金属材料概论第五章课件

第五章铁碳合金相图及应用学习内容：

简介第一节铁碳合金基本相第二节铁碳合金相图分析第三节铁碳合金成分组织与性能的关系第四节碳钢

第五章铁碳合金相图及应用学习内容：1工业纯铁：wC≤0.0218%碳钢：0.0218%<wC≤2.11%铸铁：2.11%<wC≤6.69%铁碳合金—碳钢和铸铁使用最广泛金属材料铁与碳两个组元形成的化合物：研究Fe-Fe3C为主铁碳合金中的C有两种存在形式：渗碳体Fe3C

和石墨∴铁碳相图存在Fe-Fe3C和Fe–石墨两种形式简介Fe3C(wC=6.69%),Fe2C,FeC工业纯铁：wC≤0.0218%铁碳合金—碳钢和铸2第一节铁碳合金基本相二、铁素体α/F(Ferrite)δ-Fe

-Fe

-Fe1394℃912℃体心立方面心立方体心立方一、“纯铁”

具有典型的同素异构转变TmFe=1538℃①铁素体—C在-Fe中形成的间隙固溶体，具有体心立方晶格（

/F）②δ-铁素体（高温铁素体）：C在-Fe中形成的间隙固溶体，具有体心立方晶格（）第一节铁碳合金基本相二、铁素体α/F(Ferr3③铁素体的溶碳能力差

—由于体心立方晶格的间隙远小于碳的原子半径；④强度、硬度低，塑性好。三、奥氏体/A(Austenite)②奥氏体的溶碳能力较大—-Fe晶格间隙与C半径比较接近；①奥氏体—C在-Fe中形成的间隙固溶体，具有面心立方结构最大溶碳量：727℃，wC=0.0218%最小溶碳量：室温，wC=0.0008%③铁素体的溶碳能力差—由于体心立方晶格的间隙④4③硬度、强度较低；塑性较高四、渗碳体Cm(Fe3C)①渗碳体—Fe与C形成的间隙化合物Fe3C,含碳量为

6.69%，有固定的化学成分。②渗碳体具有很高的硬度和耐磨性，塑性很差，延伸率为零，熔点1227℃是铁碳合金的主要强化相最大溶碳量：1148℃，wC=2.11%最小溶碳量：727℃，wC=0.77%③Fe3C的形态对铁碳合金的力学性能产生重大影响③硬度、强度较低；塑性较高四、渗碳体Cm(Fe3C)①渗5第二节铁碳合金相图分析学习内容：一、相图中点、线、区及其意义二、典型合金的平衡结晶过程(一)工业纯铁

wC=0.01%的结晶过程（二）共析钢

wC=0.77%的结晶过程（三）亚共析钢

wC=0.40%的结晶过程（四）过共析钢

wC=1.2%的结晶过程第二节铁碳合金相图分析学习内容：一、相图中点、线、区6（一）区五个单相区：AHNA

—高温铁素体相区（δ）NJESGN—奥氏体相区（γ或A）GPQG

—铁素体相区（α或F）DFK

—渗碳体相区（Fe3C或Cm）ABCD

线以上—液相区（L）δ一、相图中点、线、区及其意义（一）区五个单相区：AHNA—NJESGN—GPQG—7七个两相区存在两个单相之间①L+δ②L+γ③L+Fe3C④δ+γ⑤α+γ

⑥γ+Fe3C⑦α+Fe3C七个两相区存在两个单相之间①L+δ②L+γ③L+F8一、相图中点、线、区及其意义（二）点A:1538℃，0wt%

纯铁熔点B:1495℃,0.53%

包晶反应时液态合金的

碳浓度C:1148℃,4.30%

共晶点

D:1227℃，6.69%

渗碳体熔点

E:1148℃，2.11%碳在-Fe中的最大溶解度4.31148℃2.111148℃一、相图中点、线、区及其意义（二）点A:1538℃，0wt9F:1148℃,6.69%

渗碳体G:912℃，0%-Fe→-Fe同素异构转变点

H:1495℃。0.09%碳在-Fe中的最大溶解度J:1495℃，0.17%包晶点K:727℃，6.69%

渗碳体成分点

N:1394℃，0%

-Fe→-Fe同素异构转变点

F:1148℃,6.69%10P:727℃，0.0218%碳在-Fe中的最大溶解度

S:727℃，0.77%共析点

Q:600℃，0.0057%600℃时碳在-Fe中的溶解度P:727℃，0.0218%11（三）线HJB—包晶转变线ECF

—共晶转变线PSK

—共析转变线

ABCD

—液相线AHJECF

—固相线（三）线HJB—包晶转变线ABCD—液相线12（四）三条重要水平线温度：1495℃恒温wC=0.17%的奥氏体γ（1）包晶转变线—水平线HJBwC=0.53%

的液相wC=0.09%的δ铁素体反应：包晶转变wC=0.09%～0.17%同素异构转变成γwC=0.17%～0.53%,结晶成γ+Lδγ（四）三条重要水平线温度：1495℃恒温wC=0.17%13(2)共晶转变线—水平线ECF温度：1148℃恒温成分：wC=4.3%的液相反应:wC=2.11%的γ

和Fe3C莱氏体，Ld塑性很差变态莱氏体，Ld’室温4.31148℃2.11共晶转变奥氏体呈颗粒状或块状分布在渗碳体的基体上(2)共晶转变线—水平线ECF温度：1148℃恒温14（3）共析转变线(A1)—水平线PSK温度：727℃恒温成分：wC=0.77%

的γwC=0.0218%的和

Fe3C反应:珠光体，PA1共析转变片状P:α和Fe3C

呈片状相间分布粒状P:

Fe3C呈粒状分布在α基体上珍珠光泽较高的强度和硬度，塑性差（3）共析转变线(A1)—水平线PSK温度：727℃15室温下的莱氏体组织100×(白色基体是渗碳体．黑色颗粒是由奥氏体转变而来的珠光体，每个共晶领域清晰可见)共析钢片状珠光体组织αFe3C室温下的莱氏体组织100×(白色基体是渗碳体．黑色颗粒是由奥16ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。（五）三条重要特性曲线（1）ES线—Acm

线温度冷却到ES线，将从奥氏体中析出渗碳体—从奥氏体中在共析转变之前析出的渗碳体二次渗碳体（Fe3CⅡ）ES线二次渗碳体Fe3CⅡ开始析出线AcmγFe3CⅠES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。（五）三条重要特性曲线17（2）GS线—A3线（3）PQ

线PQ

线：碳在铁素体中溶解度曲线。冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的开始线；加热过程中，铁素体溶入奥氏体的终止线。当铁素体从727℃冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体—

三次渗碳体

（Fe3CⅢ）量极少，通常忽略不记！A3γα（2）GS线—A3线（3）PQ线PQ线：碳在铁18一次渗碳体(Fe3CⅠ):呈规则的长条状，直接从液相中析出的渗碳体；二次渗碳体(Fe3CⅡ):网状分布在A晶界，从奥氏体中析出渗碳体；三次渗碳体(Fe3CⅢ

):沿晶界呈小片状分布，从铁素体中析出渗碳体；共析渗碳体：从珠光体中析出的渗碳体;由共析转变析出的，片状存在于珠光体中。共晶渗碳体：由共晶转变析出,在莱氏体中为连续的基体，比较粗大，有时呈鱼骨状；成分、晶格结构及力学性能都是相同的；生成条件不同→具有不同的形态。立方晶系:12个Fe原子．４个C原子很高的硬度和耐磨性，塑性很差，延伸率为零一次渗碳体(Fe3CⅠ):呈规则的长条状，成分、晶格19二、典型合金的平衡结晶过程铁碳合金的组织—液态结晶和固态重结晶的综合结果按照含碳量及组织特征的不同，分类：①工业纯铁（wC≤0.0218%）二、典型合金的平衡结晶过程铁碳合金的组织—液态结晶和固态20②钢（0.0218%<wC≤2.11%）亚共析钢:0.0218%<wC<0.77%共析钢:wC=0.77%过共析钢:0.77%<wC<2.11%0.77②钢（0.0218%<wC≤2.11%）亚共析钢21③白口铸铁（2.11%<wC≤6.69%）亚共晶白口铁:2.11%<wC<4.3%共晶白口铁:wC=4.3%过共晶白口铁:4.3%<wC<6.69%③白口铸铁（2.11%<wC≤6.69%）亚共晶白口22δγA(一)wC=0.01%的工业纯铁结晶过程：1～2：2～3：匀晶转变—δ固溶体；δ固溶体长大；3～4：δ固溶体发生同素异构转变

δ→A；δ4～5：奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形成并长大—

单相奥氏体；δ1234δL+δ567AαA+FδγA(一)wC=0.01%的工业纯铁结晶过程：1235～6：奥氏体发生同素异构转变A→F6～7:F在A的晶界上优先形长大—单相铁素体；7以下：渗碳体从铁素体中析出—Fe3CⅢ

工业纯铁的室温组织：

F+Fe3CⅢ

Fe3CⅢFFAF1234δL+δ567AαA+F5～6：奥氏体发生同素异构6～7:F24（二）共析钢

wC=0.77%LL+AAA+P(F+Fe3CⅡ)P室温组织：P结晶过程：γγγα结晶过程：14320.77AAAFFe3CⅡFFe3CⅡPAA+FA+Fe3CF+Fe3CFL+A3~3’:共析转变→珠光体P2~3：奥氏体长大；1~2：匀晶转变—奥氏体；3~4:F沿PQ线析出三次渗碳体，数量少，难分辨（二）共析钢wC=0.77%LL+AAA+25结晶过程：包晶转变AAAAFAFPFP132546（三）亚共析钢

wC=0.40%2～3:剩余的液相继续结晶成为A3～4:A长大4～5:A晶界上析出F1～2:匀晶转变—δ固溶体2~2’:包晶转变5～5’:共析转变结晶过程：包晶转变AAAAFAFPFP132546（三）亚共26γγγγαγαPαP5点以下:先共析铁素体和珠光体中的铁素体都析出三次渗碳体，量少，忽略不记。LL+L+(A+)↓L+AA

←A+F←↓A+F+P(F+Fe3CⅡ)↓F+P∴室温组织：

α+PγγγγαγαPαP5点以下:先共析铁素体和珠LL+L27∴C%

↑，P↑,F↓

wC=0.20%wC=0.60%wC=0.40%PF∴C%↑，P↑,F↓wC=0.20%wC=2812345（四）过共析钢

wC=1.2%

1~2:匀晶转变—单相奥氏体2~3:奥氏体长大3~4:奥氏体中析出二次渗碳体—沿着奥氏体晶界呈网状分布4~4’:共析转变→形成珠光体LL+AA

A+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+PP+Fe3CⅡ∴室温组织P+Fe3CⅡγFe3CⅡP12345（四）过共析钢wC=1.2%1~2:29L（五）共晶白口铁（C%=4.3%）→L+Ld→Ld(γ+Fe3C共晶)→Ld(γ+Fe3C共晶+Fe3CII)Ld’(P+Fe3CII+Fe3C共晶)共晶白口铁结晶过程示意图LdLd’LdLdL（五）共晶白口铁（C%=4.3%）→L+Ld→Ld(30组织组成物：变态莱氏体Ld’(P+Fe3CII+Fe3C)

相组成物：铁素体α，渗碳体Fe3C共晶白口铸铁室温金相Ld’?组织组成物：变态莱氏体Ld’(P+Fe3CII+Fe3C)31（六）亚共晶白口铸铁（2.11%<C%<4.3%）亚共晶白口铸铁结晶过程示意图Ld’LdLdLdLd’LdLdLd0-11-22‘-33-3‘3‘-4（六）亚共晶白口铸铁（2.11%<C%<4.3%）亚共晶白口32组织组成物：P,

Ld’,Fe3CⅡ相组成物：铁素体α，渗碳体Fe3C亚共晶白口铸铁室温金相P组织组成物：P,Ld’,Fe3CⅡ相组成物：铁素体33（七）过共晶白口铸铁（4.3%<wC<6.69%）过共晶白口铸铁结晶过程示意图Ld’LdLdLdFe3CⅠ（七）过共晶白口铸铁（4.3%<wC<6.69%34过共晶白口铸铁室温金相组织组成物：Ld’,Fe3CⅠ相组成物：铁素体α，渗碳体Fe3CFe3CⅠ过共晶白口铸铁室温金相组织组成物：Ld’,Fe3CⅠ相35小结：标注组织的铁碳相图CSPE727℃1148℃小结：标注组织的铁碳相图CSPE727℃1148℃36根据Fe-Fe3C的相图计算（三次渗碳体可忽略）室温下，wC=0.2%的钢中珠光体和铁素体的相对量?室温组织：F+PPF组织组成物的相对含量?相组成物的相对含量?室温相：F+Fe3C根据Fe-Fe3C的相图计算（三次渗碳体可忽略）室温组织：37支点成分取0.2%，力点成分分别取0.0218%，0.77%组织组成物的相对含量?室温组织：F+P支点成分取0.2%，力点成分分别取0.0218%，0.77%38相组成物的相对含量?支点成分取0.2%，力点成分分别取0，6.69%室温相：F+Fe3C相组成物的相对含量?支点成分取0.2%，力点成分分别取0，639第三节铁碳合金成分、组织与性能的关系一、合金成分与平衡组织的关系1·②图wC=

0:合金全部由F组成wC→6.69%:F%↓→0相组成物角度:铁碳合金室温下的平衡组织为铁素体和渗碳体两相组成!Fe3C%↑

→100%0.0218%0.77PF4.3Ld’FFe3C①②③C%第三节铁碳合金成分、组织与性能的关系一、合金成分与平402·①图wC<0.0218%:铁碳组织→F

wC=0.77%:铁碳组织→PwC=6.69%:铁碳组织→Fe3CwC=4.3%:铁碳组织→Ld’0.0218%0.77PF4.3Ld’FFe3C①②③C%2·①图wC<0.0218%:wC=0.77%413·随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序：F

→

F+Fe3CⅢ→F+P→P→P+Fe3CⅡ

→

P+Fe3CⅡ+Ld’→Ld’→Ld’+Fe3CⅠ按组织组成物区分的Fe-Fe3C相图CSPE727℃1148℃FF+Fe3CⅢF+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Ld’Ld’Ld’+Fe3CⅠ3·随含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序：F42二、合金成分与力学性能的关系铁素体：软韧性渗碳体：硬脆性渗碳体以细片状分散在铁素体基体上，起强化作用珠光体具有较高的强度和硬度，塑性较差层片越细，强度越高二、合金成分与力学性能的关系铁素体：软韧性渗碳体：硬脆性渗碳43强度——P硬度——Fe3C塑性——F一般认为：强度——P一般认为：44亚共析钢:0.0218%~0.77%wC↑,P↑,强度、硬度↑，塑性、韧性↓过共析钢:0.77%~2.11%wC→1%，强度达到最高值；wC继续↑，强度下降∵从奥氏体中析出的脆性二次渗碳体,在含碳量>1%时,于晶界形成连续的网络，使钢的脆性大大↑，强度↓αFe3C①②③0.02186.69%0.774.32.111Ld’αPakψδσbHB含碳体对平衡状态下碳钢机械性能的影响Why?亚共析钢:0.0218%~0.77%wC↑,P↑,45白口铸铁:2.11%~6.69%由于渗碳体的大量存在—脆性很大，强度很低①塑性：合金的塑性变形主要由铁素体来提供当合金中C%↑而使铁素体↓→铁碳合金的塑性不断↓当组织中出现以渗碳体为基体的莱氏体，塑性降低到→零值②冲击韧性：对组织十分敏感αFe3C①②③0.02186.69%0.774.32.111Ld’αPαFe3C白口铸铁:2.11%~6.69%由于渗碳体的大量存在46三、合金成分与工艺性能的关系1·切削加工性能C%低碳钢（C0.25%）：铁素体较↑塑性、韧性↑切削加工产生的切削热较↑，易粘刀，切屑不易折断，表面粗糙度↓切削加工性能不好αFe3C①②③0.02186.69%0.774.32.111Ld’αPαFe3C三、合金成分与工艺性能的关系1·切削加工性能C%低碳钢（C47高碳钢（C>0.6%）：0.0218%0.77Pα4.3Ld’αFe3C①②③2.11渗碳体较↑，硬度较↑，严重磨损刀具切削加工性能不好中碳钢(0.25<C%<0.6%):铁素体与渗碳体比例适当，硬度和塑性比较适中切削加工性能较好高碳钢（C>0.6%）：0.0218%0.77Pα4.482·压力加工性能→金属的可锻性金属的可锻性：金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能①