工程材料及成形工艺基础课件：材料成形基础4 铁碳合金

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1、 简介简介 1. 1.铁碳合金基本相和组织铁碳合金基本相和组织 2. 2.铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 3. 3.铁碳合金成分、组织与性能的关系铁碳合金成分、组织与性能的关系 第第二二节节 铁碳合金相图铁碳合金相图一、二元相图的建立二、二元合金的基本相图三、相图与合金性能之间的关系2.2.1 2.2.1 二元合金相图二元合金相图o合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析进行分析.l相图相图是用来表示合金系中各合金在是用来表示合金系中各合金在缓冷条件缓冷条件下结晶过程的下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。简明图解。又称状态图或平衡图。l合金系：合

2、金系：由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。同成分的合金。l组元：组元：组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。 组元可以是组元可以是单质单质，也可以是，也可以是稳定的化合物稳定的化合物, 如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。l 显微组织：显微组织：实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或 各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。组元组元相相组织组织性能性能形态、尺寸、分布形态、尺寸、分布Fe-C二元相

3、图二元相图三元相图三元相图一、二元相图的建立o几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。o二元相图的建立步骤为：以Cu-Ni合金(白铜)为例1、 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。的临界点（停歇点或转折点）。2、 将临界点标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。3、将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。、将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。l相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。二、二元合金的基本

4、相图l两组元在液态和固态两组元在液态和固态下均无限互溶时所构下均无限互溶时所构成的相图称成的相图称二元匀晶二元匀晶相图相图。 Cu-NiCu-Ni合金相图合金相图1、二元匀晶相图、二元匀晶相图o相图由两条线构成：上面是液相线，下面是固相线。o相图被两条线分为三个相区：液相线以上为液相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ ）。 LL+ 成分成分（wt%Ni）温度温度（）CuNi液相线固相线o 合金的结晶过程o除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以合金为例说明。l当液态金属自高温冷却到当液态金属自高温冷却到 t1温度时，温度时，开始结晶出成分为开始结晶出成分为 1的

5、固溶体，其的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分含量高于合金平均成分L L+ l 随温度下降，固溶体重量增加，液相随温度下降，固溶体重量增加，液相 重量减少。同时，液相成分沿液相线重量减少。同时，液相成分沿液相线 变化，固相成分沿固相线变化。变化，固相成分沿固相线变化。 液固相线不仅是相区分界线液固相线不仅是相区分界线, 也是结晶时两相的成分变化线也是结晶时两相的成分变化线匀晶转变是变温转变匀晶转变是变温转变l 成分变化是通过原子扩散完成的。当成分变化是通过原子扩散完成的。当 合金冷却到合金冷却到t3时，最后一滴时，最后一滴L3成分的成分的 液体也转变为固溶体，此时液体也转变为固溶体，此时固溶体

6、的固溶体的 成分又变回到合金成分成分又变回到合金成分 3上来。上来。o 杠杆定律o处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。o现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：o 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。分垂线。在成分垂线相当于温度在成分垂线相当于温度t 的的o点作点作水平线，其与液固相线交点水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分所对应的成分x1、x2即分别为液即分别为液相和固相的成分。相和固相的成分。12 to则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得l 确定两平衡相的相对量确定两平衡相的相对量l设液相质

7、量百分比为设液相质量百分比为QL，固相质量百分比为，固相质量百分比为Q o合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。离较远的成分线段之比。o在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是杠杆的支点是合金的成分合金的成分，杠杆的端点是杠杆的端点是所求所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分的两平衡相（或两组织组成物）的成分。o杠杆定律只适用于两相区。杠杆定律只适用于两相区。o例例（如图）（如图）o合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。l 枝晶偏析枝晶偏析o实际实际冷速较快冷速较快，结晶时固相中的原子

8、，结晶时固相中的原子来不及扩散来不及扩散，p使使先结晶出先结晶出的枝晶轴含有的枝晶轴含有较多的高熔点元素较多的高熔点元素（如如Cu-Ni合金中的合金中的Ni）, 后结晶后结晶的枝晶间的枝晶间含有较多的含有较多的低熔点元素低熔点元素(如如Cu-Ni合金中的合金中的Cu)。在一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作在一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析枝晶偏析o枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。l扩散退火扩散退火(均匀化退火均匀化退火)：生产上常将铸件加热到固生产上常将铸件加热到固相线以下相线以下100-200长时间保温，以使原子充分扩散、长时

9、间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作。成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作。Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织平衡组织平衡组织枝晶偏析组织枝晶偏析组织2、二元共晶相图、二元共晶相图o当两组元在液态下当两组元在液态下完全互溶，在固态完全互溶，在固态下有限互溶下有限互溶,并发生并发生共晶反应共晶反应时所构成时所构成的相图称作的相图称作共晶相共晶相图图。Pb-Sn合金合金相图相图成分（成分（wt%Sn）温度（温度（）PbSno 相图分析相图分析 相：相：L、 、 ：Sn在在 Pb中的固溶体中的固溶体 ：Pb在在Sn中的固溶体中的固溶体 相区：相区：单相区：单

10、相区： L、 、 ；两相区：两相区： L+ 、L+ 、 + ；三相区：即水平线三相区：即水平线CED（L+ + ）。）。AB 固溶线固溶线: 溶解度点的连线溶解度点的连线 CF、DG线分别为线分别为 Sn在在 Pb中和中和 Pb在在 Sn中的固溶线。中的固溶线。o固溶体的溶解度随温度降低而固溶体的溶解度随温度降低而下降。下降。 液固相线：液相线液固相线：液相线AEB，固相线，固相线ACEDB。A、B分别为分别为Pb、Sn的熔点。的熔点。AB在一定温度下，由一定成分的在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称构都不相同的新固相的转变称

11、作作共晶转变共晶转变或或共晶反应共晶反应。 共晶线：共晶线：CED。o在共晶线对应的温度下（在共晶线对应的温度下（183 ），），E点成分的液相合金同时点成分的液相合金同时结晶出结晶出C点成分的点成分的 固溶体和固溶体和D点成分的点成分的 固溶体，形成这固溶体，形成这两个相的机械混合物：两个相的机械混合物：LE ( C + D)ABo共晶反应的产物，即两相共晶反应的产物，即两相的机械混合物称的机械混合物称共晶体或共晶体或共晶组织共晶组织。发生共晶反应发生共晶反应的温度称的温度称共晶温度共晶温度。代表代表共晶温度和共晶成分的点共晶温度和共晶成分的点称称共晶点共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶

12、体长大示意共晶体长大示意图图 Sn原子原子扩散扩散Pb原子原子扩散扩散o具有共晶成分的合金称具有共晶成分的合金称共晶合金共晶合金。在共晶线上，凡。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金亚共晶合金，位于共，位于共 晶点以右的合金称晶点以右的合金称过过共晶合金。共晶合金。l凡具有共晶线成分的凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶温度时都将发生共晶反应。反应。L+ CDABo 合金的结晶过程合金的结晶过程o 含含Sn量小于量小于C点合金点合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程o在在3点以前为匀晶转变，结晶出单相点以前为匀晶转变，结

13、晶出单相 固溶体，这种直接固溶体，这种直接从从液相中结晶出的固相称液相中结晶出的固相称一次相或初生相一次相或初生相。.2o温度降到温度降到3点以下，点以下， 固溶体中固溶体中Sn过饱和，由于晶格不稳，过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相开始析出（相变过程也称析出）新相 相。由已有固相相。由已有固相析出的新固相称析出的新固相称二次相或次生相二次相或次生相。o形成二次相的过程称形成二次相的过程称二次析出二次析出, 是固态相变的一种。是固态相变的一种。o由于二次相由于二次相析出温度较析出温度较低，一般十低，一般十分细小。分细小。室温下室温下 的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：

14、l由由 析出的二次析出的二次 用用 表示。表示。l随温度下降，随温度下降， 和和 相的成分分别沿相的成分分别沿CF线和线和DG线变线变化，化， 的重量增加的重量增加。o合金室温组织为合金室温组织为 + 。l成分大于成分大于 D点合金结晶点合金结晶过程与过程与合金相似，室合金相似，室温组织为温组织为 + 。ABCDEFGo 共晶合金共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程o液态合金冷却到液态合金冷却到E 点时点时, 发生共晶反应：发生共晶反应：LE ( C+ D) 。19.2wt%Sn温度, 1o析出过程中两相相间形核、析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因互相促进、共同长大，因而共晶组

15、织较细，呈片、而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。棒、点球等形状。共晶组织形态层片状层片状(Al-CuAl2定向凝固定向凝固)条棒状条棒状(Sb-MnSb横截面横截面)螺旋状（螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组织共晶组织形态针针状状共共晶晶树树枝枝状状共共晶晶放放射射状状共共晶晶螺螺旋旋状状共共晶晶o共晶组织中的相称共晶相共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，共晶转变结束时， 和和 相的相对重量百分比为：相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)o共晶结束后，随温度下降，共晶结束后，随温度下降， 和和 的成分分别沿的成分分别沿CF线线和和DG线变化，并从共晶

16、线变化，并从共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中析中析出出 ，由于共晶组织细，由于共晶组织细， 与共晶与共晶 结合，结合， 与共与共晶晶 结合，共晶合金的室温组织仍为结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。共晶体。Pb-Sn共晶合金组织共晶合金组织o 亚共晶合金亚共晶合金(合金合金)的结晶过程的结晶过程o合金液体在合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化点，固相成分变化到到C点，液相成分变化到点，液相成分变化到E点点, 此时此时两相的相对重量为：两相的相对重量为：o在在2点，具有点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：点成分的剩余液体发生共晶

17、反应： L ( + ) ，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等液相重量相等, 即即QE =QLo反应结束后，在共晶温度下反应结束后，在共晶温度下 、 两相的相对重量百分比为：两相的相对重量百分比为：o温度继续下降，将从一次温度继续下降，将从一次 和和共晶共晶 中析出中析出 ，从共晶，从共晶 中中析出析出 。其室温组织为。其室温组织为 + ( + ) + 。亚共晶合亚共晶合金的结晶金的结晶过程过程相对含量？相对含量？ o 过共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程o与亚共晶合金相似，不同的是一与亚共晶合金相似，不同的是一次相为次相为 , 二次相为二

18、次相为 o室温组织为室温组织为 +( + )+ Pb-Sn合金的结晶过程o 组织组成物在相图上的标注组织组成物在相图上的标注o组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。l 和和 , 和和 ,共共晶体晶体( + )都是都是组织组成物。组织组成物。l相与相之间的差别相与相之间的差别主要在结构和成分主要在结构和成分上。上。o组织组成物之间的差别主要在形态上。如组织组成物之间的差别主要在形态上。如 、 和共晶和共晶 的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。不同的组织组成物。o将组织组

19、成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织亚共晶组织组织组成物在相图上的标注3、二元包晶相图、二元包晶相图o当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。o以以Pt-Ag相图为例简要分析相图为例简要分析L+L+L +l 相图分析相图分析l单相区：单相区：L、 、l二相区：二相区：L+ 、 L+ 、 + l三相区：三相区：L+ + （水平线水平线PDC）在一定温度下

20、，由在一定温度下，由一个液相包着一个一个液相包着一个固相生成另一新固固相生成另一新固相的反应称相的反应称包晶转包晶转变变或或包晶反应包晶反应。o水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线与该线成分对应的合金在该温度下发成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：生包晶反应：LC+ P D 。该反应是液相该反应是液相L包着固相包着固相 , 新新相相 在在L与与的界面上形核，的界面上形核，并向并向L和和 两个方向长大。两个方向长大。o 合金的结晶过程合金的结晶过程o 包晶成分合金包晶成分合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。o室温组织为室温组织为 + IIo PD成分合金：匀晶包晶二次析出。o室温组织

21、为 +II+ + II时间温度o DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出o室温组织为 +II。时间温度4、形成稳定化合物的二元相图、形成稳定化合物的二元相图o稳定化合物稳定化合物是指在熔化前不发生分解的化合物是指在熔化前不发生分解的化合物(如如Mg-Si系系的的Mg2Si和和Fe-C系的系的Fe3C) 。其成分固定，在相图中是一其成分固定，在相图中是一条垂线条垂线(代表一个单相区代表一个单相区)。垂足是其垂足是其 成分成分, 顶点是其熔点顶点是其熔点, 结晶结晶过程同纯金属过程同纯金属.l分析这类相图时，分析这类相图时，可把可把稳定化合物当作纯组元稳定化合物当作纯组元看待，看待，将相图分成几个将相

22、图分成几个部分进行分析部分进行分析.Mg2SiMg2Si+SiMg+ Mg2SiSiL+ Mg2SiL+ SiL+ Mg2SiL+ Mgo共共析析转转变变也也是是固固态态相变。相变。o最最常常见见的的共共析析转转变变是是铁铁碳碳合合金金中中的的珠珠光体转变光体转变: S P+ Fe3C 5、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图l共共析析反反应应(共共析析转转变变)是是指指在在一一定定温温度度下下，由由一一定定成成分分的的固固相相同同时时析析出出两两个个成成分分和和结结构构完完全全不不同同的的新新固固相的过程。相的过程。( 奥氏体，奥氏体， 铁素体，铁素体，Fe3C渗碳渗碳体体)铁碳合

23、金相图铁碳合金相图o共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体渗碳体)。l与共晶反应不同的是，与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，共析反应的母相是固相，而不是液相。而不是液相。l另外，由于固态转变另外，由于固态转变过过冷度大冷度大，因而共析组织，因而共析组织比共晶组织比共晶组织细细。珠光体珠光体o铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。o含碳量为0.0218% 2.11%的称钢o含碳量为 2.11% 6.69%的称铸铁。2.2.2 2.2.2 铁碳合金相图铁

24、碳合金相图 碳钢碳钢和和铸铁铸铁都是铁碳合金，是目前最主要应用都是铁碳合金，是目前最主要应用的金属材料。的金属材料。 铁碳相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与铁碳相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加掌握铁碳相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制定以及产品的质量分析等都有十分重要的意工工艺的制定以及产品的质量分析等都有十分重要的意义。义。 铁与碳可以形成铁与碳可以形成FeFe3 3C C，FeFe2 2C C，FeCFeC等多种稳定化等多种稳定化合物，因此，铁碳相图可以分成四个独立的区域。合物，因此，铁碳相图可以分成四个独立的区域。 含

25、碳量大于含碳量大于6.696.69的铁碳合金在工业上没有应的铁碳合金在工业上没有应用价值，所以在研究铁碳合金时，仅研究用价值，所以在研究铁碳合金时，仅研究Fe-FeFe-Fe3 3C C部分。部分。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体渗碳体（FeFe3 3C C）和）和石墨石墨。在通常情况下，碳以渗碳体形式存在，。在通常情况下，碳以渗碳体形式存在，即铁碳合金按即铁碳合金按Fe-FeFe-Fe3 3C C系转变。系转变。 渗碳体渗碳体(Fe(Fe3 3C) C) 渗碳体具有很高的硬度，约渗碳体具有很高的硬度，约800HB800HB，但塑性很差，延伸率接近于零。，但

26、塑性很差，延伸率接近于零。根据理论计算，渗碳体的熔点为根据理论计算，渗碳体的熔点为12271227。230230以上铁磁性消失，此温度为滲碳以上铁磁性消失，此温度为滲碳体的磁性转变温度，称为体的磁性转变温度，称为A A0 0转变。转变。 铁与碳形成的间隙化合物，具有正交结构，可用符号铁与碳形成的间隙化合物，具有正交结构，可用符号C Cm m表示。渗碳体表示。渗碳体属于正交晶系，属于正交晶系，a=0.4515nma=0.4515nm，b=0.5077nmb=0.5077nm，c=0.6726nmc=0.6726nm，其中含有，其中含有1212个铁原个铁原子和子和4 4个碳原子。渗碳体的碳含量为个

27、碳原子。渗碳体的碳含量为6.69%6.69%。 渗碳体是一个亚稳相，如在高温长时间加热，就要分解渗碳体是一个亚稳相，如在高温长时间加热，就要分解为铁为铁( (实际上是以铁为基的固溶体实际上是以铁为基的固溶体) )和石墨。在钢中，当碳从铁基和石墨。在钢中，当碳从铁基固溶体（奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而固溶体（奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而不是石墨。是由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石不是石墨。是由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石墨时所需的扩散距离短得多。墨时所需的扩散距离短得多。 渗碳体一旦形成，在较低温度下，它的分解速率是很慢渗碳体一旦

28、形成，在较低温度下，它的分解速率是很慢的，因此，在大多数情况下，我们只考虑铁碳亚稳定系相图，即的，因此，在大多数情况下，我们只考虑铁碳亚稳定系相图，即Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。但应注意，渗碳体分解的快慢与钢中是否含有其它相图。但应注意，渗碳体分解的快慢与钢中是否含有其它元素有密切的关系。元素有密切的关系。一、铁碳合金的组元和相o碳在-Fe中的固溶体称 -铁素体，用 表示。 o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%。o铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元

29、：组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 o 奥氏体:o碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。o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%。l组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶界较直。强度低、塑性好，强度低、塑性好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体o 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。oFe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大

30、, 塑性几乎为零lFe3C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。l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。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体二、二、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图分析相图分析1 1、 相图中的点、线、区相图中的点、线、区FeFeFeFe3 3C CSQPNKJHGFEDCBA+ + FeFe3 3C C+L+L+ + L+ L+ L LL+ L+ FeFe3 3C C+ + FeFe3 3C CC%温温度度2 2、 包晶转变（水平线包晶转变（水平线HJBHJ

31、B） 在在14951495的恒温下，成分为的恒温下，成分为0.53%C0.53%C的液相和成分为的液相和成分为0.09%C0.09%C的的相发生相发生包晶反应包晶反应，形成成分为，形成成分为0.17%C0.17%C的的相，其反应式为：相，其反应式为： 包晶反应时，包晶反应时，相沿相沿相与液相的界面生核，并向相与液相的界面生核，并向相和液相两个相和液相两个方向长大。包晶反应终了时，方向长大。包晶反应终了时，相与液相同时耗尽，变为单相相与液相同时耗尽，变为单相。 0.090.17%0.090.17%之间的合金，由于之间的合金，由于相的量较相的量较多多，包晶反应结束后，液，包晶反应结束后，液相耗尽，

32、相耗尽，相有剩余相有剩余。相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成相在随后的冷却过程中，通过同素异晶转变而变成相相。 0.170.53%0.170.53%之间的合金，由于之间的合金，由于反应前反应前相较相较少少，液相较多，所以反应，液相较多，所以反应后，后，L L相有剩余相有剩余，L L相在随后冷却过程中相在随后冷却过程中结晶成结晶成相。相。 0.09%0.09%的合金，按匀晶转变为的合金，按匀晶转变为相之后，继续冷却时发生固溶体的同素异相之后，继续冷却时发生固溶体的同素异晶转变为单相晶转变为单相。 含碳量在含碳量在0.532.11%0.532.11%之间的合金，之间的合金，按匀晶转变凝固

33、后，组织也是单相按匀晶转变凝固后，组织也是单相。 3 3、 共晶转变（水平线共晶转变（水平线ECFECF） 共晶转变是在共晶转变是在11481148的恒温下，由的恒温下，由4.3%C4.3%C的液相转变为的液相转变为2.11%C2.11%C的的和和C Cm m组成组成的混合物。的混合物。其反应式为：其反应式为： 共晶转变形成的共晶转变形成的和和C Cm m的混合物，称为的混合物，称为莱氏体莱氏体，以符号，以符号L Ld d表示。表示。 莱氏体中，莱氏体中，C Cm m是连续是连续分布的相，分布的相，相呈颗粒状相呈颗粒状分布在渗碳体基体上。分布在渗碳体基体上。 由于渗碳体很脆，由于渗碳体很脆，所

34、以莱氏体是塑性很差的所以莱氏体是塑性很差的组织。组织。4 4、 共析转变（水平线共析转变（水平线PSKPSK） 共析转变是在共析转变是在727727的恒温下，由的恒温下，由0.77%C0.77%C的的相转变为相转变为0.0218%C0.0218%C的的和和6.696.69C C的渗碳体组成的混合物。的渗碳体组成的混合物。其反应式为：其反应式为： 共析转变的产物称为共析转变的产物称为珠光体珠光体，用符号，用符号P P表示。共析转变的水平线表示。共析转变的水平线PSKPSK，称为共析线或共，称为共析线或共析温度，常用析温度，常用A A1 1表示。表示。 经共析转变形成的珠光体是层片状的，经共析转变

35、形成的珠光体是层片状的，其中渗碳体和铁素体含量的比值为其中渗碳体和铁素体含量的比值为w wFe3CFe3C/w/wF F1/81/8。如果忽略铁素体和渗碳体比容上的微小差别，则铁如果忽略铁素体和渗碳体比容上的微小差别，则铁素体的体积是渗碳体的素体的体积是渗碳体的8 8倍。倍。5 5、 三条重要的特性曲线三条重要的特性曲线 GSGS线，又称为线，又称为A A3 3线。线。冷却过程中，由冷却过程中，由A A析出析出 F F 的开始线。的开始线。在加热过程中，在加热过程中，F F 溶入溶入A A的终了线。的终了线。 GSGS线由线由G G点演变而来，随含碳量的增加，使点演变而来，随含碳量的增加，使A

36、 A向向 F F 的同素异晶转变温度逐渐降低。的同素异晶转变温度逐渐降低。 ESES线，也叫线，也叫A ACmCm线。线。 碳在碳在A A中的溶解度曲线，当温度低于此曲线中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，就要从时，就要从A A中析出次生渗碳体，常称为二次渗碳体，中析出次生渗碳体，常称为二次渗碳体，因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线。因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线。 PQPQ线，碳在线，碳在F F中的中的溶解度曲线溶解度曲线。 F F 的最大溶碳量于的最大溶碳量于727727时达到最大值时达到最大值0.0218%C0.0218%C。随温度。随温度，F F 中的溶碳量逐渐中的溶碳量逐渐，

37、在，在300300以下，溶碳量以下，溶碳量0.001%C0.001%C。当。当 F F从从727727冷却下来冷却下来时，要从时，要从 F F 中析出渗碳体，称为中析出渗碳体，称为三次渗碳体三次渗碳体。三、铁碳合金的平衡结晶过程及组织三、铁碳合金的平衡结晶过程及组织 铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程，铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程，目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。 根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种类型： 通常按有无通

38、常按有无共晶转变共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量2.11%2.11%的为的为碳钢碳钢，含碳量，含碳量2.11%2.11%的为的为铸铁铸铁。含碳量。含碳量0.0218%0.0218%的为的为工业纯铁工业纯铁。按按Fe-FeFe-Fe3 3C C系结晶的铸铁，系结晶的铸铁，碳以碳以FeFe3 3C C的形式存在，断口呈白亮色，称为的形式存在，断口呈白亮色，称为白口白口铸铁。铸铁。工工 业业 纯纯 铁：铁： 0.0218%C0.0218%C； 共共 析析 钢：钢： 0.77 %C0.77 %C； 亚亚 共共 析析 钢：钢： 0.02180.77

39、 %C0.02180.77 %C； 过过 共共 析析 钢：钢： 0.772.11 %C0.772.11 %C； 共共 晶晶 白白 口口 铁：铁： 4.30 %C4.30 %C； 亚共晶白口铁：亚共晶白口铁： 2.114.30 %C2.114.30 %C； 过共晶白口铁：过共晶白口铁： 4.306.69 %C4.306.69 %C。K1. 1. 工业纯铁的平衡结晶过程及组织工业纯铁的平衡结晶过程及组织L 匀晶转变匀晶转变 LL固溶体固溶体同素异晶转变同素异晶转变， 晶核常晶核常优先在优先在相界上相界上形成并长大形成并长大形成单相形成单相单相单相 降温降温 时无变化时无变化冷至冷至5 5点，同素异

40、点，同素异晶转变晶转变， 也是在也是在晶界优晶界优先形核后长大。先形核后长大。形成单相形成单相冷至冷至7 7点，碳在点，碳在F F中的中的溶解度达到饱和，渗溶解度达到饱和，渗碳体将从碳体将从F F中析出，中析出，在缓慢的冷却条件下，在缓慢的冷却条件下，渗碳体常沿渗碳体常沿F F晶界呈晶界呈片状析出。片状析出。 FeFe3 3C C工业纯铁的结晶过程 工业纯铁工业纯铁工业纯铁的室温工业纯铁的室温组织组织组成物为：铁素体加三次滲碳体（组成物为：铁素体加三次滲碳体（F+FeF+Fe3 3C C） 相相组成物为：组成物为： + Fe + Fe3 3C C室温时，三次滲碳体的最大析出量是含碳室温时，三次

41、滲碳体的最大析出量是含碳0.0218的铁碳合金，其含的铁碳合金，其含量可用杠杆定律求出：量可用杠杆定律求出： Fe3C的量极少，若忽略三次的量极少，若忽略三次滲碳体，则工业纯铁的室温组织全滲碳体，则工业纯铁的室温组织全为铁素体。为铁素体。K 1 1点以上合点以上合 金为液相金为液相按匀晶转变成按匀晶转变成奥氏体奥氏体不发生变化不发生变化727727恒温恒温 转变产物转变产物 P P（共析（共析滲碳体滲碳体+ + ），随后），随后 FeFe3 3C C，与共析滲碳体连在一起，与共析滲碳体连在一起，且数量少，显微镜下难以分辨，且数量少，显微镜下难以分辨，对组织和性能影响不大。对组织和性能影响不大。

42、2. 2. 共析钢（共析钢（0.77%C0.77%C）共析钢的结晶过程共析钢室温共析钢室温组织组织组成物为：全部珠光体组成物为：全部珠光体 相相组成物为：组成物为： + Fe3C相相组成物的相对含量为：组成物的相对含量为： 共析钢的室温金相组织 K匀晶转变匀晶转变 L3. 3. 亚共析钢（亚共析钢（0.40%C0.40%C）14951495液相剩余液相剩余 LB+HJ 剩余液相剩余液相 LL温度降至温度降至3 3点，点，得单相得单相。降。降温时不变化。温时不变化。单相单相冷却冷却时析出时析出 727727S SP P+Fe+Fe3 3C C 形成形成P P 先共析先共析F F和和P P中中的的

43、F F都将析出都将析出三次渗碳体，三次渗碳体，但其数量很少，但其数量很少，可忽略不计。可忽略不计。亚共析钢的结晶过程 亚共析钢的室温金相组织 通常把共析转变前从通常把共析转变前从A A中析出的中析出的F F，称先共析，称先共析F F。 亚共析钢亚共析钢室温室温组织组织组成物组成物为：先共析铁素体和珠光体为：先共析铁素体和珠光体 相相组成物为：组成物为： + Fe3C近似估计含碳量：近似估计含碳量：W WC CPP0.80.8K4. 4. 过共析钢（过共析钢（1.2%C1.2%C）S SP P+Fe+Fe3 3C C 形成形成P P 727727Fe3CP P与与ES相遇相遇Fe3CFe3C匀晶

44、转变匀晶转变 LL单相单相 降温降温 时无变化时无变化继续冷却时，继续冷却时，P中的中的 F会析会析出三次渗碳体，出三次渗碳体，因析出量较少因析出量较少可忽略不计。可忽略不计。过共析钢的结晶过程 过共析钢室温金相组织 过共析钢室温过共析钢室温组织组织组成物为：珠光体和二次渗碳体组成物为：珠光体和二次渗碳体 在过共析钢中，二次渗碳体的数量在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中含碳量增加而增加。当含碳量达到随钢中含碳量增加而增加。当含碳量达到2.11%时，二次渗碳体的数量达到最大时，二次渗碳体的数量达到最大值，其含量可用杠杆定律求出值，其含量可用杠杆定律求出相相组成物为：组成物为： + Fe3C工业

45、纯铁工业纯铁亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢K液相液相5. 5. 共晶白口铁（共晶白口铁（4.30%C4.30%C） 11481148L LC CE E+Fe+Fe3 3C CF F L Ld d FeFe3 3C C依附在共晶渗碳依附在共晶渗碳体难以分辨体难以分辨 727727+Fe+Fe3 3C CL Ld d 室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体）室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体） 。室温。室温莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组成物发生莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组成物发生了改变。了改

46、变。 共晶白口铁共晶白口铁共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：室温相组成物为：室温相组成物为： + Fe3CK6. 6. 亚共晶白口铁（亚共晶白口铁（3.0%C3.0%C）匀晶转变匀晶转变 LL 11481148L LC CE E+Fe+Fe3 3C CF F FeFe3 3C C 先共晶先共晶 共晶共晶 727727+Fe+Fe3 3C C亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁亚共晶白口铁 黑色树枝状的是由先共晶奥黑色树枝状的是由先共晶奥氏体转变成的氏体转变成的P，周围白色部分是，周围白色部分是由先共晶奥氏体中析出的二次渗碳由先共晶奥氏体中析出的二次渗碳体

47、，其余部分为低温莱氏体。体，其余部分为低温莱氏体。亚共晶白口铁室温亚共晶白口铁室温组织组织为：为：P+Fe3C+Ld W WP P59.459.413.4% = 46%13.4% = 46%室温室温相相组成物为：组成物为： + Fe3C7. 7. 过共晶白口铁（过共晶白口铁（5.0%C5.0%C）KLFeLFe3 3C C FeFe3 3C C 11481148L LC CE E+Fe+Fe3 3C CF F Fe3C 2 2 2 2点以下点以下共晶共晶FeFe3 3C C 727727+Fe+Fe3 3C CFe3C过共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁室温过共晶白口铁室温组织组织为：为：Fe

48、3C+Ld 室温室温相相组成物为：组成物为： + Fe3C过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁共晶白口铁共晶白口铁SQPNJHGECBAL+L+ + L+ L+ LL+ L+ FeFe3 3C CC%温温度度A+FFAA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLdLd+ Fe3CLd+ Fe3CLdP+ Fe3C+LdP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CKDF四、含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响四、含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响A+ Fe3CP+ Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3

49、CA+ Fe3C+LeLdLe+ Fe3CLe+ Fe3CLdP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温温度度1. 1. 对平衡组织的影响对平衡组织的影响相组成：相组成： + Fe + Fe3 3C C 。随碳含量增加，。随碳含量增加， ， FeFe3 3CC 随碳含量增加，铁碳合金组织变化为：随碳含量增加，铁碳合金组织变化为：F (F+FeF (F+Fe3 3C C ) F+P P ) F+P P P+FeP+Fe3 3C C P+Fe P+Fe3 3C C+L+Ld d L Ld d L Ld d+Fe+Fe3 3C CI I FeFe3 3C C0 0100100C%

50、00.772.114.30.0218FPLdFe3CFe3C100C%6.69成分变化成分变化 不同性质结晶过程不同性质结晶过程 相发生变化相发生变化 组织变化组织变化同一种相，生成条件不同，形态可有很大变化。同一种相，生成条件不同，形态可有很大变化。铁素体：铁素体： 一般为块状。一般为块状。 +Fe+Fe3 3C C 与与C Cm m相互制约，呈交替层片状。相互制约，呈交替层片状。渗碳体：生成条件不同，形态变化较复杂，铁碳合金的组渗碳体：生成条件不同，形态变化较复杂，铁碳合金的组织变化主要由它引起。织变化主要由它引起。 LFeLFe3 3C C 一次滲碳体，呈规则长条状。一次滲碳体，呈规则长

51、条状。 FeFe3 3C C 二次滲碳体，呈二次滲碳体，呈网状分布于奥网状分布于奥氏体晶界。氏体晶界。 FeFe3 3C C 三次滲碳体，三次滲碳体，沿晶界呈小片状分沿晶界呈小片状分布。布。 L+FeL+Fe3 3C C 共晶滲碳体，共晶滲碳体，为连续的基体，较为连续的基体，较粗大，有时呈鱼骨状。粗大，有时呈鱼骨状。o 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响o亚共析钢随含碳量增加，亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9

52、%C，Fe3C为晶界连续为晶界连续网状，强度下降网状，强度下降, 但硬度仍上但硬度仍上升。升。l2.11%C，组织中有以组织中有以Fe3C为基的为基的Ld,合金太脆合金太脆.o 含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响o 切削性能: 中碳钢合适o 可锻性能: 低碳钢好o 焊接性能: 低碳钢好o 铸造性能: 共晶合金好o 热处理性能: 第六章介绍铸铸造造焊焊缝缝组组织织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨10钢钢200 mm20钢钢50.0 mm30钢钢50.0 mm45钢钢50.0 mm70钢钢20.0 mm共析钢共析钢20.0 mm共析钢共析钢10.0 mm过共析钢过共析钢50.0 mm课后作业课后作业o作业作业1邮箱：邮箱： cumt_ 密码：密码：jdxy2014