第三章 铁碳合金相图【详解版】

材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT第三章铁碳合金相图第一节铁碳合金的组元及基本相第二节Fe-Fe3C相图第三节含碳量对碳钢组织与性能的影响材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT第一节铁碳合金的组元及基本相一、纯铁及其同素异构转变(重结晶)1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe纯铁的力学性能特点：强度、硬度低，塑性、韧性好，一般不用于结构件。磁性转变：770°C以上无磁性770°C以下有磁性材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT二、铁碳合金中的基本相Fe和CL相：液态下无限互溶、成分均匀固溶体相：C溶于Fe中形成F、A等金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C铁碳合金中的组元：Fe、C铁碳合金中的相：液相L、α、γ和δ固溶体、Fe3C金属化合物在铁碳合金中碳既可溶入α–Fe、γ-Fe，也可以溶入δ-Fe，形成不同的固溶体。材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT1）铁素体体心立方结构碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示；铁素体的组织为多边形晶粒，其力学性能几乎与纯铁相同。铁素体铁素体的溶碳能力很低，为体心立方晶格；材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT2）奥氏体:碳溶于-Fe中的间隙固溶体；用A或表示。面心立方晶格，溶碳能力比铁素体大；组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。奥氏体面心立方结构材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT3、渗碳体（Fe3C）定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化相，高温下可分解，Fe3C→3Fe+C(石墨)。特点：含碳量为6.69%，晶格构造十分复杂。性能很硬很脆，而塑性和韧性极低，伸长率和冲击韧性几乎为零，在钢中主要起强化作用，不能单独应用。材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT第二节铁碳合金状态图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。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT一、Fe-Fe3C相图的建立1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）；2.从冷却曲线上找出临界点，并画到成分—温度坐标中；3.相同意义的点连接起来。材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUTCu-Ni合金相图的建立过程材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUTFe-Fe3C相图Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT二、铁碳合金状态图的分析1.特性点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT(3)钢、铁分界点E（2.11%C）(1)共晶点C1148℃,4.3%C共晶成分反应式：Lc→(AE+Fe3C)共晶体，即高温莱氏体Ld;(2)共析点S727℃0.77%C共析成分反应式:As→(Fp+Fe3C共析)共析体，即珠光体;材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT⒉特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECF⑵三条水平线：LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++727℃材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT⑶其它相线GS,GP—⇄固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN—δ⇄固溶体转变线，ES—碳在-Fe中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线⒊相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT4.铁碳合金分类（1）工业纯铁0.0218%C亚共析钢0.77%C（2）碳钢共析钢0.77%C过共析钢0.77%C亚共晶白口铸铁4.3%C（3）白口铸铁共晶白口铸铁4.3%C过共晶白口铸铁4.3%C材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT三、典型铁碳合金的结晶过程材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT11珠光体1)共析钢的结晶过程室温组织为：P（F+Fe3C）材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT112)亚共析钢的结晶过程L→L+A→A→A+F先共析AS(0.77%C)→P室温组织为：P+F材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。20钢组织40钢组织60钢组织材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢，在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT113)过共析钢的结晶过程室温组织：P+Fe3CⅡT12钢组织材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT11补充：工业纯铁的结晶过程材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT4）共晶白口铁结晶过程室温组织为：Ld‘（P+Fe3C共晶+Fe3CⅡ）材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT115）亚共晶白口铁的结晶过程室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT116）过共晶白口铁的结晶过程室温组织为：Fe3CⅠ+Ld‘Ld‘（P+Fe3C共晶+Fe3CⅡ）材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT11一、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体第三节含碳量对碳钢组织与性能的影响材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT11二、含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld’,合金太脆.材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT三、含碳量对工艺性能的影响①切削性能:中碳钢合适②可锻性能:低碳钢好③焊接性能:低碳钢好④铸造性能:共晶合金好⑤热处理性能:第四章介绍铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨材料及热加工工艺—第三章铁碳合金相图西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT四、铁碳合金相图的应用1.选材料方面的应用；2.制定热加工工艺方面的应用在铸造生产方面，根据相图可以确定铸钢和铸铁的浇注温度。在锻造生产方面，可确定始锻、终锻温度。在焊接方面，可分析碳钢的焊接组织。对热处理来说，可确定加热范围。