华南理工大学机械工程材料第五章

第一节铁碳合金的组元及基本相第二节Fe—Fe3C相图分析第五节碳钢第四节含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织第一节铁碳合金的组元及基本相纯铁的冷却曲线1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400δ-Feα-Feγ-Fe912℃第一节铁碳合金的组元及基本相一、纯铁的同素异构转变●晶格类型bccfccbcc●致密度0.680.74→（胀大）0.68●熔点：1538℃●性能：σb↓HB↓ψ↑ak↑FeFeFeCC---°°agd9121394铁具有三种同素异构状态，即δ-Fe,γ-Fe,α-Fe。纯铁的同素异构转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。第一节铁碳合金的组元及基本相●相是指合金中成分、结构及性能都相同的均匀的组成部分，相与相之间由界面分开。铁素体、奥氏体、渗碳体都是铁碳合金中的基本相。●组织是指用肉眼或借助各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体是铁碳合金中的基本组织二、基本相及基本组织名称符号定义最大含碳量%力学性能σbHBψak铁素体α或FC在α-Fe中的间隙固溶体0.0218(727C)↓↓↑↑奥氏体γ或AC在γ-Fe中的间隙固溶体2.11(1148C)↓↓↑↑渗碳体Fe3C或CmC与Fe的间隙化合物6.69↓↑珠光体Pα与Fe3C的机械混合物0.77莱氏体Ldγ+Fe3CⅡ+Fe3C的机械混合物4.3Ld′P+Fe3CⅡ+Fe3C的机械混合物↓↑基本组织及基本相基本组织及基本相铁素体的显微组织工业纯铁的室温组织奥氏体的显微组织铁素体奥氏体基本组织及基本相渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的复杂间隙化合物。属于正交晶系，晶体结构十分复杂。熔点为1227℃，硬度高，但脆性大，塑性差，延伸率接近于零。渗碳体作为钢中的强化相，它的形态、大小、数量及分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体在高温下可以分解形成石墨状的自由碳，即：高温Fe3C→3Fe+C（石墨）基本组织及基本相珠光体莱氏体FFe3CγFe3CPFe3C∵碳在铁中的含量超过溶解度后剩余的碳可以有两种形式存在，即以渗碳体Fe3C和石墨碳的形式存在。∴铁碳合金有两种相图，即Fe-C和Fe-Fe3C相图。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变的。Fe06.69Fe3CC,wt%Temperature(C)KFD727CEC4.32.111148CL1495CTemperature(C)PS0.77HJBANGQadg1538C1394C912C第二节Fe-Fe3C相图分析Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)0.77727C4.32.111148CadgLC,wt%1495C1538C1394C912CPSKECFHJBANGQD第二节Fe-Fe3C相图分析图中各特性点的温度、碳质量分数及意义！熟记L+gL+Fe3Cg+Fe3Ca+Fe3CgLL+d0.77ANGQ727C4.32.111148CFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)C,wt%1495C1538C1394C912CPSKECFHBDJ三相区3个：三条水平线两相区7个：L+δ、L+γ、L+Fe3C、γ+δ、γ+α、γ+Fe3C、α+Fe3Cg+ddag+a单相区5个：δ、γ、α、L、Fe3C第二节Fe-Fe3C相图分析相图的液相线是ABCD,固相线是AHJECFJCHBLgd1495)(31148CFeLECCg第二节Fe-Fe3C相图分析●线：1）水平线（3条）HJB--包晶转变线:ECF--共晶转变线:包晶转变(HJB水平线)4.31148CECFD共晶转变(ECF水平线)dHJBANANGQ727C4.32.111148CFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)C,wt%1495C1538C1394C912CPSKECFHBDJ莱氏体γFe3CPFe3CPSK--共析转变线:)(3727CFePCSag共析转变(PSK水平线)727Ca912CPGQ0.77SK第二节Fe-Fe3C相图分析珠光体FFe3C具有三种恒温转变的相图●PQ线：C在α中的溶解度曲线。冷却时，从α析出Fe3CⅢ的开始线或加热时，Fe3CⅢ溶入α中的终了线。2）特征曲线（3条斜线）●GS线（又称A3线）：冷却时，从γ析出α的开始线，或加热时α溶入γ中的终了线。●ES线（又称Acm线）：C在γ中的溶解度曲线。冷却时，从γ析出Fe3CⅡ的开始线或加热时，Fe3CⅡ溶入γ中的终了线。727Ca912CP0.77SKGQE具有三种恒温转变的相图二次渗碳体三次渗碳体珠光体具有三种恒温转变的相图Fe-Fe3C相图的分析小结：五个重要的成份点:P、S、E、C、K。五条重要的线:GS、ES、PQ、ECF、PSK。三个重要转变:包晶转变、共晶转变、共析转变。二个重要温度:1148℃、727℃。二、相图组织组成物标注1、用相组成物标注室温时均由F+Fe3C两相组成2、用组织组成物标注第二节Fe-Fe3C相图分析aFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%gdLL+gL+Fe3CL+dd+ga+gg+Fe3Ca+Fe3C用相组成物标注aFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%gdLL+gL+Fe3CⅠL+dd+ga+gLd+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠg+Ld+Fe3CⅡP+Ld+Fe3CⅡPLdLdP+ag+Fe3CⅡP+Fe3CⅡa+Fe3CⅢ用组织组成物标注用组织组成物标注第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织一、铁碳合金的分类名称含碳量（wC%）平衡组织工业纯铁(P以左)﹤0.0218F+Fe3CIII钢P(0.02C%)～E(2.11C%)亚共析钢（PS之间）0.0218~0.77F+P共析钢(S点)0.77P过共析钢（SE之间）0.77~2.11P+Fe3CII白口铸铁E(2.11C%)～F(6.69C%)亚共晶白口铁（EC之间）2.11~4.3P+Fe3CII+Ld′共晶白口铁(C点)4.3Ld′过共晶白口铁（CF之间）4.3~6.69Fe3CI+Ld′二、典型合金的平衡结晶过程分析第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁L→L+δ→δ+γ→γ→γ+α→α→α+Fe3CⅢ（2）亚共析钢L→L+γ→γ→γ+α→α+P（α+Fe3C）（3）共析钢L→L+γ→γ→P（α+Fe3C）（4）过共析钢L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P+Fe3C（α+Fe3C）（5）亚共晶白口铁（6）共晶白口铁（7）过共晶白口铁工业纯铁的结晶过程WP为0.01%的工业纯铁结晶过程示意图工业纯铁室温平衡状态显微组织（500×）Temperature(C)ANGQ1234Fe0PSC0.77E2.11HJB1234567Fe3CⅢ12346共析钢的结晶过程共析钢结晶过程示意图aFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%gdLL+gL+Fe3CⅠL+dd+ga+gLd+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠg+Ld+Fe3CⅡP+Ld+Fe3CⅡPLdLdP+ag+Fe3CⅡP+Fe3CⅡa+Fe3CⅢaFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%gdLL+gL+Fe3CⅠL+dd+ga+gLd+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠg+Ld+Fe3CⅡP+Ld+Fe3CⅡPLdLdP+ag+Fe3CⅡP+Fe3CⅡa+Fe3CⅢ123L→L+γ→γ→P（α+Fe3C）共析钢的室温平衡组织为珠光体。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体亚共析钢的结晶过程L→…→γ→α+γ→P（α+Fe3C）+α亚共析钢结晶过程示意图Temperature(C)ANGQ1234Fe0PSC0.77E2.11HJB亚共析钢的室温组织均由(先共析)铁素体和珠光体组成。钢中碳的质量分数越高，则组织中的珠光体量越多。α+P亚共析钢的室温平衡组织（α+P）(a)Wt=0.2%;(b)Wt=0.4%;(c)Wt=0.6%亚共析钢金相组织图过共析钢的结晶过程L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P（α+Fe3C）+Fe3CⅡ12过共析钢结晶过程示意图Temperature(C)ANGQ1234Fe0PSC0.77E2.11HJB1以上1-22-3Fe3CП3-44以下Fe3CПP1234过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。珠光体+二次渗碳体Wt=1.2%的过共析钢的室温组织（500×）(a)硝酸酒精浸蚀；(b)苦味酸钠浸蚀在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中碳含量的增加而增加，当含碳量较多时，除了沿奥氏体晶界呈网状分布外，还在晶内呈针状分布。共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁结晶过程示意图白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁结晶过程示意图杠杆定律的应用1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算（1）0.4%C钢：●组织组成物(α+P)WP=1-49.5%=51.95%●相组成物（α+Fe3C）WFe3C=1-94.3%=5.98%%05.48%1000008.077.04.077.04.0---PSSW%02.94%1000008.069.64.069.64.0---PkkW杠杆定律的应用1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算（2）0.77%C钢(共析钢)：●组织组成物(P)WP=100%●相组成物（α+Fe3C）WFe3C=1-88%=12%%88%1000008.069.677.069.64.0---PkkW杠杆定律的应用（3）1.0%C钢：●组织组成物(P+Fe3CⅡ)●相组成物(α+Fe3C)%1.96%10077.069.6169.61---KSKWP%05.85%1000008.069.60.169.60.1---PkkWaWFe3CⅡ=1-96.1%=3.9%WFe3C=1-85.05%=14.95%1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：①一次渗碳体的相对含量②共晶渗碳体的相对含量③二次渗碳体的相对含量④共析渗碳体的相对含量⑤三次渗碳体的相对含量1.典型合金的组织组成物和相组成物的计算杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：①一次渗碳体的相对含量②共晶渗碳体的相对含量①T→1148+0℃,Fe3CⅠ=（5%-4.3%）/(6.69%-4.3%)=29.3%②T→1148-0℃,Fe3C总1=(5%-2.11%)/(6.69%-2.11%)=63.1%Fe3C共晶=Fe3C总1-Fe3CⅠ=63.1%-29.3%=33.8%1.典型合金的组织组成物和相组成物的计算杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：③二次渗碳体的相对含量④共析渗碳体的相对含量③T→727+0℃,Fe3C总2=(