鐵碳合金相圖與共析鋼結(jié)晶過程（課堂PPT）

1、11 1、鐵碳合金的基本相與性能鐵碳合金的基本相與性能2 2、鐵碳合金相圖與共析鋼結(jié)晶過程、鐵碳合金相圖與共析鋼結(jié)晶過程3 3、含碳量對鐵碳合金組織性能的影響、含碳量對鐵碳合金組織性能的影響4 4、鐵碳合金相圖的應(yīng)用、鐵碳合金相圖的應(yīng)用2l鐵碳合金鐵碳合金碳鋼碳鋼和和鑄鐵鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用，是工業(yè)應(yīng)用最廣的金屬材料。最廣的金屬材料。l含碳量為含碳量為0.0218% 2.11%的稱的稱鋼。鋼。l含碳量為含碳量為 2.11% 6.69%的稱的稱鑄鐵鑄鐵。3l鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、 Fe2C、 FeC，它們都可以作為相圖的組元看待。，它們都可以作為相圖的

2、組元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。無實(shí)用價(jià)值。l實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe- Fe3C相圖相圖。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 45l碳在碳在-Fe中的固溶體稱中的固溶體稱 -鐵素體鐵素體，用，用 表示。表示。 l都是體心立方都是體心立方間隙固溶體間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低。鐵素體的溶碳能力很低,在在727時(shí)最大為時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為，室溫下僅為0.0008%。l鐵素體的組織為鐵素體的組織為多邊形晶粒多邊形晶粒，性能與純鐵相似性能與純鐵相似。鐵素體鐵素體l

3、 鐵素體：鐵素體：l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱鐵素體鐵素體, 用用F 或或 表示。表示。 6l 奧氏體奧氏體:l碳在碳在 -Fe中的固溶體稱中的固溶體稱奧氏體奧氏體。用。用A或或 表示。表示。l是是面心立方面心立方晶格的晶格的間隙固溶體間隙固溶體。溶碳能力比。溶碳能力比鐵素體鐵素體大，大，1148時(shí)最大為時(shí)最大為2.11%。l組織為不規(guī)則多面體組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。晶粒，晶界較直。強(qiáng)強(qiáng)度低、塑性好度低、塑性好，鋼材鋼材熱加工都在熱加工都在A 區(qū)進(jìn)行區(qū)進(jìn)行.l碳鋼室溫組織中無奧碳鋼室溫組織中無奧氏體。氏體。奧氏體奧氏體7 構(gòu)轉(zhuǎn)變構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于相

4、變之一相變之一固態(tài)相變固態(tài)相變。l鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變l鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394912 -Fe -Fe -Fel物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異同素異純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變8l 滲碳體：滲碳體：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、強(qiáng)度低強(qiáng)度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性幾乎為塑性幾乎為零零lFe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：定條件下可發(fā)生

5、分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 該反該反應(yīng)對鑄鐵有重要意義。應(yīng)對鑄鐵有重要意義。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常溫下碳在鐵常溫下碳在鐵碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體9三個(gè)基本相三個(gè)基本相：鐵素體、奧氏體和滲碳體鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一。但奧氏體一般僅存在于般僅存在于高溫高溫下，所以下，所以室溫室溫下所有的鐵碳合金下所有的鐵碳合金平衡平衡組織組織中只有中只有兩個(gè)相兩個(gè)相，就是，就是鐵素體鐵素體和和滲碳體滲碳體。五種組織組成物：五種組織組成物：是構(gòu)成顯微組

6、織的獨(dú)立部分，可以是是構(gòu)成顯微組織的獨(dú)立部分，可以是單相單相，也可以是，也可以是兩相兩相或者或者多相混合物多相混合物。鐵素體鐵素體 奧氏體奧氏體 滲碳體滲碳體 珠光體珠光體 萊氏體萊氏體珠光體珠光體：共析反應(yīng)共析反應(yīng)的產(chǎn)物，是的產(chǎn)物，是F F與與FeFe3 3C C片層相間的片層相間的兩兩相混合物相混合物萊氏體萊氏體：共晶反應(yīng)共晶反應(yīng)的產(chǎn)物，的產(chǎn)物，高溫萊氏體高溫萊氏體是是A A與與FeFe3 3C C兩兩相混合物相混合物, , 室溫萊氏體室溫萊氏體是是珠光體珠光體與與FeFe3 3C C的兩相混合物的兩相混合物10相圖的簡化相圖的簡化11l 特征點(diǎn)特征點(diǎn) L+Fe3C 12l 特征線特征線l

7、 液相線液相線ACD， 固相線固相線AECFl 兩條水平線：兩條水平線：lECF：共晶線：共晶線LC E+Fe3Cl共晶產(chǎn)物是共晶產(chǎn)物是A與與Fe3C的機(jī)械的機(jī)械混合物，稱作混合物，稱作萊氏體萊氏體, 用用Le表示。表示。為蜂窩狀為蜂窩狀, 以以Fe3C為為基，性能硬而脆?；阅苡捕?。萊氏體萊氏體13lPSK：共析線：共析線 S FP+ Fe3Cl共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是 F與與Fe3C的機(jī)械混合物，稱的機(jī)械混合物，稱作作珠光體珠光體，用，用P表示。表示。珠光體珠光體L+ Fe3Cl珠光體的組織特點(diǎn)是珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。性能介于

8、兩相之間。 PSK線又稱線又稱A1線線 。14l 其它相線其它相線lGSA F 固溶固溶體轉(zhuǎn)變線體轉(zhuǎn)變線, GS又又稱稱A3 線。線。lES碳在碳在 -Fe中中的固溶線。的固溶線。又稱又稱Ac m線。線。lPQ碳在碳在 -Fe中的固溶線。中的固溶線。15l 兩個(gè)三相區(qū)：兩個(gè)三相區(qū)：l即即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)兩兩條水平線條水平線 l 相區(qū)相區(qū)l 單相區(qū)：單相區(qū)： L、A、F、Fe3C l 兩相區(qū)兩相區(qū): L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C 16l 鋼鋼(0.02182.11%C)高溫組織為單相高溫組織為單相A l 亞共析鋼亞共析鋼 (0

9、.02180.77%C)l 共析鋼共析鋼 (0.77%C)l 過共析鋼過共析鋼 (0.772.11%C)l鐵碳合金按鐵碳合金按成分成分可分為可分為三類三類：l 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵(0.0218% C) 組織為單相鐵素體。組織為單相鐵素體。17l 白口鑄鐵白口鑄鐵 (2.116.69%C) 鑄造性能好鑄造性能好, 硬而脆硬而脆l(xiāng) 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 (2.114.3%C)l 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵(4.3%C)l 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵 (4.36.69%C)18l(一一) 共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼的結(jié)晶過程 l合金液體在合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)锳。到到S點(diǎn)發(fā)生共析點(diǎn)發(fā)

10、生共析轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變： AS FP+Fe3C, A 全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿哭D(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體。19+ + + +1 1點(diǎn)以上：點(diǎn)以上：L L1 12 2點(diǎn)：點(diǎn)：L LA A2 23 3點(diǎn)：點(diǎn)：A A3 333點(diǎn)：點(diǎn)： A AP P3點(diǎn)以下：點(diǎn)以下：P P20l珠光體珠光體在光鏡下呈指紋狀在光鏡下呈指紋狀.l轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對重量百分比為：的相對重量百分比為：l珠光體中的滲碳體稱珠光體中的滲碳體稱共析共析滲碳體滲碳體。lS點(diǎn)以下，共析點(diǎn)以下，共析 F 中析出中析出Fe3C，與共析，與共析Fe3C結(jié)合結(jié)合不易分辨。不易分辨。室溫組織為室溫組織為P。 3 Fe C6.690.7

11、788.8%,6.690.0218100%88.8%11.2%FSKQPKQ珠光體珠光體21l室溫下，珠光體中室溫下，珠光體中兩相的相對重量百兩相的相對重量百分比是多少？分比是多少？3 Fe C46.690.7788.5%6.690.0008100%88.5%11.5%LQQLQQ4321922l共析鋼的結(jié)晶過程共析鋼的結(jié)晶過程231、共析鋼的結(jié)晶過程、共析鋼的結(jié)晶過程3、過共析鋼的結(jié)晶過程、過共析鋼的結(jié)晶過程2、亞共析鋼的結(jié)晶過程、亞共析鋼的結(jié)晶過程L L+A A PL L+A A P相組成物相組成物：F F，F(xiàn)eFe3 3C C LL+A A A+F P+FLL+A A A+F P+F相組

12、成物相組成物：F F，F(xiàn)eFe3 3C CLL+AAA+FeLL+AAA+Fe3 3C CII IIP+FeP+Fe3 3C CII II相組成物相組成物：F F，F(xiàn)eFe3 3C C24 四、四、 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l 含碳量對室溫平衡組織的影響含碳量對室溫平衡組織的影響 l含碳量含碳量與緩冷后與緩冷后相相及及組織組成物組織組成物之間的定量關(guān)系之間的定量關(guān)系為：為： 鋼鋼鐵素體鐵素體 亞共析鋼亞共析鋼 過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼共析鋼白白 口口 鑄鑄 鐵鐵二次滲碳體二次滲

13、碳體工工業(yè)業(yè)純純鐵鐵珠光體珠光體萊氏體萊氏體一次滲碳體一次滲碳體Fe3C鋼鋼 鐵鐵分分 類類組織組組織組成物相成物相對量對量%相組成相組成物相對物相對量量%含碳量含碳量%00.0218 0.772.114.36.6910010000三次滲碳體三次滲碳體F F+P P P+ FeF F+P P P+ Fe3 3C CII II P+ Fe P+ Fe3 3C CII II + L+ L L L L L+ Fe+ Fe3 3C CI I25 含碳量對力學(xué)性能的影響含碳量對力學(xué)性能的影響硬度硬度主要決定于組織中主要決定于組織中組組成相成相或或組織組成物組織組成物的的硬度硬度和和質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù), ,

14、 隨碳含量的隨碳含量的增加增加, , 由于硬度由于硬度高高的的FeFe3 3C C增多增多, , 硬度硬度低低的的F F減少減少, ,合合金的硬度呈直線關(guān)系增大金的硬度呈直線關(guān)系增大, , 由全部為由全部為F F的的硬度硬度約約80 80 HBHB增大到全部為增大到全部為FeFe3 3C C時(shí)時(shí)的約的約800 HB800 HB。26強(qiáng)度強(qiáng)度是一個(gè)對是一個(gè)對組織形態(tài)組織形態(tài)很很敏感敏感的性能。隨碳含量的的性能。隨碳含量的增加增加, , 亞共析鋼中亞共析鋼中P P增多而增多而F F減少。減少。P P的的強(qiáng)度強(qiáng)度比較比較高高, , 其大小與其大小與細(xì)密程度細(xì)密程度有關(guān)。有關(guān)。組織越組織越細(xì)密細(xì)密,

15、, 則強(qiáng)度值則強(qiáng)度值越越高高。F F的的強(qiáng)度強(qiáng)度較較低低。所以。所以亞共析鋼的亞共析鋼的強(qiáng)度強(qiáng)度隨碳含量隨碳含量的的增大增大而而增大增大。27但當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過但當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過共析成分共析成分之后之后, , 由于由于強(qiáng)度很低強(qiáng)度很低的的FeFe3 3C CII II沿沿晶界晶界出現(xiàn)出現(xiàn), , 合金強(qiáng)度的增高合金強(qiáng)度的增高變慢變慢, , 到約到約0.9%C0.9%C時(shí)時(shí), , FeFe3 3C CII II沿晶界形成沿晶界形成完整的網(wǎng)完整的網(wǎng), , 強(qiáng)度迅強(qiáng)度迅速速降低降低, , 隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加一步增加, , 強(qiáng)度不斷下降強(qiáng)度不斷下降, , 到到2.11%C2.1

16、1%C后后, , 合金中出現(xiàn)合金中出現(xiàn)LeLe時(shí)時(shí), , 強(qiáng)度強(qiáng)度已降到已降到很低很低的值。再增加的值。再增加碳含量碳含量時(shí)時(shí), , 由于合金由于合金基體基體都為都為脆性很高的脆性很高的FeFe3 3C C, , 強(qiáng)度變化不強(qiáng)度變化不大且值很低大且值很低, , 趨于趨于FeFe3 3C C的的強(qiáng)度強(qiáng)度( (約約20 MPa20 MPa30 MPa)30 MPa)。28塑性塑性鐵碳合金中鐵碳合金中FeFe3 3C C是是極脆的相極脆的相, , 沒有沒有塑性塑性。合金。合金的的塑性變形塑性變形全部由全部由F F提供。提供。所以隨碳含量的增大所以隨碳含量的增大, , F F量量不斷減少時(shí)不斷減少時(shí),

17、 , 合金的合金的塑性塑性連連續(xù)下降。到合金成為續(xù)下降。到合金成為白口白口鑄鐵鑄鐵時(shí)時(shí), , 塑性就降到近于零塑性就降到近于零值了。值了。 29(1)(1)鋼鐵選材鋼鐵選材1 1、需要、需要韌性、塑性好韌性、塑性好的（起重的（起重機(jī)構(gòu)架、輸電鐵塔）可選用含碳機(jī)構(gòu)架、輸電鐵塔）可選用含碳小于小于0.25%0.25%的碳鋼的碳鋼2 2、需要、需要強(qiáng)度、韌性強(qiáng)度、韌性都較好（重都較好（重要的地腳螺栓、軸、齒輪等）可要的地腳螺栓、軸、齒輪等）可選用含碳選用含碳0.3%0.50.3%0.5%的鋼；各類的鋼；各類彈 簧 、 板 簧彈 簧 、 板 簧 需 要 含 碳需 要 含 碳0.5%0.75%0.5%0

18、.75%的鋼；的鋼；3 3、需要、需要耐磨耐磨的（工具、模具、的（工具、模具、軸承類）可選用含碳軸承類）可選用含碳0.8%1.3%0.8%1.3%的鋼。的鋼。30(2)(2)在鑄造工藝方面的應(yīng)用在鑄造工藝方面的應(yīng)用1 1、根據(jù)相圖可確定合金的、根據(jù)相圖可確定合金的澆注溫度澆注溫度。從圖中看出，。從圖中看出，鑄鑄鐵鐵的澆注溫度比鋼的澆注溫度比鋼低低，所以，所以鑄鐵的鑄造性能大大鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)優(yōu)于鑄于鑄鋼。鋼。2 2、共晶點(diǎn)共晶點(diǎn)C C的鐵碳合金的鐵碳合金鑄鑄造性能最好造性能最好。越是。越是接近接近共晶共晶點(diǎn)點(diǎn)C C的鐵碳合金結(jié)晶溫度越的鐵碳合金結(jié)晶溫度越低，合金的低，合金的流動(dòng)性好流動(dòng)性好。3 3、固液線距離、固液線距離近近，偏析偏析傾傾向向小小。31(3)(3)在壓力加工方面的應(yīng)用在壓力加工方面的應(yīng)用相圖中有很廣闊的相圖中有很廣闊的奧氏體奧氏體區(qū)區(qū)，面心立方晶格面心立方晶格的高溫的高溫奧氏體有優(yōu)良的奧氏體有優(yōu)良的塑性塑性和較和較好的好的強(qiáng)度強(qiáng)度，塑性變形，塑性變形抗力抗力很很低低，是熱鍛、熱軋極好，是熱鍛、熱軋極好的組織，軋、鍛溫度一般的組織，軋、鍛溫度一般選在圖中影線部分。選在圖中影線部分。32（4)4)在焊接方面的應(yīng)用在焊接方面的應(yīng)用含碳量越低的鋼焊接性越含碳量越低的鋼焊接性越好，含碳量增加時(shí)，隨著好，含碳量增加時(shí)，隨著