第四章+铁碳合金及Fe-Fe3C相图

2020/9/211材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图第1篇金属学基本原理第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图教学目标：吃透并熟练记忆铁碳相图；掌握钢铁合金中的基本相及其结构特点；熟悉钢、铸铁的概念；掌握各类铁碳合金的平衡结晶过程，组成相的相对量及组织形貌特点。2020/9/212材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图钢铁材料的生产已有几千年的历史。矿石Fe3O4、Fe2O3Fe(C)合金2009年5.68亿吨。是排在中国后面四位的日本、俄罗斯、美国和印度钢产量之和的2.2倍；2010年我国钢年产量为6.1亿吨，2011年6.83亿吨，2012年7.17亿吨。碳钢(Steels)和铸铁(Castirons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金(alloysoftheiron－carbonsystem)。2020/9/213材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图铁碳相图是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，整个Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于Fe和C化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量一般不超过5％）。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。2020/9/214材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图铁碳相图2020/9/215材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图§4.1Fe-C合金的组元及基本相§4.1.1合金中的组元一、纯铁（Fe）物理性能：元素周期表中第26号元素，属于过渡族元素，相对原子量为55.85，在一个大气压下，熔点为1538℃，在2738℃时气化，密度为7.87g/cm3。同素异构转变：δ-Feγ-Feα-Fe。磁性转变：纯铁具有磁性转变。高温顺磁性低温铁磁性机械性能：纯铁的强度低，塑性好，很少用于结构材料，主要利用其铁磁性，制造仪器、仪表的铁芯等。1394℃912℃768℃2020/9/216材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图纯铁的显微组织2020/9/217材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图二、渗碳体（Fe3C）在非平衡凝固过程中，Fe-C合金的碳以化合物Fe3C形式出现的，即具有复杂结构的间隙化合物，通常称为渗碳体，用“Fe3C或Cm”表示。Fe3C熔点为1227℃，是一种亚稳化合物。在一定条件下（高温下长时间保温），渗碳体可以分解形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C（石墨）这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以，Fe-Fe3C相图称为亚稳定系相图，Fe-C相图称为稳定系相图，若把Fe-Fe3C相图与Fe-C相图画在同一图上，称为Fe-C合金双重相图。通常情况下，由于凝固过程不可能是无限缓慢的平衡过程，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变的。2020/9/218材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图Fe-Fe3C和Fe-C双重相图2020/9/219材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图Fe3C机械性能渗碳体相硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于零，是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状，其各种形态对应不同的宏观性能。Fe3C中C和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等金属原子置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。如：(Fe,Cr)3C，(Fe,Mn)3C渗碳体高温无磁性低温具有一定铁磁性。230℃2020/9/2110材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图§4.1.2合金中的相在Fe-Fe3C相图中，Fe-C合金在不同条件(成分/温度)下,有六个基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相和石墨。液相L：Fe与C的液溶体。δ相：又称高温铁素体(hightemperatureferrite)，是C在δ-Fe中的间隙固溶体，呈bcc晶格，在1394℃以上存在，在1495℃时溶碳量最大，为0.09%。α相：也称铁素体(Ferrite)，用符号F或α表示，是碳在α-Fe中的间隙固溶体，呈bcc晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时溶碳量最大，为0.0218%。铁素体性能特点是强度低、硬度低、塑性好，称为工业纯铁。2020/9/2111材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图γ相：称为奥氏体(Austenite)，用符号A或γ表示，是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，为fcc结构。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时溶碳量最大达2.11%。碳原子存在于FCC晶格中正八面体间隙的中心。单相γ区存在于NJESGN区域内(7271459℃)(见P74相图）。奥氏体的强度较低，硬度较低(HB170220)，塑性高(延伸率为40%50%)，易于塑性变形。γ铁是顺磁性，晶粒呈平直多边形。2020/9/2112材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图奥氏体的显微组织2020/9/2113材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图Fe3C相(Cementite)：具有复杂的晶格（斜方晶系），Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，C原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，晶胞中有12个Fe原子和4个C原子，Fe:C=3:1。其晶体结构如图：石墨（C）（graphite）：在一定条件下，碳可以以游离态石墨稳定相存在，六方结构。2020/9/2114材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图碳在钢铁中的存在形式碳原子溶于α-Fe形成的间隙固溶体—铁素体F(bcc)碳原子溶于γ-Fe形成的间隙固溶体—奥氏体A(fcc)与铁原子形成复杂结构的间隙化合物—渗碳体Fe3C、Cm(斜方点阵）也可能以游离态石墨（六方结构）稳定相存在于基体中。2020/9/2115材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图§4.2Fe-Fe3C相图分析§4.2.1Fe-Fe3C平衡相图围绕三条水平线可把Fe-Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分、右边的共晶部分、左下角的共析部分。我们从分析相图中的点、线、区，特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线入手。达到掌握整个相图的目的。2020/9/2116材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点JL0.53+δ0.09A0.17共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体，Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体，PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图2020/9/2117材料科学与工程学院多媒体课件符号温度℃碳质量分数W(C)%含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点Lc→AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图2020/9/2118材料科学与工程学院多媒体课件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包晶点LB+δH→AJK7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点(A4)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点(A1)AS→FP+Fe3CQ室温0.0008室温时碳在α-Fe中的溶解度2020/9/2119材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图一、相图中的点、线、区及其意义1、相图中的点（最重要的点）J点：包晶点，合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，B点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应，生成J点成分的A。LB＋δHAJorL0.53＋δ0.09A0.17反应时三相共存，在恒温下进行。1495℃1495℃2020/9/2120材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图C点：共晶点，合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。LCAE＋Fe3CorL4.3A2.11＋Fe3C反应时三相共存，在恒温下进行。共晶反应的产物是A与渗碳体的共晶混和物，称为莱氏体(Ledeburite)，以符号Le表示。L4.3Le4.3（A+Fe3C）注意：莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时为珠光体）分布在渗碳体基体上。1148℃1148℃1148℃2020/9/2121材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图S点：共析点，合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。ASFP＋Fe3CorA0.77F0.0218＋Fe3C共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体(Pearlite)，以符号P表示。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。727℃727℃2020/9/2122材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体片(宽条)。w(Fe3C)＝1－w(F)＝11.3%∴w(Fe3C)/w(F)≈1:8故显微镜下铁素体片宽，而渗碳体片窄。%7.88%1000218.069.677.069.6)(PKSKFw2020/9/2123材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图2、相图中的线（重要的线）ABCD线－液相线AHJECF线－固相线水平线HJB－包晶反应线，碳质量分数为0.09%－0.53%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生包晶反应。水平线ECF－共晶反应线，碳质量分数在2.11%6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。水平线PSK－共析反应线，碳质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK线亦称A1线。2020/9/2124材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图GS线－合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。合金加热时F转变为A的终了线。GS线是由G点（A3点）演变而来，随着C含量的增加，使γ向α的同素异构转变温度逐渐下降，从A3点延伸为A3线。ES线－碳在A中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%，而在727℃时仅为0.77%，因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。2020/9/2125材料科学与工程学院多媒体课件第4章铁碳合金及Fe-Fe3C相图PQ线—碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F中析出F