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1、第四章 铁碳合金,4-1铁碳合金的组元及基本相,一. 纯铁的同素异构转变,同一种元素金属发生晶体结构的转变的现象称为同素异构转变铁具有三种同素异晶状态，即-Fe、-Fe 和-Fe正是由于铁具有这种同素异构转变的性质才使我们对铁合金进行各中热处理以获得各种性能成为可能。,碳钢及铸铁是使用最为广泛的金属材料。它们的基本组成是Fe+C。然而，C含量大于5%以上的Fe-C合金，其性能很脆，基本失去了其使用性能。所以，我们通常研究的铁碳合金都是含碳量小于6.69%的合金，所研究的铁碳相图指的是Fe-Fe3C。在这一节中我们就来研究Fe-Fe3C相图。Fe-Fe3C相图是我们研究和使用钢铁材料，制定其热加
2、工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因的依据，因此，要学好这门课就必须掌握Fe-Fe3C相图。,二. Fe-Fe3C相图中的基本组织,1. 铁素体：碳原子溶于-Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格，通常用“F”（或）表示。铁素体的最大溶碳量仅为0.0218%(在温度为727时)，在室温下的溶碳能力更低，一般在0.008%以下。铁素体的性能与纯铁基本相同，塑韧性较好，硬度较低。居里点也是770。2. 奥氏体：碳原子溶于-Fe 中形成的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号A 或表示。奥氏体的最大溶碳量为2.11%(在温度为1148时)，奥氏体的塑性很好，且具有顺磁性。,3. 渗碳体：铁与碳形成的间
3、隙化合物，其含碳量为6.69%，称为渗碳体，可用符号Cem 或Fe3C表示，是铁碳合金中重要的基本相，属于正交晶系。渗碳体具有很高的硬度，约为800HB，但塑性很差，伸长率接近于零。渗碳体于低温下具有一定的铁磁性，但是在230以上，铁磁性就消失了，所以230是渗碳体的磁性转变温度，称为A0 转变。根据理论计算，渗碳体的熔点为l227。4. 珠光体：F与Fe3C组成的机械混合物。通常用“P”表示。含碳为0.77%的层片状产物。,5. 莱氏体：,高温莱氏体(727以上)：AFe3C的机械混合物,室温莱氏体(727以下) ：PFe3C的机械混合物,用Ld表示，含碳量为4.3%,用Ld表示，含碳量为4
4、.3%,4-2 Fe-Fe3C 相图,主要点的含义A点：1538 0%C 纯铁的熔点N点：1394 0%C -Fe-Fe 同素异构转变点 G点：912 0%C -Fe-Fe同素异构转变点J点： 1495 0.17%C 包晶点 LB+H=AJC点：1148 4.3%C 共晶点 Lc=AE+Fe3CS点： 727 0.77%C 共析点 AS=FP+Fe3CH点：1495 0.09%C 碳在-Fe中最大溶解度E点： 1148 2.11%C 碳在-Fe中最大溶解度P点： 727 0.0218%C 碳在-Fe中最大溶解度,主要线的含义液相线：ABCD；AB: L，BC: L，CD：LFe3C 固相线：A
5、HJECF；AH：相结晶完了；HJ：包晶线部分；JE：相结晶完了；ECF：共晶反应线 包晶转变线 ：HJB ；在1495的恒温下，含碳量为0.53%的液相与含碳量为0.09%的铁素体发生包晶反应，形成含碳量为0.17%的奥氏体 共晶转变线 ：ECF；在1148的恒温下，由含碳量为4.3%的液相转变为含碳量为2.11%的奥氏体和含碳量为6.69%的渗碳体组成的混合物（莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量 ？）共析转变线 ：PSK ；在727恒温下，由含碳量为0.77%的奥氏体转变为含碳量为0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物 （铁素体和渗碳体的含量？）固态转变线 ：GS 线 、ES线、PQ线
6、磁性转变线 ：MO铁素体的磁性转变线 过230的虚线渗碳体的磁性转变线,主要相区的含义五个单相区：ABCD以上液相区(L) AHNA 固溶体区( ) NJESGN奥氏体区( ) GPQG铁素体区( ) DFKL渗碳体区(Fe3C 或Cem) 七个两相区：ABJHA液相固溶体区(L) JBCEJ液相奥氏体区(L) DCFD液相渗碳体区(LFe3C) HJNH 固溶体奥氏体区( ) GSPG铁素体奥氏体区( ) ECFKSE奥氏体渗碳体( Fe3C),4-3 铁碳合金平衡结晶过程及组织,铁碳合金,工业纯铁(C2.11%),共析钢(C=0.77%),亚共析钢(C：0.0218%-0.77%),过共析
7、钢(C:0.77%-2.11%),共晶白口铸铁 (C=4.30% ),亚共晶白口铸铁 (C：2.11%-4.30% ),过共晶白口铸铁 (C：4.30%-6.69% ),一. 工业纯铁 （相图）,在室温下，析出三次渗碳体量最多的是含碳量为0.0218%的铁碳合金，其含量可用杠杆定律求出 w0.0218/6.69100%0.33% 而含量为0.01%的工业纯铁室温下三次渗碳体量为 wFeC3III 0.01/6.69 100%0.1494%,相转变过程,二. 共析钢 （相图）,三. 亚共析钢（相图）,(a)含碳量0.20%,(b)含碳量0.40%,(c)含碳量0.60%,组织组成物的相对含量：先
8、共析铁素体：w(0.77 0.40)/(0.77 0.0218)100%49.5% 珠光体： wp1 49.5%50.5%相组成物的相对含量：w(6.69 0.40)/(6.69 0.0218)100%94.3% wFe3C 1 94.3%5.7%,四. 过共析钢 （相图）,五. 共晶白口铸铁（相图）,共晶白口铸铁的室温组织,六. 亚共晶白口铸铁（相图）,该白口铸铁的组织组成物中，初晶奥氏体的含量为 w(4.3 3.0)/(4.3 2.11)100%59.4% 莱氏体含量为 wLd (3.0 2.11)/(4.3 2.11)100%40.6% 从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体含量为 wFeC3I
9、I (2.110.77)/(6.69-0.77) 59.4%13.4%,七. 过共晶白口铸铁（相图）,该白口铸铁的组织组成物中，先共晶渗碳体的含量为 wFeC (5.0 4.3)/(6.69 4.3)100%29.3% 莱氏体的含量为 wLd (6.69 5.0)/(6.69 4.3)100%70.7% 该白口铸铁的相组成物的相对含量。其中铁素体的相对含量为 w(6.69 5.0)/(6.69 0.0218)=100%25.3% 渗碳体的相对含量为 wFe3C (5.00.0218)/(6.69 0.0218)100%74.7%,4-4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,(一)对平衡组织的
10、影响,Fe3C的形式： 一次渗碳体Fe3CI ； 二次渗碳体Fe3CII；三次渗碳体Fe3CIII；共析渗碳体； (珠光体) 共晶渗碳体(莱氏体中),随着含碳量的增加，铁碳合金的组织变化顺序为 + PPP + Fe3CP + Fe3C + Ld Ld Ld + Fe3C,+三次渗碳体,Fe3C,(二)对机械性能的影响,珠光体,铁素体,渗碳体,塑性和韧性好强度和硬度很低,硬脆相,以细片状分散地分布在铁素体的基体上,强化作用,较高强度和硬度,塑性较差,力学,抗拉强度b ：1000MPa 屈服强度S ：600MPa 伸长率：10% 断面收缩率：12%-15% 硬度(HB)：241HB,性能,在白口铸
11、铁中，由于含有大量渗碳体，故脆性很大，强度很低。渗碳体的硬度很高，但是极脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性变形主要由铁素体来提供。,在亚共析钢中，随着含碳量的增加，珠光体逐渐增多，强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。当含碳量达到0.77% 时，其性能就是珠光体的性能。在过共析钢中，含碳量在接近l%时其强度达到最高值，含碳量继续增加，强度下降。,(三)对工艺性能的影响,1. 切削加工性能钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低碳钢中的铁素体较多，塑性韧性好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此切削加工性能不好。高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削
12、性能也差。中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性也比较适中，其切削加工性能较好。一般情况下，钢的硬度大致为250HB 时切削加工性能较好。钢的导热性对切削加工性能具有很大的影响。具有奥氏体组织的钢导热性低，切削热很少为工件所吸收，而基本上集中在切削刃附近，因而使刃具的切削刃变热，降低了刀具使用寿命。,钢的晶粒尺寸的大小并不显著影响硬度。但粗晶粒钢的韧性较差，切屑易断，因而切削性能较好。珠光体中的渗碳体组织同样影响切削加工性，亚共析钢的组织是铁素体+片状珠光体，具有较好的切削加工性能，若过共析钢的组织为片状珠光体+二次渗碳体，则其加工性能很差，若其组织是由粒状珠光体组成的，则可改善切削加
13、工性能。,2. 可锻性钢的锻造性能首先与含碳量有关，随着含碳量的增加逐渐变差。奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形。钢加热到高温可获得单相奥氏体组织，具有良好的锻造性能。因此钢材的始锻温度一般在固相线以下100200范围内。终锻温度不能过低，以免因温度过低而使塑性变差，产生裂纹。一般对亚共析钢终锻温度控制在GS线以上较近处，对过共析钢控制在PSK线以上,有利于打碎网状二次渗碳体。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，其锻造性能很差。不能通过锻造进行变形。,3. 铸造性 金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。1) 流动性 流动性是指液态金属充满铸型的能力。流动性主
14、要受化学成分和浇注温度的影响。 在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的结晶温度范围增大，流动性应该变差。但是，随着含碳量的增加，液相线温度降低，因而，当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其液相线温度与钢液温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性有利。所以钢液的流动性随含碳量的提高而提高。浇注温度越高，流动性越好。当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好。铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高，结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含碳量的提高，流动性变差。,2) 收缩性 铸铁从浇
15、注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。 金属从浇注温度冷却到室温要经历3个互相联系的收缩阶段。 液态收缩：从浇注温度到开始凝固(液相线温度)这一温度范围内的收缩为液态收缩。 凝固收缩：从凝固开始到凝固终止(固相线温度)这一温度范围内的收缩称凝固收缩。 固态收缩：从凝固终了到冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。 液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，其收缩量用体积分数表示，称为体收缩。它们是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也是体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，其收缩量通常用长度百分数表示，称为线收缩。它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。,
