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1、第一节 纯铁和铁碳合金中的相,第二节 铁碳合金相图分析,第三节 铁碳合金成分、组织和 性能的关系及应用,第五章 铁碳合金相图及应用,第一节 纯铁和铁碳合金中的相,纯铁的冷却曲线上有三种同素异构体，如图5-1所示。,一、 纯铁及其同素异构转变,图5-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,1.铁素体 碳在-Fe中的间隙固溶体称为铁素体（高温下溶入-Fe中形成间隙固溶体称为铁素体或高温铁素体）,该合金相常简称为铁素体，用符号F或表示，具有体心立方结构。,一、 铁碳合金的相结构,2.奥氏体 碳在-Fe中形成的间隙固溶体成为奥氏体，用符号A或表示，具有面心立方结构。,一、 铁碳合金的相结构,3.渗碳体 渗碳
2、体的分子式为Fe3C，它是一中具有复杂晶格的间隙化合物，常用符号Cm表示。,一、 铁碳合金的相结构,铁碳合金中，当碳的质量分数超过6.69时，合金的脆性很大，没有实用价值，所以通常只对铁碳相图上wC6.69的Fe-Fe3C部分进行研究。Fe-Fe3C相图如图5-2所示。,第二节 铁碳合金相图分析,图5-2 Fe-Fe3C相图,（一）相图上重要的点、线、区 Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、碳的质量分数及含义示于表5-1中，特性点的符号为国际通用，不能随意更换。,一、 相图分析,相图分析 ,（一）相图上重要的点、线、区,表5-1 Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、碳的质量分数及含义,相图分析
3、 ,（一）相图上重要的点、线、区,相图的液相线是ABCD线，固相线是AHJECF线；相图中有五个单相区，分别为：液相区L（ABCD线以上），高温铁素体相区（AHNA），奥氏体相区A（NJESGN ），铁素体相区F（GPQG），渗碳体相区Fe3C（DFK）。相图中有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间，这些两相区分别为：L+、L+A、L+Fe3C、+A、F+A、A+Fe3C及F+Fe3C。,相图分析 ,1.HJB水平线称为包晶转变线 2.ECF水平线称为共晶转变线 3.PSK水平线称为共析转变线,（二）三个重要的恒温转变,相图分析 ,1.ES线 ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线或称为Ac
4、m线。 2.PQ线 PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。 3.GS线 通常称为A3线。,（三）三条重要的特征线,1.工业纯铁,二、 典型合金的平衡结晶过程,图5-4 wC为0.01的工业纯铁的结晶过程,典型合金的平衡结晶过程 ,2.共析钢,图5-6 共析钢结晶过程示意图,典型合金的平衡结晶过程 ,3.亚共析钢,图5-8 wC为0.40的亚共析钢的结晶过程示意图,典型合金的平衡结晶过程 ,4.过共析钢,图5-10 wC为1.2的过共析钢的结晶过程示意图,第三节 铁碳合金成分、组织与性能 的关系及应用,一、 合金成分与平衡组织的关系,按照铁碳相图，铁碳合金在室温下的平衡组织均由铁素体和渗碳体组成。当
5、wC=0时，合金全部由铁素体所组成；随着含碳量的增加，铁素体的量呈直线下降，到wC为6.69时降为零。相反，渗碳体则由0增至100。 含碳量的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化，而且两相组合的形态即合金的组织也将发生变化。这是由于成分的变化引起不同性质的结晶过程，从而使相发生变化的结果。,硬度主要取决于组成相的硬度和相对量，而受它们形态的影响先对较小。 强度则对组织形态较为敏感。 合金的塑性几乎全部由铁素体来提供。 冲击韧度对组织十分敏感，随碳含量增加，韧性的下降趋势要大于塑性。,二、 合金成分与力学性能之间的关系,1.铸造性能 合金的铸造性能主要取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直
6、距离，距离越大，则铸造性能越差。,三、 合金成分与工艺性能的关系,合金成分与工艺性能的关系 ,2.可锻性和焊接性,金属的可锻性是指金属在压力加工时能改变形态而不产生裂纹的性能。钢的可锻性主要与碳含量及组织有关，低碳钢的可锻性较好，随着碳含量的增加，可锻性逐渐变差。 金属的焊接形式以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的倾向性为基数判断指标的。在铁碳合金中，随着钢中含量的增加，其焊接性越差。,合金成分与工艺性能的关系 ,3.可加工性,金属的可加工性是指其经切削加工成工件的难易程度。钢的碳含量对可加工性有一定影响，中碳钢中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度与塑性也比较适中，可加工性较好。,Fe-Fe3C相图
7、在生产中具有极大的实际意义，在钢铁材料的选用和热加工工艺的制订方面具有重要的应用价值。,四、 铁碳相图的应用,铁碳相图的应用 ,1.在选材方面的应用,相图所表明的合金成分、组织、性能之间的变化规律，为零件按力学性能要求进行选材提供了依据。,铁碳相图的应用,2.在铸造工艺方面的应用,根据Fe-Fe3C相图可以合理地确定合金的浇注温度，浇注温度一般在液相线以上50100。而且从Fe-Fe3C相图上还可以看出，纯铁和共晶合金的铸造性能最好，能获得优秀铸件，所以铸造合金成分常选在共晶成分附近，在铸钢生产中，碳含量则规定在0.15%0.60%（质量分数）间，因为这个范围内的结晶温度区间较小，铸造性能相对
8、较好。,铁碳相图的应用,3.在锻轧工艺方面的应用,由于奥氏体具有良好的塑性变形能力，因此钢的锻造或轧制选在单相奥氏体区适当的温度范围进行。一般始锻温度控制在固相线以下100200，不能过高，否则易引起钢材氧化严重、过热或过烧。终锻温度也不能过高或过低，以免奥氏体晶粒粗大或钢材塑性变差而导致裂纹。一般，对亚共析钢的终锻（轧）温度控制在稍高于GS线即A3线；过共析钢控制在稍高于PSK线即A1线，实际生产上，各种碳钢的始锻（轧）温度为11501250，终锻（轧）温度为750850。,铁碳相图的应用 ,4.在焊接工艺方面的应用,由于焊接工艺的特点是对被焊材料进行局部加热、熔化并冷却结晶，使焊件上不同的部位处于不同的温度条件下，整个焊缝区相当于经受一次冶金过程或不同加热规范的热处理过程而出现不同的组织，引起性能不均匀。,铁碳相图的应用 ,5.在热处理工艺方面的应用,Fe-Fe3C相图对于热处理工艺的制订有极为重要的意义，各种热处理工艺的加热温度都是以相图上的临界点A1、A3、Acm为依据的，具体将在第六章中详述。,第五章 结束!,
