工程材料-过控-2-铁碳合金的结构和相图

工程材料海洋科学与技术学院贾非DalianUniversityofTechnology第2章铁碳合金的结构和相图20:17主要内容Fe-Fe3C合金相图分析铁碳合金相图中的基本相Fe-Fe3C合金相图铁碳合金的结晶过程及组织共析钢亚共析钢过共析钢铁碳合金性能与成分、组织的关系合金性能与相图的关系Fe-Fe3C合金相图的应用20:17•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%的称铸铁。铁碳合金•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。铁碳合金相图铁碳合金相图中的基本相•碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ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0.008%。•铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉相⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。铁碳合金相图分析•⑵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。奥氏体铁碳合金相图中的基本相•⑶渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。•Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),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：Fe3C→3Fe+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或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体铁碳合金相图中的基本相•⒈相图中特征点的温度和含碳量⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++铁碳合金相图•⒉特征线•⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD•⑵三条水平线：•HJB：包晶线LB+δH⇄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Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体铁碳合金相图•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。L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C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。珠光体铁碳合金相图•⑶其它相线•GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。•HN,JN—δ⇄固溶体转变线，•ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。•PQ—碳在-Fe中的固溶线。铁碳合金相图•⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线⒊相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C铁碳合金相图•⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相•①亚共析钢(0.0218~0.77%C)•②共析钢(0.77%C)•③过共析钢(0.77~2.11%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁典型铁碳合金的结晶过程及组织•⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好,硬而脆•①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)•②共晶白口铸铁(4.3%C)•③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)典型铁碳合金的结晶过程及组织•㈠工业纯铁的结晶过程•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。NSJBHL+++典型铁碳合金的结晶过程及组织随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。•室温下Fe3CⅢ最大量为:%3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFeQ从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。典型铁碳合金的结晶过程及组织•㈡共析钢的结晶过程合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：S⇄P+Fe3C,全部转变为珠光体。典型铁碳合金的结晶过程及组织•珠光体在光镜下呈指纹状.•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Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.%2.11%8.88%100,%8.880218.069.677.069.6CFe3QPKSKQ珠光体Q共析钢的结晶过程•室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？%5.11%5.88%100%5.880008.069.677.069.64CFe3QQLLQQ43219共析钢的结晶过程•㈢亚共析钢的结晶过程•0.09~0.53%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Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.典型铁碳合金的结晶过程及组织•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：%1005%,10053PKKQPKPQCFe组织组成物的相对重量为：%1005，%1005PSSQPSPQPS’亚共析钢的结晶过程•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：CFeCFeQQLLQCQLQQ33%1006%1000008.069.60008.06PPQQSSQCQSQQ%100''6%,1000008.077.00008.0'6S’亚共析钢的结晶过程•亚共析钢室温下的组织为F+P。•在0.0218~0.77%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钢的组织亚共析钢的结晶过程•㈣过共析钢的结晶过程•合金在1~2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Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，成分沿ES线变化到S点，余下的转变为P。在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？典型铁碳合金的结晶过程及组织•过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。•Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：%6.22%10077.069.677.011.23IICFeQ含1.4%C钢的组织过共析钢的结晶过程•室温下两相的相对重量百分比：QQLQQCQLLQCFe%1005%1000008.069.669.653室温下两组织组成物的相对重量百分比：PCFePQLSSQCLSLQⅡ%100'5'%,10077.069.669.6'53亚共析钢的结晶过程•㈤共晶白口铁的结晶过程•合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.Fe3C典型铁碳合金的结晶过程及组织•共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%8.47，%2.52%10011.269.63.469.63CFeQQC点以下,成分沿ES线变化，共晶将析出Fe3CⅡ。Fe3CⅡ与共晶Fe3C结合，不易分辨。1’2Fe3C共晶白口铁的结晶过程•温度降到2点,成分达到0.77%,此时,相的相对重量:在2点,共晶发生共析反应，转变为珠光体，这种由%6.59，%4.40%10077.069.63.469.63CFeQQP与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Le’表示.2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。S共晶白口铁的结晶过程•共晶白口铁室温组织为Le’(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：%3.64%7.35%100%7.35%1000008.069.63.469.63CFeQQ共晶白口铁的结晶过程•㈥亚共晶白口铁的结晶过程•合金在1~2点间析出。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。2~3点间从中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶衬托出来。到3点，转变为P。典型铁碳合金的结晶过程及组织•亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。•室温下组织组成物相对重量百分比为：IIIICFeLeCFeLeLeQQQECCQECEQQ33''%10077.069.677.011.222ECFD1234N室温下相的相对重量百分比?亚共晶白口铁的结晶过程•㈦过共晶白口铁的结晶过程•1~2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ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Le。典型铁碳合金的结晶过程及组织•组织组成物与相组成物标注区别主要在+Fe3C和+Fe3C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。㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注+Fe3C+Fe3C典型合金的平衡结晶过程FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度•合金性能与相图的关系•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：钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体铁碳合金性能与成分、组织的关系•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,。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Le’,合金太脆.典型合金的平衡结晶过程•钢铁选材的成分依据•①要求塑性和韧性较好型钢和容器：一般选用低碳钢（含碳量为0.1%~0.25%）•②要求塑性和强度较好:轴类零件：一般选用中碳钢（含碳量为0.25%~0.6%）低碳钢好•③要求硬度和耐磨性较好工具和模具：一般选用高碳钢（含碳量为0.6%~1.3%）铁碳合金相图的应用•含碳量对工艺性能的影响•①切削性能:中碳钢合适•②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:铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨铁碳合金相图的应用课后作业2P29：习题和思考题1、2、5、6、7、8。20:1720:17