铁碳合金的结构与其相图

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1、重点： 1铁碳相图组成相 2. 合金的结晶过程分析 3铁碳相图应用 难点： 相图的分析 学习要求： 掌握“相构成组织、组织决定性能”的原则,第四章 铁碳合金的结构及其相图,铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具；是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础；是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。,铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。,一、铁碳合金的组元和相,碳在-Fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 都是

2、体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体, 组元：Fe、 Fe3C 相 铁素体： 碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。, 奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。,组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好。钢材热加工都在 区进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体, 渗碳体：含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性

3、几乎为零,Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨) 。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。, 特征点,二、铁碳合金相图的分析, 特征线 液相线ABCD， 固相线AHJECFD 三条水平线： HJB：包晶线LB+H J ECF：共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体, 用Ld表示。为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。,莱氏体,PSK：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性能介于两

4、相之间。 PSK线又称A1线 。, 其它相线 GS,GP 固溶体转变线, GS又称A3 线。 HN,JN 固溶体转变线。 ES碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m线。 PQ碳在-Fe中的固溶线。, 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三条水平线, 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C,三、典型合金的平衡结晶过程, 钢(0.02182.11%C)高温组织为单相 亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢 (0.77%C) 过共析钢 (0.772.11%C),铁碳相图上的合金，按

5、成分可分为三类： 工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。, 白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C) 共晶白口铸铁(4.3%C) 过共晶白口铸铁 (4.36.69%C),工业纯铁的结晶过程,合金液体在1-2点间转变为，3-4点间，5-6点间。到7点，从中析出Fe3C。,工业纯铁的结晶过程,随温度下降，Fe3C量不断增加，合金的室温下组织为F+ Fe3C。 室温下Fe3C最大量为:,从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。,合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变： SP

6、+Fe3C, 全部转变为珠光体。, 共析钢的结晶过程,共析钢的结晶过程,珠光体在光镜下呈指纹状。 转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：,珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 S点以下，共析 中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,含碳量在0.090.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应。 以0.45%C的钢为例 合金在4点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为。到4点，由 中析出 。,到5点, 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计。,（三） 亚共

7、析钢的结晶过程,亚共析钢的结晶过程,利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量: C%=P面积%0.77% (忽略 中含碳量，P面积%=QP),共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,室温下相的相对重量百分比为：,室温下组织组成物的相对重量百分比为：,亚共析钢室温下的组织为F+P。 在0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,4、过共析钢的结晶过程 合金在12点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3C表示, 其沿晶界呈网状分布.,温度下降, Fe3C量增加。到4点， 成分沿ES线变化到

8、S点，余下的 转变为P。,在共析温度下Fe3C的相对量？,过共析钢的结晶过程,过共析钢室温组织为P+ Fe3C 。 Fe3C量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3C量最大：,室温下两相的相对重量百分比：,室温下两组织组成物的相对重量百分比：,5、共晶白口铁的结晶过程 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状.,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:,C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3C。 Fe3C与共晶Fe3C 结合，不易分辨。,温度降到2点, 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量:,在2点, 共

9、晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由,P与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体, 用Le表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。,共晶白口铁室温组织为Le (P+ Fe3C), 它保留了共晶转变产物的形态特征。 室温下两相的相对重量百分比为：,六、亚共晶白口铁的结晶过程 合金在12点间析出 。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。23点间从中析出Fe3C，一次的Fe3C被共晶 衬托出来。到3点， 转变为P。,亚共晶白口铁的结晶过程,亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。 室温下组织组成物相对重量百分比为 ：,室温下相的相对重量百分比?,7、过共晶白口铁的结晶过程 12点间从液相中

10、析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。,2点以下, Fe3C成分重量不再发生变化, Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le。,渗碳体分类： Fe3C（块状） Fe3C共晶（鱼骨状） Fe3C（网状） Fe3C共析（层状） Fe3C（短杆状或粒状）,组织组成物与相组成物标注区别主要在+ Fe3C和+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。,8、组织组成物在铁碳合金相图上的标注,9、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 1） 含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：, 含碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。,0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，强度下降, 但硬度仍上升。 2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le,合金太脆。, 含碳量对工艺性能的影响 机加工性能: 中碳钢好 压力加工性能: 低碳钢好 焊接性能: 低碳钢好 铸造性能: 共晶合金好 热处理性能: 第九章介绍,车,刨,钻,铣,磨,