金屬學(xué)-鐵碳合金和鐵碳相.ppt

1、第九章 鐵碳合金和鐵碳相圖,9.1 鐵碳合金中的組元和基本相 9.2 Fe-Fe3C相圖分析 9.3 典型合金的平衡結(jié)晶 9.4 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 胡平,鑒于含碳量為6.69%的Fe3C硬而脆，超過6.69的鐵碳合金沒有實用價值。所以我們研究的鐵碳相圖，實際上是Fe和Fe3C二個基本組元組成的FeFe3C相圖或Fe和自由碳組成的FeG相圖。,整個FeC相圖包括FeFe3C、Fe3CFe2C、 Fe2CFeC、FeCC等部分組成。,組 元： 純鐵、滲碳體 基 本 相： 高溫鐵素體（）、 鐵素體（）、 奧氏體（） 基本組織： 珠光體（P）、 萊氏體（Le/

2、Le）,9.1 鐵碳合金中的組元和基本相,鋼和鑄鐵可以看成是鐵碳二元合金，碳含量（重量）小于2.11%的合金稱為鋼，大于2.11%的合金稱為鑄鐵。,一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,第一節(jié) 鐵碳合金的組元與基本相,鐵在室溫為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為 鐵，具有鐵磁性。在770 （居里點）以上鐵磁性消失，（磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變） 溫度到達912 以上時具有面心立方點陣結(jié)構(gòu)，稱為鐵； 溫度到達1394 以上時再次具有體心立方點陣結(jié)構(gòu)，稱為鐵； 溫度到達1538 以上時成為液態(tài)。,1538,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,液 相,體心立方,體心立方,面心立方,返回,9.1 鐵碳合金中的組元和基本相,770,非

3、 磁 性,磁性,純鐵,純鐵強度低，硬度低，塑性好，很少做結(jié)構(gòu)材料。,由于有高的磁導(dǎo)率，可作為電工材料用于各種鐵芯。,同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在溫度（壓力）改變時發(fā)生晶 體結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象。,9.1 鐵碳合金中的組元和基本相,二、鐵碳合金的基本相及其性能,鐵素體（F）： 碳溶與-Fe中形成的間隙固溶體。 性能-強度和硬度低，塑性和韌性好,奧氏體（A）： 碳與-Fe形成的間隙固溶體。高溫組織，在大于727時存在。 性能-塑性好，強度和硬度高于F。在鍛造、軋制時常要加熱到A，可提高塑性，易于加工。,滲碳體（ Fe3C ）：鐵與碳形成的金屬化合物。 在Fe - Fe3C相圖中，既是組元又是基本相。 性能-硬度

4、高，脆性大。,珠光體（ P ）： 鐵素體（F）和滲碳體（Fe3C）組成的機械混合物。 性能-力學(xué)性能介于兩者之間。,萊氏體（ Ld ）： 奧氏體（A）和滲碳體（Fe3C）組成的機械混合物。 性能-硬度高，塑性差。,萊氏體Le或Ld ：高溫萊氏體,Le或Ld（A+Cm） 低溫萊氏體,Le或Ld（P+Cm）,第三節(jié) Fe - Fe3C 相圖分析,Fe - Fe3C 相圖,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,L+ Fe3C,6.69%C,( A+Fe3C ),Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,A+ Fe3C,( F+ Fe3C ),P,P+F,P

5、+Fe3C,Ld,Ld+Fe3C,P+Ld+Fe3C,K,共晶相圖,共析相圖,勻晶相圖,( P+Fe3C ),Fe - Fe3C 相圖,A,C,D,E,F,G,S,P,Q,1148,727,L,A,L+A,6.69%C,Ld,Ld+Fe3C,A+Ld+Fe3C,F,A+F,P,Ld,K,( P+Fe3C ),P+Ld+Fe3C,Ld+Fe3C,P+F,P+Fe3C,( F+ Fe3C ),A+ Fe3C,L+ Fe3C,( A+Fe3C ),兩種反應(yīng)：,1148 ,1、共晶反應(yīng),一定成分的液相在一定的溫度下同時結(jié)晶出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的固相的反應(yīng)。,L 4.3%c,A2.11%c+Fe3C

6、6.69%c,共晶反應(yīng)的產(chǎn)物即萊氏體 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c),2 、共析反應(yīng),一定成分的固相在一定的溫度下同時析出兩種成分和結(jié)構(gòu)均不相同的 新的固相的反應(yīng)。,A0.77%c,727 ,F0.02%c+Fe3C6.69%c,共析反應(yīng)的產(chǎn)物即珠光體 PF0.02%c+Fe3C6.69%c,相圖中的三個重要點,相圖中的五個單相(區(qū)),相圖中的三條水平線,相圖中的四條垂直線,9.2 Fe-Fe3C相圖,J為包晶點: 1495 時, B點成分的L與H點成分的 發(fā)生包晶反應(yīng), 生成J點成分的。,C點為共晶點 1148 時, C點成分的L發(fā)生共晶反應(yīng), 生成E點成分的和Fe3C（萊氏

7、體）。,S點為共析點 727 時, S點成分的發(fā)生共析反應(yīng), 生成P點成分的和Fe3C（P）。,返回,9.2 Fe-Fe3C相圖,返回,9.2 Fe-Fe3C相圖,包晶反應(yīng)：L+,共晶反應(yīng)：LLd( FeC3+ ),共析反應(yīng)： P (FeC3+ ),返回,9.2 Fe-Fe3C相圖,9.2 Fe-Fe3C相圖,過共析鋼,共析鋼,共晶白口鐵,亞共晶白口鐵,過共晶白口鐵,碳素鋼,白口鑄鐵,工業(yè)純鐵,相圖中主要線的含義,ABCD線液相線 是不同成分鐵碳合金開始結(jié)晶的溫度線。 JECF線固相線 各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結(jié)晶溫度終止線。 ECF水平線共晶線 含碳量為4.3%的液態(tài)合金冷卻到此線時，

8、在1148 由液態(tài)合金同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，此反應(yīng)稱為共晶反應(yīng)。 PSK水平線共析線（A1線） 含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時，在727 同時析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反應(yīng)稱為共析反應(yīng)。 GS線（A3線） 是冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線。 ES線稱Acm線 是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。,A3,Acm,鐵碳合金,含碳量為2.11%6.69%的鐵碳合金。 共晶白口鑄鐵： 含碳量為4.3%; 亞共晶白口鑄鐵：含碳量在2.11%4.3%之間； 過共晶白口鑄鐵：含碳量在4.3%6.69%之間；,含碳量小于0.02%的鐵碳合

9、金。,工業(yè)純鐵,鋼,白口鑄鐵,含碳量為0.02%2.11%的鐵碳合金。根據(jù)金相 組織的不同，可分為三種。 共析鋼： 含碳量為0.77%; 亞共析鋼：含碳量在0.02%0.77%之間； 過共析鋼：含碳量在0.77%2.11%之間；,典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織,工業(yè)純鐵的平衡結(jié)晶過程,冷卻過程中勻晶反應(yīng)：L相相相相 相中沿晶界析出片狀Fe3C,返回,共析鋼的平衡結(jié)晶過程,單相液體的冷卻,勻晶反應(yīng)L相中析出相（奧氏體A）,單相固溶體的冷卻,相發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體P,共析鋼的結(jié)晶過程分析,注意事項,共析反應(yīng)生成的珠光體在冷卻過程中，其中的鐵素體產(chǎn)生三次析出，生成Fe3C，但與共析的Fe3C連在一起

10、，難以分辨。,共析鋼的室溫平衡組織：P,共析鋼的平衡結(jié)晶過程,P：鐵素體（F）和滲碳體的兩相混合物，兩相的相對質(zhì)量是多少？,杠桿定律計算二元相圖中 平衡狀態(tài)下 兩平衡相的相對質(zhì)量分數(shù)。杠桿的支點是兩相合金的成分點，端點分別是兩個相的成分點。,亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程,L相冷卻,L相 相,L相+ 相 相，并且L相有剩余,剩余L相 相,單相的冷卻,相 相，但相有剩余,共析反應(yīng)：剩余相P（+Fe3C），存在先析相,亞共析鋼的結(jié)晶過程分析,注意事項,先析鐵素體（相）在隨后的冷卻過程中會析出Fe3C，但量很少可忽略,亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體+珠光體P,利用杠桿定律計算先析鐵素體與珠光體的質(zhì)量分數(shù)，

11、計算鐵素體（先析鐵素體+P光體中的鐵素體）與滲碳體的質(zhì)量分數(shù),亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程,計算727 下, 組織組成物的質(zhì)量分數(shù),亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程,過共析鋼的平衡結(jié)晶過程,單相液體的冷卻,L相 相,單相固溶體（奧氏體）的冷卻,相中析出二次滲碳體（Fe3C）,共析轉(zhuǎn)變： 相（ +Fe3C），存在Fe3C,過共析鋼結(jié)晶過程分析,注意事項,從奧氏體中析出的Fe3C稱為二次滲碳體,Fe3C沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使材料的整體脆性加大,過共析鋼室溫平衡組織：珠光體P+ Fe3C,利用杠桿定律計算珠光體與二次滲碳體的質(zhì)量分數(shù),過共析鋼的平衡結(jié)晶過程,共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程,單相液體的冷卻,共晶反應(yīng)：L

12、Ld（+Fe3C）,共晶中的相不斷析出Fe3C，不可見,共析反應(yīng)： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C）,注意事項,冷卻過程中萊氏體中的奧氏體相析出， Fe3C，但其依附于萊氏體中的Fe3C長大，不可見,共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏體Le （珠光體呈粒狀分布在Fe3C基體上）,共晶白口鐵的基體相是Fe3C脆性相，材料整體脆性較大，硬度較高,亞共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程,單相液體的冷卻,共晶反應(yīng)：剩余LLd（+Fe3C）,先共晶相不斷析出Fe3C，共晶相析出Fe3C不可見,共析反應(yīng)： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 先共晶相 P,勻晶反應(yīng)： L 相,室溫組織： Ld（P+Fe3C）

13、+ P+ Fe3C,亞共晶白口鐵的室溫組織,低溫萊氏體珠光體二次滲碳體 （LdPFe3C) 基體為低溫萊氏體Ld ，大塊黑色顆 粒為由初晶奧氏體共析轉(zhuǎn)變形成的珠 光體P ，初晶奧氏體中析出的Fe3C 與共晶Fe3C連成一體難以分辨。,注意室溫組織,如 w(C)3.0%合金，利用杠桿定律可計算: 組織組成物： Ld PFe3C,從初晶奧氏體中析出的二次滲碳體的數(shù)量為,過共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程,單相液體的冷卻,共晶反應(yīng)：剩余LLe（+Fe3C）,共晶相析出Fe3C不可見,共析反應(yīng)： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C）,勻晶反應(yīng)： L Fe3C相,室溫組織： Le（P+Fe3C） + Fe3

14、C,過共晶白口鐵的室溫組織,碳含量對鐵碳合金室溫組織的影響,小結(jié),a+Fe3C,a+P,P,P+Fe3C,P+Fe3C+Ld,Ld,Fe3C+Ld,鐵素體,珠光體,滲碳體,萊氏體,鋼鐵分界線,兩個單相之間是混合相,四）主要組織組成物,含碳量對平衡組織的影響示意圖,重要！,碳含量變化對和Fe3C分布和形態(tài)的影響：,碳含量 w(C)0.0218 為連續(xù)分布的塊狀組織 w(C)接近0.77% 先共析沿晶界呈網(wǎng)狀分布 w(C)0.77 為片層狀的共析鐵素體 w(C)6.69% 已不存在,碳含量 Fe3C w(C)0.0218 共析轉(zhuǎn)變形成層片狀共析Fe3C w(C)0.77 沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀Fe3

15、C ES線： w(C)2.11 共晶反應(yīng)形成共晶Fe3C ，為連續(xù)的基體組織 w(C)4.3% 全部是以共晶Fe3C為基體的Ld組織 w(C)4.30 從液相中直接結(jié)晶出粗大長條狀的Fe3C CD線：,硬度,硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分數(shù), 隨碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F減少,合金的硬度呈直線關(guān)系增大, 由全部為F的硬度約80 HB增大到全部為Fe3C時的約800 HB。,含碳量對鐵碳合金力學(xué)性能的影響,強度, 亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度高。組織越細密, 則強度值越高。F的強度較低。所以亞共析鋼的強度隨而增大。 共析成分之上, 由于強度很低的Fe3CII沿晶界出現(xiàn), 合金強度的增高變慢, 到約0.9%C時, Fe3CII沿晶界形成完整的網(wǎng), 強度迅速降低, 隨著碳質(zhì)量分數(shù)的進一步增加, 強度不斷下降, 到2.11%C后, 合金中出現(xiàn)Le時, 強度已降到很低的值。 再增加碳含量時, 由于合金基體都為脆性很高的Fe3C, 強度變化不大且值很低, 趨于Fe3C的強度(約20 MPa30 MPa)。,含碳量對鐵碳合金力學(xué)性能的影響,鐵碳合金中Fe3C是極脆的相, 沒有塑性。合金的塑性變形全部由F提供。所以隨碳含量的增大, F量不斷減少時, 合金的塑性連續(xù)下降。到合金成為白口鑄鐵時, 塑性就降到近于零值了。,塑性,含碳量