工程材料成型与技术基础第五节

机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图上次课重点内容复习本次课的主要内容1、合金的有关概念：合金、组元、相、组织等；2、合金的基本相：固溶体、金属化合物、机械混合物；3、二元合金相图的建立及其分析；4、铁碳合金的基本相与性能。1、铁碳合金相图分析；2、含碳量与铁碳合金组织及性能的关系；3、铁碳合金相图的应用机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图铁和碳是钢铁中两个最基本的元素，故称为铁碳合金。在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元。因此一般所说的铁碳合金相图，实际上是指铁一渗碳体(Fe—Fe3C)相图，如图2-20所示为简化图。(熟练掌握)二、铁碳合金相图纯铁的晶体结构：1538OC以上（L），1538OC—1394OC（体心立方δFe）,1394OC-912OC(面心立方γFe),912OC以下体心立方α-Fe。机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图1、相图分析1)铁碳合金相图中的特征点：机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图2)铁碳合金相图中的特征线：图2-20Fe-Fe3C相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变组成。（1）ACD线为液相线，AECF线为固相线。（2）在ECF水平线(1148℃)发生共晶转变LC↔γE+Fe3C，其转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体。碳的质量分数为2．11％～6．69％的铁碳合金都发生这种转变。(3)在PSK水平线(727℃)发生共析转变γS↔αP+Fe3C，其转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。所有碳质量分数超过0．02％的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度常标为A1温度。机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图Fe-Fe3C相图中三条重要的固态转变线(1)GS线——奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称此温度为A3温度。(2)ES线——碳在奥氏体中的溶解限度线。此温度常称ACM温度。低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。(3)PQ线——碳在铁素体中的溶解度线。在727℃，碳在铁素体中的最大溶解度为0．0218％，因此，铁素体从727℃冷却下来时，也将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CIII。3)铁碳合金相图中的相区：相图中有F、A、L和Fe3C四个单相区，以及由这四个单相区组成的两相区构成。机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图2、典型铁碳合金结晶过程（1）铁碳合金分类铁碳合金状态图上的各种合金，按其含碳量和常温组织的不同，一般可分为下列三类：1）工业纯铁(0.02％C)：常温组织为F。2）钢(0.008－2.06％C)其中又分为：亚共析钢(0.008～0.8％C)常温组织为F+P；共析钢(0.8％C)常温组织为P；过共析钢(0.8％～2.06％C)常温组织为P+Fe3CII。3）生铁(2.06～6.67％C)其中又分为：亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)常温组织为P+Fe3Cll+L’i＋(P+Fe3CII+Fe3C)共晶白口铁(4.3％C)常温组织为以(P+Fe3CIl+Fe3C)；过共晶白口铁(4.3~6.67％C)常温组织为L’i＋(P+Fe3CII+Fe3C)+Fe3CI。机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图（２）几种典型铁碳合金结晶过程分析机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图1）共析钢的结晶过程含碳量为0.77％的铁碳合金(图２-２０中合金①)的结晶过程该合金在1点以上温度时，全部为成分均匀的液体，缓慢冷却，温度降到1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量不断增加，直至2点，液体全部结晶成奥氏体，2点以下到S点以上为奥氏体的冷却，没有组织变化，当温度下降到S点(727℃)时，奥氏体发生共析反应，全部转变成珠光体，3点以下至室温，组织基本上不再变化，而仅为珠光体的冷却。这种含碳量为0.77的铁碳合金叫共析钢，共析钢的常温组织为珠光体。其组织转变过程如图２-２１所示。组织特征图图2-21组织转变过程机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图图2-22共析钢组织金相图机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图2）亚共析钢的结晶过程分析含碳量为0.008～0.77％的铁碳合金②的结晶过程开始阶段合金的结晶过程与合金①)类似，当冷却到3点(即GS线上的点)时，便从均匀的奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的下降，铁素体量逐渐增多，未转变的奥氏体中的含碳量沿GS线逐渐增加，即趋近于s点的成分，当温度降至4点(727℃)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量增至O.77％，因此发生共析反应转变为珠光体，4点以下再继续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量0.77％的铁碳合金叫亚共析钢，所有亚共析钢常温时的组织都是由铁素体和珠光体组成，不过因含碳量的不同两者的相对量不同，含碳量愈高，组织中的珠光体量愈多，而铁素体量愈少。亚共析钢的组织转变如图２-２３。图2-23亚共析钢组织转变过程机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图图2-24亚共析钢组织金相图机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图3）过共析钢的结晶过程分析铁碳合金③的结晶开始阶段合金Ⅲ的结晶过程与合金Ｉ、Ⅱ类似，当合金冷到2点以下，便为单一的奥氏体，2点以下到3点以上为奥氏体的冷却，温度降到3点(即ES线上的点)时，由于温度下降奥氏体的溶碳能力降低，便开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，温度继续下降，在二次渗碳体不断析出的同时，剩余的奥氏体的含碳量沿ES线逐渐减少，温度降到4点(727℃)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量已降至0.77％，因而发生共析反应转变为珠光体，共析反应结束后，合金由珠光体和二次渗碳体组成，4点以下再继续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量O.77～2.06％的铁碳合金叫过共析钢，所有过共析钢常温时的组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。组织转变如图２-２５。图中白色为渗碳体，片状为珠光体图2-25过共析钢组织转变过程机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图图2-26过共析钢组织金相图机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图4）共晶白口铁的结晶过程分析第四节铁碳合金相图含碳量为4.3％的铁碳合金④在C点以上是液体，温度降到C点(1147℃)时，在恒温下发生共晶反应，全部液体均转变为莱氏体，在继续冷却的过程中，莱氏体内奥氏体的含碳量沿ES线逐渐减少的同时，不断析出二次渗碳体.冷却到PSK线上2点(727℃)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量已降到0.77％，因而发生共析反应，转变成珠光体。室温时的组织为珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体，称为低温或变态莱氏体。将这种含碳量为4.3%的铁碳合金叫做共晶白口铁。常温组织为变态莱氏体，可表示为Le‘(P+Fe3CⅡ+Fe3C)。共晶生铁的组织转变如图2-27共晶白口铁的室温组织图2-27共晶生铁的组织转变机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图共晶白口铁组织金相图机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图5）亚共晶白口铁的结晶过程分析图2-20中的合金V是碳质量分数在2．11％-4.3％的亚共晶白口铁。当亚共晶白口铁冷却到l点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE变化，而剩余液相量逐渐减少，其成分沿液相线AC变化。当冷却到与共晶线ECF相交于2点温度时，已结晶的奥氏体碳质量分数为2．11％，液相的碳质量分数正好为共晶成分(WC=4．3％)，因此，剩余的液相就发生共晶转变形成莱氏体。在2到3点之间冷却时，与共晶白口铁相同，奥氏体中不断析出二次渗碳体。到3点温度，奥氏体的碳质量分数正好是0．77％，故发生共析转变，形成珠光体。亚共晶白口铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。图2-28为其结晶过程示意图，图2-30a为其室温显微组织。机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图亚共晶白口铸铁的室温显微组织机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图6）过共晶白口铁的结晶过程分析图2-20中的合金VI是碳质量分数在4.3％-6．69％C的过共晶白口铁。冷却到1点温度时，液相中开始结晶出一次渗碳体。随着温度的下降，结晶出的渗碳体量不断增加，剩余的液相量逐渐减少，其成分沿液相线DC变化。当冷却到与共晶线ECF相交于2点的温度时，液相的碳质量分数正好为共晶成分，因此，剩余的液相就发生共晶转变形成莱氏体。在2到3点间冷却时，奥氏体中同样要析出二次渗碳体，并在3点的温度，奥氏体发生共析转变形成珠光体。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体，如图2-30c；结晶过程见示意图2-29。过共晶白口铸铁的室温组织图中亮白色板条状的为一次渗碳体，基体为低温莱氏体机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图过共晶白口铁组织金相图图中亮白色板条状的为一次渗碳体，基体为低温莱氏体机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图三、含碳量与铁碳合金的组织、性能的关系1．碳质量分数与平衡组织之间的关系从以上分析的结果可以看出，不同碳质量分数的铁碳合金其室温组织是不同的。工业纯铁C﹤0.0218%（F+Fe3CIII）→亚共析钢(F+P)→共析钢(P)→过共析钢(P+Fe3CII)→亚共晶白口铁（P+Fe3CII+L’d）→共晶白口铁（L’d）→过共晶白口铁（Fe3CI+L’d）→Fe3C（C=6.69%）在平衡条件下，碳质量分数与铁碳合金的组织组成及相组成物之间的定量关系，可归纳总结于下图中。提高铁碳合金中的碳含量，不仅增加组织中渗碳体的相对量，而且渗碳体的形态和分布情况也有所变化。因此，铁碳合金中的碳质量分数对铁碳合金的性能影响很大。机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图2．碳含量对力学性能的影响图2-31为碳含量对碳钢的力学性能的影响。当钢的碳含量小于0.9％时，随着钢中碳含量的增加，钢的强度、硬度直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中碳含量大于0.9％时，因网状渗碳体的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的碳质量分数一般都不超过1.3％-1.4％。碳含量大于2.11％的白口铁中存在较多的渗碳体，在性能上显得特别硬而脆，难以切削加工，因此在机械制造业中很少应用。图2-31钢的成分对组织、力学性能的影响机械工程学院李硕第二章金属与合金的晶体结构和二元相图第四节铁碳合金相图四、铁碳相图的应用1．在选材方面的应用(熟练掌握)Fe-Fe3C相图总结了铁碳合金的组织、性能随成分变化的规律，因此在选择材料时，Fe-Fe3C相图就成为很重要的工具。例如，一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于0．25％的低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.3％~0.55％的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.6％~0.85％的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.7％~0.9％的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.0％~1.3％