《机械制造基础》 自考 课件 第4章 铁碳合金

第4章铁碳合金本章要点14.1铁碳合金基本组织4.2铁碳合金相图及其分析4.3铁碳合金相图在工业生产中的应用

4.1铁碳合金基本组织机械制造基础第4章

铁碳合金2铁碳合金中铁和碳的结合方式为固溶体、化合物、固溶体和化合物形成的机械混合物。铁碳合金基本组织表组织名称符号组织特点碳的最大溶解度（质量分数）力学性能铁素体F碳溶解于体心立方晶格α-Fe中所形成的固溶体727ºC时，wc=0.0218%与工业纯铁较接近，强度和硬度低，塑性和韧性较好。伸长率A=30%~50%，抗拉强度Rm=180~280MPa，布氏硬度HBW=50~80奥氏体A碳在面心立方晶格γ-Fe中形成的间隙固溶体1148ºC时，wc=2.11%强度、硬度不高，塑性好。伸长率A=40%~50%，布氏硬度HBW=170~220渗碳体Fe3C具有复杂斜方结构的铁与碳的间隙化合物wc=6.69%塑性、韧性几乎为零，脆，硬度高。维氏硬度HV=950~1050珠光体P奥氏体冷却时，在727ºC发生共析转变，析出铁素体F与渗碳体Fe3C的机械混合物（共析反应）wc=0.77%有一定的强度和塑性，硬度适中，综合力学性能较好。抗拉强度Rm=600~800MPa，伸长率A=20%~25%，布氏硬度HBW=170~230莱氏体Ldwc=4.3%的金属液体同时结晶出奥氏体A和渗碳体Fe3C的机械混合物（共晶转变），称为高温莱氏体wc=4.3%性能与渗碳体相似，硬度高、脆性大、塑性很差Ld'温度降至727ºC时，奥氏体A转变为珠光体P，称为低温莱氏体4.2铁碳合金相图及其分析机械制造基础第4章

铁碳合金34.2.1铁碳合金相图铁碳合金相图是由试验方法获得的。wc>6.69%的铁碳合金在工业上无使用价值当wc=6.69%时，铁和碳形成较稳定的渗碳体，可作为合金的一个组元。铁碳合金相图就是以纯铁为一个组元，Fe3C为另一个组元组成的，故又称为Fe-Fe3C相图。描述了铁碳合金在平衡状态下成分、温度与组织之间的关系。铁碳合金相图是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的简明示意图，是研究铁碳合金的工具，也是拟订各种热加工工艺的依据。4.2铁碳合金相图及其分析机械制造基础第4章

铁碳合金44.2.1铁碳合金相图4.2铁碳合金相图及其分析机械制造基础第4章

铁碳合金54.2.2铁碳合金相图分析1.主要特征点特性点温度T/ºC碳的质量分数wc（%）含义A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体Fe3C的熔点E11482.11碳在奥氏体γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶渗碳体Fe3C的成分点G9120α-Fe⇔γ-Fe同素异构转变温度K7276.69共析渗碳体Fe3C的成分点P7270.0218碳在铁素体α-Fe中最大溶解度S7270.77共析点，（A1）A⇔F+Fe3CQ6000.0057碳在铁素体中的溶解度铁碳合金相图中的特性点表4.2铁碳合金相图及其分析机械制造基础第4章

铁碳合金64.2.2铁碳合金相图分析2.主要特征线铁碳合金相图中的特性线表

特性线含义相线ACD液相线，是由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，线以上为液相AECF固相线，是由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态水平线ECF共晶转变线。具有共晶成分（wc=4.3%）的液相在共晶温度（1148°C）时，同时结晶出奥氏体与渗碳体的共晶体，即莱氏体。共晶反应式为Lc⇔A+Fe3C。凡碳的质量分数大于2.11%而小于6.69%的铁碳合金在ECF线上都发生共晶转变PSK共析转变线。具有共析成分（wc=0.77%）的奥氏体在共析温度（727°C）时，同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体（P）。共析反应式为A⇔F+Fe3C。凡碳的质量分数大于0.0218%的铁碳合金在PSK线上都发生共析转变特征线ES脱溶线，奥氏体脱溶出Fe3CII，即Acm线。奥氏体的最大溶碳量在1148°C时为2.11%；随着温度的降低，在727°C时仅为0.77%。凡碳的质量分数大于0.77%的铁碳合金从1148°C冷却到727°C时，就有渗碳体从奥氏体中析出，称为二次渗碳体Fe3CII，而从液态结晶出的渗碳体称为一次渗碳体Fe3CIIGS冷却时由奥氏体析出铁素体的开始线，通常称为A₃线PQ碳在铁素体中的固溶线。在727°C时，铁素体中碳的最大质量分数为0.0218%，溶碳量最大；在600°C时为0.0057%；而在室温下仅为0.0008%。凡铁碳合金从727°C冷却到室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。因其数量很少，一般不考虑Fe3CⅢ的存在GP铁碳合金缓慢冷却时，由奥氏体中析出铁素体的终了线AE固相线，即奥氏体结晶终了线AC液相线，液态合金开始结晶出奥氏体CD液相脱溶线，液相开始脱溶出Fe3C铁碳合金相图中，ACD为液相线，AECF为固相线，两条水平线分别表示两个等温线。4.2铁碳合金相图及其分析机械制造基础第4章

铁碳合金74.2.2铁碳合金相图分析3.铁碳相图中的相区相图中有四个基本相，对应四个单项区，分别为：ACD以上为液相区，AESG为奥氏体区，GPQ为铁素体区，DFK为渗碳体区。

（1）四个单相区：铁素体（F）、奥氏体（A）、液相（L）和渗碳体（Fe3C）。

（2）五个两相区：L+A、L+Fe3CI、A+Fe3CII、A+F、F+Fe3CⅢ。

（3）两个三相区：ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C），PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C）。4.2铁碳合金相图及其分析机械制造基础第4章

铁碳合金84.2.2铁碳合金相图分析4.铁碳合金相图中铁碳合金的分类不同成分的铁碳合金，具有不同的组织和性能。根据铁碳合金相图中P点和E点，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁3大类。（1）工业纯铁。成分为P点以左（碳质量分数wc<0.0218%）的铁碳合金。特点：硬度低、强度低、塑性好。（2）钢。成分为P点至E点间（碳质量分数wc=0.0218%~2.11%）的铁碳合金。特点：高温固态组织为塑性很好的奥氏体，因而可进行热压力加工。钢根据S点和组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。（3）白口铸铁。成分为E点以右（碳质量分数wc=2.11%~6.69%）的铁碳合金。特点：液态结晶时都有共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能，但高温组织中硬脆的渗碳体量很多，故不能进行热压力加工。白口铸铁根据C点和组织可分为亚共晶白口铁、共晶白口铁、过共晶白口铁。4.3铁碳合金相图在工业生产中的应用机械制造基础第4章

铁碳合金9铁碳合金中随着碳的质量分数的不同，其平衡组织各不相同，从而导致其力学性能不同，可以根据零件的不同性能要求来合理地选择材料。若需要塑性、韧性高、焊接性能好的材料，应选择低碳钢，用于轧制型材及制造桥梁、船舶和各种建筑结构等；若需要塑性、韧性和强度都较高的材料，应选择中碳钢，用于制造各种机器零件；高碳钢中亚共析成分的钢，强度和弹性极限较高，适于制造高强度零件和弹簧；过共析成分的高碳钢，具有高的硬度和耐磨性，多用作工具、模具等；白口铸铁的硬度高、耐磨性好，脆性大，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状复杂的机器底座、要求不太高的外形复杂的箱体铸件。1.在选材方面的应用4.3铁碳合金相图在工业生产中的应用机械制造基础第4章

铁碳合金10铁碳合金中随着碳的质量分数的增加，其熔点是随之下降的，工业纯铁的熔点最高，铸铁的熔点最低。铁碳合金的浇铸温度通常应在铁碳合金的液相线以上50~60°C为宜。随着碳的质量分数的增加，铁碳合金的常温组织形态和性能都有了很大的变化。其中，含共晶成分的白口铸铁和工业纯铁因其结晶温度区间最小（可到零），故流动性好，铸造工艺性能最好，可以得到致密结实的高质量铸件。在工业生产中，接近共晶成分的铸铁在铸造生产中应用是最广泛的。铸钢是比较常用的一种铸造合金，铸钢熔点高，结晶温度区间较大，流动性差，得到的铸件不够致密，其铸造工艺性能比铸铁差。只有一些形状复杂、对工件强度和韧性要求都较高的情况下才会使用铸钢。2.在铸造生产上的应用4.3铁碳合金相图在工业生产中的应用机械制造基础第4章

铁碳合金11钢在室温时的组织为两相混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加热到单相奥氏体状态，才能获得较低的强度、较好的塑性和较小的变形抗力，才会易于锻压成形。铁碳相图的单相奥氏体区即在GS、SE线以上，所以进行锻压或热轧加工时，一定要把坯料加热到GS、SE线以上，但也不宜过高，以免钢材因为温度过高而氧化烧损严重。但变形的终止温度也不宜过低，温度过低时，硬度会大，会增加锻压的难度，增加能量的消耗和设备的负担。另外，还会因塑性的降低而导致坯料开裂。各种碳钢的较合适的锻压加热温度是1150~1200°C，变形终止温度为750~850°C。3.在锻压生产上的应用4.3铁碳合金相图在工业生产中的应用机械制造基础第4章

铁碳合金12钢在室温时的组织为两相混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加