铁碳相图热处理课件

铁碳相图Fe-Fe3C相图6.69500600900110015001400130012000.02

0.772.114.3珠光体+珠碳体II+珠光体奥氏体+液体+奥氏体奥氏体+

碳体II碳体II

+莱氏体碳体+莱氏体碳体+低温莱氏体珠光体+

碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体1000

G(913℃)727℃1148℃C%铁体T℃1600

A(1538℃)700

P

铁E液体CKF1227℃D液体

+

碳体奥氏体奥+铁A800

3

S素A1Acm(1)

奥氏体——是碳在γ-Fe中的固溶体，用“A”表示。特点：①在1148℃时有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶0.77%C；②其力学性能与含碳量及晶粒大小有关，一般170～220HBS、δ=40～50%；③形变能力好，形变抗力小。(2)

铁素体——碳在α-Fe中的固溶体，用“F”表示。特点：①在727℃有最大溶解度，为0.0218%C；②强度和硬度低，韧性塑性好。其力学性能大致为；σb180~280MN/m2ψ70~80%σ0.2100~170MN/m2δ30~50%HB50~80HBSak1.8~2.5MJ/m2(3) Fe3C—渗碳体渗碳体——是由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙化合物，含碳量为6.69%，用“Fe3C”或“Cem”(Cementite)表示。渗碳体的性能特点——硬度高，脆性大。硬度

HB=800kgf/mm2;抗拉强度

бb＝30MN/m2;塑性、韧性几乎为零。(4)莱氏体：共晶产物，1148℃进行，L

→

γ

+

Cm

（Ld）成分：4.3%C(5)珠光体：共析产物，727℃进行，γ

→

+Cm

（P）成分：0.77%C典型合金结晶过程1.共析钢的结晶过程(含碳0.77%珠光体)P6.69900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠碳体II+珠光体碳体II液体

+

碳体液体碳体II奥氏体++莱氏体碳体+莱氏体碳体+低温莱氏体珠光体+

碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体1000

G(913℃)727℃液体+奥氏体1148℃C%铁素800体700600500A(1538℃)PECKF1227℃

D奥氏体A3

SA1Acm奥氏体+A2-3

3ÒÔÏÂ1ÒÔÉÏLA1-2L2.亚共析钢的结晶过程含碳量为0.02%～0.77%。铁素体+珠光体组织。F

4ÒÔÏÂ6.69800900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠碳体II+珠光体碳体II液体

+

碳体液体碳体II奥氏体++莱氏体碳体+莱氏体碳体+低温莱氏体珠光体+

碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体1000

G(913℃)727℃液体+奥氏体1148℃C%铁素体700600500A(1538℃)PECKF1227℃

D奥氏体A3

SA1Acm奥氏体+A2-3AF3-4P1-2LA1ÒÔÉÏL3.过共析钢的结晶过程含碳在0.77%～2.1%之间的铁碳合金。珠光体+

碳体。6.69500900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠碳体II+珠光体碳体II液体

+

碳体液体碳体II奥氏体++莱氏体碳体+莱氏体碳体+低温莱氏体珠光体+

碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体1000

G(913℃)727℃液体+奥氏体1148℃C%铁素800体700600A(1538℃)PECKF1227℃

D奥氏体A3

SA1Acm奥氏体+A1ÒÔÉÏL1-2AL4ÒÔÏÂ

P3-4

Fe3CFe3CA2-34.亚共晶(白口)铸铁的结晶过程含碳量为2.1%～4.3%之间的铁碳合金。室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld

‘。6.69500900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠碳体II+珠光体奥氏体+碳体II液体+奥氏体液体

+

碳体液体碳体II奥氏体++莱氏体碳体+莱氏体碳体+低温莱氏体珠光体+

碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体1000

G(913℃)727℃1148℃C%铁素800体700600A(1538℃)PECKF1227℃

D奥氏体A3

SA1AcmA2-3Ld3ÒÔÏÂLd’PA1-2L1ÒÔÉÏL1判断合金的组织根据相图可以判断在温度缓慢变化条件下，任一成分的合金在某个温度时的组织是由哪些相组成的，各相的化学成分以及各相所占的比例。相图的应用铁碳合金室温组织比例图100%FFe3C3Fe

C¢òPLd’00.772.114.36.69C%6.69500900110013001200150014001600T℃0.02

0.772.114.3珠光体奥+铁铁+珠碳体II+珠光体碳体II液体

+

碳体液体碳体II奥氏体++莱氏体碳体+莱氏体碳体+低温莱氏体珠光体+

碳体II+低温莱氏体莱氏体低温莱氏体1000

G(913℃)727℃液体+奥氏体1148℃C%铁素800体700600A(1538℃)PECKF1227℃

D

液+

液体液+奥ABNJ奥+

奥氏体奥氏体A3

SA1Acm奥氏体+2根据相图分析机械性能400MPa(100HB)800MPa(200HB)HB00.41.2

ak

σbσbHB1200MPa(300HB)40%12J/cm2

ak60%14J/cm20.8C%20%8J/cm21)

铸造工艺性共晶或近共晶合金有较好的流动性，产生分散缩孔(缩松)的倾向小。ͼ3-23״̬ͼÓëÖýÔìÐÔÄܹØϵ集中缩孔分散缩孔缩孔倾向流动性3

相图与加工工艺之间的关系(2)

锻压工艺性锻压要求材料有较好的塑性和较小的变形抗力(强度)。奥氏体ABEGJNPQγαH

δα+γγ+δSα+Fe3Cγ+Fe3CL+γLL+δ2.制定工艺参数的重要依据。ABEGJNPQγαH

δα+γγ+δSα+Fe3Cγ+Fe3CL+γLL+δ淬火正火铁碳合金分类铸铁亚共晶铸铁-------2.11~4.3%C共晶铸铁----------4.3%C过共晶钢铸铁----4.3~6.69%C共析钢-------------0.77%C过共析钢----------0.77~2.11%C工业纯铁------------------<0.0218%C亚共析钢----------0.0218~0.77%C钢C-曲线C-曲线是对碳钢加热得到奥氏体后，在冷却过程中组织转变进行分析的工具。热处理原理温度时间加热Heating保温Insulation

Work冷却CoolingA

A

A1

3

cm钢的热处理工艺有两种冷却方式：(1)等温冷却转变:就是使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷到A1线以下一定的温度，然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。（2）连续冷却转变：是指在冷却过程中，随着时间的延长温度连续下降。在实际生产中大多数的冷却过程是连续冷却。一.钢在热处理时的冷却方式热加保温时间温度临界温度连续冷却等温冷却共析钢过冷奥氏体等温转变曲线图3-6 共析钢等温冷却转变曲线0B下B上TSPM+A残A过冷A1400300200Ms

(240

℃

)Mf

(-55℃)M1

10

102

103

104

105106T℃700600500τ(s)高温转变中温转变低温转变a.高温转变共析钢奥氏体过冷到A1～550℃之间，等温转变的产物属于珠光体型组织。奥氏体转变成珠光体的过程也是一个铁素体与渗碳体交替生核长大的过程。如图3-7所示。珠光体的形成首先在奥氏体的晶界上产生渗碳体晶核，渗碳体的含碳量高于奥氏体，所以要将周围奥氏体中的碳原子吸收过来，与此同时，使附近的奥氏体含碳量降低,为铁素体的形成创造了有利条件，使这部分奥氏体转变为铁素体。由于铁素体的溶碳能力很低，在其长大过程中必

须将过剩的碳转移到相邻的奥氏体中，从而使相

邻奥氏体区域中的含碳量升高，又为产生新的渗

碳体创造了条件。如此反复进行，奥氏体最终完

全转变为铁素体和渗碳体层片相间的珠光体组织。图3-7珠光体转变过程示意图P(Fe3C+F)AFFe3CFe3C珠光体的形成过程中需要碳原子的移动。温度高时碳原子移动距离大，所形成的珠光体片层较宽，温度较低时碳原子移动困难，所形成的珠光体片层较密。在727℃～650℃之间转变得到的组织为珠光体；珠光体的形成过程中需要碳原子的移动。温度高时碳原子移动距离大，所形成的珠光体片层较宽，温度较低时碳原子移动困难，所形成的珠光体片层较密。在727℃～650℃之间转变得到的组织为珠光体；在650℃～600℃之间转变而得到的组织为索氏体，又叫细珠光体；在600℃～550℃之间转变而得到的为屈氏体，又叫极细珠光体。电镜形貌这三种珠光体类组织只有层片间距大小之分，并无本质区别。b.中温转变共析钢奥氏体过冷到550℃～240℃之间等温转变的产物属于贝氏体型的组织。在这一温区上部转变形成上贝氏体;在这一温区下部转变得到下贝氏体。下贝氏体有较高的硬度和强度，塑性和韧性也较好，而上贝氏体基本上无实用价值。c.低温转变奥氏体在240℃以下碳原子移动极为困难。奥氏体只发生同素异构转变，由面心立方的γ-铁，转变为体心立方的α—铁。原奥氏体中所有的碳原子都保留在体心立方晶格内，形成过饱和的α—铁。这种碳在α—铁中的过饱和固溶体叫马氏体。残余奥氏体共析钢奥氏体过冷到240℃(Ms)时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增加，过冷奥氏体不断减少，直至-50℃(Mf)时，过冷奥氏体才全部转变为马氏体。所以，Ms与Mf之间的组织为马氏体和残余奥氏体。由于含碳量不同，马氏体有两种形态。含碳量较高的马氏体组织呈针叶状，叫针叶马氏体。含碳量较低的马氏体组织为板条状，叫板条马氏体。组织含碳量%机械性能HRCσb(Mpa)akJ/cm2ψ(%)低碳0.240~4515006020~30高碳1.260~6550052~4(2)连续冷却图3-9共析钢连续冷却转变曲线0200400600800A1Msabcde

秒

T℃a.为随炉冷却，冷却曲线与珠光体转变开始线相交时，奥氏体开始向珠光体转变；冷却曲线与转变终了线相交后转变完成。由于转变是珠光体区进行的，所以得到

珠光体组织。b.为在空气中冷却，由于冷速较快，转变

在索氏体区进行，所以转变产物为索氏体。c.为油冷，冷却曲线只与珠光体转变开始线相交(在屈氏体转变区)，未与转变终了线相交。所以只有一部分奥氏体发生了转变，转变产物为屈氏体；而另一部分奥氏体则在冷却到Ms线后转变为马氏体。最后得到的是马氏体和屈氏体的混合组织。

即为油中冷却的产物。d.为水冷，由于冷速快，冷却曲线未与珠光体转

变开始线相交，待冷到马氏体转变开始线以下时，奥氏体转变为马氏体。连续冷却曲线与等温C曲线的比较连续冷却曲线位于等温C曲线右下方，P转变温度更低，时间更长；共析钢及过共析钢的连续冷却曲线中无B型转变，而多了一条P转变终止线；亚共析钢在连续冷却时在一定温度范围内过冷A会部分转变为B。由于CCT曲线测定比较困难，许多钢至今仍无，实际热处理中常参照C曲线来定性估计连续冷却转变过程。二)共析碳钢TTT

曲线与CCT曲线的比较稳定的奥氏体区时间(s)102103104101-1000温度(℃)8007006005004003002001000A1MsMfCCT曲线TTT曲线时间A１TA温度

MsMfA→MA→PA→B时间A１TA温度

MsMfA→MA→PA→BA→FA→Fe3C亚共析钢 过共析钢亚、过共析钢的TTT曲线热处理工艺常用热处理工艺可分为普通热处理和表面热处理两大类:普通热处理包括退火、正火、淬火和回火。表面热处理包括表面淬火、渗碳、渗氮和碳氮共渗等。渗碳、渗氮和碳氮共渗又叫化学热处理。1、退火将钢件加热到临界温度（A1、A3、Acm）以上（有时以下）保温一定时间，然后缓冷（炉冷、坑冷、灰冷）以得到平衡状态的组织的热处理工艺称退火。ABEGJNPSQγαH

δγ+δα+Fe3CL+γLL+δ低温扩散退火温度γ+Fe3Cα+γ

球化完全完全退火主要用于亚共析钢和合金钢的铸、锻、及热轧型材。也可以用于焊件。细化晶粒，消除应力和组织缺陷，↓硬度，↑塑性。加热保温

Ac3+20℃～30℃冷却 缓慢冷却（随炉或者埋在砂中或石灰中冷却）到500℃以下，在空气中冷却。目的 细化晶粒，消除应力和组织缺陷，降低硬度，提高塑性，为机加工及后续热处理（淬火）作组织准备。常用退火工艺完全退火球化退火(不完全退火)(3)等温退火(4)去应力退火

(5)再结晶退火

(6)扩散退火完全退火工艺完全退火的局限性需要时间很长，特别对于某些A比较稳定的合金钢，需要十几个小时甚至几天，为了↑生产效率，产生了等温退火。等温退火与完全退火工艺相同，所不同的是钢件经过A化后，以较快的速度冷却到某一T，保温一定时间A→P，然后以较快的速度冷却到室温。等温退火工艺保温Ac3+20

～30℃快冷TpA→P空冷时间温度球化退火

T=Ac1+20～40℃，进行较长时间的保温，使钢的Fe3C（碳化物）趋于球化，然后缓慢冷

却到600～550℃再出炉冷却。使Fe3C网变成球，以降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火

作组织准备。ABEGJNPSQγαH

δγ+δα+Fe3CL+γLL+δ低温扩散退火温度γ+Fe3Cα+γ

球化完全2、 钢的正火Ac3、Accm+30～80℃，保温后空冷。ABEGJNPQγαH

δα+γγ+δSα+Fe3Cγ+Fe3CL+γLL+δ应用范围对普通结构件为最终热处理，以细化组织，提高其强度和韧性；使中、低碳结构钢组织正常化，改善切削加工性能；为淬火作组织准备；抑制或消除过共析钢的网状渗碳体，为球化退火作组织准备。退火与正火的选择改善切削加工性能低碳钢：硬度低，粘刀，正火；高碳钢：硬度高，难切削，退火；中碳钢：退火、正火。经济性正火周期短，耗能少，操作简便，尽量以正火代替退火。3（1）淬火–将钢加热至Ac

线或Ac1线以上的某一温度，保温一定时间使之奥氏体化后，迅速冷却，从而获得马氏体组织的工艺叫淬火。3、淬火与回火

ABGJNPSQγα

α+γH

δγ+δ3α+Fe

Cγ+Fe3CL+γLL+δ（2）回火–将淬火后的钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。根据加热温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。a.低温回火加热温度在150～250℃之间，回火组织为回火马氏体。这种回火主要是为了降低钢中的残余应力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各种工具，滚珠轴承及渗碳件等。硬度一般为HRC58～64。b.中温回火加热温度在350～500℃之间,回火组织为回火屈氏体。中温回火后钢的内应力大大降低，同时具有较高的弹性极限的屈服极限，硬度为HRC35～45。主要用于弹簧元件、锻模等。c.高温回火加热温度在500～600℃之间，回火组织为回火索氏体。淬火加高温回火又称为“调质处理”。它可以消除钢的内应力，获得较高的韧性，使钢具有良好的综合性能。因此，调质被广泛用于要求具有一定强度和较高塑性、韧性的各类机械零件。调质处理后的硬度一般为HRC25～35。在硬度相同的情况下调质钢的各项力学性能明显高于正火。35钢力学性能与回火温度的关系4。表面淬火–表面淬火