铁碳合金相图分析

第四章铁碳合金第一节铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变δ-Fe→γ-Fe→α-Fe体心面心体心同素异晶转变——固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。特点：•是形核与长大的过程（重结晶）•将导致体积变化（产生内应力）•通过热处理改变其组织、结构→性能二、铁碳合金的基本相基本相定义力学性能溶碳量铁素体F碳在α-Fe中的间隙固溶体强度,硬度低，塑性,韧性好最大0.0218%奥氏体A碳在γ-Fe中的间隙固溶体硬度低，塑性好最大2.11%渗碳体Fe3CFe与C的金属化合物硬而脆800HBW,δ↑=αk=09.69%第二节铁碳合金相图一、相图分析两组元：Fe、Fe3C上半部分图形（二元共晶相图）共晶转变：1148℃727℃L4.3→A2.11+Fe3C→P+Fe3C莱氏体LdLd′2、下半部分图形（共析相图）两个基本相：F、Fe3C共析转变：727℃A0.77→F0.0218+Fe3C珠光体P二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线①GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.②ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727ºC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300ºC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727ºC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.工业纯铁（0.0218%C）钢（0.0218-2.11%C）——亚共析钢、共析钢（0.77%C）、过共析钢白口铸铁（2.11-6.69%C）——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁L→L+A→A→P(F+Fe3C)L→L+A→A→A+F→P+FL→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L→Ld(A+Fe3C)→Ld(A+Fe3C+Fe3CⅡ)→Ld′(P+Fe3C+Fe3CⅡ)5、亚共晶白口铸铁L→Ld(A+Fe3C)+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld′+P+Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L→Ld(A+Fe3C)+Fe3C→Ld+Fe3C→Ld′+Fe3C三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响四、铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用2、在铸造、锻造和焊接方面的应用3、在热处理方面的应用第三节碳钢（非合金钢）碳钢是指ωc≤2.11%，并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能，且价格低廉，故广泛应用。一、杂质元素对碳钢性能的影响1、锰Mn+FeO→MnO+Fe（脱氧）Mn+S→MnS炉渣（去硫）Mn溶入铁素体→固溶强化Mn溶入Fe3C→形成合金渗碳体（Fe,Mn）3CMn0.8%，对性能影响不大2、硅Si+FeO→SiO2+Fe（脱氧）Si溶入铁素体→固溶强化Si0.4%，对性能影响不大3、硫钢中S+Fe→FeS。FeS与Fe形成低熔点的共晶体（985℃）分布在晶界上，当钢在热加工（1000~1200℃）时，共晶体熔化，导致开裂——热脆消除热脆：Mn+S→MnS（熔点高1620℃并有一定塑性）硫是一种有害元素4、磷钢中磷全部溶于铁素体，产生强烈固溶强化，低温时更加严重——冷脆磷是一种有害元素杂质元素来源作用Si炼钢时残留溶入F→固溶强化——有益Mn炼钢时残留溶入F→固溶强化——有益S矿石中热脆性——有害P矿石中冷脆性——有害二、碳钢的分类按含碳量分：低碳钢(0.0218～0.25)、中碳钢（0.25～0.6）、高碳钢（0.6～2.06%）按质量分类：普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢（S、P含量）按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢三、碳钢的牌号、性能和应用1、碳素结构钢GB700-88Q195,Q215,Q235,Q255,Q275(五大类，20个钢种)GB700-79A1,A2,A3,A4,A5Q235-AF表示：σs≥235Mpa，质量等级为A，沸腾钢。应用：Q195,Q215——塑性高，用于冲压件、铆钉、型钢等；Q235——强度较高，用于轴、拉杆、连杆等；Q255,Q275——强度更高，用于轧辊、主轴、吊钩等。2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢：优质钢、高级优质钢（A）、特级优质钢（E）牌号：08F——冲压件；45——齿轮、连杆、轴类；65Mn——弹簧、弹簧垫圈、轧辊等。3、碳素工具钢牌号：T8、T8A——木工工具；T10、T10A——手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模；T12、T12A——锉刀、绞刀、量具。4、铸钢表示方法：用力学性能表示ZG200-400（σs≥200Mpa，σb≥400Mpa）用化学成分表示ZG30（0.3%C）用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件，如轧钢机架、缸体、制动轮、曲轴等。.状态图中的特性点Fe-Fe3C相图中各点的温度、浓度及其含义Fe-Fe3C相图中各特性点的符号及意义特性点温度(ºC)含碳量(%)特性点的含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变的液相成分C11484.30共晶点D12276.69渗碳体熔点E11482.11碳在奥氏体中最大溶解度F11486.69共晶渗碳体成分点G9120α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点(A3)H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶成分点K7276.69共析渗碳体成分点N13940γ-Fe←→δ-Fe同素异够转变点(A4)P7270.0218碳在铁素体中最大溶解度S7270.77共析点Q6000.008碳在铁素体中溶解度二.状态图中的特性线Fe-C合金相图中的特性线特性线特性线的含义ABCD铁碳合金的液相线AHJECF铁碳合金的固相线NHδ固溶体向奥氏体转变开始温度线即碳在δ固溶体中的溶解度线JNδ固溶体向奥氏体转变终了温度线(A4)GS奥氏体向铁素体转变开始温度线(A3)GP奥氏体向铁素体转变终了温度线PQ碳在铁素体中的溶解度线又叫固溶线ES碳在奥氏体中的溶解度线(Acm)HJBLB+CH←→AJ包晶转变线ECFLC←→AE+Fe3C共晶转变线PSKAS←→FP+Fe3共析转变线(A1)MO铁素体的磁性转变线(A2)230ºC水平虚线渗碳体的磁性转变线(A.)三.状态图中的相区在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.五个单相区是:ABCD以上——液相区(L)AHNA——δ固溶体区(δ)α、δNJESGN——奥氏体区(γ或A)GPQG——铁素体区(α或F)DFKL——渗碳体区(Fe3C或Cm)两相区是:L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+Fe3C和α+Fe3C.三个三相区是:HJB线、ECF线和PSK线.1.工业纯铁(含C≤0.0218%)——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.2.钢(含C在0.0218~2.11%)——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:①亚共析钢(0.0218C0.77%)——其组织是铁素体+珠光体②共析钢(C=0.77%)——其组织为珠光体③过共析钢(0.77C≤2.11%)——其组织为珠光体+渗碳体3.铁在1538ºC结晶为δ-FeX射线结构分析表明它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394ºC时δ-Fe转变为面心立方晶格的γ-Fe通常把δ-Fe←→γ-Fe的转变称为A4转变转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912ºC时面心立方晶格的γ-Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe把γ-Fe←→α-Fe的转变称为A3转变转变的平衡临界点称为A3点.4.三条重要的特性曲线①GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.②ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727ºC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300ºC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727ºC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.四.名词1.铁素体:是碳在α-Fe中形成的固溶体常用“δ”或“F”表示.铁素体在770ºC以上具有顺磁性在770ºC以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体在1495ºC时其最大溶碳量为0.09%.2.顺磁性:就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩无外磁场时由于热运动各分子磁矩的取向无规宏观上不显示磁性;在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性.3.铁磁性:就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性.4.奥氏体:是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe中是有限溶解其最大溶解度为2.11%(1148ºC).5.渗碳体:是铁与碳的稳定化合物Fe3C用“C”表示.其含碳量为6.69%.由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230ºC以上铁磁性就消失了所以230ºC是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.渗碳体的熔点为1227ºC.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C（石墨）6.珠光体:是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示.珠光体存在于727ºC以下至室温.五.铁碳合金相图的应用（一）在选材方面的应用若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢（含碳为0.10~0.25%）;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢（含碳为0.25~0.60%）;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢（含碳为0.60~1.3%）.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.（二）在制定热加工工艺方面的应用铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.六.应用铁碳相图应注意的几个问题1.铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.2.可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.3.相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.第二部分晶体结构一.金属键1.金属键:金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键.2.在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.二.晶体结构1.晶体:凡是原子(或离子、分子)在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.2.晶体结构:是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况也就是晶体中这些质点(原子或离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.3.三种典型的金属晶体结构a.体心立方晶格:晶