材料科学基础-铁碳合金的组织及其性能

17.3.8二元相图实例分析铁碳系是一个很重要的合金系，它是碳钢、低合金钢以及铸铁的基础。在研究和使用钢铁材料时，铁碳相图是一个重要的工具。铁碳合金的组织及其性能2L+Fe3C0.0218组元:Fe,Fe3C3L+Fe3C0.0218组元:Fe,Fe3C4L+Fe3C0.0218基本相高温铁素体：碳溶于δ-Fe中的间隙固溶体，体心立方，符号：；最大溶碳量：0.09%奥氏体：碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方，符号：A或γ；最大溶碳量：2.11%铁素体：碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，体心立方，符号：F或α；最大溶碳量：0.0218%5L+Fe3C0.0218基本相渗碳体：Fe3C含碳：6.69%符号：Cm熔点：1227⁰C230⁰C以下具有铁磁性亚稳相：高温长时间加热，发生分解，分解为Fe和石墨，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图。Fe-Fe3C相图主要用于钢,而Fe-石墨相图则主要用于铸铁。6L+Fe3C0.0218特性点特性点的符号是国际通用的，不能更换7特性点8L+Fe3C0.0218三个主要转变1.包晶转变转变线：HJB反应式：L0.53+0.09↔0.17转变产物：奥氏体1495ºC82.共晶转变共晶线：ECF反应式：L4.3↔2.11+Fe3C转变产物：莱氏体Ld1148ºC9L+Fe3C0.0218三个主要转变3.共析转变共析线：PSK常用符号：A1反应式：0.77↔α0.0218+Fe3C转变产物：珠光体P727ºC10L+Fe3C0.0218重要的固态转变线1.GS线又称为A3线：奥氏体中开始析出铁素体的转变曲线；由于这条曲线在共析线以上，又称为先共析铁素体开始析出线。102.ES线也称Acm线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，温度低于此曲线时，要从奥氏体中析出次生渗碳体，常称为二次渗碳体，Fe3CII；11L+Fe3C0.0218重要的固态转变线3.PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，温度低于此曲线时，要从铁素体中析出三次渗碳体，Fe3CIII；12770⁰C水平线：铁素体的磁性转变温度，常称为A2温度；230⁰C水平线：渗碳体的磁性转变，常称为A0温度；13典型铁碳合金的平衡组织铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织分为三大类工业纯铁、碳钢、铸铁名称含碳量工业纯铁0.0218%共析钢0.77%亚共析钢0.0218%C0.77%过共析钢0.77%C2.11%共晶白口铸铁4.3%亚共晶白口铸铁2.11%C4.3%过共晶白口铸铁4.3%C6.69%1415(1)工业纯铁(WC=0.01%的合金)室温组织：α+Fe3CIII1617Fe3CIII最大量计算%3.0%1000008.069.60008.00218.0III3CFeQ18(2)共析钢(WC=0.77%的合金)组织：珠光体共析铁素体与共析渗碳体的机械混合物19%2.11%8.88%100,%8.880218.069.677.069.6CFe3QPKSKQ珠光体珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间，层片越细，其强度越高，韧性和塑性也好。转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：20%5.880008.069.677.069.64QLLQQ43219室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？%5.11%5.88%100CFe3Q21(3)亚共析钢(WC=0.4%的合金)组织：先共析铁素体+珠光体22%PKKQ%,PKPQCFe100510053%PSSQ%PSPQP10051005，共析转变结束后相的相对重量为：组织组成物的相对重量为：S’23室温下相的相对重量百分比为：%6%,63100QLLQ100QLQQCFe室温下组织组成物的相对重量百分比为：%1006%,1006'''QSSQQSQQPS’2424含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织亚共析钢室温下的组织为a+P。在0.0218%-0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。25(4)过共析钢(WC=1.2%的合金)组织：网状的二次渗碳体+珠光体262727%6.22%10077.069.677.011.23IICFeQ含1.4%C钢的组织室温下两相的相对重量百分比：Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：室温下两组织组成物的相对重量百分比：%1005%,10053QLQQQLLQCFe12345S’%''%,'100510053LSSQLSLQCFePⅡ28(5)共晶白口铸铁(WC=4.3%的合金)28共晶体称为莱氏体Ld室温组织：变态莱氏体Ld’2929Fe3C合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Ld)，莱氏体是共晶与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状。莱氏体以Fe3C为基，性能硬而脆。%.Q%.%....QCFe847252100112696346963，●共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:●C点以下,成分沿ES线变化，共晶将析出Fe3CⅡ。Fe3CⅡ与共晶Fe3C结合，不易分辨。31%.%.%....659440100770696346963CFeQQ，S●在2点,共晶发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,又称变态莱氏体，用Ld’表示。2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。●温度降到2点,成分达到0.77%,此时,相的相对重量:32%.%.%%.%....36473510073510000080696346963CFeQQ●共晶白口铸铁室温组织为Ld’(P+Fe3C),它保留了共晶转变产物的形态特征。●室温下两相的相对重量百分比为：3333冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出Fe3CⅡ，但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Ld’（珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上）共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高34(6)亚共晶白口铸铁(WC=3.0%的合金)34室温组织：P+Fe3CII+Ld’IIdIIddCFeLPCFeLLQQQECCQECEQQ3'3'%10077.069.677.011.222亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’，室温下组织组成物相对重量百分比为：ECFD1234N37(7)过共晶白口铸铁(WC=5.0%的合金)37室温组织：Fe3CI+Ld’以上分析可知，铁碳合金不管其成分如何，其室温下的相组成都是铁素体和渗碳体。但随着成分的不同，合金经历的转变不同，因而相的相对量、相的形态、分布差异很大，也就是说不同成分的铁碳合金的组织有很大的差异。因为合金的性能是由其组织决定的，所以人们更关注合金的组织。40FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度41重要：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意义及其最大含量计算一次渗碳体：碳含量大于4.3％时，在L(Fe)＋Fe3C两相区内结晶析出的初生Fe3C为一次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148℃）以上，形貌为粗条状（其间为共晶组织）。碳含量于4.3%～6.69%是其典型成分区间。42重要：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意义及其最大含量计算。二次渗碳体：碳含量大于0.77％时，在A(Fe)＋Fe3C两相区内析出的Fe3C为二次渗碳体，形成温度于共晶温度（1148℃）与共析温度（727℃）之间，形貌以网状为典型。碳含量于0.77%～6.69％是其典型成分区间。43重要：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意义及其最大含量计算。三次渗碳体：F(Fe)＋Fe3C两相区内析出的Fe3C为三次渗碳体，形成温度于共析温度（727℃）以下，形貌为细片状或粒状。44重要：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意义及其含量计算共晶渗碳体：于共晶温度（1148℃）形成的共晶组织(A(Fe)＋Fe3C)中的Fe3C。形貌为片状的共晶组织形貌。碳含量约为4.3%。45重要：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ的意义及其最大含量计算。共析渗碳体：于共析温度（727℃）形成的共析组织（F(Fe)+Fe3C)中的Fe3C，形貌为片状的共析组织形貌。碳含量约为0.77%。4647计算室温时变态莱氏体中渗碳体的相对量，其中共晶渗碳体，二次渗碳体，共析渗碳体，三次渗碳体各为多少？渗碳体相对量：共晶渗碳体相对量：%8.47%10011.269.611.23.4二次渗碳体相对量：%8.11%10011.269.63.469.677.069.677.011.2共析渗碳体相对量：%5.4%10011.269.63.469.677.069.611.269.60218.069.60218.077.0三次渗碳体相对量：%1.0%10011.269.63.469.677.069.611.269.60218.069.677.069.60008.069.60008.00218.0%2.64%1000008.069.60008.03.448碳量对铁碳合金的组织和性能的影响(1)含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响495050●是通过改变显微组织及相的相对量来实现(铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相)。所以铁碳合金的各项性能与碳含量之间大致都具有直线关系。●亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。●0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。●＞1.0%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。●＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld’,合金硬而脆，抗磨损。(2)含碳量对铁碳合金机械性能的影响适合锻造：C%2.11%，可得到单相组织。适合铸造：C%～4.3%，流动性好。适合冷塑变：C%0.25%，变形阻力小。适合热处理：0.0218-2.11，有固态相变。(3)含碳量对铁碳合金工艺性能的影响