鐵碳合金與鐵碳合金相圖

1、111材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ)Chapter 8 鐵碳合金與鐵碳合金相圖鐵碳合金與鐵碳合金相圖22o 8.1 鐵碳合金基本組元、基本相鐵碳合金基本組元、基本相o 8.2 Fe-Fe3C相圖分析相圖分析 o 8.3 碳碳 鋼鋼.Chapter Outline 338.1 鐵碳合金基本組元、基本相鐵碳合金基本組元、基本相8.1.1鐵碳合金基本組元及特性鐵碳合金基本組元及特性 1純鐵純鐵-Fe-Fe-Fe BCC FCC BCC 442. 滲碳體（滲碳體（Cementite） 間隙化合物，正交晶系，含碳量為間隙化合物，正交晶系，含碳量為6.69%， 其晶胞內(nèi)鐵原子數(shù)與碳原子

2、數(shù)之比為其晶胞內(nèi)鐵原子數(shù)與碳原子數(shù)之比為3：1，故通常以，故通常以Fe3C表表示。示。 8.1.1鐵碳合金基本組元及特性鐵碳合金基本組元及特性滲碳體的硬度很高（滲碳體的硬度很高（ 800HBS），但強(qiáng)度很低（），但強(qiáng)度很低（b 40MPa），塑性、韌性很差（，塑性、韌性很差（ 0， 0，Ak 0）。）。 滲碳體是介穩(wěn)定化合物，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)，它將按下式分解滲碳體是介穩(wěn)定化合物，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)，它將按下式分解Fe3C3Fe+C，這種分解出來的單質(zhì)狀態(tài)的碳稱為石墨碳。，這種分解出來的單質(zhì)狀態(tài)的碳稱為石墨碳。558.1.2鐵碳合金中的基本相、組織及其性能鐵碳合金中的基本相、組織及其性能 1. 基本相基本

3、相 L ： 碳在碳在FeFe中的間隙固溶體。中的間隙固溶體。 A()：碳在碳在Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 F()：碳在：碳在Fe中的間隙固溶體中的間隙固溶體 Fe3C(K) 662.基本組織及其性能基本組織及其性能o 鐵素體（鐵素體（FeriteFerite） 碳溶于體心立方晶格的碳溶于體心立方晶格的 - -FeFe所形成的間隙固溶體，用所形成的間隙固溶體，用F F或或 表示。表示。 性能：強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。性能：強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。o 奧氏體（奧氏體（AusteniteAustenite） 碳溶于面心立方晶格的碳溶于面心立方晶格的 -Fe-Fe所形成的間隙固溶體。用所

4、形成的間隙固溶體。用A A 或或 表示。表示。 性能：強(qiáng)度、硬度不高，但塑性很好。性能：強(qiáng)度、硬度不高，但塑性很好。77o 高溫鐵素體高溫鐵素體 碳溶于體心立方晶格的碳溶于體心立方晶格的 -Fe-Fe所形所形成的間隙固溶體稱為高溫體素體或成的間隙固溶體稱為高溫體素體或 固溶體，常固溶體，常用用 表示。表示。高溫鐵素體與鐵素體的本質(zhì)相同，兩高溫鐵素體與鐵素體的本質(zhì)相同，兩者的區(qū)別僅在于高溫鐵素體存在的溫度范圍較者的區(qū)別僅在于高溫鐵素體存在的溫度范圍較鐵素體為高。鐵素體為高。o FeFe3 3C C 既是鐵碳合金中的組元，又是基本相。既是鐵碳合金中的組元，又是基本相。 根據(jù)其生成條件不同有根據(jù)其生

5、成條件不同有條狀條狀、網(wǎng)狀網(wǎng)狀、片狀片狀、粒粒狀狀等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。884.珠光體珠光體 (Pearite ）鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用，用P表示。表示。Fe3C片狀分布于片狀分布于F基體上，呈貝殼狀?；w上，呈貝殼狀。5.萊氏體萊氏體 (Ledeburite ） 奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用，用Ld表示表示性能：硬而脆性能：硬而脆性能：良好的綜合力學(xué)性能性能：良好的綜合力學(xué)性能（較高強(qiáng)度和一定的塑、韌性）（較高強(qiáng)度和一定的塑、韌性）998.2 Fe-Fe3C

6、相圖相圖（Iron-carbon equilibrium diagram）分析）分析10108.2.1 Fe-Fe8.2.1 Fe-Fe3 3C C相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)o 點(diǎn)點(diǎn)：14個(gè)個(gè)11118.2.1 Fe-Fe8.2.1 Fe-Fe3 3C C相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)o 線線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；：兩條磁性轉(zhuǎn)變線； 三條三條等溫等溫轉(zhuǎn)變線轉(zhuǎn)變線 CFeALEC31148JHBAL1495CFeFAPS3727 包晶包晶共晶共晶共析共析GS：奧氏體與鐵素體之間的轉(zhuǎn)變曲線：奧氏體與鐵素體之間的轉(zhuǎn)變曲線 。 ES：碳在奧氏體中的溶解度曲線：碳在奧氏體中的溶解度曲線PQ：

7、碳在鐵素體中的溶解度曲線。：碳在鐵素體中的溶解度曲線。 1212p區(qū)：區(qū)：5 5個(gè)單相區(qū)，個(gè)單相區(qū)，7 7個(gè)兩相區(qū)，個(gè)兩相區(qū)，1 1個(gè)三相區(qū)個(gè)三相區(qū) 8.2.1 Fe-Fe8.2.1 Fe-Fe3 3C C相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)13138.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織鐵碳合金分類：鐵碳合金分類：o 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵（C%0.0218%）o 碳鋼碳鋼（0.0218C%2.11%）亞共析鋼亞共析鋼0.02180.77% 共析鋼共析鋼0.77% 過共析鋼過共析鋼0.772.11% 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵 4.3亞共晶白口鑄鐵亞共晶白

8、口鑄鐵2.114.30%過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵4.306.69 1414圖圖8-3 8-3 七種典型鐵碳合金在相圖上的位置七種典型鐵碳合金在相圖上的位置15151.工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 wC0.01%o 室溫組織為室溫組織為F F+(Fe+(Fe3 3C)C)IIIIII o 相組成為相組成為 FeFe3 3C C6.690.01(%)100%99.97%6.690.0008Fe3C （% ）=199.85% 0.03% 8.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織1616工業(yè)純鐵室溫組織：工業(yè)純鐵室溫組織：F或或F+（ Fe3C） o F F（等軸晶

9、）（等軸晶）o （FeFe3 3C C）IIIIII（?。ㄐ∑瑺睿┢瑺睿?.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織17172. 共析鋼共析鋼(Eutectoid steel) wC 0.77% o 室溫組織：室溫組織：P o 相組成為：相組成為： 和和Fe3C 6.690.77(%)100%88.5%6.690.0008Fe3C(%) =188.5% =11.5% 1818共析鋼室溫組織共析鋼室溫組織19193.3.亞共析鋼亞共析鋼(Hypoeutectoid steel) (Hypoeutectoid steel) wC 0.4%0.4%o 室溫組織

10、為室溫組織為P+P+F Fo 相組成物為相組成物為 Fe3C P(%) =148.1% 51.9% 6.690.4(%)100%94%6.690.0008 Fe3C (%) =194% 6% %1 .48%100%0218. 077. 04 . 077. 0F8.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織2020不同碳含量的亞共析鋼室溫平衡組織不同碳含量的亞共析鋼室溫平衡組織組織特征：組織特征： 隨含碳量增加，隨含碳量增加，P量逐漸增加，量逐漸增加，F(xiàn)量逐漸減少；量逐漸減少；形態(tài)從形態(tài)從塊狀塊狀斷續(xù)網(wǎng)狀斷續(xù)網(wǎng)狀。15鋼鋼FP45鋼鋼FP65鋼鋼FP2121

11、在顯微分析中常以在顯微分析中常以P P與與F F的面積數(shù)量比來的面積數(shù)量比來估計(jì)亞共析鋼的含碳量估計(jì)亞共析鋼的含碳量。鋼中含碳量鋼中含碳量%Vp0.77%VF0.0008%即：即：C500.80.40此鋼含碳量約為此鋼含碳量約為0.40，即，即40鋼。鋼。磨制好的金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織發(fā)現(xiàn)：磨制好的金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織發(fā)現(xiàn)：組織中含有組織中含有50P和和50F，例如，一種未知鋼號(hào)的碳鋼例如，一種未知鋼號(hào)的碳鋼(退火態(tài)退火態(tài))，利用金相法估算，利用金相法估算此鋼的碳含量。此鋼的碳含量。可忽略可忽略8.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組

12、織22224.過共析鋼過共析鋼(Hypereutectoid steel) wC 1.2o 室溫平衡組織為室溫平衡組織為P+(Fe3C)II 6.69 1.2P(%)100%92.7%6.690.77(Fe3C)II (%) =192.7% 7.3% 6.69 1.2(%)100%82.1%6.690.0008Fe3C (%) =182.1% 17.9% o室溫相組成為室溫相組成為 Fe3C2323T12鋼退火組織鋼退火組織PFe3C （4%硝酸酒精浸蝕）硝酸酒精浸蝕）（堿性苦味酸鈉水溶液浸蝕）（堿性苦味酸鈉水溶液浸蝕）組織特征：組織特征：Fe3C呈網(wǎng)狀分布于層片狀呈網(wǎng)狀分布于層片狀P周圍周圍

13、24245. 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵( Eutectic white cast iron ) wC4.30% o室溫組織：室溫組織： 低溫萊氏體低溫萊氏體 L Ld d （P+FeP+Fe3 3C C+Fe+Fe3 3C C）p高溫組織：高溫組織： 高溫萊氏體高溫萊氏體 L Ld d（A+FeA+Fe3 3C C ）8.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織2525共晶白口鑄鐵的室溫組織共晶白口鑄鐵的室溫組織Ld26266. 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵(Hhypoeutctic white cast iron ) wC3.0% 8.2.2 典型合金

14、的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織2727室溫平衡組織：室溫平衡組織：P+(Fe3C)II+ Ld P+ (Fe3C)II+Fe3C。 3.52.11%100%63.5%4.32.11LLdLd0.776.692.11%100%1 63.5%28%6.690.77P室溫相組成物：室溫相組成物： Fe3C6.693.5%100%47.7%6.69Fe3C%=1-47.7%=52.3% 8.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織(Fe3C) %=1-63.5%-28%=27.635% 2828亞共晶白口鑄鐵室溫平衡組織亞共晶白

15、口鑄鐵室溫平衡組織LdFe3CAP29297.7.過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵(Hypereutectic white cast iron) wC5.0% 室溫平衡組織室溫平衡組織L Ld d+ + FeFe3 3C C8.2.2 典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織典型合金的平衡結(jié)晶過程及室溫平衡組織3030過共晶白口鑄鐵室溫組織過共晶白口鑄鐵室溫組織LdFe3C3131用組織組成物填寫的相圖用組織組成物填寫的相圖32328.2.3鐵碳合金的碳含量與平衡組織、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、 力學(xué)性能之間的關(guān)系力學(xué)性能之間的關(guān)系（一）一）碳碳含含量量對(duì)對(duì)平平衡衡組組織織的的影影響響 15鋼鋼45

16、鋼鋼65鋼鋼T121.1.碳含量對(duì)平衡組織的影響碳含量對(duì)平衡組織的影響 3333 組織組織：F+Fe3CF+PPP+ Fe3CIIP+ Fe3CII+Ld? Ld?Fe3CI+ Ld? FeFe3 3C C形態(tài)形態(tài)：o FeFe3 3C C（薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀）（薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀） o 共析共析FeFe3 3C C（層片狀）（層片狀） o FeFe3 3C C（網(wǎng)狀）（網(wǎng)狀） o 共晶共晶FeFe3 3C C（基體）（基體） o FeFe3 3C C（粗大片狀）（粗大片狀）8.2.3鐵碳合金的碳含量與平衡組織、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、 力學(xué)性能之間的關(guān)系力學(xué)性能之間的關(guān)系34342.碳含量對(duì)機(jī)械性能

17、的影響碳含量對(duì)機(jī)械性能的影響o Wc1.0時(shí)，隨著含時(shí)，隨著含碳量的增加，碳量的增加，鋼的強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度和硬度增加和硬度增加，而塑性和，而塑性和韌性不斷下降；韌性不斷下降；o Wc1.0時(shí)，因出現(xiàn)時(shí)，因出現(xiàn)網(wǎng)狀滲碳體網(wǎng)狀滲碳體而導(dǎo)致而導(dǎo)致鋼的鋼的強(qiáng)度下降，但硬度仍會(huì)強(qiáng)度下降，但硬度仍會(huì)增加。增加。工業(yè)上使用的鋼的碳工業(yè)上使用的鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般1.31.4。8.2.3鐵碳合金的碳含量與平衡組織、鐵碳合金的碳含量與平衡組織、 力學(xué)性能之間的關(guān)系力學(xué)性能之間的關(guān)系35358.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用1.為選材提供成分依據(jù)為選材提供成分依據(jù)o

18、 低碳鋼（低碳鋼（0.100.25%C）：建筑結(jié)構(gòu)和容器）：建筑結(jié)構(gòu)和容器等等o 中碳鋼（中碳鋼（0.250.60%C）：如軸等）：如軸等o 高碳鋼（高碳鋼（0.61.3%C）：如工具等）：如工具等o 白口鐵：如拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等白口鐵：如拔絲模、軋輥和球磨機(jī)的鐵球等 36362.為制定熱加工工藝提供依據(jù)為制定熱加工工藝提供依據(jù)（1）在鑄造生產(chǎn)方面的應(yīng)用）在鑄造生產(chǎn)方面的應(yīng)用根據(jù)根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定鐵碳合金的澆注溫度，相圖可以確定鐵碳合金的澆注溫度，澆注溫度一般在液相線以上澆注溫度一般在液相線以上50100。共晶成分的鑄鐵凝固區(qū)間最?。榱悖?，流動(dòng)性共晶成分的鑄鐵凝固區(qū)間最

19、小（為零），流動(dòng)性好，分散縮孔少，可使縮孔集中在冒口內(nèi)，有可好，分散縮孔少，可使縮孔集中在冒口內(nèi)，有可能得到致密的鑄件得到較廣泛的應(yīng)用。能得到致密的鑄件得到較廣泛的應(yīng)用。 8.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用3737鑄鋼鑄鋼（碳含量一般在wC0.150.60%之間）u 鑄鋼的鑄造性能不好鑄鋼的鑄造性能不好。u 鑄態(tài)時(shí)晶粒粗大，常出現(xiàn)魏氏組織（鑄態(tài)時(shí)晶粒粗大，常出現(xiàn)魏氏組織（鐵素體沿鐵素體沿晶界分布并呈針狀插入珠光體），使晶界分布并呈針狀插入珠光體），使鋼的塑性鋼的塑性和韌性顯著下降和韌性顯著下降。另外，。另外，內(nèi)應(yīng)力較大內(nèi)應(yīng)力較大。解決辦法解決辦法：退火

20、退火或或正火正火u 應(yīng)用：用于一些形狀復(fù)雜、難以進(jìn)行鍛造或切應(yīng)用：用于一些形狀復(fù)雜、難以進(jìn)行鍛造或切削加工、而又要求較高強(qiáng)度和塑性的鑄造零件。削加工、而又要求較高強(qiáng)度和塑性的鑄造零件。8.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用38382. 2. 在鍛造生產(chǎn)方面的應(yīng)用在鍛造生產(chǎn)方面的應(yīng)用 一般始鍛、始軋溫度控一般始鍛、始軋溫度控制在固相線以下制在固相線以下100100200200范圍內(nèi)。一般始鍛范圍內(nèi)。一般始鍛溫度為溫度為115011501250, 1250, 終鍛溫度為終鍛溫度為750 750 850 850 。 8.2.4 Fe-Fe8.2.4 Fe-Fe3 3C C相圖的應(yīng)用相圖的應(yīng)用39393. 3. 在熱處理生產(chǎn)方面的應(yīng)用在熱處理生產(chǎn)方面的應(yīng)