Fe-Fe3C相图(课堂PPT)

1铁碳相图iron-carbondiagram2主要的内容1.铁碳合金状态图2.铁碳合金的结晶过程和组织变化3.铁碳合金的成分、组织与性能间的关系3Fe—C合金概述钢(Steels)和铸铁(Castirons)是现代机械制造工业中应用最广的金属材料，虽然种类很多，成分不一，其基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheiron－carbonsystem）。铁碳相图(iron-carbondiagram)描述了钢铁材料的成分、温度与组织（相）之间的关系，是了解钢铁材料的基础。4Fe—C合金概述在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。56Fe-Fe3C相图71.Fe—C合金中的组元铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）8(1)纯铁（Fe）纯铁（pureiron）纯铁固态下具有同素异构转变（allotropictransformation）纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变、magnetictransformation）。9纯铁的同素异构转变10纯铁的冷却曲线及晶体结构变化11概念铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。奥氏体：碳在γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳4.3%）12(2)渗碳体(Fe3C)－A渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。132.Fe—C合金中的基本相在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有五（六）个基本相：L相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、（石墨G）。（1）液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）δ相[高温铁素体（hightemperatureferrite）]14Fe—C合金中的基本相（3）奥氏体（austenite）奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。15Fe—C合金中的基本相（4）铁素体（ferrite）铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。（5）渗碳体（cementite）前面已讨论过（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。所以石墨在于Fe—C合金铸铁中也是一个基本相。163.Fe—Fe3C相图分析如图为Fe—Fe3C相图全貌。根据分析围绕三条水平线可把Fe—Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶部分，左下角的共析部分。分析点、线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线17（1）Fe—Fe3C相图的点Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点（表2-1）1819（2）Fe—Fe3C相图的线。20A.三条水平线①HJB--包晶转变线：（1459℃）L0.53+δ0.09γ0.17（LB+δHγJ）转变产物为奥氏体(austenit)强度低，塑性好21A.三条水平线②ECF--共晶转变线：（1148℃），L4.3γ2.11+Fe3C（LCγE+Fe3C）转变产物为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。硬、脆、无法加工22A.三条水平线③PSK--共析转变线(A1线):（727℃）γ0.77α0.0218+Fe3C（γSαP+Fe3C）转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。塑性、韧性、硬度介于α和Fe3C之间。23B.两条磁性转变线①A0线(虚线):渗碳体的磁性转变线，230℃以上无磁性，230℃以下铁磁性。②MO(A2线）：铁素体的磁性转变线。770℃以上无磁性，770℃以下铁磁体。A2温度又称居里点。A0、A1、A2、A3、Acm线温度依次升高。24C.几条重要的相界线(固态转变线)①GS线(A3线)：冷却时从γ中开始析出或加热时α全部溶入γ中的转变线.②ES线(Acm线)：碳在γ中的溶解度曲线。冷却时从γ中开始析出Fe3CⅡ或加热时Fe3CⅡ全部溶入γ中的转变线.25C.几条重要的相界线(固态转变线)③PQ线：碳在α中的溶解度线.。冷却时从α中开始析出Fe3CⅢ或加热时Fe3CⅢ全部溶入α中的转变线.26（3）Fe—Fe3C相图中的区Fe—Fe3C相图中的区：·5个单相区：L、δ、γ、α、Fe3C·7个两相区：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C·3个三相共存区：L+γ+Fe3C（ECF线）、L+δ+γ（HJB线）、γ+α+Fe3C（PSK线）27284.Fe—C合金分类Fe、C合金通常按其含碳量(Wc)及其室温平衡组织分为三大类：工业纯铁（pureiron）、碳钢（carbonsteel）、铸铁（castiron）。根据碳钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即：（1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显微组织为固溶体。29（2）钢钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之间的Fe、C合金。其特点是：高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温组织的不同，碳钢（carbonsteel）又可分为：共析钢（eutectoidsteel）：Wc=0.77%亚共析钢（hypoeutectoidsteel）：Wc=0.0218～0.77%过共析钢（hypereutectoidsteel）：Wc=0.77～2.11%30（3）白口铸铁白口铸铁（whitecastiron）是含碳量在Wc=2.11～6.69%之间的Fe、C合金。其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能硬、脆，不能锻造。其断口呈银白色，故称为白口铸铁。上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的理论分界线。31Wc对铁碳合金机械性能的影响F为软韧相，Fe3C为硬脆相，故Fe-C合金的力学性能取决于α和Fe3C两相的相对量及它们的相互分布特征。硬度（HB）延伸率δ（塑性、韧性）强度（Mpa）铁素体50-8030％-50％180-230渗碳体800030珠光体18020％-35％77032Wc对铁碳合金工艺性能的影响●切削加工性：●可锻性：金属经受压力加工改变形状但不产生裂纹的性能。33铁碳相图的应用在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。（1）在选材方面（2）在铸造工艺方面（3）在热锻热轧工艺方面（4）在热处理工艺方面34锻压常识及相关知识35主要涉及的内容绪论锻造用原材料锻造的热规范自由锻主要工序分析锻后热处理性能热处理金属材料的机械性能36绪论锻造工艺学及其性质锻造生产的特点及其在国民经济中的作用我国锻造生产的历史，现状及发展趋势锻造生产方法的分类37一、锻造工艺学及其性质锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压38锻造生产的特点及其在国民经济中的作用特点地位39大型锻件主要应用于以下方面1、轧钢设备2、锻压设备3、矿山设备4、火力发电设备5、水力发电设备6、核能发电设备7、石油、化工设备8、船舶制造工业9、军工产品制造：40实例（核反应堆中主要锻件M140）Closurehead(monobloc)VesselflangeInlet(outlet)nozzleNozzleshellCoreshellTransitionringLowerdome41实例EllipticalheadUppershell(Ⅰ、Ⅱ)ConicalshellIntermediateshell(lower)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)TubesheetPrimaryhead(channelhead)42实例UpperheadCoreshellLowerhead43我国锻造生产的历史，现状及发展趋势历史现状趋势44锻造生产方法的分类按所用工具不同，锻造可以分为自由锻和模锻两大类按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。45第二、锻造用原材料金属材料按加工状态46锻造用钢锭钢锭及其冶炼钢锭的结构钢锭的内部缺陷实例（接管段炼钢的简要流程）47钢锭及其冶炼冶炼工艺的主要任务冶炼工艺的主要方法48钢锭的结构钢锭是由冒口、锭身、底部组成49钢锭的内部缺陷激冷结晶区（细小等轴结晶区）没问题柱状结晶区没多大问题树枝状结晶区多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷自由结晶区（粗大等轴结晶区）多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈所谓疏松组织淀淀结晶区常产生夹渣类缺陷50偏析定义：指各处成分与杂质分不的不均匀现象，包括枝晶偏析和区域偏析等成因：由于选择性结晶、溶解度变化、比重差异和流速不同造成的。危害：造成力学性能不均匀和裂纹缺陷51夹杂定义：主要是指冶炼时产生的氧化物，硫化物、硅酸盐等非金属夹杂。成因：冶炼产物，及外来夹渣物危害：对热锻过程和锻件质量均有不良影响，它破坏金属的连续性，在应力的作用下在夹杂处产生应力集中，引发微裂纹，成为疲劳源52气体定义：主要指钢中的有害气体，如氢、氧等。危害：容易产生白点缺陷，还会引起脆性，热锻工艺性将明显下降。白点对钢的机械性能，尤其对塑性和韧性有影响，是许多重要用途的合金钢不允许有的低倍缺陷53气泡它主要产生在钢锭的冒口、底部、及中心部位。54缩孔它主要在最后凝固的冒口区形成，由于冷凝结晶时没有钢液补充面形成孔洞性缺陷组织，同时含有大量杂质，因此必须切除55疏松它主要集中在钢锭中心部位，产生的原因与缩孔相同。56影响钢锭冶金缺陷的条件综上所述，钢锭的冶金缺陷与冶炼、浇注过程、冷凝结晶条件、钢锭模具设计、耐火材料质量等有关。57实例（接管段锻件用钢生产方案）采用双真空处理的工艺进行生产。.1、冶炼浇注方案采用电炉（3#、4#、5#）冶炼温度较高、成份合适的粗炼钢水，分别热兑到130t和90t精炼炉内进行精炼及一次真空处理。依据炉前快速分析的结果，适时调整钢水成份，直至达到目标值。当精炼炉钢水成份、温度合适时，分别采用200t及250t天车吊包出钢，在250t真空室（1#真空室）、利用真空浇注及中间包芯杆吹氩（LB3），在浇注过程中对钢水进行二次真空处理。钢锭在浇注完并冷凝一定时间后，脱模，用300t送锭车热送至水锻58实例（接管段锻件用钢生产方案）2、工艺流程图出钢200t天车出钢250t天车热兑3#+4#+5#粗炼热兑3#+5#粗炼130tLF精炼(VD)90tLF精炼(VD)1#真空室浇注(LB3)300t送锭车热送59第三锻造的热规范金属的锻前加热金属加热时产生的缺陷及防止措施锻造温度范围的确定金属的加热规范60金属的锻前加热目的：提高金属的塑性，降低变形抗力，使其易于流动成形并获得良好的锻后组织方法：火焰加热，电加热金属加热时产生的缺陷及防止措施1、氧化2、脱碳3、过热4、过烧5、裂纹61锻造温度范围的确定锻造温度范围是指始锻温度和终锻温度之间的温度范围。1、始锻温度的确定必须保证无过烧现象，2、终锻