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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： 高温铁素体（）、 铁素体（）、 奥氏体（）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,1538,1394,9
2、12,-Fe,-Fe,-Fe,液 相,体心立方,体心立方,面心立方,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
3、 铁碳合金中的组元和基本相,相图中的三个重要点,相图中的五个单相(区),相图中的三条水平线,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, 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, 生成E点成分的和Fe3C（莱氏体）。,S点为共析点 727 时, S点成分的发生共析反应, 生成P点成分的和Fe3C（P）。,返回,3.2 Fe-Fe3C相图,返回,3.2 Fe-Fe3C相图,包晶反应：L+,共晶反应：LLe( FeC3+ ),共析反应： P (FeC3+ ),返回,3.2 Fe-Fe3C相图
4、,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,工业纯铁,亚共析钢用途实例,45钢碳含量0.45,60钢碳含量0.60,3.2 Fe-Fe3C相图,共析钢的应用举例,T8钢碳含量 0.80,3.2 Fe-Fe3C相图,过共析钢应用举例,T12 钢碳含量 1.2,返回,3.2 Fe-Fe3C相图,过共析钢,共析钢,亚共析钢,共晶白口铁,亚共晶白口铁,过共晶白口铁,铁碳合金,碳素钢,白口（铸）铁,工业纯铁,0.0218%,0.02182.11%,2.116.69%,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
5、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,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？,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。,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
6、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,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,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,注意事项,从奥氏体中析出的
7、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,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）,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
8、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,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,过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）,共晶相析出Fe3C不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C）,匀晶反应：
9、L Fe3C相,室温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C,碳含量对铁碳合金室温组织的影响,小结,a+Fe3C,a+P,P,P+Fe3C,P+Fe3C+Le,Le,Fe3C+Le,返回,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。,含碳量对铁碳合金力学性能的影响,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Fe3
10、CII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,返回,含碳量对铁碳合金力学性能的影
11、响,一、Si,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,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% M n+SMnO Mn+SMnS,不利作用：引起热脆,S0.050%. 有利作用：提高切削加工性,三、S,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、O,1. 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
12、. 控制方法： N 加入AlAlN H 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；枝晶彼此嵌人，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,End,
