金属学-铁碳合金和铁碳相图课件

第九章铁碳合金和铁碳相图§9.1铁碳合金中的组元和基本相§9.2Fe-Fe3C相图分析§9.3典型合金的平衡结晶§9.4含碳量对铁碳合金组织和性能的影响鉴于含碳量为6.69%的Fe3C硬而脆，超过6.69％的铁碳合金没有实用价值。所以我们研究的铁碳相图，实际上是Fe和Fe3C二个基本组元组成的Fe－Fe3C相图或Fe和自由碳组成的Fe－G相图。

整个Fe－C相图包括Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C、Fe2C－FeC、FeC－C等部分组成。组元：

纯铁、渗碳体基本相：高温铁素体（δ）、

铁素体（α）、

奥氏体（γ）基本组织：

珠光体（P）、

莱氏体（Le/Le’）§9.1铁碳合金中的组元和基本相钢和铸铁可以看成是铁碳二元合金，碳含量（重量）小于2.11%的合金称为钢，大于2.11%的合金称为铸铁-Feγ-Feα-Fe液相体心立方体心立方面心立方温度\℃时间/s室温返回§9.1铁碳合金中的组元和基本相770非磁性磁性纯铁纯铁强度低，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）改变时发生晶体结构变化的现象。§9.1铁碳合金中的组元和基本相二、铁碳合金的基本相及其性能铁素体（F）：碳溶与α-Fe中形成的间隙固溶体。性能---强度和硬度低，塑性和韧性好渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物。在Fe-Fe3C相图中，既是组元又是基本相。性能---硬度高，脆性大。珠光体（P）：铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成的机械混合物。性能---力学性能介于两者之间。莱氏体（Ld）：奥氏体（A）和渗碳体（Fe3C）组成的机械混合物。性能---硬度高，塑性差。莱氏体Le或Ld：高温莱氏体,Le或Ld（A+Cm）低温莱氏体,Le’或Ld’（P+Cm）Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)两种反应：1148℃1、共晶反应

一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应的产物即莱氏体Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)相图中的三个重要点相图中的五个单相(区)相图中的三条水平线相图中的四条垂直线9.2Fe-Fe3C相图J为包晶点:

1495℃时,B点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应,生成J点成分的γ。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γ和Fe3C（莱氏体）。S点为共析点

727℃时,S点成分的γ发生共析反应,生成P点成分的α和Fe3C（P）。返回9.2Fe-Fe3C相图返回9.2Fe-Fe3C相图9.2Fe-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相图中主要线的含义ABCD线—液相线是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。JECF线—固相线各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%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，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。ES线—称Acm线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。A3Acm工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相→α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ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γ相（奥氏体A）γ单相固溶体的冷却γ相发生共析反应生成珠光体P

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亚共析钢的平衡结晶过程L相冷却L相→δ相L相+δ相→

γ相，并且L相有剩余剩余L相→

γ相γ单相的冷却γ相→α相，但γ相有剩余共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相亚共析钢的结晶过程分析注意事项先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析出Fe3CⅢ，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过共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却L相→γ相γ单相固溶体（奥氏体）的冷却γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）共析转变：γ相→（α+Fe3C），存在Fe3CⅡ过共析钢结晶过程分析注意事项从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体Fe3CⅡ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+Fe3CⅡ

利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数过共析钢的平衡结晶过程共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反应：L→Ld（γ+Fe3C）共晶中的γ相不断析出Fe3CⅡ，不可见共析反应：Ld（γ+Fe3C）→Ld’（P+Fe3C）注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，Fe3CⅡ，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L→Ld（γ+Fe3C）先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见共析反应：Ld（γ+Fe3C）→Ld’（P+Fe3C）先共晶γ相→P匀晶反应：L→γ相室温组织：Ld’（P+Fe3C）+P+Fe3CⅡ亚共晶白口铁的室温组织低温莱氏体＋珠光体＋二次渗碳体（Ld’＋P＋Fe3CⅡ)基体为低温莱氏体Ld’

，大块黑色颗粒为由初晶奥氏体共析转变形成的珠光体P，初晶奥氏体中析出的Fe3CⅡ

与共晶Fe3C连成一体难以分辨。注意——室温组织如w(C)＝3.0%合金，利用杠杆定律可计算:组织组成物：Ld’

＋P＋Fe3CⅡ从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的数量为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L→Le（γ+Fe3C）共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见共析反应：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）匀晶反应：L→Fe3C相室温组织：Le’（P+Fe3C）+Fe3C过共晶白口铁的室温组织碳含量对铁碳合金室温组织的影响小结a+Fe3CⅢa+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Fe3C+Ld’铁素体珠光体渗碳体莱氏体钢铁分界线两个单相之间是混合相四）主要组织组成物Ld’含碳量对平衡组织的影响示意图重要！碳含量变化对α和Fe3C分布和形态的影响：碳含量αw(C)<0.0218%α为基体组织w(C)>0.0218％α为连续分布的块状组织w(C)接近0.77%α先共析沿γ晶界呈网状分布w(C)＝0.77％α为片层状的共析铁素体w(C)＝6.69%α已不存在碳含量Fe3Cw(C)<0.0218%从α基体晶界上析出微量片状Fe3CⅢ。PQ线：

w(C)>0.0218％共析转变形成层片状共析Fe3C

w(C)>0.77％沿奥氏体晶界析出网状Fe3CⅡES线：w(C)>2.11％共晶反应形成共晶Fe3C，为连续的基体组织w(C)＝4.3%全部是以共晶Fe3C为基体的Ld’组织w(C)>4.30％从液相中直接结晶出粗大长条状的Fe3CⅠCD线：硬度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,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80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB。含碳量对铁碳合金力学性能的影响强度Ｃ％↑,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Ｃ％↑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20MPa～30MPa)。

含碳量对铁碳合金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