第4章-铁碳合金相图和碳钢

第四章铁碳合金相图和碳钢(P42)第一节纯铁﹑铁碳合金的组织结构第二节铁碳合金相图第三节碳钢及其性能第一节纯铁﹑铁碳合金的组织结构及其性能（P42）一、纯铁及其同素异构转变纯铁的同素异构转变同素异构转变：物质在固态下，晶体结构随温度变化的现象。同素异构转变属于相变之一—固态相变。1、铁的同素异构转变：铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe10006008001200温度时间16001500500700900110013001400纯铁的冷却曲线1394℃1538℃912℃δ-Feα-Feγ-FebccfccbccFe的冷却曲线及相应的晶体结构912℃1394℃1538℃L-Feδ-Feγ-Feα-Fe液相体心面心体心-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。-Fe-Fe1﹑铁的同素异构转变2.同素异构转变（重结晶）的特点1）在固态下进行；2）同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成；3）同素异构转变有较大的过冷度；4）同素异构转变往往要产生较大的内应力☆注意重结晶与再结晶的区别固态相变的晶界形核二、铁碳合金的组织结构及其性能①碳原子固溶到α-Fe中形成的间隙固溶体，用“F”表示。1、铁素体铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。含碳量为0.0218%～2.11%的称钢含碳量为2.11%～6.69%的称铸铁。②δ相：高温铁素体，在1394℃以上存在，碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用“δ”表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。F的金相组织示意图铁素体的室温组织为明亮多边形晶粒，性能与纯铁相似；强度、硬度不高、塑性、韧性很好。1、铁素体2、奥氏体1）碳原子固溶到γ-Fe中形成的间隙固溶体，用“A”表示；2）是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。3）奥氏体强度不高，塑性很好。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。4）钢材热加工都在区进行，属高温相,碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体3、渗碳体1）铁与碳形成的间隙化合物，含碳量6.69%，用Fe3C表示；2）室温相——常作为钢的第二弥散强化相；3）渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性；4）Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。石墨（G）：Fe-─C合金中游离存在的碳；石墨的强度、塑性、硬度都很低。3、渗碳体由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。铸铁中的石墨钢中的渗碳体渗碳体组织金相图4、珠光体（P）1）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物（共析体）。A0.77(F+Fe3C)≡P727℃P的金相显微镜组织2）珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,力学性能介于F和Fe3C之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。液相液相（L）液态的铁碳合金铸铁浇注照片1）、高温莱氏体（Ld）5、莱氏体2）、低温莱氏体（Ld'）在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。低温莱氏体是室温下的一个基本组织。莱氏体高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。L4.3(A+Fe3C)≡Ld1148℃共晶转变三、铁碳合金中的基本组织相组成:L、A、F、Fe3C、G；组织组成:F、A、Fe3C、P、Ld、、Ld'相组成和组织组成物总结：第二节铁碳合金相图（P44）一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图二、对Fe-Fe3C相图的分析三、典型成分铁碳合金的结晶过程四、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响五、Fe-Fe3C合金相图的应用一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。Fe-C相图说明Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)Fe-Fe3C相图的建立FeT°Fe3C简化的Fe-Fe3C相图二、相图分析点温度碳量含义A15380纯铁熔点B14950.53包晶转变时的液相成分C11484.3共晶点LC---------(AE+Fe3C)≡LdD12276.69Fe3C熔点E11482.11C在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶Fe3C成分点G9120γ-Fe-----α-Fe同素异构转变点H14950.09C在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶成分点LB+δH--------AJK7276.69共析Fe3C成分点N13940δ-Fe-----γ-Fe同素异构转变点P7270.0218C在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点AS---------(FP+Fe3C)≡PQ室温0.0008（一）状态图中的特性点（P45）二、相图分析主要线温度（℃）含义ABCD1538~1227液相线AHJECF1538~1148固相线HJB1495包晶转变线ECF1148共晶线PSK727共析线A1ES1148~727C在γ-Fe中的溶解度线AcmPQ727~600C在α-Fe中的溶解度线GS912~727A向F转变的开始线A3GP912~727A向F转变的终了线（二）状态图中的特性线相图分析一次渗碳体Fe3CI：从液相（L）直接结晶出来。二次渗碳体Fe3CII：从A（γ）中析出。三次渗碳体Fe3CIII：从F（α）中析出。(1)Fe-Fe3C相图的组元Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。Fe3C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3C相图的相Fe3C（CemCm，渗碳体）——复杂晶体结构液相Lδ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体Fe-Fe3C相图（三）相图中的相区（P46）1﹑组元：Fe、Fe3C2﹑单相区5个：L、δ、A、F、Fe3C3﹑双相区7个：δ+L、δ+A、A+L、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C4﹑三相区3个：L+δ+A、L+A+Fe3C、A+F+Fe3C包晶线共晶线共析线简化Fe-Fe3C相图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)FeFe3CT°简化Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CLdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd′K(P+Fe3C)P+Ld'+Fe3CⅡLd′+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)三、典型成分铁碳合金的结晶过程1、工业纯铁Wc≤0.0218%2、碳素钢0.0218%＜Wc≤2.11%1）共析钢Wc=0.77%2）亚共析钢0.0218%＜Wc＜0.77%3）过共析钢0.77%＜Wc≤2.11%3、白口铸铁2.11%＜Wc＜6.69%1）共晶白口铸铁Wc=4.3%2）亚共晶白口铸铁2.11%＜Wc＜4.3%3）过共晶白口铸铁4.3%＜Wc＜6.69%（一）铁碳合金的分类（P46）1、工业纯铁在平衡状态下的结晶过程显微组织照片1点以上L；1~2点L+δ；2~3点δ铁素体相；3~4点δ+A；4~5点A；5~6点A+F；6~7点F；7点以下F+Fe3CIII；室温下：相组成物F、Fe3C三﹑典型合金的结晶过程合金液体在1～2点间转变为，3～4点间→，5～6点间→。到7点，从中析出Fe3C。NSJBHL+++1、工业纯铁的结晶过程1、工业纯铁的结晶过程随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ最大量为:%3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFeQ从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。1、工业纯铁的结晶过程2、共析钢在平衡状态下的结晶过程1点以上L；1~2点L+A；2~3点A；3点共析转变AS(FP+Fe3C)≡P（片层状分布）共析铁素体共析渗碳体珠光体团3~4点F+Fe3CIII+Fe3C≡P室温下：相组成物:F、Fe3C；组织组成物:P727℃上合金液体在1～2点间转变为。到S点发生共析转变：S⇄P+Fe3C,全部转变为珠光体。2、共析钢的结晶过程2、共析钢的结晶过程珠光体在光镜下呈指纹状，相变结束时，珠光体中相的相对质量百分比为：珠光体%.%.%Q,%.....PKSKQCFe321188810088802180696770696珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。2、共析钢的结晶过程室温下，珠光体中两相的相对质量百分比是多少？%.%.%Q%.....QLLQCFe3511588100588000806967706964Q432192、共析钢的结晶过程1点以上L；2点包晶转变δ0.09+L0.53A0.171~2点L+δ；5点共析转变A0.77(FP+Fe3C)≡P2~3点A+L；5~6点F+Fe3CIII+P——F+P3~4点A；（Fe3CIII含量很少，可以忽略不计）4~5点A+F；室温下：相组成物F、Fe3C；组织组成物F、P1495℃727℃3、亚共析钢在平衡态下的结晶过程0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应。以0.4%C的钢为例：合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点发生共析反应，转变为珠光体。温度继续下降，中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合，且量少，忽略不计。3.亚共析钢的结晶过程3、亚共析钢的结晶过程共析温度下相的相对质量为：%PKKQ%,PKPQCFe100510053组织组成物的相对质量为：%PSSQ%PSPQP10051005，S’3、亚共析钢的结晶过程各相的相对量：Fe3C%≈(0.4-0.0218)/(6.69-0.0218)≈5.7%F%≈1–5.7%=94.3%各组织组成物的相对量：P%=(0.4–0.0218)/(0.77–0.0218)≈51%F%≈1–51%=49%含碳量的估算:（F—白色P—黑色）通过光学显微镜观察估计某一铁碳合金中的P所占比例，可用杠杆定律估算出该合金的WC即：WC=0.77%QP亚共析钢显微照片利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积%×0.77%(忽略中含碳量，P面积%=QP)S'室温下相的相对质量百分比为：%94%1006%6%1000008.069.60008.04.0633CFeCFeQQLLQQLQQ室温下组织组成物的相对质量百分比为：%48%100''6%,52%1000008.077.00008.04.0'6PPQQSSQQSQQ3、亚共析钢的结晶过程含0.45%C钢