铁碳合金相图解析

任务三铁碳合金相图衡阳财经工业职业技术学院机械工程系教学目的与要求掌握Fe-C合金的基本相、组织以及它们的性能特点。掌握Fe-Fe3C相图特征点、线的含义及区域组织分析。熟悉典型铁碳合金结晶过程及Fe-Fe3C相图的应用知识点一、铁碳合金的组元与基本相一、纯铁的同素异构转变图1-29纯铁的冷却曲线及晶体结构变化同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变二、铁碳全合金的基本相及其性能1、液相。铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称为液相，用符号L表示。2、铁素体。碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。碳在α-Fe中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。二、铁碳全合金的基本相及其性能3、奥氏体。碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。4、渗碳体。渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C，渗碳体既是组元，又是基本相。5、珠光体。用符号P表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械机械混合物。6、莱氏体用符号Ld表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。知识点二Fe-Fe3C相图分析图1-30Fe-Fe3C相图简化的Fe-Fe3C相图1、主要特性点表1-4简化Fe-Fe3C相图中的特性点特性点符号温度/℃ωc（%）含义A15380熔点：纯铁的熔点C11484.3共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔点：渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度点G9120同素异构转变点S7270.77共析点：发生共析转变A0.77%—→p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度点Q室温0.0008室温下碳在α-Fe中的溶解度2、主要特性线（1）AC线液体向奥氏体转变的开始线。即：L→A。（2）CD线液体向渗碳体转变的开始线。即：L→Fe3CⅠ。ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。（3）AE线液体向奥氏体转变的终了线。（4）ECF水平线共晶线。AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5）ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：L→Fe3CⅡ。（6）GS线又称A3线，（7）GP线奥氏体向铁素体转变的终了线。（8）PSK水平线共析线（727℃），又称A1线。（9）PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。3、相区（1）单相区简化的Fe-Fe3C相图中有F、A、L和Fe3C四个单相区。（2）两相区简化的Fe-Fe3C相图中有五个两相区，即L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相区和F+Fe3C两相区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F和Fe3C三相共存。知识点三典型合金的结晶过程及组织根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：1）工业纯铁ωc＜0.0218%。2）钢0.0218%＜ωc＜2.11%，又可分为：亚共析钢0.0218%＜ωc＜0.77%；共析钢ωc=0.77%；过共析钢0.77%＜ωc＜2.11%。3）白口铸铁2.11%＜ωc＜6.69%，又可分为以下三种：亚共晶白口铸铁2.11%＜ωc＜4.3%共晶白口铸铁ωc=4.3%过共晶白口铸铁4.3%＜ωc＜6.69%一、共析钢的结晶过程分析图1-32典型铁碳合金结晶过程分析图1-33共析钢结晶过程示意图二、亚共析钢的结晶过程分析图1-34亚共析钢结晶过程示意图图1-35为亚共析钢的显微组织三、过共析钢的结晶过程分析图1-36过共析钢结晶过程示意图图1-37过亚共析钢的显微组织四、共晶白口铸铁的结晶过程分析图1-38共晶白口铸铁结晶过程示意图图1-39共晶白口铸铁的显微组织五、亚共晶白口铸铁的结晶过程分析图1-41亚共晶白口铸铁的显微组织图1-40亚共晶白口铸铁结晶过程示意图六、过共晶白口铸铁的结晶过程分析图1-43过共晶白口铸铁结晶过程示意图知识点四Fe-Fe3C相图的应用一、碳含量对铁碳合金平衡组织及性能的影响图1-44室温下铁碳合金含碳量与平衡组织组成物及相组成物间的定量关系图1-45含碳量对钢力学性能的影响二、Fe-Fe3C相图在工业中的应用1、在选材方面的应用Fe-Fe3C相图反映了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样，就可以根据零件的工作条件和性能要求来合理的选择材料。例如，桥梁、船舶、车辆及各种建筑材料，需要塑性、韧性好的材料，可选用低碳钢（ωc=0.1%~0.25%）；对工作中承受冲击载荷和要求较高强度的各种机械零件，希望强度和韧性都比较好，可选用中碳钢（ωc=0.25%~0.65%）；制造各种切削工具、模具及量具时，需要高的硬度、而耐磨性，可选用高碳钢（ωc=0.77%~1.44%）。对于形状复杂的箱体、机器底座等，可选用熔点低、流动性好的铸铁材料。2、在铸造生产上的应用由Fe-Fe3C相图可见，共晶成分的铁碳合金熔点低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。图1-46铁碳相图与铸锻工艺间的关系3、在锻压生产上的应用钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时，要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃；终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温度，以便打碎网状二次渗碳体。4、在焊接生产上的应用焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，所以从焊缝到母材各区域的温度是不同的，由Fe-Fe3C相图可知，温度不同，冷却后的组织性能就不同，为了获得均匀一致的组织和性能，就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。5、在热处理方面的应用从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相变的退火、正火、淬火和回火等热处理。此外，奥氏体有溶解碳和其它合金元素的能力，而且溶解度随温度的提高而增加，这就是钢可以进行渗碳和其它化学热处理的缘故。