第三章鐵碳合金與鐵碳相圖

1、第三章 鐵碳合金和鐵碳相圖3.1 鐵碳合金中的組元和基本相鐵碳合金中的組元和基本相3.2 Fe-Fe3C相圖相圖3.3 典型合金的平衡結(jié)晶典型合金的平衡結(jié)晶3.4 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響3.5 鋼中雜質(zhì)元素對組織性能的影響鋼中雜質(zhì)元素對組織性能的影響第三章 鐵碳合金和鐵碳相圖 組組 元：元： 純鐵、滲碳體 基基 本本 相：相： 高溫鐵素體（）、 鐵素體（）、 奧氏體（） 基本組織：基本組織： 珠光體（P）、 萊氏體（Le/Le）3.1 鐵碳合金中的組元和基本相純鐵純鐵強(qiáng)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。

2、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：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。3.1 鐵碳合金中的組元和基本Fe-Fe-Fe液液 相相體心立方體心立方體心立方體心立方面心立方面心立方溫度溫度 時間時間/s室溫室溫返回返回3.1 鐵碳合金中的組元和基本相3.1 鐵碳合金中的組元和基本相鐵與碳形成具有復(fù)雜晶格的穩(wěn)定間隙化合物Fe3C硬度很高硬度很高脆性大，塑性和韌性極低脆性大，塑性和韌性極低返回返回碳溶解在碳溶解在-Fe中形中形成的間隙固溶體成的間隙固溶體強(qiáng)度、硬度低強(qiáng)度、硬度低塑性、韌性好塑性、韌性好返回返回3.1 鐵碳合金中的組元和基本相碳溶解在-Fe中形成的間隙固溶體

3、。3.1 鐵碳合金中的組元和基本相有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性也很好有一定的強(qiáng)度和硬度，塑性也很好返回返回鐵素體和滲碳體組成鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物的機(jī)械混合物綜合力學(xué)性能較好綜合力學(xué)性能較好3.1 鐵碳合金中的組元和基本相返回返回滲碳體為基體上分布滲碳體為基體上分布著奧氏體（珠光體）著奧氏體（珠光體）硬度很高，塑性很差硬度很高，塑性很差返回返回3.1 鐵碳合金中的組元和基本相3.2 Fe-Fe3C相圖J為包晶點為包晶點: 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（

4、萊氏體）。 S點為共析點點為共析點 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）。返回返回3.2 Fe-Fe3C相圖返回返回3.2 Fe-Fe3C相圖包晶反應(yīng)：L+共晶反應(yīng)：LLe( FeC3+ )共析反應(yīng)： P (FeC3+ ) 返回返回3.2 Fe-Fe3C相圖3.2 Fe-Fe3C相圖過共析鋼過共析鋼共析鋼共析鋼共晶白口鐵共晶白口鐵亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵碳素鋼碳素鋼白口鑄鐵白口鑄鐵亞共析鋼亞共析鋼工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵3.2 Fe-Fe3C相圖3.2 Fe-Fe3C相圖返回返回3.2 Fe-Fe3C相圖0.0218%0.02182.11%2.

5、116.68%0.77%4.3%3.3 典型合金的平衡結(jié)晶工業(yè)純鐵的平衡結(jié)晶過程冷卻過程中勻晶反應(yīng)：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注意事項注意事項共析反應(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，生成產(chǎn)生三次析出，生成Fe3C，但與共析的，但與共析的Fe3C連在一連在一起，難以分辨。起，難以分辨。共析鋼的室溫平衡組織：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（：鐵素體（F）和滲碳體的

6、兩相）和滲碳體的兩相混合物，兩相的相對質(zhì)量是多少？混合物，兩相的相對質(zhì)量是多少？ 杠桿定律杠桿定律計算二元相圖中計算二元相圖中 平衡狀態(tài)下平衡狀態(tài)下 兩平衡相的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。兩平衡相的相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)。杠桿的杠桿的支點支點是兩相合金的是兩相合金的成分點成分點，端點，端點分別是兩個相的分別是兩個相的成成分點分點。%5 .11%1000008. 069. 60008. 077. 03CFeM%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6M 相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe3C相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe3CA(0.0008)B(6.69)0.77C亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程L相冷卻相冷卻L相

7、相 相相L相相+ 相相 相，并且相，并且L相有剩余相有剩余剩余剩余L相相 相相單相的冷卻單相的冷卻相相 相，但相，但相有剩余相有剩余共析反應(yīng)：剩余共析反應(yīng)：剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存在先析相相注意事項注意事項先析先析鐵素體（鐵素體（相）在隨后的冷卻過程中會析出相）在隨后的冷卻過程中會析出FeFe3 3C C，但量很少可忽略，但量很少可忽略亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體+ +珠光體珠光體P P利用杠桿定律計算先析鐵素體與珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計算鐵素體（先析鐵利用杠桿定律計算先析鐵素體與珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計算鐵素體（先析鐵素體素體+P+P光體中的鐵素體

8、）與滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)光體中的鐵素體）與滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程計算計算727 下下, 組織組成物組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%28.77%1000218. 077. 00218. 06 . 0PM%72.22%1000218. 077. 06 . 077. 0M 組織組成物的組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)P組織組成物的組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù) P PA(0.0218)B(0.77)0.6C亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程 W鐵素體=（0.77-0.45）除以0.77-0.0218=42.8% Wp=57.2% Wp=（6.69-1）除以6.69-0.77=96.1%W鐵三碳=3.9%過

9、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注意事項注意事項從奧氏體中析出的從奧氏體中析出的Fe3C稱為二次滲碳體稱為二次滲碳體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?jǐn)?shù)利用杠桿定律計算珠光體與二次滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過共析鋼的平衡結(jié)晶過程 亞共析鋼和過共析鋼的相組成都是鐵素體鐵素體和滲碳滲碳體體，計算室溫下，兩者鐵素體相和滲碳體相的

10、質(zhì)量分?jǐn)?shù)。（亞共析鋼以含碳量0.45%為例，過共析鋼以含碳量1.0%為例）wa=6.69-0.45除以6.69=93.3%W鐵三碳=6.7%課后作業(yè)返回返回共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：LLe（+Fe3C）共晶共晶中的中的相不斷析出相不斷析出Fe3C，不可見，不可見共析反應(yīng)：共析反應(yīng)： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 注意事項注意事項冷卻過程中萊氏體中的奧氏體相析出，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，但其依附于萊氏體中的Fe3C長大，不可見長大，不可見共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏體共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏

11、體Le （珠光體呈粒狀分布在（珠光體呈粒狀分布在Fe3C基體上）基體上）共晶白口鐵的基體相是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單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：剩余共晶反應(yīng)：剩余LLe（+Fe3C）先共晶先共晶相不斷析出相不斷析出Fe3C，共晶，共晶相相析出析出Fe3C不可見不可見共析反應(yīng)：共析反應(yīng)： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 先共晶先共晶相相 P勻晶反應(yīng)：勻晶反應(yīng)： L 相相室溫組織：室溫組織： Le（P+Fe3C） + P過共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反

12、應(yīng)：剩余共晶反應(yīng)：剩余LLe（+Fe3C）共晶共晶相析出相析出Fe3C不可見不可見共析反應(yīng)：共析反應(yīng)： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 勻晶反應(yīng)：勻晶反應(yīng)： L Fe3C相相室溫組織：室溫組織： Le（P+Fe3C） + Fe3C小結(jié)a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+LeLeFe3C+Le返回返回硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和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?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù), 隨碳含量的增加隨碳含量的增加, 由于硬度高的由于硬度高的Fe3C增多增多, 硬度硬度低的低的F減少減少,合金的硬度呈直線關(guān)系增大合金的硬度呈直線關(guān)系增大, 由全部為由

13、全部為F的硬度的硬度約約80 HB增大到全部為增大到全部為Fe3C時的約時的約800 HB。 含碳量對鐵碳合金力學(xué)性能的影響 , 亞共析鋼亞共析鋼中P增多而F減少。P的強(qiáng)度高。組織越細(xì)密, 則強(qiáng)度值越高。F的強(qiáng)度較低。所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨而增大。 共析成分之上, 由于強(qiáng)度很低的Fe3CII沿晶界出現(xiàn), 合金強(qiáng)度的增高變慢, 到約0.9%C時, Fe3CII沿晶界形成完整的網(wǎng), 強(qiáng)度迅速降低, 隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加, 強(qiáng)度不斷下降, 到2.11%C后, 合金中出現(xiàn)Le時, 強(qiáng)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(qiáng)度變化不大且值很低, 趨于Fe3C的強(qiáng)

14、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。 返回返回含碳量對鐵碳合金力學(xué)性能的影響一、一、SiSi脫氧劑，（且強(qiáng)化F,提高淬透性） 但SiO2易成為非金屬夾雜, Si%0.5% Si+O2SiO2二、二、MnMn脫氧劑，除硫劑，（且強(qiáng)化F,提高淬透性），但MnO、MnS易成為非金屬夾雜物, Mn%0.8% M n+SMnO Mn+SMnS不利作用：不利作用：引起熱脆,S0.050%. 有利作用：

15、有利作用：提高切削加工性三、三、S S3.5 鋼中的雜質(zhì)元素四、四、P P 不利作用：不利作用：引起冷脆, P0.045%。 （原因：固溶于F鋼強(qiáng)硬度，塑韌性） 有利作用：有利作用：提高切削加工性,使彈片易碎等五、五、 N N、H H、O O1. 一般情況下均是有害元素 N 時效形成氮化物脆化 H 氫脆， 白點塑韌性 O 形成氧化物 非金屬夾雜 2. 控制方法： N 加入AlAlN H 冶金時防止進(jìn)入， 去氫退火 O 加脫氧劑 Si,Mn等3.5 鋼中的雜質(zhì)元素6 金屬鑄錠宏觀組織 凝固后在鑄造狀態(tài)(或還要經(jīng)過熱處理)下使用的金屬件稱為鑄件鑄件，凝固后還要經(jīng)歷塑性變形的金屬件稱為鑄錠鑄錠。 鑄錠實際上是一個形狀簡單的鑄件.具有很典型的鑄態(tài)組織。鑄錠剖面大致存在三個不同特征的區(qū) 鑄錠三晶區(qū)：表面細(xì)晶粒區(qū)，柱狀晶粒