金属学-铁碳合金和铁碳相.ppt

第九章 铁碳合金和铁碳相图9.1 铁碳合金中的组元和基本相铁碳合金中的组元和基本相9.2 Fe-Fe3C相相图分析图分析9.3 典型合金的平衡结晶典型合金的平衡结晶9.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响胡平胡平 鉴于含碳量为鉴于含碳量为6.69%的的Fe3C硬而脆，超过硬而脆，超过6.69的的铁碳合金没有实用价值。铁碳合金没有实用价值。所以所以我们研究的铁碳相图，我们研究的铁碳相图，实际上是实际上是Fe和和Fe3C二个基二个基本组元组成的本组元组成的FeFe3C相相图图或或Fe和自由碳组成的和自由碳组成的FeG相图。相图。整个整个FeFeC C相图包括相图包括FeFeFe3CFe3C、Fe3CFe3CFe2CFe2C、Fe2CFe2CFeCFeC、FeCFeCC C等部分组成。等部分组成。组组 元：元：纯铁、渗碳体基基 本本 相：相：高温铁素体（）、铁素体（）、奥氏体（）基本组织：基本组织：珠光体（P）、莱氏体（Le/Le）9.1 铁碳合金中的组元和基本相钢和铸铁可以看成是铁碳二元合金，碳含量（重量）小于2.11%的合金称为钢，大于2.11%的合金称为铸铁。1394 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 -Fe -Fe -Fe一、纯铁的同素异构转变一、纯铁的同素异构转变第一节第一节 铁碳合金的组元与基本相铁碳合金的组元与基本相铁在室温为体心立方结构，称为 铁，具有铁磁性。在铁，具有铁磁性。在770（居里点）以上铁磁性消失，（磁性转变不属于相变）铁磁性消失，（磁性转变不属于相变）温度到达温度到达912 以上时具有面心立方点阵结构，称为铁；铁；温度到达温度到达1394 以上时再次具有体心立方点阵结构，称为铁；铁；温度到达温度到达1538 以上时成为液态液态。1394 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 -Fe -Fe -Fe1394 C912 C体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方 -Fe -Fe -Fe15381394912-Fe-Fe-Fe液液 相相体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立方温温度度 时间时间/s室温室温返回返回9.1 铁碳合金中的组元和基本相770非 磁 性磁性纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现象。9.1 铁碳合金中的组元和基本相二、铁碳合金的基本相及其性能二、铁碳合金的基本相及其性能铁素体（铁素体（F）：碳溶与碳溶与-Fe中形成中形成的间隙固溶体。的间隙固溶体。性能性能-强度和硬强度和硬度低，塑性和韧性度低，塑性和韧性好好奥氏体（奥氏体（A）：碳与碳与-Fe形成的间隙形成的间隙固溶体。高温组织，固溶体。高温组织，在大于在大于727时存在。时存在。性能性能-塑性好，强塑性好，强度和硬度高于度和硬度高于F。在。在锻造、轧制时常要锻造、轧制时常要加热到加热到A，可提高塑，可提高塑性，易于加工。性，易于加工。渗碳体（渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成：铁与碳形成的金属化合物。的金属化合物。在在Fe-Fe3C相图相图中，既是组元又中，既是组元又是基本相。是基本相。性能性能-硬度高，硬度高，脆性大。脆性大。珠光体（珠光体（P）：）：铁素体（铁素体（F）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C）组成的机械混合物。）组成的机械混合物。性能性能-力学性能介于两者之间。力学性能介于两者之间。莱氏体（莱氏体（Ld）：奥氏体（奥氏体（A）和渗碳体（）和渗碳体（Fe3C）组成的机械混合物。）组成的机械混合物。性能性能-硬度高，塑性差。硬度高，塑性差。莱氏体莱氏体Le或或Ld：高温莱氏体高温莱氏体,Le或或Ld（A+Cm）低温莱氏体低温莱氏体,Le或或Ld（P+Cm）FeTFe3C第三节第三节 Fe-Fe3C 相图分析相图分析Fe-Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C T(A+Fe3C)LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+Fe3C(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶共晶相图相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图(P+Fe3C)Fe-Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK(P+Fe3C)P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C(F+Fe3C)A+Fe3CL+Fe3C(A+Fe3C)两种反应：两种反应：1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成出两种成分和结构均分和结构均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。A0.77%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%c相图中的三个重要点相图中的三个重要点相图中的三个重要点相图中的三个重要点相图中的五个单相相图中的五个单相相图中的五个单相相图中的五个单相(区区区区)相图中的三条水平线相图中的三条水平线相图中的三条水平线相图中的三条水平线相图中的四条垂直线相图中的四条垂直线相图中的四条垂直线相图中的四条垂直线9.2 Fe-Fe3C相图J为包晶点为包晶点:1495时,B点成分的L与H点成分的发生包晶反应,生成J点成分的。C点为共晶点点为共晶点1148时,C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的和Fe3C（莱氏体）。S点为共析点点为共析点727时,S点成分的发生共析反应,生成P点成分的和Fe3C（P）。返回返回9.2 Fe-Fe3C相图返回返回9.2 Fe-Fe3C相图包晶反应：L+共晶反应：LLd(FeC3+)共析反应：P(FeC3+)返回返回9.2 Fe-Fe3C相图9.2 Fe-Fe3C相图过共析钢过共析钢共析钢共析钢共晶白口铁共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢碳素钢白口铸铁白口铸铁亚共析钢亚共析钢工业纯铁工业纯铁 相图中主要线的含义相图中主要线的含义ABCD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。开始结晶的温度线。JECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液的液态合金冷却到此线时，在态合金冷却到此线时，在1148 由液态合由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。此反应称为共晶反应。PSK水平线水平线共析线共析线（A1线）线）含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在的奥氏体冷却到此线时，在727 同同时时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。应称为共析反应。GS线线（A3线）线）是冷却时奥氏体转变为铁是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。素体的开始线。ES线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。碳体的开始线。A3Acm铁碳铁碳合金合金含碳量为含碳量为2.11%2.11%6.69%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶白口铸铁：共晶白口铸铁：含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：含碳量在含碳量在2.11%2.11%4.3%4.3%之间；之间；过共晶白口铸铁：过共晶白口铸铁：含碳量在含碳量在4.3%4.3%6.69%6.69%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。工业纯铁工业纯铁钢钢白口白口铸铁铸铁 含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据的铁碳合金。根据金相金相 组织的不同，可分为三种。组织的不同，可分为三种。共析钢：共析钢：含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢：亚共析钢：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：过共析钢：含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间；之间；典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织工业纯铁的平衡结晶过程冷却过程中匀晶反应：冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C返回返回共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）单相固溶体的冷却相发生共析反应生成珠光体P共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析注意事项注意事项共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的，但与共析的Fe3C连在一连在一起，难以分辨。起，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：共析钢的室温平衡组织：P共析钢的平衡结晶过程P：铁素体（：铁素体（F）和渗碳体的两相混）和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？合物，两相的相对质量是多少？杠杆定律杠杆定律计算二元相图中计算二元相图中 平衡状态下平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。两平衡相的相对质量分数。杠杆的杠杆的支点支点是两相合金的是两相合金的成分点成分点，端点，端点分别是两个相的分别是两个相的成成分点分点。a a相的质量分数相的质量分数Fe3C相的质量分数相的质量分数aFe3CA(0.0008)B(6.69)0.77C亚共析钢的平衡结晶过程L相冷却相冷却L相相 相相L相相+相相 相，并且相，并且L相有剩余相有剩余剩余剩余L相相 相相单相的冷却单相的冷却相相 相，但相，但相有剩余相有剩余共析反应：剩余共析反应：剩余相相P（+Fe3C），存在先），存在先析析相相亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析注意事项注意事项先析先析铁素体（铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出相）在随后的冷却过程中会析出FeFe3 3C C，但量很少可忽略，但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体珠光体P P利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁素体算铁素体（先析铁素体+P+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数亚共析钢的平衡结晶过程计算计算727 下下,组织组成物组织组成物的质量分数的质量分数a a组织组成物的组织组成物的质量分数质量分数P组织组成物的组织组成物的质量分数质量分数Pa aP PA(0.0218)B(0.77)0.6C亚共析钢的平衡结晶过程过共析钢的平衡结晶过程单相液体的冷却L相相单相固溶体（奥氏体）的冷却相中析出二次渗碳体（Fe3C）共析转变：相（+Fe3C），存在Fe3C过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析注意事项注意事项从奥氏体中析出的从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体称为二次渗碳体Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大过共析钢室温平衡组织：珠光体过共析钢室温平衡组织：珠光体P+Fe3C 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数过共析钢的平衡结晶过程共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：共晶反应：LLd（+Fe3C）共晶共晶中的中的相不断析出相不断析出Fe3C，不可见，不可见共析反应：共析反应：Ld（+Fe3C）Ld（P+Fe3C）注意事项注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，Fe3C，但其依附于，但其依附于莱氏体中的莱氏体中的Fe3C长大，不可见长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le（珠光体呈粒状分布（珠光体呈粒状分布在在Fe3C基体上）基体上）共晶白口铁的基体相是共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高 亚共晶白口铁的平衡结晶过程亚共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：剩余共晶反应：剩余LLd（+Fe3C）先共晶先共晶相不断析出相不断析出Fe3C，共晶，共晶相析出相析出Fe3C不可见不可见共析反应：共析反应：Ld（+Fe3C）Ld（P+Fe3C）先共晶先共晶相相 P匀晶反应：匀晶反应：L 相相室温组织：室温组织：Ld（P+Fe3C）+P+Fe3C亚共晶白口铁的室温组织亚共晶白口铁的室温组织 低温莱氏体珠光体二次渗碳体低温莱氏体珠光体二次渗碳体 （LdLdP PFeFe3 3C C)基体为低温莱氏体基体为低温莱氏体LdLd，大块黑色颗，大块黑色颗 粒为由初晶奥氏体共析转变形成的珠粒为由初晶奥氏体共析转变形成的珠 光体光体P P ，初晶奥氏体中析出的，初晶奥氏体中析出的FeFe3 3C C 与共晶与共晶FeFe3 3C C连成一体难以分辨。连成一体难以分辨。注意注意室温组织室温组织如如 w(Cw(C)3.0%3.0%合金，利用杠杆定律可计算合金，利用杠杆定律可计算:组织组成物：组织组成物：LdLd P PFeFe3 3C C从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的数量为从初晶奥氏体中析出的二次渗碳体的数量为过共晶白口铁的平衡结晶过程单相液体的冷却单相液体的冷却共晶反应：剩余共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）共晶共晶相析出相析出Fe3C不可见不可见共析反应：共析反应：Le（+Fe3C）Le（P+Fe3C）匀晶反应：匀晶反应：L Fe3C相相室温组织：室温组织：Le（P+Fe3C）+Fe3C过共晶白口铁的室温组织过共晶白口铁的室温组织碳含量对铁碳合金室温组织的影响碳含量对铁碳合金室温组织的影响小结a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+LdLdFe3C+Ld铁素体素体珠光体珠光体渗渗碳碳体体莱莱氏体氏体钢铁分界分界线两个单相之间是混合相两个单相之间是混合相四）主要组织组成物四）主要组织组成物Ld含碳量对平衡组织的影响示意图含碳量对平衡组织的影响示意图重要！重要！碳含量变化对碳含量变化对和和FeFe3 3C C分布和形态的影响：分布和形态的影响：碳含量碳含量 w(Cw(C)0.0218%)0.02180.0218 为连续分布的块状组织为连续分布的块状组织w(Cw(C)接近接近0.77%0.77%先共析先共析沿沿晶界呈网状分布晶界呈网状分布w(Cw(C)0.770.77 为片层状的共析铁素体为片层状的共析铁素体w(Cw(C)6.69%6.69%已不存在已不存在 碳含量碳含量 FeFe3 3C Cw(Cw(C)0.0218%)0.02180.0218 共析转变形成共析转变形成层片状层片状共析共析FeFe3 3C C w(Cw(C)0.770.77 沿奥氏体晶界析出沿奥氏体晶界析出网状网状FeFe3 3C C ES ES线：线：w(Cw(C)2.11)2.11 共晶反应形成共晶反应形成共晶共晶FeFe3 3C C ，为连续的，为连续的基体基体组织组织w(Cw(C)4.3%4.3%全部是以共晶全部是以共晶FeFe3 3C C为基体的为基体的LdLd组织组织w(Cw(C)4.30)4.30 从液相中直接结晶出从液相中直接结晶出粗大长条状粗大长条状的的FeFe3 3C C CD CD线：线：硬度硬度硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数质量分数,随碳含量的增加随碳含量的增加,由于硬度高的由于硬度高的Fe3C增多增多,硬度硬度低的低的F减少减少,合金的硬度呈直线关系增大合金的硬度呈直线关系增大,由全部为由全部为F的硬的硬度约度约80 HB增大到全部为增大到全部为Fe3C时的约时的约800 HB。含碳量对铁碳合金力学性能的影响强度强度n,亚共析钢亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密,则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随而增大。n共析成分之上,由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现,合金强度的增高变慢,到约0.9%C时,Fe3CII沿晶界形成完整的网,强度迅速降低,随着碳质量分数的进一步增加,强度不断下降,到2.11%C后,合金中出现Le时,强度已降到很低的值。n再增加碳含量时,由于合金基体都为脆性很高的Fe3C,强度变化不大且值很低,趋于Fe3C的强度(约20MPa30MPa)。含碳量对铁碳合金力学性能的影响n铁碳合金中Fe3C是极脆的相,没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大,F量不断减少时,合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时,塑性就降到近于零值了。塑性塑性含碳量对铁碳合金力学性能的影响谢谢 谢！谢！提醒：提醒：铁碳相图这章内容占金属学期末考试的铁碳相图这章内容占金属学期末考试的30%30%左右，左右，具体结合前面章节的内容命题，比如和固溶体具体结合前面章节的内容命题，比如和固溶体/金属间化金属间化合物，和凝固，利用相图计算相组成合物，和凝固，利用相图计算相组成/组织组成等，所以组织组成等，所以本章很重要！本章很重要！对于考研的同学，这一章也是非常重要的，很多学对于考研的同学，这一章也是非常重要的，很多学校的校的材料科学基础材料科学基础专业课考试中铁碳相图也占专业课考试中铁碳相图也占3030分分左右的分量，所以本章很重要！左右的分量，所以本章很重要！这是我精心准备的课件，但赵老师出差回来了就没这是我精心准备的课件，但赵老师出差回来了就没讲成，提供给大家，有助于理解重点！特别是七种合金讲成，提供给大家，有助于理解重点！特别是七种合金的凝固和室温组织分析，这部分内容是难点也是重点。的凝固和室温组织分析，这部分内容是难点也是重点。希望对你们有用，也祝你们期末都能考过！希望对你们有用，也祝你们期末都能考过！