1、第四節(jié) 鐵碳合金相圖,1、鐵碳合金的基本相與性能 2、鐵碳合金相圖與結(jié)晶過程 3、含碳量對鐵碳合金組織性能的影響 4、鐵碳合金相圖的應(yīng)用,1,鐵碳合金碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的金屬材料。 含碳量為0.0218% 2.11%的稱鋼。 含碳量為 2.11% 6.69%的稱鑄鐵。,2,鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、 Fe2C、 FeC，它們都可以作為相圖的組元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。 實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖。,3,鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ),是制

2、定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).,4,一、鐵碳合金的基本相和性能,碳在-Fe中的固溶體稱 -鐵素體，用 表示。 都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。 鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。,鐵素體, 鐵素體： 碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體, 用F 或 表示。,5, 奧氏體: 碳在 -Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或 表示。 是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148時最大為2.11%。,組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在A 區(qū)進(jìn)行. 碳鋼室溫組織中無奧氏體。,奧氏體,6,構(gòu)

3、轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相變之一固態(tài)相變。 鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：,物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異,純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,7, 滲碳體：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、強(qiáng)度低(b35MPa), 脆性大, 塑性幾乎為零,Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,8,三個基本相：鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金平衡組

4、織中只有兩個相，就是鐵素體和滲碳體。,五種組織組成物：,是構(gòu)成顯微組織的獨立部分，可以是單相，也可以是兩相或者多相混合物。,鐵素體 奧氏體 滲碳體 珠光體 萊氏體 珠光體：共析反應(yīng)的產(chǎn)物，是F與Fe3C片層相間的兩相混合物 萊氏體：共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，高溫萊氏體是A與Fe3C兩相混合物, 室溫萊氏體是珠光體與Fe3C的兩相混合物,9,二、鐵碳合金相圖的分析,相圖的簡化,10, 特征點,11, 特征線 液相線ACD， 固相線AECF 兩條水平線： ECF：共晶線LC E+Fe3C 共晶產(chǎn)物是A與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體, 用Le表示。為蜂窩狀, 以Fe3C為基，性能硬而脆。,萊氏體,12,P

5、SK：共析線 S FP+ Fe3C 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是 F與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。,珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。 PSK線又稱A1線 。,13, 其它相線 GSA F 固溶體轉(zhuǎn)變線, GS又稱A3 線。 ES碳在 -Fe中的固溶線。又稱Ac m線。 PQ碳在-Fe中的固溶線。,14, 兩個三相區(qū)： 即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)兩條水平線, 相區(qū) 單相區(qū)： L、A、F、Fe3C 兩相區(qū): L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C,15, 鋼(0.02182.11%C)高溫組織為單相A 亞共析鋼 (0.

6、02180.77%C) 共析鋼 (0.77%C) 過共析鋼 (0.772.11%C),鐵碳合金按成分可分為三類： 工業(yè)純鐵(0.0218% C) 組織為單相鐵素體。,三、典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程,16, 白口鑄鐵 (2.116.69%C) 鑄造性能好, 硬而脆 亞共晶白口鑄鐵 (2.114.3%C) 共晶白口鑄鐵(4.3%C) 過共晶白口鑄鐵 (4.36.69%C),17,(一) 共析鋼的結(jié)晶過程,合金液體在1-2點間轉(zhuǎn)變?yōu)锳。到S點發(fā)生共析轉(zhuǎn)變： ASFP+Fe3C, A 全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。,18,1點以上：L,12點：LA,23點：A,33點： AP,3點以下：P,19,珠光體在光鏡下呈

7、指紋狀. 轉(zhuǎn)變結(jié)束時，珠光體中相的相對重量百分比為：,珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。 S點以下，共析 F 中析出Fe3C，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P。,珠光體,20,室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？,21,共析鋼的結(jié)晶過程,22,(二) 亞共析鋼的結(jié)晶過程 以0.40%C的鋼為例 合金在3點以前通過勻晶包晶勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳。到4點，由A,中析出F 。到5點, A成分 沿GS線變到S點， A發(fā)生 共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，F(xiàn) 中析出 Fe3C，由于與共析Fe3C結(jié)合, 且量少, 忽略不計.,23,1點以上：L,12點：LA,23點：A,34：AF,24,4

8、4：AP,4點以下：P+F,共析溫度下相的相對重量為：,組織組成物的相對重量為：,25,溫度繼續(xù)下降， 中析出Fe3C，由于與共析Fe3C結(jié)合, 且量少, 忽略不計.,室溫下相的相對重量百分比為：,室溫下組織組成物的相對重量百分比為：,26,利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:C%=P面積%0.77% (忽略F中含碳量，P面積%=QP),27,亞共析鋼室溫下的組織為F+P。 在0.02180.77%C 范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。,28,亞共析鋼的結(jié)晶過程,29,(三)過共析鋼的結(jié)晶過程 合金在12點轉(zhuǎn)變?yōu)锳 , 到3點, 開始析出Fe3C。從奧氏體中析

9、出的Fe3C稱二次滲碳體, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈網(wǎng)狀分布.,溫度下降, Fe3C量增加。到4點， A 成分沿ES線變化到S點，余下的A 轉(zhuǎn)變?yōu)镻。,30,1點以上：L,12點：LA,23點：A,34：AFe3C,44：AP,4點以下：P+Fe3C,室溫組織：P+Fe3C 400,31,室溫下兩相的相對重量百分比：,過共析鋼室溫組織為P+ Fe3C 。 兩組織組成物的相對重量百分比：,32,Fe3C量隨含碳量而增加, 含碳量為2.11%時, Fe3C量最大：,33,過共析鋼的結(jié)晶過程,34,總結(jié)：鋼的結(jié)晶過程,1、共析鋼的結(jié)晶過程,3、過共析鋼的結(jié)晶過程,2、亞共析鋼的結(jié)晶過程,L L+

10、A A P 相組成物：F，F(xiàn)e3C,LL+A A A+F P+F 相組成物：F，F(xiàn)e3C,LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII 相組成物：F，F(xiàn)e3C,35,萊氏體(Ld)是共晶A與共晶Fe3C的機(jī)械混合物,1點以上：L,11：LLd,(四) 共晶白口鐵的結(jié)晶過程,36,共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，兩相的相對重量百分比為:,37,12：Ld,C點以下,共晶A將析出Fe3C ，A成分沿ES線變化。 Fe3C與共晶Fe3C 結(jié)合，不易分辨。,溫度降到2點, A成分達(dá)到0.77%, 此時, 相的相對重量:,38,在2點, 共晶A 發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與 Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體,

11、用Ld表示.,22： LdLd ( AP ),39,2點以下：Ld （ P+ Fe3CII+ 共晶 Fe3C ）,室溫組織: （低溫）萊氏體 Ld 500,Ld的性能：硬而脆,40,室溫下兩相的相對重量百分比為：,41,共晶白口鐵的結(jié)晶過程,LL (A+Fe3C共晶) L (A+Fe3C共晶+Fe3CII) L(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相組成物：F，F(xiàn)e3C,42,(五) 亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程 合金在12點間析出A。到2點，液相成分變到C點,并轉(zhuǎn)變?yōu)長e。23點間從A中析出Fe3C，一次A的Fe3C被共晶A 襯托出來。到3點，A轉(zhuǎn)變?yōu)镻。,43,亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3C+

12、Le。 室溫下組織組成物相對重量百分比為 ：,室溫下相的相對重量百分比?,44,亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程,45,(六) 過共晶白口鐵的結(jié)晶過程 12點間從液相中析出Fe3C, 這種滲碳體稱一次滲碳體，用 Fe3C表示，呈粗條片狀。到2點，余下的液相成分變到C點并轉(zhuǎn)變?yōu)長e。,46,2點以下, Fe3C成分重量不再發(fā)生變化, Le變化同共晶合金,其室溫組織為Fe3C+Le。,47,總結(jié)：白口鑄鐵的結(jié)晶過程,1、共晶白口鐵的結(jié)晶過程,3、過共晶白口鐵的結(jié)晶過程,2、亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程,LL (A+Fe3C共晶) L (A+Fe3C共晶+Fe3CII) L(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相組成

13、物：F，F(xiàn)e3C,LL+A A+L (共晶A+Fe3C共晶) A+L (A+Fe3C共晶+Fe3CII) + Fe3CII P+L(P+Fe3C共晶+Fe3CII) + Fe3CII 相組成物：F，F(xiàn)e3C,LL+ Fe3CI Fe3CI +L (共晶A+Fe3C共晶) Fe3CI +L (A+Fe3C共晶+Fe3CII) Fe3CI +L(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相組成物：F，F(xiàn)e3C,48,四、 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 含碳量對室溫平衡組織的影響 含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：,F F+P P P+ Fe3CII P+ Fe3CII,+ L L,L+ F

14、e3CI,49, 含碳量對力學(xué)性能的影響,硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù), 隨碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F減少,合金的硬度呈直線關(guān)系增大, 由全部為F的硬度約80 HB增大到全部為Fe3C時的約800 HB。,50,強(qiáng)度是一個對組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加, 亞共析鋼中P增多而F減少。P的強(qiáng)度比較高, 其大小與細(xì)密程度有關(guān)。組織越細(xì)密, 則強(qiáng)度值越高。F的強(qiáng)度較低。所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大。,51,但當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過共析成分之后, 由于強(qiáng)度很低的Fe3CII沿晶界出現(xiàn), 合金強(qiáng)度的增高變慢, 到約0.9%C時, Fe3CI

15、I沿晶界形成完整的網(wǎng), 強(qiáng)度迅速降低, 隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加, 強(qiáng)度不斷下降, 到2.11%C后, 合金中出現(xiàn)Le時, 強(qiáng)度已降到很低的值。再增加碳含量時, 由于合金基體都為脆性很高的Fe3C, 強(qiáng)度變化不大且值很低, 趨于Fe3C的強(qiáng)度(約20 MPa30 MPa)。,52,塑性鐵碳合金中Fe3C是極脆的相, 沒有塑性。合金的塑性變形全部由F提供。所以隨碳含量的增大, F量不斷減少時, 合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時, 塑性就降到近于零值了。,53,亞共析鋼的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下的估算： 硬度80w（F）+180w（P） (HB) 或硬度80w（F）+800

16、w（Fe3C） (HB) 強(qiáng)度(b)230w（F）+770w（P） (MPa) 延伸率()50w（F）+20w（P） (%) 式中的數(shù)字相應(yīng)為F、P或Fe3C的大概硬度、強(qiáng)度和延伸率; w（F）、w（P）、w（Fe3C）相應(yīng)表示組織中F、P或Fe3C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。,54,五、鐵碳相圖的應(yīng)用,(1)鋼鐵選材,1、需要韌性、塑性好的（起重機(jī)構(gòu)架、輸電鐵塔）可選用含碳小于0.25%的碳鋼 2、需要強(qiáng)度、韌性都較好（重要的地腳螺栓、軸、齒輪等）可選用含碳0.3%0.5%的鋼；各類彈簧、板簧需要含碳0.5%0.75%的鋼； 3、需要耐磨的（工具、模具、軸承類）可選用含碳0.8%1.3%的鋼。,55,(2)

17、在鑄造工藝方面的應(yīng)用,1、根據(jù)相圖可確定合金的澆注溫度。從圖中看出，鑄鐵的澆注溫度比鋼低，所以鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)于鑄鋼。 2、共晶點C的鐵碳合金鑄造性能最好。越是接近共晶點C的鐵碳合金結(jié)晶溫度越低，合金的流動性好。 3、固液線距離近，偏析傾向小。,56,(3)在壓力加工方面的應(yīng)用,相圖中有很廣闊的奧氏體區(qū)，面心立方晶格的高溫奧氏體有優(yōu)良的塑性和較好的強(qiáng)度，塑性變形抗力很低，是熱鍛、熱軋極好的組織，軋、鍛溫度一般選在圖中影線部分。,57,（4)在焊接方面的應(yīng)用,含碳量越低的鋼焊接性越好，含碳量增加時，隨著焊件壁厚的增加，需要預(yù)熱和焊后回火處理。,58,在運用Fe-Fe3C相圖時應(yīng)注意以下兩點： Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài), 如含有其它元素, 相圖將發(fā)生變化。 Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài), 若冷卻或加熱速度較快時, 其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析了。,59,本章小結(jié),三種常見晶格及其致