第4章-铁碳合金

第四章铁碳合金相图工程材料及成形技术基础第四章铁碳合金相图•铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。•工业纯铁：含碳量≤0.0218%•钢：含碳量为0.0218%~2.11%•铸铁：含碳量为2.11%~6.69%077091213941538时间/min温度/℃有磁性的α-Fe体心立方无磁性的α-Fe体心立方γ-Fe面心立方δ-Fe体心立方液态纯铁的同素异构转变金属的多晶型性（同素异构现象）多晶型性转变（同素异构转变）纯铁的同素异构转变δ-Feγ-Feα-Fe纯铁的成分及性能纯铁（工业纯铁）：含杂质0.10%～0.20%性能：σb=180～230MPaσ0.2=100～170MPaδ=30%～50%ψ=70%～80%Ak=128～160JHBS=50～801394℃912℃077091213941538时间/min温度/℃有磁性的α-Fe体心立方无磁性的α-Fe体心立方γ-Fe面心立方δ-Fe体心立方液态•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%)→一、铁碳合金的组元和相碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⒈组元：Fe、Fe3C⒉相⑴铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F或表示。渗碳体（Fe3C）定义：Fe与C所形成的金属化合物晶格结构：复杂正交性能σb≈30MPaHBS=800δ≈0ψ≈0硬而脆（耐磨性好）Fe3C3Fe+C（石墨）合金渗碳体：（Fe、Me）3CFe3（C、N）或Fe3（C、B）石墨碳晶格结构：简单六方性能:加工性能机械性能高温莱氏体（Ld、或Le、）定义：A与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）性能：硬而脆一、Fe-Fe3C相图建立第二节铁碳合金相图的分析铁碳合金相图分析1、特性线液相线、故相线、固溶线、两个恒温反应2、相区单相区、两相区、三相区3、特性点2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁钢铸铁ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%CompanyLogo二、铁碳合金相图的分析1、特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNGAA+Fe3CA+Fe3CL+Fe3CL+AF+ACompanyLogo、特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：HJB：包晶线LB+δH⇄JECF：共晶线LC⇄E+Fe3C共晶产物是与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体CompanyLogo：共析线A⇄F+Fe3C共析转变的产物是与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。PSK线又称A1`线。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3CCompanyLogo（3）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α-Fe中的固溶线。CompanyLogo、相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区：L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线CompanyLogo重要点①N、G——同素异构转变点②H、E、P、Q——最大溶解度点③J、C、S——包晶、共晶、共析点④A、D——Fe、Fe3C熔点⑤包晶反应⑥共晶反应⑦共析反应铁碳合金相图分析17.0149509.053.01495ALAL℃J℃HB　即　　CFeALCFeAL℃E℃C311.211483.431148　即　CFeFACFeFA℃P℃S30218.072777.03727　即　LdLdPPδL+AFAL+Fe3CA+FF+Fe3CA+Fe3Cδ+Lδ+ALAB0.53C4.3DE2.11FGS0.77P0.02KQJ0.17HFeFe3C0.096.69CompanyLogo°CA3线Acm共析线共晶点共析点A1线ACD液相线AECF液相线渗碳体溶点珠光体莱氏体•⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)铸造性能好,硬而脆•①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)•②共晶白口铸铁(4.3%C)•③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁δ+AF+Fe3CⅢGQF+APFSAAHL+δBδJNL173548261735482611~22~33~44~55~66~77~8LLδδδAAAFFFFe3CⅢ时间温度wc=0.01%合金液体在：1-2点间转变为，3-4点间→，5-6点间→。到7点，从中析出Fe3C。㈠工业纯铁的结晶过程室温平衡组织:F+Fe3CⅢ•工业纯铁的结晶过程随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。•室温下Fe3CⅢ最大量为:从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。GQPSAAHBJNL13213421以上1~22~33~3'3'~4LLAAPAFFFe3C时间温度3'Fe3CP｝｝L+Awc=0.77%4室温平衡组织:100%P（F和Fe3C）组成相的质量分数为：合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：S⇄P+Fe3C,全部转变为珠光体。㈡共析钢的结晶过程共析钢[wc=0.77%]•共析钢的结晶过程•珠光体在光镜下呈指纹状.珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P.珠光体Q•0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.•以0.45%C的钢为例•合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为A。到4点，由A中析出。到5点,A成分沿GS线变到S点，A发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，F中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.GQF+APSAAHL+δBJNL1354261F354261~22'~33~44~55'~6LLδδLAAAAFAF时间温度wc=0.45%2'5'L+A1以上2~2'5~5'LPP•㈢亚共析钢的结晶过程亚共析钢[0.0218%wc0.77%]亚共析钢的结晶过程•利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:共析温度下相的相对重量为：组织组成物的相对重量为：S’•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。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织•㈣过共析钢的结晶过程•合金在1~2点转变为A,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，A成分沿ES线变化到S点，余下的A转变为P。在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？GQPSAAHBJNL13213521以上1~22~33~44~4'LLAAPA时间温度4'Fe3CⅡPL+Awc=1.2%4544'~5AFe3CⅡFe3CⅡA+Fe3CⅡ过共析钢的结晶过程•过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。•Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：含1.4%C钢的组织•㈤共晶白口铁的结晶过程•合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶A与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状.Fe3CAC点以下,A成分沿ES线变化，共晶A将析出Fe3CⅡ。Fe3CⅡ与共晶Fe3C结合，不易分辨。1’2Fe3C•温度降到2点,A成分达到0.77%,此时,相的相对重量:在2点,共晶A发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Le’表示.2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。S共晶白口铁的结晶过程由分析可知，共晶白口铸铁结晶过程的基本反应为[共晶反应+二次析出反应+共析反应]，室温组织为珠光体+渗碳体，是低温莱氏体，用符号“Leˊ”表示。其显微组织如图所示。图4-15共晶白口铸铁结晶过程示意图图4-16共晶白口铸铁的室温显微组织(200×)它保留了共晶转变产物的形态特征。•㈥亚共晶白口铁的结晶过程•合金在1~2点间析出A。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。2~3点间从A中析出Fe3CⅡ，一次A的Fe3CⅡ被共晶A衬托出来。到3点，转变为P。图4-17亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图图4-18含3.0%C亚共晶白口铸铁的室温显微组织(200×)1点温度以上为液相L，在l～2点温度之间由L中析出初生晶A，随温度下降，初生A量增多，且液相成分按BC线变化，A成分沿JE线变化，冷至2点温度(1148℃)时，剩余液相的成分达到C点成分，在恒温下发生共晶转变，转变为莱氏体。在2～3点温度之间，初生晶A与共晶A都析出Fe3CⅡ，随着Fe3CⅡ的析出，A的含碳量沿ES线变化。冷至3点温度(727℃)时，所有A都发生共析转变而成为P。室温下的最终组织为：P+Fe3CⅡ+Ld(P+Fe3CⅡ+Fe3C)。亚共晶白口铁亚共晶白口铁的结晶过程•亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。ECFD1234N•㈦过共晶白口铁的结晶过程•1~2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。图4-19过共晶白口铸铁的结晶过程示意图图4-16含5.0%C的过共晶白口铸铁(室温平衡状态)的显微组织(200×)其结晶过程和组织转变与亚共晶铁-碳合金类似，只是先共晶产物是渗碳体。这种从液相L中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体Fe3C，在显微镜下呈白色条片状。过共晶白口铁•2点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。•组织组成物与相组成物标注区别主要在A+Fe3C和F+Fe3C两个相区.A+Fe3C相区中有四个组织组成物区，F+Fe3C相区中有七个组织组成物区。㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注A+Fe3CF+Fe3CFeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度L+ALP+Fe3CⅡ+L'd+AL+Fe3CⅠAF+LF+AF+Fe3CⅢA+Fe3CⅡFe3CⅠ+LdA+Fe3CⅡ+LdFe3CⅠ+L'dP+Fe3CⅡF+PFe3C各类合金按组织组成物填写的Fe—Fe3C相图如图所示。㈨含碳量对铁碳合金组织和性能的影响⒈含碳量对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