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1、第三章 铁碳合金和铁碳相图3.1 铁碳合金中的组元和基本相3.2 Fe-Fe3C相图3.3 典型合金的平衡结晶3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响第三章 铁碳合金和铁碳相图组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相：液相(L)、高温铁素体() 、铁素体()、奥氏体() 、渗碳体 (Fe3C) 基本组织： 珠光体（P）、莱氏体（Le/Le）3.1 铁碳合金中的组元和基本相纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。3.1 铁碳合金中的组元和基本相153
2、81394912-Fe-Fe-Fe液 相体心立方体心立方面心立方温度 时间/s室温返回3.1 铁碳合金中的组元和基本相3.1 铁碳合金中的组元和基本相铁与碳形成具有 复杂晶格的稳定 间隙化合物Fe3C硬度很高脆性大，塑性和韧性极低返回碳溶解在-Fe中形 成的间隙固溶体强度、硬度低塑性、韧性好 返回3.1 铁碳合金中的组元和基本相碳溶解在-Fe中形成 的间隙固溶体。3.1 铁碳合金中的组元和基本相有一定的强度和硬度，塑性也很好返回铁素体和渗碳体组成 的机械混合物综合力学性能较好3.1 铁碳合金中的组元和基本相返回渗碳体为基体上分布着奥氏体（珠光体）硬度很高，塑性很差返回3.1 铁碳合金中的组元和
3、基本相相图中的三个重要点相图中的三个重要点相图中的五个单相相图中的五个单相( (区区) )相图中的三条水平线相图中的三条水平线相图中的四条垂直线相图中的四条垂直线3.2 Fe-Fe3C相图J为包晶点: 1495 时, B点成分的L与H点 成分的 发生包晶反应(L + ), 生成J 点成分的。 C点为共晶点 1148 时, C点成分的L发 生共晶反应(L + Fe3C）, 生成E点成分 的和Fe3C（莱氏体Le）。 S点为共析点 727 时, S点成分的发生共 析反应( +Fe3C)生成P点成分的和Fe3C （珠光体P）。返回3.2 Fe-Fe3C相图返回3.2 Fe-Fe3C相图包晶反应：L+
4、共晶反应：LLe( FeC3+ )共析反应： P (FeC3+ ) 返回3.2 Fe-Fe3C相图3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢白口铸铁亚共析钢工业纯铁亚共析钢用途实例亚共析钢用途实例4545钢钢碳含量碳含量0.450.456060钢钢碳含量碳含量0.600.603.2 Fe-Fe3C相图共析钢的应用举例共析钢的应用举例T8T8钢钢碳含量碳含量 0.800.803.2 Fe-Fe3C相图过共析钢应用举例过共析钢应用举例T12 T12 钢钢 碳含量碳含量 1.21.2返回3.2 Fe-Fe3C相图过共析钢过共析钢共析钢共析钢亚共析钢亚共析钢共晶白
5、口铁共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁铁碳合金铁碳合金碳素钢碳素钢白口（铸）铁白口（铸）铁工业纯铁工业纯铁 0.0218%0.02182.11%2.116.68%0.77%4.3%3.3 典型合金的平衡结晶工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C返回工业纯铁的平衡结晶过程共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体P注意事项共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：P共析钢的
6、平衡结晶过程P：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？共析钢的平衡结晶过程杠杆定律 计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。a相的质量分数Fe3C相的质量分数aFe3CA(0.0008 )B(6.69) 0.77C亚共析钢的平衡结晶过程L相冷却 L相 相L相+ 相 相，并且L相有剩余剩余L相 相单相的冷却相 相，但相有剩余共析反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相亚共析钢的平衡结晶过程注意事项先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P利用
7、杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁 素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数亚共析钢的平衡结晶过程计算727 下, 组织组成物的质量分数a组织组成物的质量分数P组织组成物的质量分数PaPA(0.0218)B(0.77) 0.6C亚共析钢的平衡结晶过程过共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却L相 相单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变： 相（ +Fe3C），存在 Fe3C过共析钢的平衡结晶过程注意事项从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C 利用杠杆定律
8、计算珠光体与二次渗碳体的质量分数过共析钢的平衡结晶过程组织组成物为:P+ Fe3C，P%=Fe3C%=100%-92.74%=7.26%。 相组成物为:+ Fe3C %= ；Fe3C%=100%-82%=18%。 18%的Fe3C中包括共析Fe3C，二次渗碳体 和Fe3C亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分数。（亚共析钢以含碳量0.45%为例，过共析钢以含碳量1.0%为例） 课后作业返回共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反应：LLe（+Fe3C）共晶中的相不断析出Fe3C，不可见共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 共
9、晶白口铁的平衡结晶过程注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出 Fe3C，但其依附于莱氏体中的Fe3C 长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le （珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上 ）共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高 共晶白口铁的平衡结晶过程亚共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）先共晶相不断析出Fe3C，共晶相 析出Fe3C不可见共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 先共晶相 P匀晶反应： L 相室温组织： Le（P+Fe3C） + P亚共晶白口铁的平衡结晶过程过共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却共晶反
10、应：剩余LLe（+Fe3C）共晶相析出Fe3C不可见共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 匀晶反应： L Fe3C相室温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C过共晶白口铁的平衡结晶过程碳含量对铁碳合金室温组织的影响碳含量对铁碳合金室温组织的影响小结a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+LeLeFe3C+Le返回按组织分区的铁碳合金相图 硬 度硬 度硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 含
11、碳量对铁碳合金力学性能的影响强 度强 度 , 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随而增大。 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa30 MPa)。 含碳量对铁碳合金力学性能的影响 铁碳合金中Fe3C是极脆
12、的相, 没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。 塑 性塑 性返回含碳量对铁碳合金力学性能的影响一、Si 有益元素，作为脱氧剂，（且强化F,提高淬透性） 但SiO2 易成为非金属夹杂, Si%0.5% Si+O2SiO2二、Mn 有益元素，作为脱氧剂、除硫剂，（且强化F,提高淬透性 ），但MnO、MnS易成为非金属夹杂物, Mn%0.8%Mn+SMnO Mn+SMnS有害元素，不利作用：引起热脆,S0.050%. 原因：（ FeS的熔点Tm=1190）；(Fe+FeS二相共晶的熔点Tm=98
13、9 ）；(Fe+FeS+FeO三相共晶的熔点Tm=940）;锻造温度： 1150-1250有利作用：提高切削加工性三、S3.5 钢中的杂质元素3.5 钢中的杂质元素四、P不利作用：引起冷脆, P0.045%。 （原因：固溶于F钢强 硬度，塑韧性）有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等五、 N、H、O1. 一般情况下均是有害元素N 时效形成氮化物脆化H 氢脆， 白点塑韧性 O 形成氧化物 非金属夹杂 2. 控制方法：N 加入AlAlNH 冶金时防止进入， 去氢退火O 加脱氧剂 Si,Mn等3.5 钢中的杂质元素6 金属铸锭宏观组织 凝固后在铸造状态(或还要经过热处理)下 使用的金属件称为铸件，凝
14、固后还要经历 塑性变形的金属件称为铸锭。 铸锭实际上是一个形状简单的铸件，具有 很典型的铸态组织。铸锭剖面大致存在三 个不同特征的区。 铸锭三晶区：表面细晶粒区，柱状晶粒区 ，中心等轴区。 图3-6 铸件的宏观组织形成过程示意图柱状晶粒区 分枝少，晶质细密 晶粒粗大，各向异性横向性能差； 柱状晶交界处有夹杂和气体热加工时易开裂， 获得：大的温度梯度单向散热，定向凝固等轴晶粒区 晶界面积大，杂质分布分散 各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性 ； 枝晶彼此嵌入，没有脆弱面。 缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩 留下很多分散孔洞(显微缩松)，因此凝固 后全属组织不够致密。 获得：较低的浇注温度；孕育处理；机械 振动、电磁搅拌
