铁碳合金相图及碳素钢幻灯片

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1、1,体心立方晶格,面心立方晶格,体心立方晶格,第五章 铁碳合金相图及碳素钢一铁碳合金中的相与基本组织一 Fe的同素异晶转变及晶格结构,铁的同素异晶转变 金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素异构转变如下所示。,2,碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。 都是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1 铁素体：碳在-

2、Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。,二 铁碳合金中的相,3,2 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,4,3 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零,Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。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

3、式存在。,5,1 珠光体P：珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。其显微组织如图，珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。,图 珠光体的显微组织,三 铁碳合金中的基本组织,6,2 莱氏体Ld 莱氏体在7270C以上，由奥氏体与渗碳体组成的机械混合物，称为高温莱氏体Ld；在7270C以下，该组织转变为由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体Ld。其显微组织如图，其力学性能与渗碳体相似，硬度较高，脆性较大。,图莱氏体的显微组织,7,一 Fe-C相图与Fe-Fe3C相图铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%2.11%的称钢;含碳量为 2.11%6.69

4、%的称铸铁。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。,二 铁碳合金相图,8,铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图所示。,9,10,点：14个 线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：GS,ES,PQ相区：5个单

5、相区，7个两相区，3个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图; 组织图标注:组织组成物标注的相图。,二 Fe-Fe3C相图分析,11,1 特征点,12,13,2 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,14,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,性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。,15, 其它相线

6、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。,16, 三个三相区：即HJB (L+)、ECF(L+ Fe3C)、PSK(+ Fe3C)三条水平线,3 相区 五个单相区： L、Fe3C 七个两相区: L+、L+、L+Fe3C、 +、+Fe3C、+ 、+Fe3C,17,三 铁碳合金结晶过程分析,铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。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 (0.7

7、72.11%C),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),18,19,1 工业纯铁 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 。,20,工业纯铁的结晶过程,21,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。,22,2 共析钢,合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变： SP+Fe3C, 全部转

8、变为珠光体。,23,共析钢的结晶过程,24,珠光体在光镜下呈指纹状.相变结束时，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.具有较高的强度 800Mpa硬度HBS=230,塑性较低12,珠光体,25,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,26,3 亚共析钢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Fe

9、3C结合, 量少, 忽略不计.,27,亚共析钢的结晶过程,28,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：,29,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：,30,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。,含0.45%C钢的组织,含0.20%C钢的组织,含0.60%C钢的组织,31,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Fe

10、3C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S点，余下的 转变为P。,4 过共析钢,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：,32,过共析钢的结晶过程,33,过共析钢组织P+Fe3CII,34,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：,35,5 共晶白口铁,合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Ld),莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状.,36,共晶白口铁的结晶过程,37,在2点, 共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与 Fe3C组

11、成的共晶体称低温莱氏体, 用Ld表示. 2点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。,温度降到2点, 成分达到0.77%, 此时相的相对重量:,C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析Fe3C。 Fe3C与共晶Fe3C 结合，不易分辨。,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:,38,共晶白口铁室温组织为Ld (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：,39,共晶白口铸铁组织Ld,40,6 亚共晶白口铁合金在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。,41,亚共晶白口

12、铁的结晶过程,42,亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Ld。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?,43,亚共晶白口铸铁组织 ： P+Fe3CII+Ld,44,7 过共晶白口铁12点间从液相中析出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Ld。 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+Ld。,45,过共晶白口铁的结晶过程,46,过共晶白口铸件 Fe3CI+Ld1,47,过共晶白口铸铁组织：Fe3C+Ld,48,组织组成物与相组成物标注区别主要在+ Fe3C和+F

13、e3C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。,四 组织组成物在铁碳合金相图上的标注,49,50,五 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 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：,51,2 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Ld,合金太脆.,52,3 含碳量对工艺性能的影响(1) 切削性能: 中碳钢合适(2

14、) 可锻性能: 低碳钢好(3) 焊接性能: 低碳钢好(4) 铸造性能: 共晶合金好(5) 热处理性能: 下册介绍,切削加工的基本形式,车,刨,钻,铣,磨,53,铸造,焊缝组织,模锻,54,六 铁碳合金相图的应用,1）在铸造中的应用。根据相图可以知道各种成分的钢和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合金的凝固温度范围，判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。2）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围。 3）在热处理中的应用。相图反映了不同成分

15、的合金在缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订热处理工艺的依据。,55,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,三 碳素钢,56,一 钢中杂质对钢性能的影响,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。 1、Mn的影响: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用。,2、Si的影响：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：, 强化铁素体； 增加钢液流动性。,57,3、S的影响：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.065%以下.Mn可消除硫的有害作用,FeS + Mn Fe + MnS，MnS熔点高(1600)。,合金晶界的低熔点硫化物共晶,58,4、P的影响：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.,