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1、1,第3章 铁碳合金的平衡 组织与非平衡组织,2,3,3.1 Fe-Fe3C相图 3.2 Fe-C合金平衡结晶过程 3.3 铁碳相图的应用与局限 3.4 复线Fe-G相图 3.5 钢在加热时的组织转变 3.6 钢在冷却过程中的组织转变,4,同素异构转变:金属在固态下随温度的改变，从一种晶格转变成另外一种晶构的现象。属二次结晶或重结晶。铁（钢）热处理的基础。,5,碳与铁可以形成多相固溶体及系列化合物(Fe3C、Fe2C、FeC等)。,Fe3C: 在Fe-C相图中表现为位于6.69C处的竖直线，高于此数值的钢铁材料无力学使用价值。Fe3C熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。碳在钢铁组织里主要是以F
2、e3C的方式存在，其形态、数量、分布形式是钢铁组织力学性能的最重要影响因素。,6,1液相L 2相高温铁素体 （C固溶到-Fe中相）,二、Fe-Fe3C相图中的相,7,三、Fe-Fe3C相图中的组织（钢铁基本组织）,四种固体相组成五种基本组织,室温下组合成八种复杂的组织形态,8,1三条水平线和三个重要点,四、相图分析,9,A0.77 (F0.0218+Fe3C)P（珠光体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间 LeP+Fe3CII+Fe3C共晶低温莱氏体 Le,（3）共析转变线PSK，727 ，C%=0.02186.69% AsFP+Fe3C（共析渗碳体）,10,（1）液固相线
3、液相线ABCD固相线AHJECF,（2）溶解度线ES线碳在A中的固溶线，1148 ，2.11%727 ，0.77%，Fe3CIIPQ线 碳在F中的固溶线，727 ，0.0218%0.0008%室温，Fe3CIII,（3）GS线,2其他重要线和点,11,铁碳相图（小结）,一、Fe-Fe3C相图的组元Fe组元、Fe3C,二、Fe-Fe3C相图中的相液相L、相 、相、相、Fe3C,三、Fe-Fe3C相图分析液相线、固相线、2条溶解度线、GS线3条水平线、3个重要点,四、基于Fe-Fe3C 相图的 Fe-C合金分类三大类共7种,12,13,3.2 Fe-C合金平衡结晶过程,合金典型分类：,14,1工业
4、纯铁 (C%0.0218%）,工业纯铁结晶过程示意图,15,L-L+- - + F- F-F+Fe3CIII相组成物： F+Fe3C C%0.0008%F C%0.0008% 相相对量：F%= Fe3CIII%= 组织组成物：F和Fe3CIII,16,工业纯铁组织金相图,17,2共析钢 (C%=0.77%),18,L L+A A A+P P 相组成物：F和Fe3CF%= Fe3C%= 组织组成物 ： P P%=100%,19,共析钢室温平衡状态显微组织,低倍放大,高倍放大,20,共析钢组织金相图,21,相组成物：F和Fe3C,组织组成物 ： P,组织转变：,组织相对含量：P=100%,共析钢
5、(C%=0.77%） -小结,22,切换到动画,23,3亚共析钢 (0.0218%C%0.77% ),LL+A A A+F A+P+F P+F 相组成物：F，Fe3C 相相对量：F%= Fe3C%= 组织组成物：F、P 组织相对量： P%= F%=,PX1S,QX1K,24,亚共析钢室温平衡状态显微组织,25,亚共析钢组织金相图,26,27,28,切换到动画,29,4过共析钢(0.77%C%2.11% ),LL+AAA+Fe3CIIA+P+Fe3CIIP+Fe3CII 相组成物：F，Fe3CF%= Fe3C%=组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量： Fe3CII%= P%=,QX1K,SX
6、1K,30,过析钢室温平衡状态显微组织,31,过共析钢组织金相图,32,33,34,切换到动画,35,36,5共晶白口铸铁（C%=4.3%）,LL+LeLe (A+Fe3C共晶) Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII) Le(P+Fe3CII+Fe3C) 相组成物：F，Fe3CF%= Fe3C%= 组织组成物：Le Le%=100%,37,共晶白口铁 金相,38,共晶白口铸铁组织金相图,39,6亚共晶白口铸铁 (2.11%C%4.3% ),相组成物：F，Fe3C 相相对量：F%= Fe3C%= 组织组成物：P，Le，Fe3CII,40,亚共晶白口铸铁金相,41,亚共晶白口铁组织金相图,42,
7、7过共晶白口铸铁 (4.3%C%1154)AE+G（共晶）+GI (1154 )共晶成分LAE+G（共晶） (1154 )亚共晶成分LAE+G（共晶）+AE初生 (1154 )b. 第II阶段析出二次石墨AA+GII (1154 738 )c. 第III阶段共析石墨AsFP+G（共析） (738 ),三、铸铁的石墨化过程,55,第I阶段,第II阶段,第I阶段,第I阶段,第III阶段,56,附：举例：亚共晶铸铁(3.0%)稳定平衡转变示意图,57,1按石墨化各阶段进行的程度不同，得到不同组织的铸铁。,四、铸铁的组织和分类,石墨化程度,58,2接石墨形态分类,a. 灰口铸铁 片状石墨b. 球墨铸铁
8、 球状c. 可锻铸铁 团絮状d. 蠕墨铸铁 蠕虫状,59,a. C、Si强烈促进石墨化P 促进石墨化微弱，提高铸铁流动性，(Fe3P)碳当量：CE=C+1/3(Si+P)b. S、MnS: 阻碍石墨化，热脆Mn: Mn +SMnS 削弱硫的危害c. 合金元素Cr、W、Mo、V 与C亲合力强，阻碍石墨化Al、Cu、Ni、Co增加Fe自扩散能力，促进石墨化。,五、影响石墨化过程的因素,1化学成分 C Si Mn S P Me,2冷却速度,冷却速度降低，促进石墨化。,60,六、石墨形态对铸铁性能的影响,石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体的有效截面积，并引起应力集中；倾向：片状石墨团絮状石墨球状
9、石墨；石墨在组织中是软相,引起强度、塑性改变；蠕墨、可锻、球墨铸铁中石墨对基体割裂作用小，强度、塑性较高。变质处理使石墨细化，割裂作用减轻，强度提高。,61,3.5 钢在加热时的组织转变,62,63,64,65,a. 形核：优先在相界F，Fe3Cb. 长大：c. 渗碳体完全溶解：d. 碳的均匀化：,3共析钢奥氏体化过程,F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69) A (Fcc, 0.77),示意,66,67,68,3含碳量C% Fe3C / Fe3C界面多形核核心多转变快,4合金元素a. Cr、Mo、W、 Mn 、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，形成碳化物，阻碍碳扩散， 奥氏体形成速度
10、；b. Co、Ni非碳化物形成元素，奥氏形成速度；c. Al、Si影响不太。,5原始组织片状，片间距小相界面多碳弥散度大碳原子扩散距离短奥氏体形核长大快 ；片状 粒状。,69,四、奥氏体晶粒大小及控制,表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度、面积、体积或晶粒度级别表示。,1晶粒度,70,2起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度,本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏体晶粒随温度的升高而迅速长大本质粗晶钢奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大本质细晶钢（见下图）,起始晶粒度：P A结束时的晶粒度；,实际晶粒度：钢在某一具体处理过程中所得奥氏体晶粒的大小；,71,本质细晶粒和本质粗晶粒（示意图）
11、,72,3奥氏体晶粒度的控制,a. 加热工艺合理的加热温度（见下图）与保温时间。 b. 钢的成分合金化i. A中C%晶粒ii. 合金元素% 晶粒碳化物形成元素：形成稳定碳化物阻碍扩散，细化晶粒；Al：形成氧或氮化合物于晶界，使形核率 且C扩散受阻本质细晶钢；Mn 、P等：促进长大。,73,74,1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。,2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。,奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,75,4.6 钢在冷却过程中的组织转变,1 连续处理 2 等温处理,76,A1、A3、Acm,Ac1、Ac3、Accm,Ar1、Ar3、Arcm,77
12、,共析钢等温转变图（C曲线） （a）不同等温下的等温转变动力学曲线 （b）等温转变图（C曲线）,一、过冷奥氏体的等温转变,1共析钢过冷A等温转变曲线（TTT图、C曲线）,获得：冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间,T - time T - temperature T - transformation C - Shape,78,79,特点： i. A1（727度）以上：A稳定 ii. A1 （727度）以下：过冷A不稳定， iii. C曲线有一最小孕育期（550度）：1：T，AP的驱动力提高2：TD iiii. 转变开始线与转变终了线,80,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物
13、转变开始线,A向产物 转变终止线,A+ 产物区,产物区,230 - 50; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,A1,Ms,Mf,550230;中温转变 区; 半扩散型转变;贝氏体( B ) 转变区;,A1550;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。,A+ 产,2共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征,81,A1鼻子温度（550） A过冷P（S，T）索氏体，屈氏体。P的形成取决于形核、长大速率。T，形核，长大。T600，D，长大慢层间距薄、短扩散型相变，综合性能好。HB较低，韧性好。THB，强度,（1）高温转变区,82,A1650 : P ; 525HRC; 片间距为0.60.7m ( 500 )。,
