鐵碳平衡相圖詳解（課堂PPT）

1、12 目前應(yīng)用的鐵碳合金狀態(tài)圖是W(c)為06.69%的鐵碳合金部分（即Fe-Fe3C部分），W(c)大于6.69的鐵碳合金在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用鮮見報(bào)道。1.1.鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖1.1 1.1 以構(gòu)成相標(biāo)注的鐵碳相圖以構(gòu)成相標(biāo)注的鐵碳相圖31.2 以特性點(diǎn)標(biāo)注的鐵碳相圖以特性點(diǎn)標(biāo)注的鐵碳相圖注：虛線、點(diǎn)劃線的意義尚未準(zhǔn)確確定的數(shù)據(jù)、磁學(xué)轉(zhuǎn)變線、有序無序轉(zhuǎn)變線。4 以穩(wěn)定的化合物分割相圖（Fe3C）； 以特殊的成分分割相圖（鋼*與鐵的區(qū)分）； 確定各點(diǎn)、線、區(qū)的意義； 分析特征合金的結(jié)晶過程及其組織演化； 說明相圖的實(shí)際應(yīng)用2.1 分析步驟分析步驟2. 鐵碳相圖鐵碳相圖的分析方法的分析方法

2、*此處討論的鋼僅限于碳鋼，暫不涉及合金鋼。5p 相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點(diǎn)接觸除外）相區(qū)接觸法則；p 三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點(diǎn)是平衡相的成分點(diǎn)。p 若兩個(gè)三相區(qū)中有兩個(gè)相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)。p 單相區(qū)邊界線的延長(zhǎng)線應(yīng)進(jìn)入相鄰的兩相區(qū)。2.2 鐵碳相圖的幾何規(guī)律鐵碳相圖的幾何規(guī)律62.3 鐵碳相圖的鐵碳相圖的相區(qū)相區(qū) 1）單相區(qū)（四個(gè)）：n -Fe-鐵素體；n -Fe奧氏體；n -Fe-鐵素體；n L液相區(qū)72）兩相區(qū)(七個(gè))：n L+n +An L+A； n L+Fe3C； n A+F；n A+Fe3C；n F+Fe3C續(xù)前頁續(xù)前頁83）三相區(qū)(兩個(gè))n L、

3、A、Fe3C ECF線：共晶線，是液相、奧氏體、滲碳體的三相共存線；n A、F、Fe3C PSK線，共析線，是奧氏體、鐵素體、滲碳體的三相共存線。續(xù)前頁續(xù)前頁92.4 主要特性點(diǎn)主要特性點(diǎn) 1）A點(diǎn) 純鐵的熔點(diǎn)，溫度1538，W(c) =0%；2）C點(diǎn) 共晶點(diǎn)，溫度1148，W(c) =4.3% 成分為C的液相，冷卻到此溫度時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)：LcLd（AE+Fe3C）；3）D點(diǎn) 滲碳體熔點(diǎn)，溫度1227，W(c) =6.69%；104）E點(diǎn) 碳在-Fe中的最大溶解度，溫度1148，W(c) =2.11%；5）G點(diǎn) 純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變點(diǎn)，冷卻到912時(shí)，發(fā)生-F-Fe ；6）P點(diǎn) 碳在-Fe中的

4、最大溶解度，溫度727，W(c) =0.0218%；續(xù)前頁續(xù)前頁118）S點(diǎn) 共析點(diǎn)，溫度727， W(c) =0.77% 成分為S點(diǎn)的奧氏體，冷卻到此溫度時(shí)，發(fā)生共析反應(yīng)：AsP（Fp+Fe3C）；7）Q點(diǎn) 600時(shí)，碳在-Fe中的溶解度， W(c) =0.0057%；（冷至室溫時(shí)，碳在-Fe中的溶解度為0.0008%）；續(xù)前頁續(xù)前頁12附：鐵碳平衡圖中所有的特性點(diǎn)附：鐵碳平衡圖中所有的特性點(diǎn)132.5 特性線特性線 1）ACD線 液相線，由各成分合金開始結(jié)晶溫度點(diǎn)所組成的線，鐵碳合金在此線以上處于液相。2）AECF線 固相線，由各成分合金結(jié)晶結(jié)束溫度點(diǎn)所組成的線。在此線以下，合金完成結(jié)晶，

5、全部變?yōu)楣腆w狀態(tài)。3）ECF水平線 共晶線， W(c) 2.11%的鐵碳合金，緩冷至該線（1148）時(shí)，均發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成萊氏體。144）ES線 碳在奧氏體中的溶解度曲線，通常稱為Acm線。碳在奧氏體中最大溶解度是E點(diǎn)（ W(c) =2.11），隨著溫度的降低，碳在奧氏體中的溶解度減小，將由奧氏體中析出二次滲碳體Fe3C。5）GS線 奧氏體冷卻時(shí)開始向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度線，通常稱為A3線。續(xù)前頁續(xù)前頁157）GP線 0 W(c) 0.0218%的鐵碳合金，緩冷時(shí)，由奧氏體中析出鐵素體的終了線。6）PSK水平線 共析線，通常稱為A1線。奧氏體冷卻到共析線溫度（727）時(shí)，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變生成珠光體

6、（P）， W(c) 0.0218%的鐵碳合金均會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。續(xù)前頁續(xù)前頁168）PQ線 碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727時(shí)， W(c) =0.0218%，溶碳量最大；在600時(shí)， W(c) =0.0057%。 在727緩冷時(shí)，鐵素體隨著溫度降低，溶碳量減少，鐵素體中多余的碳將以滲碳體（三次滲碳體Fe3CIII）的形式析出。一般情況下，忽略Fe3CIII的存在。 以上各特性線的含義，均是指合金緩慢冷卻過程中的相變。若是加熱過程，則相反。 續(xù)前頁續(xù)前頁17附：鐵碳平衡圖中所有的特性線附：鐵碳平衡圖中所有的特性線18 一般所指鐵素體系碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，體心立方晶格。碳在-Fe中的

7、溶解度很小，727時(shí)0.0218%；室溫時(shí)為0.0008%，幾乎為零。其強(qiáng)度和硬度很低，塑性、韌性好。顯微組織是明亮的多邊形晶粒。 2.6.1 鐵素體（鐵素體（FerriteF或或相）相） 2.6 各相（組織）名稱及其定義各相（組織）名稱及其定義192.6.2 奧氏體（奧氏體（AusteniteA或或相）相） 奧氏體系碳溶于-Fe中所形成的間隙固溶體，面心立方晶格。碳在-Fe中的溶碳量較高，1148時(shí)為2.11%；其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性也好。其晶粒呈多邊形，晶界較鐵素體平直。20 滲碳體系鐵與碳形成的化合物，碳含量為6.69，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。其硬度很高，塑性和韌性很差，、Ak值

8、接近于零，脆性很大。圖中平直的白色條狀物即為鐵碳合金凝固時(shí)的一次滲碳體。2.6.3 滲碳體（滲碳體（CementiteFe3C） 212.6.4 珠光體（珠光體（PearliteP） 珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的機(jī)械混合物。系奧氏體冷卻時(shí)，在727 恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。顯微組織為鐵素體與滲碳體片層狀交替排列。性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。222.6.5 萊氏體（萊氏體（LedeburiteLd或或Ld） 萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的機(jī)械混合物。系在1148恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，平均碳含量為4.3%。233.

9、鐵碳相圖中鋼與鐵的區(qū)分鐵碳相圖中鋼與鐵的區(qū)分共析鋼亞共析鋼過共析鋼共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵W(c)=0.77%0.0218%W(c)0.77%0.77%W(c)2.11%W(c)=4.3%2.11%W(c)4.3%4.3%W(c)6.69%工業(yè)純鐵 鋼白口鑄鐵鐵碳合金鐵碳合金* 按含碳量和室溫組織分類W(c) =0.0218%工業(yè)純鐵 鋼白口鑄鐵鐵碳合金鐵碳合金*244. 4. 典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析典型鐵碳合金的結(jié)晶過程分析以鋼為例以鋼為例 共析鋼 亞共析鋼 過共析鋼 共晶白口鑄鐵 亞共晶白口鑄鐵 過共晶白口鑄鐵254.1 共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼的結(jié)晶過程 l 1點(diǎn)溫度以上，合

10、金處于液態(tài)；l 緩冷到1點(diǎn)溫度時(shí)，開始從液相結(jié)晶出奧氏體，溫度繼續(xù)下降，奧氏體量逐漸增加；l 直至2點(diǎn)溫度結(jié)晶終止，液相全部結(jié)晶為奧氏體；l 2點(diǎn)至3點(diǎn)間為單一奧氏體的冷卻；l 當(dāng)溫度降到S點(diǎn)時(shí)，奧氏體在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w；l S點(diǎn)以下，珠光體冷卻至室溫。26共析鋼結(jié)晶過程示意圖共析鋼結(jié)晶過程示意圖 274.2 亞共析鋼的結(jié)晶過程亞共析鋼的結(jié)晶過程 l 在3點(diǎn)以前的結(jié)晶過程與共析鋼類似；l 當(dāng)緩冷到3點(diǎn)時(shí)，從均勻的奧氏體中開始析出鐵素體；l 溫度繼續(xù)下降，鐵素體量逐漸增加，奧氏體量逐漸減少，尚未轉(zhuǎn)變的奧氏體的碳含量沿GS線逐漸增加；l 當(dāng)緩冷到4點(diǎn)(727)時(shí)，剩余的奧氏體的W(

11、c)=0.77%，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體；l 共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織由鐵素體加珠光體組成，冷卻到4點(diǎn)以下，組織不再產(chǎn)生改變；l 所有亞共析鋼的室溫平衡組織均為鐵素體+珠光體，隨著碳含量的增加，鐵素體量減少，珠光體量增加。28亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖 294.3 過共析鋼的結(jié)晶過程過共析鋼的結(jié)晶過程 l 在3點(diǎn)以前與共析鋼類似；l 當(dāng)緩冷到3點(diǎn)溫度時(shí)，奧氏體的溶碳量隨著溫度的下降而逐漸降低，并沿著奧氏體晶界析出二次滲碳體；l 隨著溫度繼續(xù)下降，二次滲碳體不斷析出，而剩余奧氏體的碳含量沿ES線逐漸減少；l 溫度降到4點(diǎn)(727)時(shí)；剩余奧氏體恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變而形成珠光體；

12、l 共析轉(zhuǎn)變結(jié)束后，合金組織為珠光體加二次滲碳體，直至室溫。l 所有過共析鋼的室溫平衡組織都是珠光體+網(wǎng)狀二次滲碳體。但隨著含碳量的增加，組織中珠光體的數(shù)量減少，網(wǎng)狀二次滲碳體的數(shù)量增加，并變得更粗大。30過共析鋼結(jié)晶過程示意圖過共析鋼結(jié)晶過程示意圖 315. 鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系鐵碳合金的成分、組織與性能的關(guān)系 5.1 含碳量與鐵碳合金平衡組織間的關(guān)系含碳量與鐵碳合金平衡組織間的關(guān)系 鐵碳合金的室溫組織都是由鐵素體和滲碳體兩相組成。隨著含碳量的增加，鐵素體量逐漸減少，滲碳體量逐漸增多，且它的形狀和分布也有所不同，從而形成不同的組織。相圖自左至右的組織為：F F+P P P+Fe3

13、CII P+Fe3CII+Ld Ld Ld+Fe3CI 325.2 含碳量與力學(xué)性能間的關(guān)系含碳量與力學(xué)性能間的關(guān)系 強(qiáng)度：當(dāng)W(c)0.9時(shí)，由于滲碳體在晶界呈網(wǎng)狀分布，使鋼的強(qiáng)度下降，脆性上升。硬度：隨W(c)的增加而提高。 塑性：隨W(c)的增加而迅速降低。 沖擊韌性：隨W(c)的增加而迅速降低。 336.1 相圖與材料的力學(xué)和物理性能相圖與材料的力學(xué)和物理性能*6. 相圖與合金性能的關(guān)系相圖與合金性能的關(guān)系34n 鑄造性能 根據(jù)液固相線之間的距離X： X越大，成分偏析越嚴(yán)重（因?yàn)橐汗滔喑煞植畲螅?X越大，流動(dòng)性越差（因?yàn)橹Оl(fā)達(dá)）； X越大，熱裂傾向越大（因?yàn)橐汗虄上喙泊娴臏貐^(qū)大）。

14、n 塑性加工性能：?jiǎn)蜗喙倘荏w區(qū)易于鍛造。n 熱處理性能：利用固溶度變化的固態(tài)相變。6.2 相圖與材料工程的工藝性能相圖與材料工程的工藝性能35相圖與熱加工工藝性能的關(guān)系相圖與熱加工工藝性能的關(guān)系367. 鋼鐵熱處理與鐵碳合金相圖的關(guān)系鋼鐵熱處理與鐵碳合金相圖的關(guān)系 Fe-Fe3C相圖是制訂鋼鐵零件熱處理工藝的理論依據(jù)，所以對(duì)熱處理工作者具有特別重要的意義。各種鋼材熱處理的常用工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是根據(jù)Fe-Fe3C相圖來確定的。37鋼鐵熱處理的溫度選取范圍在鐵碳相圖中的位置鋼鐵熱處理的溫度選取范圍在鐵碳相圖中的位置38 鐵碳平衡相圖是鐵碳合金在平衡狀態(tài)時(shí)的組織組成圖，圖中標(biāo)注的所有參數(shù)僅僅針對(duì)碳鋼和鑄鐵，且不