铁碳合金相图分析ppt课件

第七章铁碳合金7.1概述7.2纯铁7.3碳与铁碳合金中的相7.4Fe-Fe3C相图7.5Fe-C相图7.6铁碳合金成分、组织与性能间的关系7.7钢中的杂质17.1概述钢铁是铁与碳的合金，各种合金钢也是在铁与碳的基础上，为了具有某种特殊的性能而添加一些合金元素。钢铁是目前人类社会中最重要的金属材料。因此，铁与碳的合金是最重要的合金。铁碳元素在地壳中占41.2％，储量集中，易于开采，而且易于从矿石中还原成金属；铁碳合金的强韧性配合得好；2铁碳合金可形成两个同素异构体，多种组织，性能变化范围宽；776℃以下，具有铁磁性；熔点为1538℃，热激活过程可以在不太高的温度下进行。可以有意无意地加入其它元素，得到各种各样的性能。37.2纯铁1.铁元素的化学特性化学元素铁的原子序数是26，在第四周期，属于过渡族，原子量是55.85，原子轨道是－3d64s2。铁的熔点是1538℃，汽化温度是2738℃，密度为7.87g/cm3。2.纯铁的多形性从高温到低温，纯铁由液相依次发生了三种多形性变化：4液相（L）δ-Feγ-Feα-Fe其中：δ-Fe为体心立方晶体结构。γ-Fe为面心立方晶体结构，此时发生第一次同素异形转变；γ-Fe面心立方的边长为0.36563nm，最近原子间距为0.25850nm，原子半径0.12925nm，四面体间隙的边长为0.02908nm，八面体间隙边长为0.05350nm。α-Fe为体心立方晶体结构，此时发生第二次同素异形转变；α-Fe体心立方的边长为0.28663nm，最近原子间距为0.24821nm，原子半径0.12410nm，四面体间隙的边长为0.03596nm，八面体间隙边长为0.01862mm。1538℃1394℃912℃53.纯铁的性能与应用力学性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2应用：主要应用于电子材料，作为铁芯。67.3碳与铁碳合金中的相1.碳的物理化学特性碳的原子序数是6，原子量是12.01，密度是2.25g/cm3。碳的原子半径为0.34nm。碳有两种存在形式：石墨和金刚石，石墨较为广泛。石墨是由碳原子层组成，层内原子呈正六边形。层内原子由共价键结合，原子间距为0.142nm。层间原子由弱金属键结合，间距为0.34nm。石墨的晶体结构属于六方晶系，其中a＝0.46nm，c＝0.670nm，每个晶胞含有四个原子。72.碳在铁中的固溶体碳与铁通过相互作用可形成铁素体和奥氏体两种间隙固溶体以及化合物渗碳体。铁素体是碳原子作为间隙式溶质溶入到体心立方晶体铁α-Fe的间隙中形成的间隙式固溶体。C在α-Fe的溶解度是：G(wt%)＝2.55exp（－9700/RT），碳在体心立方中的溶解度十分有限，727℃时，C在α-Fe中的溶解度是0.022％。铁素体有与纯铁相同的性能，居里点是770℃。常用符号：F或α奥氏体是碳原子作为间隙式溶质溶入到γ-Fe中的间隙形成的间隙式固溶体。8由于面心立方的八面体间隙较大，因此γ-Fe的溶碳能力较高，1147℃时碳在γ-Fe中有最大溶解度，2.14％。奥氏体有较好的塑性，具有顺磁性。常用A或γ表示。渗碳体是铁与碳组成的化合物Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中a＝0.4524nm，b＝0.5089nm，c＝0.6743nm。单胞中有12个Fe原子，4个碳原子，Fe：C＝3：1。晶胞中每个碳原子周围有6个铁原子，组成一个三角棱柱，碳原子位于三角棱柱的中心。含碳为6.69％。渗碳体具有很高的硬度，HV＝950～1050，而塑性几乎为零，常温下具有铁磁性，居里点是230℃，熔点计算值为1227℃。93.铁碳合金相图渗碳体在热力学中上是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但在实际中，石墨的表面能很大，形核需要很高的能垒，一般条件下，碳大多和铁结合成渗碳体，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，铁碳相图有两类：Ⅰ液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％Ⅱ液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％。通常，相图中有虚实两线，实线表示Ⅰ类，虚线表示Ⅱ类，无虚线部分表示两者共有，此称为双线铁碳相图。107.4Fe-Fe3C相图1.Fe-Fe3C相图123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L11符号温度/℃ω（C）/%说明A1538℃0纯铁的熔点B1493℃0.53包晶转变时液态合金的成分C1147℃4.30共晶点D1227℃6.69渗碳体的熔点E1147℃2.14碳在γ-Fe中的最大溶解度F1147℃6.69共晶反应生成的渗碳体G912℃0α-Fe向γ-Fe转变温度（A3）H1493℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度12J1493℃0.16包晶点K727℃6.69共析反应生成的渗碳体M770℃0纯铁的磁性转变点N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度P727℃0.022碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.76共析点（A1）Q600℃0.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度13由上可知，Fe-Fe3C相图中有以下组成部分：液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C七个两相区：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ，α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB——包晶转变线ECF——共晶转变线PSK——共析转变线142.三个相变包晶转变：1493℃时，B点成分的液相和H点成分的δ铁素体进行包晶反应生成J点成分的奥氏体，即LB+δH=γJ共晶转变：1147℃时，C点成分的液相通过共晶转变生成E点成分的奥氏体和渗碳体，即LC＝γE＋Fe3C。反应得到的共晶体γE＋Fe3C称为莱氏体，用字母Ld表示。莱氏体继续冷却至727℃时，莱氏体中的奥氏体要发生相变，相变后的莱氏体用表示。共析反应：727℃时，S点成分的奥氏体共析分解成P点成分的铁素体和渗碳体，即γS＝αP＋Fe3C。所得到的共析体αP＋Fe3C称为珠光体，用P表示。LdLd153.铁碳合金的平衡结晶和组织转变1）铁碳合金的分类工业纯铁：碳含量小于0.022％的铁碳合金称为工业纯铁，其特点是在冷却过程中不发生共析反应。钢：碳含量在0.022～2.14％之间的铁碳合金称为钢，其特点是结晶过程不发生共晶反应。根据室温组织的不同，钢又分为：共析钢：碳含量为0.76％亚共析钢：碳含量在0.022～0.76％之间过共析钢：碳含量在0.76～2.14％之间铸铁：碳含量在2.14～6.69％之间的铁碳合金称为铸铁，又称白口铁。16白口铁的特点是结晶过程发生共晶转变，因而有较好的铸造性能。但渗碳体量很多，质脆，不能锻造。根据室温组织的不同，白口铁又分为：共晶白口铁：碳含量为4.30％亚共晶白口铁：碳含量在2.11～4.30％之间过共晶白口铁：碳含量在4.30～6.69％之间2）各类铁碳合金的组织转变工业纯铁a1a2a3a4a5a6a7高温液相开始冷却：在a1点温度开始从液相中结晶出δ铁素体结晶完毕后在a2点温度开始形成单相δ冷却至a3点温度时开始从δ相的晶界上中析出γ相，直至a4点温度冷却至a5点温度时，在γ相晶界上17析出α铁素体，至a6点温度时γ相全部转变为α相在a7点温度时，α铁素体中的碳达到饱和，继续冷却将从α铁素体中析出Fe3CⅢ，分布在α铁素体的晶界上。室温下的平衡组织：α铁素体＋Fe3CⅢ共析钢高温钢液开始冷却：b1温度时从液相中结晶析出γ相，直至b2点温度时完毕单相γ一直保存至b3点温度在b3点温度发生共析反应，得到珠光体利用杠杆定律，可计算珠光体中α铁素体和渗碳体的相对量：b1b2b3PS18在珠光体团中，珠光体中α铁素体和渗碳体是有一定位向关系的：珠光体是由交替排列的片层铁素体和渗碳体构成的。333(001)//(521)[100][131]2.6[010][113]2.6FeCFFeCFeC与差与差3SK6.690.76%100%100%88.9%PK6.690.022PS0.760.022100%100%11.1%PK6.690.022FeC＝％19亚共析钢当合金自液相冷却时：在c1点温度开始结晶析出δ铁素体在c2点温度时，发生包晶转换，即液相成分变到B点，δ相成分变到H点，转变生成J点成分的γ相。此时δ相消失，但仍留有过剩的L相剩余液相在继续冷却过程中，结晶生成γ相，至c3点温度结束，得到单相的γ相，直至c4点在c4点温度时，开始在晶界位置处有α相析出，继续降低温度，α相不断增多在c5点温度，γ相成分变到S点，共析反应生成成分为P点的α相，形成珠光体。c1c2c4c3c5HBJPS20通常将共析反应前从奥氏体中析出的铁素体称为先共析铁素体。利用杠杆定律，设碳含量是0.3％的亚共析钢，则共析反应后组织中的先共析铁素体和珠光体的相对量为：此时，合金中α与Fe3C两相的相对量为：c5S0.760.3%100%100%62.2%PS0.760.022Pc50.30.022P100%100%37.8%PS0.760.022－＝％c5K0.3%100%100%95.8%PK6.690.022Pc50.30.022P100%100%4.2%PK6.690.0226.69－＝％21亚共析钢的室温平衡组织是先共析铁素体和珠光体。亚共析钢中的先共析铁素体可能呈现不同的形态：先共析铁素体在奥氏体晶界上形核后，可形成沿原奥氏体晶界的网状先共析铁素体；也可沿奥氏体晶内某特定晶面生长成相互平行的片状，即魏氏组织。过共析钢d1d2d3PSd4当合金从液相开始冷却：在d1点温度开始结晶出γ相，直至d2点温度时结束，得到单相γ在d3点温度时，奥氏体中的碳得到饱和，继续冷却时，奥氏体中析出二次渗碳体Fe3CⅡ，呈网状沿奥氏体晶界析出在d4点温度时，发生共析转变，s点成分的奥氏体共析分解，形成珠光体。22共析反应后，过共析钢的室温组织是Fe3CⅡ和珠光体。设有一碳含量为1.0％的过共析钢，则应用杠杆定律，可知二者在组织中的相对量为：过共析钢的网状碳化物随钢中含碳量的增多而增多，网状碳化物对钢的性能有极恶劣的影响，特别是造成钢的塑性和冲击韧性的大幅降低，因此在实际生产中一定要避免或消除这种网状碳化物。3d4S1.00.76100%100%4.0%SK6.690.76d4K6.691.0P100%100%96.0%SK6.690.76FeCⅡ％％23ECS当合金自液相冷却时：达到共晶温度，发生共晶反应，形成莱氏体，即奥氏体和渗碳体的两相混合物继续冷却，莱氏体中的渗碳体不变，其中的奥氏体成分沿ES线变化，从奥氏体中析出Fe3CⅡ，附着在共晶体的渗碳体上，难以观察冷却到共析温度时，奥氏体成分变到S点，莱氏体中的奥氏体发生共析分解形成珠光体（这种经共析反应的莱氏体称为低温莱氏体）珠光体在低温时继续析出三次渗碳体。共晶白口铁24共晶反应后莱氏体中两相的相对量是：亚共晶白口铁3CF6.694.30100%100%52.5%EF6.692.14EC4.302.14100%100%47.5%EF6.692.14FeC％％ECSf1f2f3当合金自液相冷却时：在f1点温度时开始结晶出奥氏体，之后液相成分沿BC线变化，γ相成分沿JE线变化冷却到f2时，液相成分变化到C点，γ相成分变化到E点，此时液相发生共晶转变，形成莱氏体继续冷却，奥氏体成分沿ES线变化，达到f3点时，S点成分的奥氏体（包25括先共晶的