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金属学及热处理沈阳理工大学应用技术学院第4章铁碳合金§4.1铁碳合金的组元及基本相§4.2Fe-Fe3C相图分析§4.3典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织§4.4铁碳合金组织成分、组织和性能的关系§4.5Fe-Fe3C相图应用§4.6应用Fe-Fe3C相图应注意的问题基本要求:掌握铁碳合金基本相，铁-渗碳体相图中的点、线、区及其意义,共晶转变、共析转变。重点：铁-渗碳体相图中的点、线、区及其意义。难点：共晶转变、共析转变。课堂设计WHY为什么要学习铁碳合金？提出问题HOW怎么学习铁碳合金？解决问题WHAT什么是铁碳合金？WHAT什么是铁碳合金？铁碳合金是铁和碳组成的合金.工程中使用最为广泛的金属材料是碳钢与铸铁;不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。WHY为什么要学习铁碳合金？HOW如何学习？掌握铁碳相图在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺时，都需要应用。掌握铁碳合金的组元及基本相掌握铁碳合金组织成分、组织和性能的关系§4.1铁碳合金的组元1、纯铁2、渗碳体2)铁的同素异构转变纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。1、纯铁1)铁的基本状况纯铁的冷却曲线及晶体结构变化(书)温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912-1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe；温度在1394-1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。铁的多晶型转变具有重用意义！是合金化与热处理的基础铁的居里点是770℃：α-Fe发生磁性的转变，又顺磁性向铁磁性转变与铁磁性不同的是在顺磁性物质中外部磁场消失后物质内的磁场立刻就由于热运动消失了3)纯铁的性能及应用工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好：拉伸强度σb：180-280N/mm2屈服强度σ0.2：100-170N/mm2延伸率δ：30-50%断面收缩率ψ：70-80%冲击值：160-200J/cm2布氏硬度：50-80HBW工业纯铁很少用做结构材料。主要用于要求软磁性的场合。2、渗碳体渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化合物，分子式为Fe3C；含碳6.69wt%，性能:它的硬度很高，脆性大，塑性和韧性几乎为零。拉伸强度σb：30N/mm2延伸率δ：0%断面收缩率ψ：0%冲击值：0布氏硬度：800HBW3、基本相---铁素体与奥氏体碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体;常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体;常用符号A或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃。奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。***提出问题？体心立方晶格的致密度小于面心立方晶格，为什么铁素体的溶碳能力却远远小于奥氏体？？§4.2Fe-Fe3C相图分析相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表：图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成：(1)在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变：转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09-0.53%的铁碳合金中。(2)在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：转变产物是γ和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号Ld表示。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生此转变。转变产物是α和Fe3C的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。(3)在PSK水平线（727℃）发生共析转变：Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线：(1)GS线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为A3温度。(2)ES线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm温度。低于此温度时，γ中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。(3)PQ线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CIII。1.铁碳合金的基本相有哪些？各用什么符号表示？2.绘出Fe-Fe3C相图，并叙述各特性点、线的名称及含义。§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织基本要求:掌握铁碳合金的平衡结晶过程及组织。重点：铁碳合金的平衡结晶过程及组织。难点：运用杠杆定律计算相组成与组织组成的相对量。通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁，按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁。根据组织特征，可参照Fe-Fe3C相图将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：(1)工业纯铁：0.0218%C(2)共析钢：0.77%C(3)亚共析钢：0.0218-0.77%C(4)过共析钢：0.77-2.11%C(5)共晶白口铸铁：4.30%C(6)亚共晶白口铸铁：2.11-4.30%C(7)过共晶白口铸铁：4.30-6.69%C一、工业纯铁合金溶液在1-2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至3点时，开始发生固溶体的同素异构转变δ→γ。这一转变在4点结束，合金为单相γ。冷至5-6点之间又发生同素异构转变γ→α，6点以下全部为α。冷却至7点时，碳在α中的溶解度达到饱和，在7点以下，将从α中析出三次渗碳体Fe3CIII。因此,工业纯铁的室温组织：α+Fe3CIII组织形态：白色块状铁素体及晶界上少量分布的小白片状Fe3C。二、共析钢合金溶液在1-2点温度区间结晶出γ固溶体，在2点凝固完毕，合金为单相γ。冷至3点（727℃）时，在恒温下发生共析转变：转变产物为珠光体，即P，是α和Fe3C的层片状混合物。P中的Fe3C称为共析渗碳体。因此共析钢的室温组织为P。P中的α和Fe3C的相对量可用杠杆定律求得：三、亚共析钢合金溶液在1-2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至2点（1495℃）时，δ固溶体的含碳量为0.09%，液相的含碳量为0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变：亚共析钢的室温组织为P+α。组织形态：白色块状α和层片状P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。组织组成物的相对含量：先共析铁素体：wα＝(0.77−0.40)/(0.77−0.0218)×100%＝49.5%珠光体：wp＝1−49.5%＝50.5%相组成物的相对含量：wα＝(6.69−0.40)/(6.69−0.0218)×100%＝94.3%wFe3C＝1−94.3%＝5.7%四、过共析钢过共析钢的室温组织为P+Fe3CII。先共析Fe3C多沿γ晶界呈网状分布，量较多时还在晶内呈针状分布组织形态：层片状的P和呈网状分布Fe3CII五、共晶白口铸铁合金溶液冷却至1点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变：转变产物为γ和Fe3C的机械混合物，即莱氏体Ld，其形态为短棒状的γ分布在Fe3C基体上。冷至1点以下，共晶γ中不断析出二次渗碳体Fe3CII，它室温下的组织保留了高温下共晶转变产物Ld的形态特征，但组成相γ已发生了转变，因此称为变态莱氏体，用符号Ld’表示。因此共晶白口铸铁的室温组织为Ld’。组织形态：粒状或条状P分布在共晶Fe3C基体上六、亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁的室温组织为Ld’+P+Fe3CII。组织形态：小颗粒状的P和渗碳体基体构成的Ld’和大块黑色的珠光体七、过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁平衡凝固时，初晶相是Fe3C，其余的转变同共晶合金。过共晶白口铸铁的室温组织为Ld’+Fe3CI，初晶Fe3CI呈板片状。组织形态：小颗粒状的P和渗碳体基体构成的Ld’和粗大条状的一次渗碳体一、含碳量对平衡组织的影响二、含碳量对力学性能的影响三、含碳量对工艺性能的影响§4.4铁碳合金的成分、组织和性能的关系一、对平衡组织的影响•随着含碳量的增加，组织变化趋势为：CFedLdLdLCFePCFePPPFF333根据结晶过程分析并运用杠杆定律计算的结果，可把铁碳合金的成分与组织的关系总结如下图当含碳量增高时，组织中不仅Fe3C的数量增加，而且Fe3C的存在形式也在变化，由分布在α的基体内（如P）,变为分布在γ的晶界上（Fe3CII），最后当形成Ld时，Fe3C已作为基体出现。可见，不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，而这也正是决定它们具有不同性能的原因。二、对力学性能的影响Fe3C是个强化相。如果合金的基体是α，则若Fe3C的量越多，分布越均匀，材料的强度就越高。但是当这种硬脆的Fe3C相分布在晶界，特别是作为基体时，材料的塑性和韧性就将大大下降。这也正是高碳钢和白口铁脆性高的原因。下图表示了含碳量对碳钢的机械性能的影响。HB：取决于相及相对量含碳量——性能强度：C%↑→σ↑0.9%↑→σ↓塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓三、对工艺性能的影响1、切削性能：中碳钢比较合适。2、可锻性能：低碳钢比高碳钢好。3、铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。4、焊接性能：低碳钢好于高碳钢（1）切削加工性金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易程度。钢的硬度在170～230HBw时，切削加工性最好。上一级（2）可锻性和可焊性金属的可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。低碳钢的可锻性优于高碳钢，铸铁不可锻造。金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低碳钢和低碳合金钢。上一级（3）铸造性能共晶成分的铸铁，不仅液相与固相线的距离最小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔小，偏析小，是铸造性能好的铁碳合金。上一级§4.5铁碳相图的应用1、在钢铁选材方面的应用2、在铸造工艺方面的应用3、在热锻、热轧工艺方面的应用4、在热处理工艺方面的应用§4.6应用Fe-Fe3C相图应注意的问题1、相图只能反映相的平衡状态2、相图只能反映相的组成，不能反映相的形状、大小和分布11铁碳合金相图练习题一、名词解释铁素体奥氏体珠光体渗碳体二、问答题1、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？2、按铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织是什么？3、含碳量为0.4％、0.77％、1.2％、三种钢在700℃770℃、900℃时分别各为何组织？4、计算一下50钢和T10钢在室温下HBw、σb、δ数值？5、随钢中含碳量增加，其机械性能如何变化？其原因？