3104 铁碳合金相图及应用

《工程材料与热加工基础》第四章铁碳合金相图机电系贾伟建1．铁碳相图2．结晶过程3．成分-组织-性能关系4．Fe-Fe3C相图的应用第四章铁碳合金相图及应用•纯铁的同素异晶转变反应式:金属的同素异晶转变1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe同素异晶转变：金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。Fe-C相图说明Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)形成Fe-Fe3C相图组元和基本组织的结构与性能一.组元*铁(ferrite)*渗碳体(Cementite)二.基本组织1.铁素体(F)碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。2.奥氏体(A)碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。3.渗碳体(Fe3C)铁与碳形成的金属化合物。渗碳体组织金相图4.珠光体(P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。5.莱氏体(Ld)奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。Fe-Fe3C相图的建立FeT°Fe3C(1)Fe-Fe3C相图的组元●Fe——α–Fe、δ-Fe(bcc)和γ-Fe(fcc)强度、硬度低，韧性、塑性好。●Fe3C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3C相图的相●Fe3C（Cem，Cm，渗碳体）——复杂晶体结构●液相L●δ相（高温铁素体）——δ–Fe（C）固溶体●γ相（A，奥氏体）——γ-Fe（C）固溶体●α相（F，铁素体）——α-Fe（C）固溶体Fe-Fe3C相图相图中重要的点和线液相线ABCD固相线AHJECF包晶线HJB，包晶点J共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线Fe-Fe3C相图的分析•五个重要的成份点:P、S、E、C、K。•四条重要的线:EF、ES、GS、FK。•三个重要转变:共晶转变反应式、共析转变反应式。•三个重要温度:1148℃、727℃。1.包晶转变反应式:LB+HAJ1495℃2.共晶转变反应式:LC(AE+Fe3C)Le1148℃3.共析转变反应式:AS(FP+Fe3C)P727℃简化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)简化Fe-Fe3C相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3CT°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)典型铁碳合金的平衡结晶过程分析Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11%亚共析钢＜0.77%共析钢＝0.77%过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69%亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢典型铁碳合金的结晶过程分析•工业纯铁(ingotiron)•共析钢(eutectoidsteel)•亚共析钢(hypoeutectoidsteel)•过共析钢(hypereutectoidsteel)•共晶白口铁(eutectoidwhiteiron)•亚共晶白口铁(hypoeutectoidwhiteiron)•过共晶白口铁(hypereutectoidwhiteiron)(1)工业纯铁(C%≤0.0218%)结晶过程室温组织F+Fe3CⅢ(微量)500×(2)共析钢(C%=0.77%)结晶过程室温组织:层片状P(F+共析Fe3C)500×P中各相的相对量：Fe3C%=(0.77–xF)/(6.69–xF)≈0.77/6.69=12%F%≈1–12%=88%珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。(3)亚共析钢(C%=0.4%)结晶过程室温组织:F+P，500×各组织组成物的相对量：P%=(0.4–0.0218)/(0.77–0.0218)≈51%F%≈1–51%=49%各相的相对量：Fe3C%≈0.4/6.69=6%F%≈1–6%=94%(4)过共析钢(C%=1.2%)结晶过程室温组织:P+Fe3CII400×各组织组成物的相对量：Fe3CII%=(1.2–0.77)/(6.69–0.77)≈7%P%≈1–7%=93%各相的相对量：Fe3CII%≈1.2/6.69=18%F%≈1–18%=82%(5)共晶白口铁(C%=4.3%)结晶过程室温组织:（低温）莱氏体Le′（P+Fe3CII+共晶Fe3C）,500×莱氏体Le′的性能：硬而脆(６)亚共晶白口铁(C%=3%)结晶过程室温组织:Le′+P+Fe3CII200×(６)过共晶白口铁(C%=3%)结晶过程室温组织:Le′+Fe3CI500×标注了组织组成物的相图组织组成物:F;Fe3CF;P0.77-0.45F=100%=43%0.77-0.020.45-0.02P=100%=57%0.77-0.02相组成物:6.69-0.45F=100%=94%6.69-0.02P=1–WF=57%Fe3C=1-WF=6%0.020.450.776.693．铁碳合金的成分-组织-性能关系含碳量与相的相对量关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与组织关系：图（a）和（b）含碳量与力学性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对工艺性能的影响•对铸造性能的影响。•对锻造性能的影响。•对焊接性能的影响。•对切削加工性能的影响。铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度(在A区）制定热处理工艺1、选择材料方面的应用2、制定热加工工艺方面的应用一.选择材料方面的应用1.分析零件的工作条件,根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律进行选择材料。2.根据铁碳合金成分、组织、性能之间的变化规律,确定选定材料的工作范围。二.制定热加工工艺方面的应用复习——相与组织相：有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物组织：材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。过共析钢x400小结：重点要求1.F、A、Cm、P、Le′的组织和性能特点。2.Fe-Fe3C相图中共析、共晶区域的相、组织分析与计算。3.铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。