2. 铁碳合金相图

铁碳合金相图

与钢的平衡组织铁碳合金相图与钢的平衡组织第一章基本概念铁碳合金相图与钢的平衡组织晶体：原子在三维空间内按一定的几何规律作周期性规则排列，长程有序（整体性的有序现象）。非晶体：原子在三维空间内不规则排列，长程无序。在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。

1、晶体学基本概念铁碳合金相图与钢的平衡组织晶体与非晶体的性能区别有些晶体具有规则的多面体外形，如水晶；有些则没有规则整齐的外形，如金属。晶体有固定的熔点，而非晶体则没有。非晶体各向同性。晶格和晶胞晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。这种抽象化的空间的格架称晶格晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元定义：物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于固态相变。铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe纯铁的同素异构转变2、金属的同素异晶转变凝固：物质由液态转变为固态（晶态或非晶态）的过程。结晶：物质由液态转变为晶态的过程。相变：物质由一个相转变为另一个相的过程，因此结晶过程是液-固相变过程。结晶的重要性：结晶之后得到的金属材料显微组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的结晶凝固条件，从而获得性能优良的金属材料，对控制铸件、铸锭产品质量、提高性能都是非常重要的。3、结晶有关概念冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。过冷现象与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0，在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差

T称过冷度，是结晶的必要条件。

T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。4、纯金属结晶的过程结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.形核、长大同时进行形核：液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶胚将会稳定并长大，称为晶核。长大晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。形核长大形成多晶体重结晶过程形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）；转变时也需要过冷度；由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大；固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。5、固态转变的特点6、相图的基本概念合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本、能够独立存在的物质。可以是元素，也可以是稳定化合物。（如二元、三元合金〕合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。固相的分类：合金中的相按结构可分固溶体和金属化合物。显微组织：实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相的形态、数量、大小和分布的组合。铁碳合金相图与钢的平衡组织固溶体合金组元在固态下通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。金属化合物若新相的晶体结构不同于任一组成元素，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种新物质，属于化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的β相（CuZn）以及各种钢中都有的FeS、MnS等等。Fe3C和β相均具有相当程度的金属键及一定的金属性质，，称为金属化合物。而FeS、MnS具有离子键，没有金属性质，属于一般的化合物，因而又称为非金属化合物。在合金中，金属化合物可以成为合金材料的基本组成相，而非金属化合物是合金原料或熔炼过程带来的，数量少且对合金性能影响很坏，因而一般称为非金属夹杂。第二章铁碳合金相图

与钢的平衡组织铁碳合金相图与钢的平衡组织铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。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%)→1、铁碳合金相图概述铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。铁碳相图是长期的生产和科学实验中总结出来的，是研究钢铁材料，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等重要理论依据和工具。2、铁碳合金的基本相和组织组元：Fe、Fe3C相铁素体Ferrite奥氏体Austenite渗碳体Cementite1.铁素体：碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。2.珠光体：F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。3.奥氏体：碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。高温组织，在大于727℃时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。另外奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零件或部件。4.渗碳体：铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大，用Fe3C表示。它的碳质量分数Wc=6.69％，质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。5.莱氏体：A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。铁碳合金相图与钢的平衡组织3、铁碳合金相图的特点与分析⇄⇄⇄⇄⇄LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

ABCD为液相线，AHJECF为固相线。

ES线——碳在奥氏体中的固溶线，通常称为Acm线。从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在1148℃，此时可溶解2.11％C，而在727℃时只能溶解0.77％C。故凡含碳量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体（Fe3CII），以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体（Fe3CI）。

PQ线——碳在铁素体中的固溶线。铁素体在727℃时溶碳量最大为0.02％，室温时仅溶解0.008％C，所以一般铁碳合金自727℃缓冷至室温时，均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称为三次渗碳体（Fe3CIII）。但其数量较少，除在极低碳的钢中外，在一般钢中作用不大，因此往往忽略而不予考虑。GS线——不同含碳量的奥氏体，在冷却时析出铁素体的温度线；或在加热时铁素体完全转变为奥氏体的温度线。通常称为A3线。铁碳合金相图与钢的平衡组织

GP线——含碳量在0.02％以下的铁碳合金，在冷却时奥氏体完全转变为铁素体，或在加热时铁素体开始转变为奥氏体的温度线。HJB线——包晶线。在这条线上发生包晶反应：LB+δH

AJ。包晶反应的结果形成了奥氏体。此反应仅可能在含碳量为0.09～0.53％的铁碳合金中发生。ECF线——共晶线。在这条线上发生共晶反应：LCAE+Fe3C。共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称为莱氏体，用Ld表示；冷至室温时成为变态莱氏体，用L’d表示。共晶反应发生于所有含碳量大于2.11％而小于6.69％的铁碳合金中。莱氏体具有很高的硬度（HB>700），脆性很大。PSK线——共析线（又称A1线）。在这条线上发生共析反应：ASFP+Fe3C。共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混合物，即前述的珠光体。所有含碳量超过0.02％的铁碳合金，即实际在工程上常用的铁碳合金均能发生共析转变。AHN和GPQ的左方分别为δ和α铁素体区域；NJESG所包围的为奥氏体区域。铁碳合金相图与钢的平衡组织以上所谓的一次、二次、三次渗碳体仅在其来源和分布方面有所不同，而并无本质区别，其含碳量、晶体结构和本身的性质均相同。铁碳合金相图与钢的平衡组织典型铁碳合金结晶过程4、典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金结晶过程

1、典型结晶过程------工业纯铁典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程

2、典型结晶过程------共析钢典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程

3、典型结晶过程------亚共析钢典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程

4、典型结晶过程------过共析钢典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程

5、典型结晶过程------共晶白口铸铁典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程

6、典型结晶过程------亚共晶白口铸铁典型铁碳合金结晶过程典型铁碳合金结晶过程

7、典型结晶过程------过共晶白口铸铁典型铁碳合金结晶过程含碳量对铁碳合金影响5、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金影响二、含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld’,合金太脆。三、含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢合适②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨六、Fe--Fe3C相图的应用Fe--Fe3C合金相图总结了在平衡状态下不同的合金成分、温度与显微组织及性能之间的关系，以及奥氏体相区和其它各相区的范围，因而对于铸造、锻轧、焊接以及热处理等生产实践具有重要意义。

1．在选材方面的应用在设计和生产上，通常是根据机器零件或工程构件的使用性能要求来选择钢的成分(钢号)的，例如，大多数机件和工程构件主要选用低碳钢和中碳钢；其中要求塑性、韧性好而强度不高的机件，则应选用低碳钢(Wc<0.25％)；要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的，则应选用中碳钢(Wc=0.3％~0.55％)并通过热处理等工艺，进一步提高钢的使用性能和工艺性能；各种工具用钢则应选用高碳钢来制造。Fe-Fe3C相图的应用2．在铸造生产方面的应用首先，依据Fe--Fe3C相图可以确定合适的浇铸温度（见图）。其次，相图还表明纯铁和共晶成分的铁碳合金，其凝固温度区间为零，故可推断它们的流动性好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可能得到致密的铸件。因此，在铸造生产中接近于共晶成分的铸铁得到较广泛的应用。3．在锻造、轧制方面的应用单相合金比多相合金具有更佳的压力加工性能，这是由于多相合金中各相的晶体结构和位向不同以及晶界的作用，使变形抗力提高所致。在Fe--Fe3C相图中，碳钢的高温区是单相奥氏体面心立方晶格；变形抗力小，塑性好，所以碳钢的热压力加工(锻、轧等)温度都选在高温奥氏体相区。但是，开始锻(轧)温度不能过高，以免严重氧化导致脱碳；而终锻(轧)温度也不能过低，以免钢材塑性差，导致产生裂纹。Fe-Fe3C相图的应用4．在热处理方面的应用根据Fe--Fe3C相图，可以确定各种热处理操作(退火、正火、淬火等)的加热温度。这里必须指出，使用Fe-Fe3C相图的同时，要考虑多种合金元素、杂质