材料科学基础―张代东―chap4 铁碳合金相图

主讲：匡唐清华东交通大学材料工程系材料科学基础FundamentalsofMaterialScienceFMS第4章铁碳合金相图知识要点掌握程度相关知识铁碳合金组元性质熟悉铁和碳元素性质，掌握铁的同素异晶转变铁、碳、渗碳体；δ-Fe、γ-Fe、α-Fe；铁素体、奥氏体Fe—Fe3C典型合金平衡结晶过程熟悉Fe—Fe3C相图各点线面的物理意义，掌握相图中的基本反应，注重典型合金平衡结晶过程分析和杠杆定律的应用Fe—Fe3C相图分析：线、区物理意义，平衡反应；典型合金平衡结晶过程：工业纯铁、钢、白口铸铁Fe—Fe3C相图的应用掌握以相组成物和组织组成物标示的Fe—Fe3C相图，熟悉其在生产中的基本应用组织组成物标示的Fe—Fe3C相图，含碳量与材料力学性能，相图在选材、工艺制定中的应用碳钢掌握碳钢编号原则和分类钢中常存杂质元素，碳钢分类，常用碳钢FMS概述纯铁渗碳体FMS概述„铁碳合金‡碳钢(Steels)‡铸铁(Castirons)„碳的存在形式渗碳体Fe3C(亚稳相)石墨(稳定相)Fe-Fe3C相图亚稳定相图„，Wc=0-6.69%Wc6.69%的铁碳合金脆性极大，没使用价值含碳量6.69%的Fe3C为稳定金属化合物，可作为一个组元Fe-C相图（铁-石墨相图）稳定相图，Wc=0-100%虚线所示FMS4.1铁碳合金组元性质组元基本相FMS4.1.1铁元素和碳元素铁元素„26th元素，过渡族金属碳元素„原子序数6；原子量12.01；密度2.25g/cm3有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管等形式；在铁碳合金中以固溶单质原子或石墨等形式存在石墨硬度3~5HBW；塑性接近于零；层内为共价键，层间为分子键；优良固体润滑剂；Fe数值原子量55.85熔点1538℃汽化温度2738℃密度7.87g/cm3FMS4.1.2铁碳合金组元纯铁及其性能特点塑性、韧性好，强度很低，少做结构材料1kg高纯铁/4000元1吨钢/4000元„具有铁磁性，用于要求软磁性的场合（仪器仪表铁心）性能纯铁45钢(退火)铁含量wFe99.8~99.9%„99.55%左右抗拉强度σb176~274MPa≥600(MPa)屈服强度σ0.298~166MPa≥355(MPa)伸长率δ30~50%≥16%断面收缩率ψ70~80%≥40%冲击吸收功aK160~200J/cm2硬度50~80HBW≤197HBWFMS4.1.2铁碳合金组元铁的同素异晶转变bccCfccCbccFeFeFe9121394FMS4.1.2铁碳合金组元铁的同素异晶转变晶格类型变化相变晶粒细化钢性能合金化、热处理固态相变同素异晶转变bccCfccCbccFeFeFe9121394FMS4.1.2铁碳合金组元铁素体和奥氏体名称符号晶格最大溶碳量Wc性能δ铁素体δ碳溶于δ-Fe中的间隙固溶体bcc0.09%(1495℃)奥氏体A或γ碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体fcc2.11%(1148℃)硬度较低(HB170~220)，塑性高(40%~50%)具有顺磁性铁素体F或α碳溶于α-Fe中的间隙固溶体bcc0.0218%(727℃)0.008%(室温)与纯铁基本相同，塑性、韧性好，而强度、硬度低，并有铁磁性FMS4.1.2铁碳合金组元渗碳体(Cementite，Fe3C)铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构复杂，含碳量为6.69%熔点为1227℃在230C以下具有铁磁性。„硬(HB800)而脆，塑性极低（延伸率接近于0）„钢铁材料中的主要强化相FMS4.2Fe-Fe3C相图分析Fe-Fe3C相图由包晶转变、共晶转变和共析转变三部分连接而成FMS4.2.1相图中的点、线、区及其意义点：16个符号温度/℃C（%）说明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成份C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120转变温度（A3）H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69渗碳体的成分N13940转变温度（A4）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）Q6000.0057碳在α-Fe中的溶解度FMS4.2.1相图中的点、线、区及其意义线液相线ABCD固相线AHJECF两条磁性转变线770℃（居里点）—铁素体磁性转变线230℃——渗碳体磁性转变线FMS4.2.1相图中的点、线、区及其意义三条等温转变线CFePCS3727共析线包晶线共晶线CFeLECS31148珠光体P莱氏体LdJCHBL1495奥氏体AFMS4.2.2包晶转变（水平线HJB）wc0.09%匀晶转变为δ铁素体固溶体再发生固溶体的同素异晶转变，得到单相奥氏体0.09%wc0.53%1495℃恒温，wc=0.53%液相与wc=0.09%的δ铁素体包晶反应，得到wc=0.17%的单相奥氏体铁碳合金包晶转变温度高，包晶偏析不严重0.53%wc2.11%匀晶转变得单相奥氏体高合金钢可能存在严重的包晶偏析，包晶偏析剩余的δ相与γ相密度不同造成巨大组织应力导致热裂纹1495BHJL℃FMS4.2.3共晶转变（水平线ECF）wc=2.11%-6.69%1148℃，wc=4.3%液相共晶转变为wc=2.11%的奥氏体γ和渗碳体Fe3C组成的混合物莱氏体Ld莱氏体中，颗粒状奥氏体分布在渗碳体基底上，渗碳体很脆，故莱氏体塑性很差11483CELFeC℃FMS4.2.4共析转变（水平线PSK）wc0.0218%727℃恒温，wc=0.77%的奥氏体共析转变为wc=0.0218%的铁素体α和渗碳体Fe3C组成的混合物珠光体P珠光体层片状，渗碳体与铁素体含量约为1/8；金相组织中，厚片为铁素体，薄片为渗碳体7273SPFeC℃FMS4.2.1相图中的点、线、区及其意义三条特性曲线——固态转变线PQ线：碳在F中的固溶度曲线，当温度低于此曲线时，从F中析出三次渗碳体（记为Fe3CIII）。ES线：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二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示,也叫Acm线。GS线:A析出F的起始温度，或F全部转变为A的终了温度，又称A3线FMS4.2.1相图中的点、线、区及其意义区5个单相区L、δ、γ、α、Fe3C„7个两相区L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C„3个三相区L+δ+γ(HJB线)L+γ+Fe3C(ECF线)γ+α+Fe3C(PSK线)FMS4.3Fe-Fe3C相图典型合金平衡结晶过程工业纯铁(Wc0.0218%)„碳钢(0.0218Wc2.11%)„铸铁(Wc2.11%)‡白口铸铁全部碳以Fe3C形成‡灰口铸铁部分或全部碳以石墨形式存在FMS4.3.1工业纯铁(Wc0.0218%)FMS4.3.1工业纯铁(Wc0.0218%)结晶过程LL↓+δ↑δ(1↓2)匀晶转变δδ↓+γ↑γ(3↓4)同素异晶转变，晶界优先形核γγ↓+α↑α(5↓6)同素异晶转变，晶界优先形核αα↓+Fe3CIII↑(7↓)脱溶转变，晶界上片状析出室温组织：α+Fe3CFe3CIII最大量计算：0.326%FMS4.3.1工业纯铁(Wc0.0218%)组织FMS4.3.2钢共析钢(Wc=0.77%)L→L↓+γ↑→γ匀晶转变（1↓2）γ→γ↓+P↑→P(F+Fe3C)共析转变（3）FF↓+Fe3CIII↑脱溶转变（3↓）Fe3CIII与Fe3C联接，难辨、量少对珠光体的组织性能影响不明显室温组织P(F+Fe3C)FMS4.3.2钢-共析钢(Wc=0.77%)珠光体中铁素体和渗碳体含量计算FMS4.3.2钢亚共析钢(0.0218%Wc0.77%)L→L↓+δ↑→L+δ(1↓2)匀晶转变L+δ→L↓+δ↓+γ↑→γ(2)包晶转变L→L↓+γ↑→γ(2↓3)匀晶转变γ→γ↓+F↑(4↓5)同素异晶转变γ→γ↓+P(F↑+Fe3C)↑→P(5)共析转变F→F↓+Fe3CIII↑(5↓)脱溶沉淀，量少忽略室温组织：F+PF产生在共析转变之前，称为先共析铁素体FMS4.3.2钢-亚共析钢(0.0218%Wc0.77%)室温相组成α+Fe3C组织组成物含量计算(wC=0.40%)相组成物含量计算(wC=0.40%)FMS4.3.2钢-亚共析钢(0.0218%Wc0.77%)室温组织-铁素体F珠光体P20钢40钢65钢FMS4.3.2钢-过共析钢（0.77%Wc2.11%）结晶过程匀晶转变共析转变脱溶转变脱溶转变FMS4.3.2钢-过共析钢（0.77%Wc2.11%）室温组织P+Fe3CII相组成α+Fe3CFe3CII最大量计算：FMS4.3.2钢-过共析钢（0.77%Wc2.11%）组织FMS共析、亚/过共析钢的显微组织示意图共析钢亚共析钢过共析钢FMS4.3.3白口铸铁共晶白口铸铁（Wc=4.3%）L→L↓+Ld(γ+Fe3C)↑→Ld(1)共晶反应，莱氏体Ld(γ+Fe3C)→γ↓+Fe3CⅡ↑+Fe3C（1~2）脱溶转变，高温Ldγ→γ↓+P↑→P(F+Fe3CⅡ)(2)共析反应，Fe3CⅡ与Fe3C难区分F→F↓+Fe3CIII↑(2↓)脱溶转变，Fe3CIII较少，可忽略室温组织室温莱氏体L’d(P+Fe3CII+Fe3C)形态与高温共晶莱氏体相同，但组织组成物和相组成物都发生变化FMS4.3.3白口铸铁-共晶（Wc=4.3%）室温组织：Ld’相组成：α+Fe3CLd-Ld’转变Ld(γ+Fe3C)Ld’(P+Fe3CII+Fe3C)白色-共晶渗碳体黑色-珠光体FMS4.3.3白口铸铁亚共晶白口铸铁（2.11%Wc4.3%）匀晶转变共晶转变脱溶转变共析转变FMS4.3.3白口铸铁-亚共晶（2.11%Wc4.3%）室温组织P+Ld’相组成α+Fe3C组织组成物含量计算(以wC=3.0%为例)先共晶奥氏体：莱氏体：先共晶奥氏体析出的二次渗碳体：FMS4.3.3白口铸铁-亚共晶（2.11%Wc4.3%）组织FMS4.3.3白口铸铁过共晶白口铸铁（4.3%Wc6.69%）匀晶转变共晶转变脱溶转变共析转变FMS4.3.3白口铸铁-过共晶（4.3%Wc6.69%）室温组织Fe3CI+Ld’一次渗碳体较为粗大相组成α+Fe3C组织组成物含量计算(以wC=5.0%为例)先共晶渗碳体：莱氏体：%3.29%1003.469.63.40.53ICFew%7.70%1003.469.60.569.6LdwFMS4.3.3白口铸铁-过共晶（4.3%Wc6.69%）组织FMS铸铁室温组织共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁一次渗碳体莱氏体珠光体莱氏体莱氏体珠光体渗碳体FMS4.3Fe-Fe3C相图典型合金平衡结晶过程室温组织种类分类名称含碳量室温平衡组织铁工业纯铁0.0218铁素体；或铁素体+三次渗碳体钢亚共析钢0.0218-0.77先共析铁素体+珠光体共析钢0.77珠光体过共析钢0.77-2.11先共析二次渗碳体+珠光体铸铁亚共晶铸铁2.11-4.3珠光体+二次渗碳体+莱氏体共晶铸铁4.3莱氏体过共晶铸铁4.3-6.69一次渗碳体+莱氏体FMS杠杆定律应用问题：计算在共析反应完成之后含碳量0.17%C的亚共析钢中相的相对含量和组织相对含量相含量组织相对含量%2.20218.069.60218