第四章 鐵碳合金的結(jié)構(gòu)及其相圖

1、第四章 鐵碳合金的結(jié)構(gòu)及其相圖教學(xué)目的及其要求通過(guò)本章學(xué)習(xí)，使學(xué)生們掌握鐵碳合金的基本知識(shí)及鐵碳相圖的應(yīng)用。主要內(nèi)容1鐵碳合金的相組成2鐵碳合金相圖及其應(yīng)用3碳鋼的分類、編號(hào)及應(yīng)用學(xué)時(shí)安排講課4學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)。教學(xué)重點(diǎn)1鐵碳合金相圖及應(yīng)用2典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析教學(xué)難點(diǎn) 鐵碳合金相圖的分析和應(yīng)用。教學(xué)過(guò)程 第一節(jié) 純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第二節(jié) 鐵碳合金中的相和組織組成一、鐵碳合金的組元鐵：熔點(diǎn)1538，塑性好，強(qiáng)度硬度極低，在結(jié)晶過(guò)程中存在著同素異晶轉(zhuǎn)變。不同結(jié)構(gòu)的鐵與碳可以形成不同的固溶體。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同一種元素在固態(tài)下由于溫度變化而發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)的變化。1394ºCg-Fe面心

2、立方a-Fe體心立方d-Fe體心立方912ºCa-Fe 的致密度為68，g-Fe為74，所以a-Fe 的晶胞體積大于g-Fe。由于純鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在生產(chǎn)上可以通過(guò)熱處理對(duì)鋼和鑄鐵改變其組織和性能。碳：在FeFe3C相圖中，碳有兩種存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以間隙固溶體形式存在。二、鐵碳合金中的基本相相：指系統(tǒng)中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并以界面隔開(kāi)的均勻組成部分。鐵碳合金系統(tǒng)中，鐵和碳相互作用形成的相有兩種：固溶體和金屬化合物。固溶體是鐵素體和奧氏體；金屬化合物是滲碳體。這也是碳在合金中的兩種存在形式。1鐵素體碳溶于a-Fe中形成的間隙固溶體稱為

3、鐵素體，用 a 或者F表示，為體心立方晶格結(jié)構(gòu)。塑性好，強(qiáng)度硬度低。2奧氏體碳溶于g-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用 g 或者A表示，為面心立方晶格結(jié)構(gòu)。塑性好，強(qiáng)度硬度略高于鐵素體，無(wú)磁性。3滲碳體Fe3C：晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含碳量6.69，熔點(diǎn)高，硬而脆，幾乎沒(méi)有塑性。滲碳體對(duì)合金性能的影響：（1）滲碳體的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韌性降低。（2）對(duì)強(qiáng)度的影響與滲碳體的形態(tài)和分布有關(guān)： 以層片狀或粒狀均勻分布在組織中，能提高合金的強(qiáng)度； 以連續(xù)網(wǎng)狀、粗大的片狀或作為基體出現(xiàn)時(shí)，急劇降低合金的強(qiáng)度、塑性韌性。二、兩相機(jī)械混合物珠光體：鐵素體與滲碳體的兩相混合物，強(qiáng)度、硬度

4、及塑性適中。萊氏體：奧氏體與滲碳體的混合物；室溫下為珠光體與滲碳體的混合物，又硬又脆。鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體為鐵碳合金中的基本組織，是鐵碳合金中的組織組成物。 組織組成物：指構(gòu)成顯微組織的獨(dú)立部分，可以是單相，也可以是兩相或多相混合物。 顯微組織：指在金相顯微鏡下所觀察到的金屬及合金內(nèi)部的微觀形貌，包括相和晶粒的形態(tài)、大小、分布等。第三節(jié) FeFe3C相圖分析一、相圖中的點(diǎn)（14個(gè)）1組元的熔點(diǎn)： A (0, 1538) 鐵的熔點(diǎn)；D (6.69, 1227) Fe3C的熔點(diǎn)2同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)：N（0, 1394）d-Fe Û g-Fe；G（0, 912）g-Fe &#

5、219; a-Fe3碳在鐵中最大溶解度點(diǎn)： P（0.0218，727），碳在a-Fe 中的最大溶解度 E（2.11，1148），碳在 g-Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495)，碳在 d-Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT），室溫下碳在a-Fe 中的溶解度2 三相共存點(diǎn)：S（共析點(diǎn)，0.77，727），（AF Fe3C）C（共晶點(diǎn)，4.3，1148），（ AL Fe3C） J（包晶點(diǎn)，0.17，1495）（ d AL ）3 其它點(diǎn)· B（0.53，1495），發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)液相的成分· F（6.69,1148 ） ， 滲碳體· K (6.69,7

6、27 ) ， 滲碳體二、相圖中的線1液相線()：結(jié)晶時(shí)液相的成分，在其上體系為液相；2固相線（）：結(jié)晶時(shí)固相的成分，其下為固相。3恒溫轉(zhuǎn)變的線：HJB 包晶線、ECF共晶線、PSK共析線。PSK 線，共析線。在此線上的合金都要發(fā)生共析反應(yīng)。冷卻時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度；加熱時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度；PSK線又稱A1線。4固溶度線 ES線：碳在奧氏體中的溶解度線，隨溫度溫度­，溶解度­ ；0.77%2.11%C。冷卻時(shí)，從奧氏體中開(kāi)始析出二次滲碳體的溫度；加熱時(shí)，二次滲碳體完全溶入奧氏體中的溫度。ES線又叫作Acm線。PQ 線：碳在鐵素體中的溶解度；隨溫度­

7、 ，最大溶解度­ ；0.0008% 0.0218%C；冷卻時(shí)，從鐵素體中開(kāi)始析出三次滲碳體的溫度；加熱時(shí)，三次滲碳體完全溶入鐵素體的溫度。5同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線：NH 和 NJ，GS 和 GP。GS線：冷卻時(shí)，由奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度；加熱時(shí)，鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度，GS線又叫作A3線。三、 相圖中的相區(qū)1單相區(qū)（4個(gè)1個(gè)）： L、A、F 、（ Fe3C） 2兩相區(qū)（7個(gè)）：L + 、L + Fe3C、L + A、 + A 、A + F 、A + Fe3C 、F + Fe3C。過(guò)合金的成分點(diǎn)作垂直于橫坐標(biāo)的直線稱為成分線強(qiáng)調(diào)！根據(jù)相圖規(guī)則，兩個(gè)單相區(qū)之間必然夾一個(gè)兩相區(qū)，兩相區(qū)

8、的兩個(gè)相就由這兩個(gè)單相區(qū)的相組成。四、基本轉(zhuǎn)變類型1勻晶反應(yīng)L ®: 由液相中直接結(jié)晶出相。合金的成分線與AB線相交，Wc：0 0.53%。L® A: 由液相中直接結(jié)晶出A相。合金的成分線與BC線相交，Wc：0.53% 4.3%。L® Fe3C: 由液相中直接結(jié)晶出Fe3C相。合金的成分線與CD線相交，Wc：4.3% 6.69%LdAdH0.09LB0.53AJ0.17+1495ºC2包晶反應(yīng)含義：具有J點(diǎn)成分的鐵碳合金冷卻至14950C，液相和相在轉(zhuǎn)變過(guò)程中恰好全部消耗完，生成了單一的J點(diǎn)成分的A相。 包晶點(diǎn) ：J（0.17，1495） 產(chǎn) 物：?jiǎn)蜗鄪W

9、氏體（ A ）AEFe3C 發(fā)生包晶反應(yīng)的合金成分： 0.09%-0.53% C 。 即合金的成分線與HJB線相交。A E2.11Fe3C6.69+1148ºCLc4.33共晶反應(yīng)含義：由C點(diǎn)成分的液相在11480C下，同時(shí)生成具有E點(diǎn)成分的A 相和Fe3C。 發(fā)生共晶反應(yīng)的成分范圍：2.11 %6.69% C，合金成分線與ECF線相交)。 產(chǎn)物：A和Fe3C的兩相混合物，稱為萊氏體，用Ld表示，其組織形態(tài)是以Fe3C為基體，A 呈粒狀或桿狀分布在Fe3C基體上。 共晶點(diǎn)：C (4.3,1148) FP0.0218Fe3C6.69+727ºC4共析反應(yīng)As0.77含義：在7

10、270C下，由S點(diǎn)成分的A相同時(shí)生成P點(diǎn)成分的F相和Fe3C相。 合金范圍： 0.0218 6.69%C，合金成分線與PSK線相交。 產(chǎn)物： F和Fe3C的兩相混合物，稱為珠光體，用P表示，形態(tài)呈層片狀。 共析點(diǎn)：S（0.77，727），具有S點(diǎn)成分的A相冷卻至7270C時(shí)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生 成珠光體。五種滲碳體的異同（Fe3CI、Fe3C、Fe3CI、共晶Fe3C、共析Fe3C）：它們只是形成條件、形態(tài)與分布不同，對(duì)鐵碳合金性能有所不同，就其本身來(lái)說(shuō)，并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，都是同一種物質(zhì)，即Fe3C，6.69C。五、鐵碳合金分類 工業(yè)純鐵、鋼（亞共析、共析、過(guò)共析鋼）、鑄鐵（亞共晶、共晶、過(guò)共晶白口

11、鑄鐵） 注意分界點(diǎn)成分六、典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程分析 分析方法和步驟： 在相圖的橫坐標(biāo)上找出給定的成分點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)作成分線； 在成分線與相圖的各條線的交點(diǎn)作標(biāo)記（一般用1、2、3、4.） 寫(xiě)出每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間或者重要點(diǎn)上發(fā)生的轉(zhuǎn)變（由液相分析至室溫）。AA 室溫下該成分線所在的相區(qū)，合金室溫下就具有那個(gè)相；組織組成物則取決于冷卻過(guò)程中發(fā)生的轉(zhuǎn)變。 1Wc0.77%的鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析合金在1點(diǎn)溫度以上為液相L；在12溫度之間，發(fā)生勻晶反應(yīng)，從液相中析出奧氏體相；在23點(diǎn)溫度之間，為單相奧氏體，只有溫度的降低；在3點(diǎn)（S點(diǎn)）時(shí)到達(dá)共析溫度（7270C，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體組織；3點(diǎn)以下直到

12、室溫，合金溫度降低，為珠光體組織。所以，Wc0.77%的鐵碳合金 室溫下的相：F+Fe3C 組織組成物：P(珠光體）（100） 組織形貌： F和Fe3C層片狀混合物FFe3C(0.0008)(6.69)0.77C問(wèn)題：用杠桿定律計(jì)算共析鋼室溫下F相和Fe3C相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（合金的總質(zhì)量為1，含碳量為0.77%。室溫下由F和Fe3C兩相組成，其中F中含碳量為0.0008%, Fe3C中含碳量為6.69%.）F相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe3C相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0218？（杠桿的支點(diǎn)是兩個(gè)相的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)即合金的成分點(diǎn)，端點(diǎn)分別是兩個(gè)相的成分點(diǎn)。）2Wc0.4%的鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析合金在1點(diǎn)溫度以上為液相L；在

13、12點(diǎn)溫度之間，發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變，從液相中結(jié)晶出鐵素體相；在2點(diǎn)1495，液相L與相發(fā)生包晶反應(yīng)，生成奧氏體A，液相有剩余；在23點(diǎn)溫度之間，剩余的液相向A相轉(zhuǎn)變；在34點(diǎn)溫度之間，為單相奧氏體，合金溫度降低；在45點(diǎn)溫度之間，同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，A向F（先共析鐵素體）轉(zhuǎn)變，為（FA）兩相；在5點(diǎn)727，未轉(zhuǎn)變成F的A發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體（P）組織；從5點(diǎn)直到室溫，組織為（FP），合金溫度降低，沒(méi)有組織轉(zhuǎn)變。 室溫下的相：F+Fe3C 組織組成物：F和P 組織形貌： 塊狀F和片狀P 室溫下組織組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的計(jì)算：60鋼平衡結(jié)晶過(guò)程示意圖AAA？課堂練習(xí)：60鋼的平衡結(jié)晶過(guò)程分析T>T1T

14、1T2T2T3T3T4T<T43過(guò)共析鋼（1.2C）合金在BC線溫度以上為液相L；在BC線JE線溫度之間，發(fā)生勻晶反應(yīng)，從液相中析出奧氏體相；在JE線ES線溫度之間，為單相奧氏體，合金溫度降低；在ES線PSK線溫度之間，從奧氏體中析出二次滲碳體相（先共析滲碳體），合金為AFe3C兩相；在PSK線上727時(shí)，未轉(zhuǎn)變的奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織；從727直到室溫，合金溫度降低，沒(méi)有發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。室溫下的相：F+Fe3C室溫組織：珠光體二次滲碳體。組織形態(tài)：片狀P和二次滲碳體呈網(wǎng)狀分布在A晶界。在過(guò)共析鋼中，當(dāng)碳含量小于0.9時(shí)，二次滲碳體呈片狀分布在A晶界；當(dāng)碳含量大于0.9時(shí)，二

15、次滲碳體成為網(wǎng)狀沿晶界分布。室溫下組織組成物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的計(jì)算：4白口鑄鐵的平衡結(jié)晶過(guò)程（略）七FeFe3C相圖的應(yīng)用（一）、碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響 1含碳量對(duì)合金平衡組織的影響Fe3C的形態(tài)：F+Fe3CIII三次Fe3C呈細(xì)小的薄片分布于F的晶界。F+P先共析F呈塊狀，P中Fe3C呈層片狀與F片相間 。P Fe3CIIP P中Fe3C與F呈層片狀相間分布。P中Fe3C片與F片相間 ，二次Fe3C 沿晶界呈網(wǎng)狀分布。PFe3CIILdP中Fe3C片與F片混合（相間 ），萊氏體中Fe3C作為基體Ld萊氏體中珠光體分布在Fe3C的基體上Ld +Fe3CI 一次Fe3C為粗大長(zhǎng)片狀，萊氏

16、體中Fe3C作為基體含碳量逐漸增加含碳量的增加，鋼的平衡組織中鐵素體量減少，滲碳體量增加；在亞共析鋼中，隨碳含量增加，鐵素體減少，珠光體量增多；在過(guò)共析鋼中，珠光體減少，滲碳體增多；到白口鑄鐵時(shí)，組織中以滲碳體作為基體。2含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響鐵素體(F)：軟而韌，硬度極低；滲碳體(Fe3C)：硬而脆。所以，（1）含碳量增加，硬度增加；塑性韌性降低。（2）含碳量增加，強(qiáng)度先增后降（0.9%最高）：當(dāng)碳含量在小于0.9時(shí)，滲碳體含量越多，分布越均勻，鐵碳合金強(qiáng)度越高；當(dāng)碳含量超過(guò)0.9時(shí)，滲碳體在鋼的組織中呈網(wǎng)狀分布在晶界，而在白口鑄鐵的組織中作為基體存在，使強(qiáng)度降低。3含碳量對(duì)工藝性能的影響切

17、削加工性能：一般認(rèn)為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)降低其切削加工性能。可鍛性：低碳鋼比高碳鋼好。由于鋼加熱呈單相奧氏體狀態(tài)時(shí)，塑性好、強(qiáng)度低，便于塑性變形，所以一般鍛造都是在單相奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行。鑄造工藝性能：鑄鐵的流動(dòng)性比鋼好，易于鑄造，特別是靠近共晶成分的鑄鐵，其結(jié)晶溫度低，流動(dòng)性也好，更具有良好的鑄造性能。從相圖的角度來(lái)看，凝固溫度區(qū)間越大，越容易形成分散縮孔和偏析，鑄造工藝性能越差?？珊感裕阂话悖剂吭降?，鋼的焊接性能越好，所以低碳鋼比高碳鋼更容易焊接。（二）、FeFe3C相圖的應(yīng)用 1為制定熱加工工藝提供依據(jù)。（1）制定熱處理工

18、藝的依據(jù) （2）為制定熱加工工藝提供依據(jù)，包括鑄造、鍛造、焊接、熱處理。鑄造方面 鑄造合金成分的確定和澆注溫度的確定。鍛造方面 確定始鍛溫度和終鍛溫度。焊接方面 分析熱影響區(qū)的組織。熱處理方面 確定熱處理加熱的溫度。 2為選材提供成分依據(jù)。 工業(yè)純鐵：室溫下退火態(tài)的組織由等軸晶粒組成；強(qiáng)度低，塑性、韌性好；作為功能材料使用，如變壓器的鐵芯等。含碳量在0.15-0.25%的亞共析鋼：屬低碳鋼，為工程結(jié)構(gòu)用鋼。這類鋼主要用于房屋，橋梁、船舶、車輛、礦井或油井井架等大型工程結(jié)構(gòu)件，一般不進(jìn)行熱處理，直接在熱軋或正火狀態(tài)下使用。含碳量在0.30-0.50%的亞共析鋼，屬中碳鋼，為機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼。主要用于制造各種機(jī)械零部件，如軸類、齒輪等。它要求有較高的強(qiáng)度，塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能。這類鋼通常在淬火、高溫