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1、第九章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织,本章是本课程的重点章 本章目的： 1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相； 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分组织性能间关系。,本章重点：,（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 二次渗碳体（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；熟记铁碳合金中各种相的本质与特征；（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征（4）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关系,一、铁碳合金与铁碳相图,钢和铸铁是国民经济和国防工业生产中最重要的一大类金属材料，是以铁为基础
2、的合金。在各种钢和铸铁中均含有碳。在铁碳二元系中把碳含量小于2.11%的合金称为钢；碳含量大于2.11%的合金称为铸铁。工业用钢和铸铁中除了含有铁、碳外，还含有其他元素。为了研究方便，可将钢和铸铁看成铁碳二元合金。,铁碳合金与铁碳相图,铁碳合金应用最广泛的合金（碳钢、铸铁）一、纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁：室温下，体心立方点阵， Fe， 铁磁性，力学性能。(P247) 纯铁冷却中晶体结构的变化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 体心立方点阵 面心立方点阵 纯铁在冷却中经历同素异构转变,A4,A3,A2转变(770)居里点(顺磁性与铁磁性转变温度),具
3、有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一,铁的点阵未发生变化，磁性转变不属于相变,相变的温度迟滞,纯铁结晶后的组织,相变的温度迟滞现象,在非平衡的加热和冷却时，相变不在A3发生，加热时在A3以上某一温度发生，冷却是在A3以下某一温度发生。当加热或冷却的速度越大，实际发生相变的临界点偏离A3的温度间隔也愈大。区分非平衡加热或冷却时的临界点与平衡的临界点(A3),分别用下标c，r来标注加热和冷却时实际发生相变的临界点，记作为Ac3和Ar3注意：-Fe的磁性转变没有转变温度迟滞现象,通过结晶形成初生的铁晶粒；经过重结晶（A4相变）后，初生的铁晶粒被改造为铁晶粒；经过又一次重结晶（A3相变）后得
4、到的室温铁晶粒,纯铁结晶过程对应组织变化,2 纯铁的显微组织 单相的Fe,3 工业纯铁的性能 强度低 硬度低 塑性好 铁磁性,4 应用： 仪器仪表用软磁铁芯,1、碳化物（Fe3C）是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为渗碳体。磁性转变温度（居里点）210 渗碳体的机械性能,Fe3C晶胞,渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响.,二、铁的碳化物,2、碳化物（Hagg碳化物） 化学式：Fe2.2C， Fe5C2 具有底心单斜点阵，与Mn5C2同型。 居里点：247 3、碳化物 化学式：Fe2.4C， Fe23C或FexC，亚稳相 密集六
5、角点阵，与Ni3C同型 居里点：3704、碳化物的稳定性 高温： 碳化物 碳化物 低温： 碳化物 碳化物,可转变,临界温 度在230-350之间。 碳化物稳定性最好备注： 碳化物， 碳化物的形成方式 P250,三、铁碳合金中的基本相和基本组织,1 基本组元： Fe、C 2 基本相： 液相、渗碳体、碳化物、铁素体和奥氏体 （1）铁素体：包括铁素体(或 F)和铁素体。相区：相为高温铁素体，是碳在-Fe中的间隙固溶体， 呈体心立方晶格bcc，在1394以上存在，在1495时溶碳量最大，为0.09%. （结合铁碳相图进行分析）相区：相也称铁素体，是碳在-Fe 中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳
6、的固溶度极小，室温时约为0.0008%，在727 时溶碳量最大，为0.0218%。 性能: 强硬度低、塑韧性好、居里点（770 ） 与工业纯铁相同。,L,L+,+, +Fe3C,+Fe3C,L +Fe3C,C,E,S,P,Q,G,K,F,D,B,C%,Fe,J,N,Fe3C,1148,727,912,H,温度,1227 ,（2）奥氏体(或 A ) 相区：是C在面心立方-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格fcc。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148 时溶碳量最大达2.11%。 性能: 强硬度较低；塑性较好, 变形抗力较低；冲压、弯曲等加工变形性好；顺磁性。,（3）渗碳体(Fe3C) 定义： Fe与
7、C形成的金属化合物，含 6.69%C，属于复杂晶系。符号：Cm 性能：强度低；硬度高；无塑性；弱的铁 磁性(230 ), 硬、脆 钢中强化相,渗碳体的鉴别渗碳体硬而脆，硬度为HBW800，（相当于HRC7275）很耐磨；无延展性，强度很低，塑性、韧性几乎为零。渗碳体在钢和铸铁中与其它相共存时，可以呈片状、粒状、网状或板状。渗碳体的特点渗碳体是钢中主要强化相，它的形态、大小及分布对相的性能有很大影响。具有金属特性，定义为金属化合物。渗碳体是一种不稳定的相，在一定条件下，能分解而形成石墨状的自由碳，即Fe3C3Fe十C（石墨）这一分解过程对于研究钢和铸铁具有重大意义。,3 组织,Fe-C合金成分范
8、围宽，相的构成只有三个，但是铁碳合金的性能差别大，原因：相之间具体组合方式不同，或以单相或以混合相存在 不同组织 （1）铁素体(F) （2）奥氏体(A) （3）渗碳体(Fe3C) （4）珠光体(P) ：F Fe3C； 共析反应产物 （5）莱氏体(Ld)：AFe3C；共晶反应产物 （6）变态莱氏体(Ld)：PFe3C,单相组织,两相组织,（又叫低温莱氏体）,FeFe3C相图分析,实际组元： Fe-Fe3C,铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C.,L,L+,+,
9、+Fe3C,+Fe3C,L +Fe3C,C,E,S,P,Q,G,K,F,D,B,C%,Fe,J,N,Fe3C,铁碳相图中点、线、相区及其意义,1148,727,912,H,温度,1227 ,液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：ABCD以上液相区（L）AHNA固溶体区（）NJESGN奥氏体相区（ 或A ）GPQG铁素体相区（或A）DFKL渗碳体相区（Fe3C）,A,C%,Fe,T,H,Fe3C,莱氏体,珠光体,A,C%,Fe,T,H,Fe3C,ES: Acm 线，从中析出Fe3CGS: A3线，是在冷却过程中,由析出的开始线PQ: 碳在相的溶解度曲线,三条重要特征曲线,A,C%,Fe
10、,T,H,Fe3C,J点包晶点 1495 0.17% CC点共晶点 1148 4.3% CS点共析点 727 0.77%,E点的最大溶碳量 2.11% CP点的最大溶碳量 0.0218% C,727,铁碳合金的平衡结晶过程及组织 1 铁碳合金分类,工业纯铁,钢,铸铁,按照铁碳相图，根据碳含量不同分为三大类：,根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型： （1）工业纯铁 Wc0.0218 （2）亚共析钢 Wc=0.02180.77 （3）共析钢 Wc=0.77 （4）过共析钢 Wc=0.772.11 （5）亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 （6）共晶白口铁 Wc=4.3 （7）过共晶白口铁 Wc=4
11、.36.69,工业纯铁,共析钢,过共析钢,亚共晶白口铁,共晶白口铁,过共晶白口铁,亚共析钢,合金 WC= 0.01% 的工业纯铁结晶过程,常温下的组织构成： F+Fe3C (P256),1.工业纯铁的结晶过程,思考：为什么会有三次渗碳体的析出？,合金：共析钢（Wc=0.77%）,常温下的组织构成： P,B,H,不同放大倍数下P的显微组织,计算珠光体中铁素体和渗碳体的相对含量？,6.69,WF=SK/PK =(6.690.77)/(6.690.0218)100% =88.7%W Fe3C = 188.7% = 11.3%,亚共析钢(0.4%C),常温下的组织构成： F先共析 P,L,L,Fe3C
12、,先共析F,P,计算WC=0.4%钢中的组织组成物,W F先 = (0.770.40) / (0.770.0218) 100% = 49.5%WP = 149.5% = 50.5%,先共析F 和 P 的含量？,计算相组成物,WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3%WFe3C = 194.3% = 5.7%,铁素体 和 Fe3C 的含量？,过共析钢( 1.0%C ),L,1.0 0.77 +Fe3C,P +Fe3C,相构成：F+ Fe3C 组织构成： Fe3C+P,Fe3C,P,合金 共晶白口铁,1148发生共晶转变 LC E+ Fe3C,P+ Fe3C,K,合金 亚共晶白口铁 组织构成：P +Fe3C +Ld,合金过共晶白口铁组织构成： Fe3C+ Ld一次渗碳体p255,区别一次渗碳体、二次渗碳体和三次渗碳体（p256）,一次渗碳体： 过共晶白口铸铁在液态结晶时，从铁碳合金液相中析出的渗碳体，称为一次渗碳体。一次渗碳体是从液态中析出的，长大很少受阻，所以一般比较粗大。二次渗碳体Fe3CII 铁碳合金冷却时，从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。二次渗碳体一般沿奥氏体晶界析出，所以一般呈网状分布。三次渗碳体铁碳合金冷却时，从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。由于铁素体溶碳量很低，析出三次渗碳体很少，往往可忽略不计。,
