2-3工程材料第2章课件.ppt

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1、第三节第三节 铁碳合金相图铁碳合金相图l铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。l含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的称的称钢钢l含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称的称铸铁铸铁。1机械与汽车工程学院l铁和碳可形成一系列稳定化合物：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。，它们都可以作为纯组元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图相图。FeFe3

2、CFe2C FeCCC%(at%)2机械与汽车工程学院铁碳合金相图铁碳合金相图是是研究铁碳合金最研究铁碳合金最基本的基本的工具工具，是是研究碳钢和铸铁研究碳钢和铸铁的成分、温度、的成分、温度、组织及性能之间组织及性能之间关系的关系的理论基础理论基础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和热处理、冶炼和铸造等工艺铸造等工艺依据依据.3机械与汽车工程学院一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体铁素体，用，用 表示。表示。l都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0

3、218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体,用用F 或或 表示。表示。4机械与汽车工程学院l 奥氏体奥氏体:l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界

4、较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体奥氏体5机械与汽车工程学院l 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C,含碳含碳6.69%,用用Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、强度低强度低(b 35MPa),脆性大脆性大,塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合

5、金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体6机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院7 与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作莱氏体莱氏体,用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状,以以Fe3C为基，性能硬而脆。为基，性能硬而脆。与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体的组织特点是两相呈片层珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。莱氏体莱氏体珠光体珠光体二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析l 特征点特征点 LJNG +Fe3

6、C +Fe3CL+Fe3CL+8机械与汽车工程学院l 特征线特征线l 液相线液相线ABCD，固相线固相线AHJECFD l 三条水平线：三条水平线：lHJB：包晶线：包晶线LB+H J lECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3Cl共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体,用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状,以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体9机械与汽车工程学院lPSK：共析线：共析线 S FP+Fe3Cl共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体

7、珠光体L+L+L+Fe3C+Fe3C +F+Fe3Cl珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。PSK线又称线又称A1线线。10机械与汽车工程学院l 其它相线其它相线lGS,GP 固溶体固溶体转变线转变线,GS又称又称A3 线。线。lHN,JN 固溶体转固溶体转变线，变线，lES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称Ac m线。线。lPQ碳在碳在-Fe中的固中的固溶线。溶线。11机械与汽车工程学院l 三个三相区：三个三相区：即即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区

8、相区l 五个单相区：五个单相区：L、Fe3C l 七个两相区七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 12机械与汽车工程学院三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程l 钢钢(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组织为单相 l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)l 共析钢共析钢(0.77%C)l 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚亚共共析析钢钢共共析析钢钢过过共共析析钢钢共共晶晶

9、白白口口铁铁过过共共晶晶白白口口铁铁亚亚共共晶晶白白口口铁铁工工业业纯纯铁铁13机械与汽车工程学院l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C)铸造性能好铸造性能好,硬而脆硬而脆l 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)l 共共晶晶白白口口铸铸铁铁(4.3%C)l 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)14机械与汽车工程学院l工工业业纯纯铁铁的的结晶过程结晶过程 l合合金金液液体体在在1-2点点间间转转变变为为，3-4点点 间间 ，5-6点点 间间 。到到7点点，从从 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+15机械与汽车工程学院l工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程

10、 16机械与汽车工程学院 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，增加，合金的合金的室温下组织为室温下组织为F+Fe3C。l室室 温温 下下 Fe3C最大量为最大量为:l从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。17机械与汽车工程学院l 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合合金金液液体体在在1-2点点间间转转变变为为。到到S点点发发生生共共析析转转变：变：S P+Fe3C,全全部部转转变变为为珠光体。珠光体。18机械与汽车工程学院l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过

11、程19机械与汽车工程学院l珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状.l变结束时，珠光体中相的变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合不结合不易分辨。易分辨。室温组织为室温组织为P.珠光体珠光体Q20机械与汽车工程学院l 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程l0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应.l以以0.45%C的钢为例的钢为例l合金在合金在4点以前通过匀点以前通过匀晶晶包晶包晶匀晶反应全匀晶反应全部

12、转变为部转变为。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点,成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点，发生发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析反应转变为珠光体。温度继续下降，中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合,且量少且量少,忽略不计忽略不计.+Fe3CGSPABJH21机械与汽车工程学院亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程22机械与汽车工程学院l利用平衡组织中珠光体所利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77%(忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)

13、共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为：组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为：S23机械与汽车工程学院l亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。l在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织24机械与汽车工程学院l 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 l合金在合金在12点转变为点转变为 ,到到3点点,开始析出开始析出Fe3C。从奥氏从奥氏体中析出的体中析出的Fe3C称称二次渗碳体二次渗碳体,用用Fe3C表示表

14、示,其其沿晶沿晶界呈网状分布界呈网状分布.l温度下降温度下降,Fe3C量增加。量增加。到到4点，点，成分成分沿沿ES线变化到线变化到S点，余下的点，余下的 转变为转变为P。25机械与汽车工程学院过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程26机械与汽车工程学院l过共析钢过共析钢室温组织为室温组织为P+Fe3C。lFe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加,含碳量为含碳量为2.11%时时,Fe3C量最大：量最大：含含1.4%C钢的组织钢的组织27机械与汽车工程学院l 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 l合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏

15、体是共晶莱氏体是共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物,呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C 28机械与汽车工程学院l共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:lC点以下点以下,成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨。结合，不易分辨。12 Fe3C29机械与汽车工程学院l温度降到温度降到2点点,成分达到成分达到0.77%,此时此时,相的相对重量相的相对重量:l在在2点点,共晶共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种发生共析反应，转变为珠光体，这种由由P与与 Fe3C组成的组成的共晶体称共晶

16、体称低温莱低温莱氏体氏体,用用Le表示表示.2 点以下，共晶点以下，共晶体中体中P 的变化同的变化同共析钢。共析钢。S30机械与汽车工程学院共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程31机械与汽车工程学院l共晶白口铁室共晶白口铁室温组织为温组织为Le(P+Fe3C),它它保留了共晶转保留了共晶转变产物的形态变产物的形态特征。特征。l室温下两相的室温下两相的相对重量百分相对重量百分比为：比为：32机械与汽车工程学院l 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程l合合金金在在12点点间间析析出出 。到到2点点，液液相相成成分分变变到到C点点,并并转转变变为为Le。23点点间间从从 中中析析出出Fe

17、3C，一一次次 的的Fe3C被共晶被共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点，转变为转变为P。33机械与汽车工程学院亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程34机械与汽车工程学院l亚亚共共晶晶白白口口铁铁室室温温组组织织为为P+Fe3C+Le。l室室温温下下组组织织组组成成物物相相对对重量百分比为重量百分比为：ECFD1234N35机械与汽车工程学院l 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程l12点间点间从液相中析出从液相中析出Fe3C,这种渗碳体这种渗碳体称称一次渗碳一次渗碳体体，用用 Fe3C表示，呈粗条片状。表示，呈粗条片状。到到2点，余下的液点，余下的液相成分变到相成分变到C点

18、并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C12436机械与汽车工程学院l2点以下点以下,Fe3C成分重量不再成分重量不再发生变化发生变化,Le变化同共晶合金变化同共晶合金,其其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。37机械与汽车工程学院l组织组成物与相组织组成物与相组成物标注区别组成物标注区别主要在主要在+Fe3C和和+Fe3C两个相区两个相区.+Fe3C相区中相区中有有四个组织组成物四个组织组成物区，区，+Fe3C相区相区中中有七个组织组有七个组织组成物区。成物区。l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 +Fe3C +Fe3C 38机械与汽车工程学院FeFe3CSQ

19、PNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+LeP+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温温度度39机械与汽车工程学院l 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l 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 l含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢

20、白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体40机械与汽车工程学院l 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响l亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强度、硬度钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。升高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100%P,钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界为晶界连续网状，连续网状，强度下降强度下降,但但硬度仍上升。硬度仍上升。l2.11%C，组织中有以组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合金太脆合金太脆.41机械与汽车工程学院l 含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响l 切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适l 可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好l 焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好l 铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好l 热处理性能热处理性能:第六章介绍第六章介绍铸铸造造焊焊缝缝组组织织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨42机械与汽车工程学院