工程材料4-1铁碳相图

工程材料及应用多媒体教案ENGINEERINGMATERIALS五邑大学机电工程学院第四章第一节铁碳合金系相图一、铁碳合金系组元的特性组元：纯铁碳1、纯铁纯铁的同素异构转变第四章铁碳合金1.铁碳合金系组元的特性(1)Fe铁是过渡族元素,熔点为1538℃。密度是7.87g/cm3。纯铁的机械性能：强度低、硬度低、塑性好。抗拉强度σb180MPa～230MPa屈服强度σ0.2100MPa～170MPa延伸率δ30%～50%断面收缩率ψ70%～80%冲击韧度ak1.6×106J/m2～2×106J/m2硬度50HB～80HB纯铁从液态结晶为固态后,继续冷却到1394℃及912℃时,先后发生两次同素异构转变。2.1.2同素异构转变●许多金属在固态下只有一种晶体结构。如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。●有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式。如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶格形式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。纯铁的同素异构转变:●液态纯铁在1538℃结晶为体心立方晶格的δ-Fe。●冷却到1394℃时发生同素异构转变,成为面心立方晶格的γ-Fe。●冷却到912℃时又发生一次同素异构转变,成为体心立方晶格的α-Fe。同素异晶体：以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。δ-Fe、γ-Fe、α-Fe都是纯铁的同素异晶体。金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。金属的同素异构转变即是二次结晶或重结晶。同素异构转变特点●同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体也有形核和长大两个过程。●导致金属体积发生变化，产生较大内应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1％。可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。●适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。2、碳石墨：六棱柱体0.142纳米0.34纳米耐高温导电润滑强度、硬度、塑性、韧性极低金刚石:正四面体共价键碳在铁碳合金中的存在形式固溶体渗碳体(Fe3C)石墨二、铁碳相图☆老师提示：重点内容铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等。有实用意义的是Fe-Fe3C部分，称为Fe-Fe3C相图。此时相图的组元为Fe和Fe3C。Fe-Fe3C相图的特征ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)1.铁碳合金中的相(1)液相L液相L是铁与碳的液溶体。(2)δ相δ相又称高温铁素体,是碳在δ-Fe中的间隙固溶体,呈体心立方晶格,在1394℃以上存在。F或α表示,是碳在α-Fe中的间隙固溶体,体心立方晶格，碳的固溶度极小,室温时约为0.0008%。在727℃时溶碳量最大（0.0218%）。铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械性能与纯铁大致相同。(3)α相α相也称铁素体,用γ相常称奥氏体,用符号A或γ表示,是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,面心立方晶格，碳的固溶度较大,在1148℃时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低,硬度不高,易于塑性变形。(4)γ相(5)Fe3C相Fe3C相是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,性能特点是硬而脆。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态,对铁碳合金的机械性能有很大影响。2.Fe-Fe3C相图的特性点特性点温度、碳质量分数相图中重要的点●C点（共晶点）共晶反应在恒温下进行,反应过程中L、A、Fe3C三相共存，三相成分一定。共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的机械混和物,称莱氏体（Le）。其中的渗碳体称共晶渗碳体。显微镜下莱氏体形态：块状或粒状A(727℃时转变成珠光体)分布在渗碳体基体上。●S点（共析点）共析反应在恒温下进行,反应过程中,A、F、Fe3C三相共存，三相成分一定。共析反应的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物,称珠光体,以符号P表示。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。珠光体形态：显微镜下珠光体的形态呈层片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。珠光体性能：强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。珠光体机械性能抗拉强度极限/σb冲击韧性ak延伸率δ硬度770MPa3×105J/m2～4×105J/m220%～35%180HB●E点1148℃，2.11%C碳在γ-Fe中的最大溶解度●P点727℃，0.0218%C碳在α-Fe中的最大溶解度●水平线HJB:包晶反应线发生包晶反应。●水平线ECF:共晶反应线发生共晶反应。●水平线PSK:共析反应线发生共析反应。亦称A1线。3.相图中的重要的线●GS线A中开始析出F临界温度线,称A3线。●ES线碳在A中的固溶线，叫Acm线。从A中析出Fe3C，叫二次渗碳体(Fe3CII)。亦是A中开始析出Fe3CII的临界温度线。●PQ线是碳在F中固溶线。是F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少,往往予以忽略。图中的相区1、五个单相区2、七个双相区3、三个三相共存区小结：Fe-Fe3C相图的分析•五个重要的成份点:P、S、K、E、C。•四条重要的线:PK、EF、ES、GS。•两个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。•二个重要温度:1148℃、727℃。第二节、典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Fe-Fe3C相图,铁碳合金可分为3类7种：(1)工业纯铁[w(C)≤0.0218%](2)钢[0.0218%w(C)≤2.11%]亚共析钢0.0218%w(C)0.77%共析钢w(C)=0.77%过共析钢0.77%w(C)≤2.11%(3)白口铸铁[2.11%w(C)6.69%]亚共晶白口铸铁2.11%w(C)4.3%共晶白口铸铁w(C)=4.3%过共晶白口铸铁4.3%w(C)6.69%典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置1.工业纯铁平衡结晶过程碳质量分数0.01%1点以上液相L1～2点L+δ2～3点δ3～4点δ+A4～5点A5～6点A+F6～7点F7～8点F晶界析出Fe3CIII室温平衡组织为F+Fe3CIII纯铁的室温平衡组织F呈白色块状;Fe3CIII量极少,呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3CIII,则组织全为F。室温平衡组织:F+Fe3CIII2.共析钢平衡结晶过程☆老师提示：重点内容碳质量分数为0.77%1点以上液相L1～2点L+A2～3点A3～3'点A→P3'～4点P共析钢的室温平衡组织为:P共析钢的室温组织共析钢的室温组织组成物全部是P。组成相为F和Fe3C,它们的质量分数为：P(层片状)共析钢组织金相图3.亚共析钢平衡结晶过程以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例1～2点L+δ。2～2'点L+δ→A反应结束还有L2'～3点L+A3～4点A4～5点A+F5～5'点A→PF不变化5'～6点P+F40钢的室温平衡组织F呈白色块状;P呈层片状,放大倍数不高时呈黑色块状。碳质量分数大于0.6%的亚共析钢,室温平衡组织中的F呈白色网状,包围在P周围。含0.4%C的亚共析钢组织组成物为F和P。室温平衡组织:F+P亚共析钢组织金相图含0.4%C的亚共析钢组织组成物为F和P。钢的组成相为F和Fe3C：4.过共析钢平衡结晶过程碳质量分数为1.2%1～2点L+A2～3点A3～4点A→Fe3CII,Fe3CII呈网状分布在A晶界上。4～4‘点A→P，Fe3CII不变化。4'～5点P+Fe3CIIT12钢的室温平衡组织Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C组织组成物为Fe3CII和P：P+Fe3CII过共析钢组织金相图此时的莱氏体由A+Fe3CII+Fe3C组成。2～2'点A→P，高温莱氏体Le转变成低温莱氏体Le'(P+Fe3CII+Fe3C)。2'～3点Le'5.共晶白口铸铁平衡结晶过程1～1'点L→Le即L→(A+Fe3C)。1'～2点Le中的A析出Fe3CII。共晶白口铸铁的室温平衡组织Le'由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。共晶白口铸铁的组织组成物：全为Le',组成相：F和Fe3C。室温平衡组织:Le'共晶白口铁组织金相图2'～3点A晶界析出Fe3CII组织为A+Fe3CII+Le'3～3'点A→P;高温莱氏体Le转变为低温莱氏体Le'。3'～4点P+Fe3CII+Le'6.亚共晶白口铸铁平衡结晶过程w（C）3%1～2点L+A。2～2'点L→Le,共晶反应结束时:A+Le网状Fe3CII分布在粗大块状P的周围,Le‘由条状或粒状P和Fe3C基体组成。亚共晶白口铸铁的组成相为F和Fe3C;组织组成物:P、Fe3CII、Le'。亚共晶白口铸铁的室温平衡组织室温平衡组织:P+Fe3CII+Le'亚共晶白口铁组织金相图7.过共晶白口铸铁平衡结晶过程共析温度时高温莱氏体Le转变为低温莱氏体Le'。得到Fe3CI+Le'合金先从L中结晶出Fe3CI。然后L发生共晶反应转变为Le。Fe3CI呈长条状Le'由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。过共晶白口铸铁的室温平衡组织室温平衡组织：Fe3CI+Le'过共晶白口铁组织金相图第三节、铁碳合金的成分—组织—性能关系1.碳含量与组成相的质量分数之间的关系铁碳合金（除纯铁）在室温下的组织都由F和Fe3C两相组成,两相的质量分数由杠杆定律确定。随碳含量的增加,F的量逐渐变少,Fe3C的量则逐渐增多。2.碳含量与组织组成物的质量分数之间的关系室温下,随碳含量增大,组织按下列顺序变化：F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le'、Le'、Le'+Fe3CI、Fe3C组织组成物的质量分数用杠杆定律求出。3.铁碳合金的性能与碳含量之间关系（1）硬度碳含量增加,Fe3C增多,F减少,合金的硬度呈直线关系增大,由全部为F的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB。（2）强度碳含量增加,亚共析钢强度增加。超过共析成分后,Fe3CII沿晶界出现,强度增高变慢。到约0.9%C时,Fe3CII沿晶界形成完整的网,强度降低。碳质量分数到2.11%后出现Le',强度降到很低。（3）塑性铁碳合金中Fe3C是极脆的相。随碳含量的增大,合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时,塑性近于零值。四、Fe-Fe3C相图的应用在生产中具有巨大的实际意义,主要应用:钢铁材料的选用加工工艺的制订1.在钢铁材料选用方面的应用Fe-Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。●纯铁强度低,不宜用做结构材料,但由于其导磁率高,矫顽力低,可作软磁材料使用,例如做电磁铁的铁芯等。●钢建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料,选用碳含量较低的钢材。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料,应选用碳含量适中的中碳钢。工具要用硬度高和耐磨性好的材料,则选碳含量高的钢种。●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，不能锻造，但耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。Fe-Fe3C相图的应用2.在铸造工艺方面的应用根据Fe-Fe3C相图确定合金浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好,凝固温度区间最小,流动性好,分散缩孔少,可以获得致密的铸件。铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。3.在热锻、热轧工艺方面的应用钢处于奥氏体状态时强度较低,塑性较好,因此锻造或轧制选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100℃～200℃范围内。一般始锻温度为1150℃～