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1、第四章 铁碳合金,2,钢和铸铁都是铁碳合金（普通碳素钢和普通铸铁）或是在铁碳合金的基础上加入合金元素的合金（合金钢和合金铸铁）。 铁碳合金相图反应了平衡条件下铁碳合金的成分、温度、和组织之间的关系。,为什么是“Fe- Fe3C”相图，而不是“Fe-C”相图？ Fe- Fe3C的组元：纯铁、渗碳体。它们的特性是什么？,引 言,3,第一节 铁碳合金的基本组织,纯铁是铁碳合金的组元之一，工业纯铁的纯度为99.8%99.9%，其性能塑性好，强度、硬度低，只能利用它的磁性制造仪器仪表中的铁芯。铁是过渡族元素，熔点为1538，密度为7.87gcm3。 固态纯铁具有二种晶格：912以下和13941538之间
2、的体心立方晶格的-Fe和-Fe，912一1394 之间的面心立方晶格的-Fe。,铁碳合金组织中组成物：铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体。,4,一、铁素体,碳溶于-Fe中的间隙固溶体称为铁素体（又称固溶体）。用符号F或表示。它仍保持-Fe的体心立方晶格: （1)-Fe中碳的溶解度很小，在室温时仅为0.0008%，727C时达到最大为0.0218%; (2) 性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低； (3)组织为均匀明亮的多边形晶粒。,5,铁素体-Fe的显微组织如图所示,6,二、奥氏体A,碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称奥氏体，又称固溶体，用符号A或表示。奥氏体仍保持-Fe铁的
3、面心立方晶格： （1）在727C时的溶解度为0.77%，在1148C时达最大为2.11%； （2）奥氏体存在于727C以上的高温，具有很好的塑性，适于锻造，绝大多数钢材锻造前都要加热到奥氏体状态。强度和硬度不高。,7,奥氏体-Fe的显微组织如图所示,8,三、渗碳体Fe3C,铁碳合金中多余的碳与铁按一定比例化合成金属化合物，称为渗碳体，用分子式Fe3C表示： （1）含碳量为669%，具有复杂斜方晶格； （2）具有金属特性(有金属光泽和导电性等)，熔点高(1227)，硬度高，脆性大，强度低，不能单独使用 ； （3）有粗大片状、沿晶界呈网状或细小片状或粒状形态； （4）亚稳定组织，一定条件下发生：,
4、9,四、珠光体P,珠光体是共析产物，是在727C含碳量为0.77%的奥氏体发生共析转变所生成的铁素体和渗碳体的机械混合物，用符号P表示： （1）在低倍显微镜下呈片状或暗黑色，在高倍放大下，为在铁素体基体上分布层片状渗碳体； （2）强度较高，塑性、韧性和硬度在铁素体和渗碳体之间。,10,珠光体P的显微组织如图所示,11,五、莱氏体,莱氏体是碳c=4.3%的液态铁碳合金在1148C时发生的共晶转变产物，是奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示，也叫高温莱氏体： （1）在1148C存在时渗碳体基体上分布着短棒状或粒状奥氏体，组织细密，性能硬、脆，称为高温莱氏体；室温下，其为渗碳体基体上分布着珠光体，
5、称为低温莱氏体或变态莱氏体，用符号Ld表示。 （2）莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。,12,在铁碳合金五种基本组织中，F、A、Fe3C都是单相组织，是基本相；而P、Ld是由基本相组成的二相组织。,小 结,13,第二节 Fe-Fe3C（铁碳合金）相图分析,相图建立是通过实验获得的。Fe-Fe3C相图（一定要默记、 默画）,14,15,一、 Fe-Fe3C相图中的特性点及其意义,A纯铁的熔点(1538，c=0%)； D渗碳体的熔点(理论计算值1227， c=6.69%)； C共晶点(1148， c=4.3)； E温度为1148， c=2.11，表示碳在-Fe中的最大溶解度； G纯铁的同素异构转
6、变点，在912时，-Fe -Fe； S共析点。温度为727， c=0.77，在该温度时，奥氏体同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。这一过程即共析反应.,16,二、Fe-Fe3C相图中主要特性线及其意义,在简化的Fe-Fe3C相图中有六条重要的特性线： 1）共晶转变线，即ECF水平线（1148），液态合金冷却到该线时发生共晶反应，产生莱氏体Ld。 2）共析转变线，即PSK水平线，又称A1线（727），产生珠光体P。 3）ES固溶线，即碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线。 4）PQ固溶线，即碳在铁素体中的溶解度曲线。 5）GS线，又称A3线，是冷却时高温下的奥氏体转变为铁素体的开始线
7、，随着温度的降低，从奥氏体中析出铁素体，GS为发生同素异构的转变线。,17,6）GP线，也是发生同素异构转变的线，是冷却时奥氏体转变为铁素体的终了线。 ABCD液相线。该线以上全部为液态金属，用符号L表示。 AECF固相线，该线以下全部为固态。 根据上述各主要特性点、线意义的分析，可以填写出铁碳合金状态图中各区域的组织。,18,三、相图中的相区,三个单相区：L、A、F； 五个两相区：L+A、L+Fe3C、A+ Fe3C、F+A、F+ Fe3C 两个三相共存区：ECF、PSK上的L+A+ Fe3C、A+F+ Fe3C。,注意区分相组成物和组织组成物,19,四、铁碳合金的分类,可分为工业纯铁、碳钢
8、和白口铸铁三大类。熟记组织成分,（1）工业纯铁：小于0.0218的铁碳合金。 （2）碳钢：为0.02182.11的铁碳合金，根据其室温组织的特点，又可以S点为界分为三类： 共析钢为0.77；亚共析钢为0.021 80.77；过共析钢为0.772.11。,（3）白口铸铁：2.116.69的铁碳合金。根据白口铸铁的特点，也可以C点为界分为三类。 共晶白口铸铁为4.30； 亚共晶白口铸铁为2.114.30； 过共晶白口铸铁为4.306.69。,20,第三节 典型铁碳合金的结晶过程,从简化的FeFe3c相图中选择典型合金，分析其结晶过程和高温下的显微组织，以便更深入了解铁碳合金的形成规律。,21,一、
9、共析钢（ ）,相图中合金是碳的质量分数为0.77%的共析钢。共析钢的结晶过程可以用下式表示：,22,用杠杆定理可以求出珠光体中的F与Fe3C相对含量(略去室温铁素体的含量)：,所以,23,共析钢的结晶过程示意图,渗碳体,铁素体,24,二、亚共析钢（ ）,以c =0.45% 的45钢为例，亚共析钢的结晶过程可以用下式表示：,合金II的为亚共析钢。其结晶过程如图4-7所示：,25,亚共析钢的结晶过程示意图,铁素体(白色不规则多边形晶粒),亚共析钢,珠光体(暗黑色团),26,依据杠杆定理可以计算出 c =0.45%的亚共析钢中，F与P的相对含量：,还可以计算出 c =0.45%的亚共析钢中，F与 的
10、相对含量：,27,三、过共析钢（ ）,合金含量III为过共析钢。过共析钢的结晶过程可以用下式表示（以c=0.90%为例）：,28,过共析钢,29,四、共晶的白口铸铁（c=4.3%）,合金为共晶的白口铸铁。 含碳量为4.3%的铁碳合金(共晶白口铸铁) 的结晶过程如下:,30,共晶白口铸铁的结晶过程,31,共晶白口铁的显微组织，在白色的渗碳体基体上分布着黑色的珠光体。,32,图4-5相图中的合金表示亚共晶白口铸铁。其结晶过程可用下式表示（以c =3.0%为例）：,五、亚共晶白口铸铁（2.11%c4.3%）,33,亚共晶白口铸铁的结晶过程,34,亚共晶白口铸铁：含碳量小于4.3%的铁碳合金。,35,
11、六、过共晶白口铸铁（4.3% c 6.69%）,合金表示过共晶白口铸铁。过共晶白口铸铁可用下式表示其结晶过程（以c =5.0%为例）：,36,过共晶白口铸铁的结晶过程,37,过共晶白口铸铁：含碳量大于4.3%的铁碳合金。,38,第四节 Fe-Fe3C相图的应用,一、碳的质量分数对平衡组织的影响 铁碳合金的两组元Fe是和Fe3C，各种不同成分的铁碳合金的室温平衡组织都是由铁素体和各种形态的渗碳体组成。,39,二、c对铁碳合金机械性能的影响,40,三、Fe-Fe3C相图在生产中的应用,一、在选材方面的应用 铁碳合金状态图提示了合金的组织随成分变化的规律： 1)工程构件如船体、桥梁及建筑结构所需的各
12、种型钢要求塑性、韧性好，应采用低碳钢c 0.25。 2)各种机器零件如：船用柴油机的曲轴、连杆，机床上的齿轮、轴类零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应采用中碳钢(0.250.6)。,41,归纳理解,（1）工程结构件材料，应选含碳量较低（小于0.25%）的钢，以保证其塑性、冷变形和焊接性能。 （2）一般的机器零件应选含碳量中等的（0.25% 0.6%）的钢，以保证其一定的强度和硬度，同时又具有一定的塑性和韧性，即综合机械性能较好的材料。 （3）对于精密偶件和各种刃具、模具、量具和弹簧等零件，应选含碳量较高（0.6%）的中、高碳钢。以保证高硬度、高耐磨性，或高强度、高疲劳强度、高弹性的材料。,
13、42,二、在铸造工艺方面的应用,43,（1）纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的，即结晶过程中温度保持不变，因此其流动性好，缩孔集中，易于充满型腔，铸造性能最好。 （2）因此在铸造生产中，接近共晶成分的共晶白口铸铁被广泛应用。 （3）铸钢的铸造性能远不如铸铁。铸钢件的熔点大大高于铸铁件，需要复杂的冶炼设备，铸造性能比铸铁差，不易充满薄壁铸件，主要用于制造不便通过锻造获得毛坯，强度和韧性要求较高的条件。,合理选择铸件成分,44,习题作业,1、什么是加工硬化？解释原因？ 2、什么是固溶强化？解释原因? 3、写出c =0.9%的结晶过程式？ 4、阐述含碳量对合金性能的影响? 5、试计算（1）35号钢显微组织中珠光体和铁素体的百分含量；（2）75号钢的显微组织中铁素体和渗碳体的百分含量。 6、默写铁碳合金相图？,
