第5章鐵碳合金

1、5. 5.1 1 Fe-Fe Fe-Fe3 3C C系合金的組元與基本相系合金的組元與基本相5. 5.2 2 Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖相圖5.3 5.3 鐵碳合金的平衡結(jié)晶鐵碳合金的平衡結(jié)晶5. 5.4 4 含碳量對鐵碳合金組織與力學(xué)性能的影響含碳量對鐵碳合金組織與力學(xué)性能的影響5.5 Fe-Fe5.5 Fe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用第5章鐵碳合金和鐵碳相圖鐵碳合金主要由鐵和碳兩種元素組成，包括鐵碳合金主要由鐵和碳兩種元素組成，包括碳鋼（非合金鋼）和鑄鐵，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)應(yīng)用碳鋼（非合金鋼）和鑄鐵，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)建設(shè)應(yīng)用及其廣泛的重要基礎(chǔ)材料。及其廣泛的重要基礎(chǔ)材料。鐵碳相圖

2、鐵和碳可以形成一系列的化合物，如：鐵和碳可以形成一系列的化合物，如：FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC。 FeFe3 3C C的含碳量為的含碳量為6.69%6.69%，碳含量超過，碳含量超過6.69%6.69%的鐵碳合金脆的鐵碳合金脆性很大，沒有使用價值。性很大，沒有使用價值。常用的鐵碳相圖是常用的鐵碳相圖是Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖。相圖。5. 5.1 1 Fe-Fe Fe-Fe3 3C C系合金的組元與基本相系合金的組元與基本相5.1.1 5.1.1 組元組元（1 1）純鐵）純鐵FeFe：熔點(diǎn)：熔點(diǎn)15381538,密度密度7.877.8710103 3kg

3、/mkg/m3 3 。純鐵的純鐵的冷卻曲線冷卻曲線 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。 FeFe的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：純鐵的力學(xué)性能：純鐵的力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。b b=180=180280MPa280MPa， 0.20.2=100=100170MPa,170MPa, =40 =405050，HBSHBS50508080。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 -Fe（bcc） -Fe（fcc） -Fe（bcc）1394 C912 C-Fe，fcc-

4、Fe，bcc912 （2 2）FeFe3 3C C滲碳體，間隙化合物，復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。滲碳體，間隙化合物，復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。熔點(diǎn)高，硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。HV=950HV=95010501050。5.1.2 鐵碳合金中的相液相液相：鐵與碳形成的液體。：鐵與碳形成的液體。相相：13941394以上存在，以上存在，高溫鐵素體高溫鐵素體，碳在，碳在-Fe-Fe中的中的間隙固溶體間隙固溶體，bccbcc。相相：912912以下存在，以下存在，鐵素體鐵素體，碳在，碳在-Fe-Fe中的中的間間隙固溶體隙固溶體，bccbcc。其性能是強(qiáng)度低，硬度低，塑性好。其性能是強(qiáng)度低

5、，硬度低，塑性好。相相：1495-7271495-727范圍內(nèi)存在，范圍內(nèi)存在，奧氏體奧氏體，碳在，碳在-FeFe中的中的間隙固溶體間隙固溶體，fccfcc，。其性能是強(qiáng)度低，硬度低，。其性能是強(qiáng)度低，硬度低，塑性好。塑性好。FeFe3 3C C：滲碳體滲碳體，間隙化合物間隙化合物，復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)，復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)。根據(jù)其形成條件不同，有條狀、粒狀、片狀等形態(tài)。其形成條件不同，有條狀、粒狀、片狀等形態(tài)。5.2 5.2 ( (Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖相圖) )液相線液相線ABCD固相線固相線AHJECF包晶線包晶線 HJB，包晶點(diǎn)包晶點(diǎn) JLB+ H J共晶線共晶線 ECF，共晶點(diǎn)共

6、晶點(diǎn)CLC (E+Fe3C) 高溫萊氏體高溫萊氏體,Le或或Ld共析線共析線 PSK，共析點(diǎn)共析點(diǎn)SS (P+Fe3C) 珠光體珠光體, PES線：線：C在在A中的固溶線中的固溶線PQ線：線：C在在F中的固溶線中的固溶S線：線：A3線，線， 5.3 5.3 鐵碳合金的平衡結(jié)鐵碳合金的平衡結(jié)晶晶Fe-C 合金分類合金分類工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 C % 0.0218 %鋼鋼 0.0218 % C % 2.11 %亞共析鋼亞共析鋼 0.77 %共析鋼共析鋼 0.77 % 過共析鋼過共析鋼 0.77 %白口鑄鐵白口鑄鐵 2.11 % C % 6.69 %亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 4

7、.3 % 共晶白口鐵共晶白口鐵 4.3 % 過共晶白口鐵過共晶白口鐵 4.3 %類型類型亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼鋼號鋼號204560T8T10T12碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.200.450.600.801.001.20幾種幾種常見常見碳鋼碳鋼(1)(1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 ( ( C % 0.0218 % )C % 0.0218 % )結(jié)晶過結(jié)晶過程程室溫組織室溫組織F + Fe3C (微量微量)Fe3C % 0.0218 / 6.69 = 0.3 %F % 1 0.03 % = 99.7 %工業(yè)純鐵的室溫組織工業(yè)純鐵的室溫組織( (2)2)共析鋼共析鋼 ( ( C % = C

8、 % = 0.77 % 0.77 % ) )結(jié)晶過結(jié)晶過程程室溫組織室溫組織: 層片狀層片狀 P (F + 共析共析 Fe3C ) P中各相的相對量：中各相的相對量：Fe3C % = (0.77 xF)/(6.69 xF) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光體的性能：珠光體的性能：強(qiáng)度較高，塑性、韌性和強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于硬度介于FeFe3 3C C 和和 F F 之間。之間。b b=1000MPa=1000MPa， 0.20.2=600MPa,=600MPa,=10=10，HBSHBS240240。共析鋼的平衡組織：共析鋼的平衡組織：P P(

9、3)(3)亞共析鋼亞共析鋼 ( ( C % C % = = 0.4 % 0.4 % ) )結(jié)晶過結(jié)晶過程程室溫組織室溫組織: : F + PF + P各組織組成物的相對量：各組織組成物的相對量：P %=(0.40.0218)/(0.770.0218) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相對量：各相的相對量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %亞共析鋼組織：亞共析鋼組織：F+P(4)(4)過共析鋼過共析鋼 ( ( C % C % = = 1.2 % 1.2 % ) )結(jié)晶過程結(jié)晶過程室溫組織室溫組織:P + Fe3CII 組織組成物組織組成

10、物的相對量：的相對量：Fe3CII%=(1.20.77)/(6.690.77) 7 %P % 1 7 % = 93 %相相的相對量：的相對量：Fe3C% 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %WWC C1.21.2的過共析碳鋼緩冷后的組織的過共析碳鋼緩冷后的組織 500500過共析鋼組織過共析鋼組織P+Fe3CII(5)(5)共晶白口鐵共晶白口鐵 ( ( C % C % = = 4.3 % 4.3 % ) )結(jié)晶過結(jié)晶過程程11481148，組織組織的相對量：的相對量：2.11=(6.69-4.3)/(6.69-2.11)=52 Fe3C=1-52=1-52=48

11、=48 727，組織，組織的的相對量：相對量：P=P=0.770.77=(6.69-=(6.69-4.3)/(6.69-0.77)=40.44.3)/(6.69-0.77)=40.4FeFe3 3C=1-40.4=59.6C=1-40.4=59.6室溫組織室溫組織: (低溫低溫)萊氏體萊氏體 Le (P + Fe3CII + 共晶共晶 Fe3C )萊氏體萊氏體 Le的性能：的性能：硬而脆硬而脆相相的相對量：的相對量：Fe3C% 4.3 / 6.69 = 64 %F % 1 64 % = 36 %共晶白口鑄鐵組織共晶白口鑄鐵組織LdLd( () )亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 ( ( C % C %

12、 = = 3 % 3 % ) )結(jié)晶過結(jié)晶過程程室溫組織室溫組織: :Le+ P + Fe3CII 組成相組成相: :F F、 FeFe3 3C C。相相的相對量：的相對量：Fe3C % 3.0 / 6.69 = 49 %F % 1 49 % = 51 %組織組成物組織組成物的相對量：的相對量：2.112.11=(4.3-3)/(4.3-2.11)=59=(4.3-3)/(4.3-2.11)=59; ; Le Le4.34.3=1-59=1-59=41=41FeFe3 3C C=59%=59%* *(2.11-0.77)/(6.69-0.77)=13(2.11-0.77)/(6.69-0.77

13、)=13; ; P=P=0.770.77=59%=59%* *(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=46(6.69-2.11)/(6.69-0.77)=46 亞共晶白口鑄鐵組織亞共晶白口鑄鐵組織 ： P+FeP+Fe3 3C CII II+Ld+Ld( (7 7) )過共晶白口鐵過共晶白口鐵 ( ( C % C % = = 5 5 % % ) )結(jié)晶過結(jié)晶過程程室溫組織室溫組織:Le+ Fe3CI 相相的相對量：的相對量：Fe3C % 5.0 / 6.69 = 72 %F % 1 72 % = 28 %組織組成物組織組成物的相對量：的相對量：FeFe3 3C C =100 =100%

14、 %* *(5-4.3)/(6.69-4.3)=29(5-4.3)/(6.69-4.3)=29 Le=1-29=1-29% % =71=71 組成相組成相: :F F、 FeFe3 3C C。過共晶白口鐵的室溫組織過共晶白口鐵的室溫組織過共晶白口組織過共晶白口組織 Le+ Fe3CI 標(biāo)注了組織組成物的相標(biāo)注了組織組成物的相圖圖5.4 5.4 含碳量對鐵碳合金含碳量對鐵碳合金組織與力學(xué)性能的影響組織與力學(xué)性能的影響含碳量與相的相對量關(guān)系含碳量與相的相對量關(guān)系：C %F %，F(xiàn)e3C %含碳量與組織關(guān)系：含碳量與組織關(guān)系：圖（圖（a）和（和（b）FeFe3 3C CII II含量最大點(diǎn)：含量最大

15、點(diǎn)：E E點(diǎn)點(diǎn)含碳量與性能關(guān)系：含碳量與性能關(guān)系：硬度硬度HB：隨隨C %，成直線增大成直線增大強(qiáng)度強(qiáng)度：隨：隨C %， 先增后減，先增后減，C%=0.9% 時最大時最大塑性、韌性：塑性、韌性：隨隨C%而單調(diào)而單調(diào)。%6 .2277. 069. 677. 011. 23 IICFe工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 0.0218 %， F + Fe3C 亞共析鋼亞共析鋼 0.77 %，F(xiàn)+P共析鋼共析鋼 0.77 % ，P過共析鋼過共析鋼 0.77 %，P+ FeFe3 3C CII II亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 4.3 %，P+FeFe3 3C CII II +Le共晶白口鐵共晶白口鐵 4.3 % ， Le過

16、共晶白口鐵過共晶白口鐵 4.3 %，Le+ Fe3CI Fe3C % 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %Fe3C % 5.0 / 6.69 = 72 %F % 1 72 % = 28 %Fe3C % 3.0 / 6.69 = 49 %F % 1 49 % = 51 %Fe3C% 4.3 / 6.69 = 64 %F % 1 64 % = 36 %Fe3C% 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %Fe3C % 0.0218 / 6.69 = 0.3 %F

17、 % 1 0.03 % = 99.7 %5.5 5.5 鐵碳相圖的應(yīng)用鐵碳相圖的應(yīng)用鋼鐵選材：鋼鐵選材：相圖相圖性能性能用途用途低碳鋼：建筑鋼材；中碳鋼：軸類等；高碳鋼：工模具等。低碳鋼：建筑鋼材；中碳鋼：軸類等；高碳鋼：工模具等。局限性局限性 相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實(shí)際情況有較大差異。相圖反映的是平衡狀態(tài)，與實(shí)際情況有較大差異。鑄件選材和確定澆注溫度：鑄件選材和確定澆注溫度：液相線以上液相線以上5050100100 C C 。確定鍛造溫度：確定鍛造溫度：在在 A A 區(qū)。區(qū)。始鍛、始軋：固相線以下始鍛、始軋：固相線以下100 100 200200 C C ,終鍛、終軋：亞共析鋼終鍛、終軋：

18、亞共析鋼GSGS線以上，過共析鋼線以上，過共析鋼P(yáng)SKPSK線以上。線以上。制定熱處理工藝：制定熱處理工藝：淬火加熱溫度：淬火加熱溫度：A1、A3、Acm練習(xí)題（練習(xí)題（1）一、名詞解釋一、名詞解釋奧氏體奧氏體鐵素體鐵素體 滲碳體滲碳體珠光體珠光體 萊氏體萊氏體二、判斷二、判斷1、在鐵碳合金中，只有過共析鋼的平衡組織才有二次滲碳、在鐵碳合金中，只有過共析鋼的平衡組織才有二次滲碳體存在。體存在。2、鐵碳合金的強(qiáng)度隨含碳量的增加而增加。、鐵碳合金的強(qiáng)度隨含碳量的增加而增加。3、含碳、含碳6.69%的鐵碳合金，其室溫平衡相為鐵素體加滲碳的鐵碳合金，其室溫平衡相為鐵素體加滲碳體。體。4、所有含碳量大于

19、、所有含碳量大于0.77%的鐵碳合金平衡結(jié)晶后，其室溫的鐵碳合金平衡結(jié)晶后，其室溫組織中均存在二次滲碳體。組織中均存在二次滲碳體。5、珠光體和低溫萊氏體的性能差別大是因?yàn)樗鼈兊慕M成相、珠光體和低溫萊氏體的性能差別大是因?yàn)樗鼈兊慕M成相不同。不同。6、鐵碳合金中的一次滲碳體與二次滲碳體在晶粒形貌和晶、鐵碳合金中的一次滲碳體與二次滲碳體在晶粒形貌和晶體結(jié)構(gòu)上均相同。體結(jié)構(gòu)上均相同。7、在鐵碳合金中，只有共析成分的合金結(jié)晶時才發(fā)生共析、在鐵碳合金中，只有共析成分的合金結(jié)晶時才發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，形成共析組織。轉(zhuǎn)變，形成共析組織。練習(xí)題（練習(xí)題（2）三、選擇三、選擇1、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變伴隨著體積的變化，其主要原因是、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變伴隨著體積的變化，其主要原因是（ ）a.