用途实例45钢碳含量0.4560钢碳含量0.60共析钢的应用举例T8钢碳含量 0.80过共析钢应用举例T12 钢碳含量 1.2返回第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织过共析钢共析钢亚共析钢共晶白口铁亚共

13、晶白口铁过共晶白口铁铁碳合金碳素钢白口（铸）铁工业纯铁0.0218%0.02182.11%2.116.68%0.77%4.3%工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C返回共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体P1.共析钢的结晶过程分析图3-31共析钢结晶过程示意图1.共析钢的结晶过程分析图3-32珠光体的显微组织返回注意事项共析反应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Fe3C，但与共析的Fe3C连在一起，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：PP：铁素体（F）和渗碳体的两相

14、混合物，两相的相对质量是多少？ 杠杆定律计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。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。a相的质量分数Fe3C相的质量分数aFe3CA(0.0008)B(6.69)0.77C返回亚共析钢的平衡结晶过程L相冷却L相 相L相+ 相 相，并且L相有剩余剩余L相 相单相的冷却相 相，但相有剩余共析反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相2.亚共析钢的结晶过程分析图3-33亚共析钢结晶过程示意图莱氏体（Ld/Ld）：渗碳体基体上分布着奥氏体（或珠光体）P+Fe3C+Ld先共晶相 P共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C）L相+ 相

15、相，并且L相有剩余共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C）共析反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相低碳钢的可锻性优于高碳钢。过共析钢的平衡结晶过程第一节铁碳合金的基本组织同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶共析反应： P (FeC3+ )合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。共析线PSK线是F、A、Fe3C三相共存线含碳量大于Fe3C成分（6.低碳钢的液相线与固相线间距离较小，则有较好的铸造性能，但其熔点较高，使钢液的过热度较小，这对钢液的流动性不利。珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的机械混合物J为包晶点: 1495 时, B点成分的L与H点成分

16、的 发生包晶反应, 生成J点成分的。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。P+Fe3C+Ld金属的可加工性是指其经切削加工成工件的难易程度。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。注意事项先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P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+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数亚共析钢的平

17、衡结晶过程计算727 下, 组织组成物的质量分数a组织组成物的质量分数P组织组成物的质量分数PaPA(0.0218)B(0.77)0.6C亚共析钢的平衡结晶过程返回过共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却L相 相单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变： 相（ +Fe3C），存在Fe3C3.过共析钢的结晶过程分析图3-35过共析钢结晶过程示意图3.过共析钢的结晶过程分析图3-36过共析钢的显微组织注意事项从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大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

18、量分数过共析钢的平衡结晶过程返回共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反应：LLd（+Fe3C）共晶中的相不断析出Fe3C，不可见共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 4.共晶白口铸铁的结晶过程分析图3-37共晶白口铸铁结晶过程示意图注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3C，但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le （珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上）共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高 图3-38共晶白口铸铁的显微组织返回亚共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反应：剩余LLd（+Fe3C）先共晶

19、相不断析出Fe3C，共晶相析出Fe3C不可见共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 先共晶相 P匀晶反应： L 相室温组织： Ld（P+Fe3C） + P5.亚共晶白口铸铁的结晶过程分析图3-39亚共晶白口铸铁结晶过程示意图5.亚共晶白口铸铁的结晶过程分析图3-40亚共晶白口铸铁的显微组织返回过共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反应：剩余LLd（+Fe3C）共晶相析出Fe3C不可见共析反应： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 匀晶反应： L Fe3C相室温组织： Ld（P+Fe3C） + Fe3C6.过共晶白口铸铁的结晶过程分析图3-41过共晶白口铸铁结晶过程示意

20、图图3-42过共晶白口铸铁的显微组织返回碳含量对铁碳合金室温组织的影响小结a+Fe3Ca+PPP+Fe3CP+Fe3C+LdLdFe3C+Ld返回简化后的Fe- Fe3C相图第四节 铁碳合金相图在生产中的应用一、碳的含量对平衡组织的影响 根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的相及组织组成物之间的定量关系： 随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在 基体内(P中Fe3C)变为分布在A晶界上(Fe3C)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。 二、铁碳合金分类及平衡组织1.铁碳合金的分类第二节 FeFe3C相图表3-3 铁碳合金的分类和室温平衡组织硬度主要决

21、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, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 二、含碳量对铁碳合金力学性能的影响含碳量对力学性能的影响硬度图4-32 碳钢的力学性能与含碳量关系强度含碳量对力学性能的影响, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随而增大。 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳

22、质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa30 MPa)。 塑性返回含碳量对力学性能的影响铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。 三、含碳量与工艺性能间的关系1.铸造性能 已知合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离。距离越大，合金的铸造性能越差。由Fe-Fe3C相图可

23、见，共晶成分(wC=4.3)的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔少，偏析小，是铸造性能良好的铁碳合金。偏离共晶成分远的铸铁，其铸造性能则变差。 低碳钢的液相线与固相线间距离较小，则有较好的铸造性能，但其熔点较高，使钢液的过热度较小，这对钢液的流动性不利。随着钢中含碳量的增加，虽然其熔点随之降低，但其液相线与固相线的距离却增大，铸造性能变差。故钢的铸造性能都不太好。2.可锻性和焊接性 金属的可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。 钢加热到高温，可获得塑性良好的单相奥氏体组织，因此其可锻性良好。低碳钢的可锻性优于高碳钢。白口铸铁在低温和高温下，组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，所以不能锻造。 金属的焊接性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。 在铁碳合金中，钢都可以进行焊接，但钢中含碳量越高，其焊接性越差，故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。铸铁的焊接性差，故焊接主要用于铸铁件的修复和焊补。3.可加工性 金属的可加工性