金屬材料任務(wù)三之活動(dòng)2

1、2022-4-71任務(wù)三任務(wù)三 鐵碳合金鐵碳合金 鐵碳合金的基本組織與性能建議：2課時(shí)學(xué)習(xí)活動(dòng)2學(xué)習(xí)目的與要求 熟悉并掌握鐵碳合金的概念及其基本組織（F、A、Fe3C或Cm、P、Ld） 了解、熟悉并掌握鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體的含碳量、化學(xué)式、存在溫度力學(xué)性能及特點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn) 、難點(diǎn) 鐵碳合金的基本組織及其含碳量、化學(xué)式、存在溫度力學(xué)性能及特點(diǎn) 一、鐵碳合金中的基本相和基本組織1 、基本組元： Fe、C2、基本相：鐵素體(F) ：C溶解在Fe中形成的固溶體；奧氏體(A) ：C溶解在Fe中形成的固溶體； 滲碳體(Fe3C)：Fe與C形成的金屬化合物。 硬、脆鋼中強(qiáng)化相Fe-C合金成分

2、范圍寬，相構(gòu)成只三個(gè)，但性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或單相或混合相存在 不同組織，不同的組織結(jié)構(gòu)對Fe-C合金的機(jī)械性能有重要影響。良好塑韌性鋼中基體相 Fe-C合金成分范圍寬，相構(gòu)成只三個(gè)，但性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或單相或混合相存在 不同組織，不同的組織結(jié)構(gòu)對Fe-C合金的機(jī)械性能有重要影響。二、鐵素體（F） 碳（C）溶解在Fe中形成的固溶體，用符號F表示。其晶胞是體心立方體。由于Fe是體心立方晶格，晶格間隙較小，所以碳在Fe中的溶解度很小。 鐵素體顯微組織 物理性質(zhì)： 純鐵在912以下為具有體心立方晶格。碳溶于-Fe中的間隙固溶體稱為鐵素體，以符號F表示。

3、由于-Fe是體心立方晶格結(jié)構(gòu)，它的晶格間隙很小，因而溶碳能力極差，在727時(shí)溶碳量最大，可達(dá)0.0218%,隨著溫度的下降溶碳量逐漸減小，在600時(shí)溶碳量約為0.0057%，在室溫時(shí)溶碳量約為0.0008%。因此其性能幾乎和純鐵相同，其機(jī)械性能如下： 抗拉強(qiáng)度 180280MN/M2 屈服強(qiáng)度100170MN/M2 延伸率 30-50% 斷面收縮率 70-80% 沖擊韌性 160200J/CM2 硬度HB 5080由此可見： 鐵素體的強(qiáng)度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。 鐵素體的顯微組織與純鐵相同，呈明亮的多邊形晶粒組織，有時(shí)由于各晶粒位向不同，受腐蝕程度略有差異，因而稍顯明暗不同。鐵素體

4、在770以下具有鐵磁性，在770以上則失去鐵磁性。（鐵素體的居里點(diǎn)為770） 體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，在體心立方晶胞的每個(gè)角上和晶胞中心都排列一個(gè)原子。可見，體心立方晶胞每個(gè)角上的原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有，每個(gè)晶胞實(shí)際上只占有1/8個(gè)原子。而中心的原子卻為該晶胞所獨(dú)有。所以，體心立方晶胞中原子數(shù)為81/8+1=2個(gè)。碳原子存在于四面、八面體間隙。 鐵素體是鋼的五種組織中含碳量最低的組織，其室溫性能接近于純鐵，即具有良好的塑性、韌性、較低的強(qiáng)度和硬度。三、奧氏體（A） 碳（C）溶解在Fe中形成的固溶體，用符號A表示。其晶胞如下圖。由于Fe是在高溫狀態(tài)下存在的面心立方晶格結(jié)構(gòu)，晶粒間隙較

5、大，故奧氏體溶碳能力較強(qiáng)，在1148C時(shí)溶碳能力可達(dá)到2.11%。隨溫度的下降，溶解度逐漸減少，在727C時(shí)溶碳能力為0.77%。 奧氏體晶胞 1、奧氏體-性能特點(diǎn)： 奧氏體是一種塑性很好，強(qiáng)度較低的固溶體 ，具有一定韌性。不具有鐵磁性。因此，分辨奧氏體不銹鋼 刀具(常見的188型不銹鋼）的方法之一就是用磁鐵來看刀具是否具有磁性。古代鐵匠打鐵時(shí)燒紅的鐵塊即處于奧氏體狀態(tài)。另外，奧氏體因?yàn)槭敲嫘牧⒎剑嗣骟w 間隙較大，可以容納更多的碳。 奧氏體的含碳量雖比鐵素體高，但其呈面心立方晶格，強(qiáng)度、硬度不高。奧氏體具有良好的塑性，尤其是具有良好的鍛壓性能。奧氏體存在于727C以上的高溫范圍內(nèi)，無室溫組織

6、。 奧氏體柱狀晶 原始奧氏體晶粒 2、奧氏體-組織形貌:奧氏體一般由等軸狀的多邊形晶粒組成，晶粒內(nèi)有孿晶。在加熱轉(zhuǎn)變剛剛結(jié)束時(shí)的奧氏體晶粒比較細(xì)小，晶粒邊界呈不規(guī)則的弧形。經(jīng)過一段時(shí)間加熱或保溫，晶粒將長大，晶粒邊界可趨向平直化。鐵碳相圖中奧氏體是高溫相，存在于臨界點(diǎn)A1溫度以上，是珠光體逆共析轉(zhuǎn)變而成。當(dāng)鋼中加入足夠多的擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的化學(xué)元素時(shí)，Ni,Mn等，則可使奧氏體穩(wěn)定在室溫，如奧氏體鋼。鋼中的殘余奧氏體 奧氏體不銹鋼晶相組織 3、奧氏體-晶體結(jié)構(gòu)： 奧氏體為面心立方結(jié)構(gòu)，碳氮等間隙原子均位于奧氏體晶胞八面體間隙中心，及面心立方晶胞的中心和棱邊的中點(diǎn)。假如每一個(gè)八面體的中心各容納一個(gè)

7、碳原子，則碳的最大溶解度應(yīng)為50%（摩爾分?jǐn)?shù)），相當(dāng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)約20%。實(shí)際上碳在奧氏體中的最大溶解度為2.11%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），這是由于-Fe的八面體間隙的半徑僅為0.052nm，比碳原子的半徑0.086nm小。碳原子溶入將使八面體發(fā)生較大的膨脹，產(chǎn)生畸變，溶入越多，畸變越大，晶格將不穩(wěn)定，因此不是所有的八面體間隙中心都能溶入一個(gè)碳原子，溶解度是有限的。碳原子溶入奧氏體中，使奧氏體晶格點(diǎn)陣發(fā)生均勻?qū)Φ鹊呐蛎?，點(diǎn)陣常數(shù)隨著碳含量的增加而增大。 大多數(shù)合金元素如Mn.Cr.Ni.Co.Si等，在-Fe中取代Fe原子的位置而形成置換固溶體。替換原子在奧氏體中的溶解度各不相同，有的可無限溶解，有的溶解

8、度甚微。少數(shù)元素，如硼僅存在于浸提缺陷處，如晶界、位錯(cuò)等。其顯微組織如下頁圖視。奧氏體顯微組織四、滲碳體（Fe3C或Cm） 滲碳體是含碳量為6.69%的鐵與碳的金屬化合物，其化學(xué)式為Fe3C.它具有復(fù)雜的斜方晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，與鐵和碳的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，如圖所示 滲碳體共晶組織顯微組織 滲碳體結(jié)構(gòu) 1、特點(diǎn) 它的含碳量為6.69%；熔點(diǎn)為1227左右；不發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變；但有磁性轉(zhuǎn)變，它在230以下具有弱鐵磁性，而在230以上則失去鐵磁性；其硬度很高（相當(dāng)于HB800或9501050HV),塑性和韌性幾乎為零，脆性極大。滲碳體是鋼中的主要強(qiáng)化相，在鐵或鑄鐵中可以片狀、球狀或網(wǎng)狀分布，其分布

9、形態(tài)對鋼的力學(xué)性能影響很大。在適應(yīng)的條件下（如高溫長期停留或極緩慢冷卻），滲碳體可分解為鐵和石墨狀的自由碳，這對鑄鐵的形成具有重要意義，而塑性和沖擊韌性幾乎等于零，脆性極大。 滲碳體不易受硝酸酒精溶液的腐蝕，在顯微鏡下呈白亮色，但受堿性苦味酸鈉的腐蝕，在顯微鏡下呈黑色。滲碳體的顯微組織形態(tài)很多，在鋼和鑄鐵中與其他相共存時(shí)呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。 滲碳體是碳鋼中主要的強(qiáng)化相，它的形狀與分布對鋼的性能有很大的影響。同時(shí)Fe3C又是一種介（亞）穩(wěn)定相，在一定條件下會(huì)發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C，所分解出的單質(zhì)碳為石墨。 滲碳體（Fe3C或Cm）：滲碳體是鐵和碳形成的金屬化合物，含碳量為6.67%（

10、有些書上為6.69%），具有復(fù)雜的斜方晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)為1227。在鋼中，滲碳體以不同形態(tài)和大小的晶體出現(xiàn)在組織中，對鋼的力學(xué)性能影響很大。 經(jīng)3%5%硝酸酒精溶液侵蝕后呈白亮色,若用苦味酸鈉溶液熱侵蝕，則被染成黑褐色，而鐵素體仍為白色，由此可區(qū)別開鐵素體和滲碳體。滲碳體的硬度很高，達(dá)到HB800以上，脆性很大，強(qiáng)度和塑性很差。經(jīng)過不同的熱處理，滲碳體可以成片狀、粒狀或斷續(xù)網(wǎng)狀。在一定條件下（如高溫長期停留或緩慢冷卻），滲碳體可以分解而形成石墨狀的自由碳：Fe3C3Fe + C(石墨)。這一過程對于鑄鐵和石墨鋼具有重要意義。2、分類及形態(tài) 初生滲碳體 ：在鐵一碳合金平衡結(jié)晶過程中，具有過共晶成分

11、的合金（過共晶白口鑄鐵）的液相合金冷卻到液相線以下時(shí)析出的滲碳體稱為初生滲碳體。 共晶滲碳體 ：在萊氏體組織中，點(diǎn)條狀?yuàn)W氏體均勻分布在滲碳體基體上，這種滲碳體稱為共晶滲碳體。滲碳體 過共晶一次滲碳體 滲碳體的鏈狀結(jié)構(gòu) 先共析相及先共析滲碳體：具有亞共析和過共析成分的合金，在發(fā)生共析轉(zhuǎn)變前，總是隨著溫度的降低，先析出構(gòu)成共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的某一相，先析出的相叫先共析相，如亞共析鋼中的先共析鐵素體和過共析鋼中的先共析滲碳體。由于形成條件不同，先共析相的形態(tài)有塊狀、網(wǎng)狀和魏氏組織三大類。 共析滲碳體 ：珠光體中的滲碳體稱為共析滲碳體。 二次滲碳體 ： 在鐵-碳合金平衡結(jié)晶過程中，具有共析成分（含碳量）以上

12、的合金（過共析鋼、亞共晶白口鑄鐵、共晶白口鑄鐵、過共晶白口鑄鐵）在緩冷到一定程度時(shí)，奧氏體中的含碳量達(dá)到飽和，繼續(xù)降溫就會(huì)沿奧氏體晶界析出滲碳體，在顯微組織上呈網(wǎng)狀分布。這種由奧氏體中析出的滲碳體叫二次滲碳體。 共晶二次滲碳體 滲碳體的析出 三次滲碳體：工業(yè)純鐵在平衡冷卻至碳在鐵中的固溶線（Fe-C平衡圖PQ線）以下時(shí)，碳在鐵素體中的溶解度達(dá)到飽和，溫度再下降，將從鐵素體中析出三次滲碳體。三次滲碳體是從鐵素體晶界上析出，由于數(shù)量很少，一般沿鐵素體晶界呈斷續(xù)片狀分布。 自由滲碳體 ：是指那些游離于珠光體（共析組織）或萊氏體（共晶組織）等機(jī)械混合物（組織）之外的而作為一種獨(dú)立的相存在的滲碳體，如先

13、共析滲碳體、初生滲碳體等。 五、珠光體（P） 珠光體是鐵素體和滲碳體的混合物，用符號P表示。它是滲碳體和鐵素體片層相間、交替排列形成的混合物。其顯微組織如圖3-29所示，其中白色為鐵素體機(jī)體，黑色線條為滲碳體。 在緩慢冷卻條件下，珠光體的含量為0.77%。由于珠光體是由硬的滲碳體和軟的鐵素體組成的混合物，所以其力學(xué)性能是兩者的綜合，強(qiáng)度較高，硬度適中，具有一定的塑性。珠光體顯微組織 鐵素體和滲碳體的混合物 1、珠光體形態(tài) 其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體薄層交替疊壓的層狀復(fù)相物，也稱片狀珠光體。用符號P表示，含碳量Wc=0.77%。在珠光體中鐵素體占88%,滲碳體占12%,由于鐵素體的數(shù)量大大多于滲

14、碳體,所以鐵素體層片要比滲碳體厚得多.在球化退火條件下,珠光體中的滲碳體也可呈粒狀,這樣的珠光體稱為粒狀珠光體。經(jīng)2-4%硝酸酒精溶液浸蝕后,在不同放大倍數(shù)的顯微鏡下可以觀察到不同特征的珠光體組織.當(dāng)放大倍數(shù)較高時(shí)可以清晰地看到珠光體中平行排列分布的寬條鐵素體和窄條滲碳體;當(dāng)放大倍數(shù)較低時(shí),珠光體中的滲碳體只能看到一條黑線;而當(dāng)放大倍數(shù)繼續(xù)降低或珠光體變細(xì)時(shí),珠光體的層片狀結(jié)構(gòu)就不能分辨了,此時(shí)珠光體呈黑色的一團(tuán)。圖為光學(xué)顯微鏡200倍下薄壁鑄件基體.經(jīng)3%硝酸酒精溶液浸蝕.可見磷共晶體,片狀石墨,珠光體及少量鐵素體。2、珠光體分類 奧氏體化溫度、轉(zhuǎn)變前奧氏體晶粒大小，只影響珠光體團(tuán)的大小，對

15、片層間距無影響。片狀珠光體根據(jù)片間距的大小不同，可以分成珠光體、索氏體、托氏體三類。 一般所謂的片狀珠光體是指在A1650溫度范圍內(nèi)形成的，在光學(xué)顯微鏡下能明顯分辨出鐵素體和滲碳體層片狀組織形態(tài)的珠光體，其片間距大約為150450nm。在光學(xué)顯微鏡下能夠明顯分辨出片層的珠光體，其片間距約為150450nm。 在650600溫度范圍內(nèi)形成的珠光體，其片間距較小，約為80150n m，只有在高倍的光學(xué)顯微鏡下(放大8001500倍時(shí))才能分辨出鐵素體和滲碳體的片層形態(tài)，這種片狀珠光體稱為索氏體。片間距為80150nm時(shí)，稱為索氏體，其片層在光學(xué)顯微鏡下難以分辨。 在600550溫度范圍內(nèi)形成的珠光

16、體，其片間距極細(xì)，約為3080nm，在光學(xué)顯微鏡下根本無法分辨其層片狀特征，只有在電子顯微鏡下才能區(qū)分，這種極細(xì)的珠光體稱為屈氏體。在更低的溫度下形成片間距為3080nm的珠光體稱為托氏體，只有在電子顯微鏡下才能觀察到片層結(jié)構(gòu)。 當(dāng)滲碳體以顆粒狀存在于鐵素體基體上時(shí)稱為粒狀珠光體。粒狀珠光體可以通過不均勻的奧氏體緩慢冷卻時(shí)分解而得，也可以通過其他熱處理方法獲得。 珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)韌性較好。其抗拉強(qiáng)度為750 900MPa，180 280HBS，伸長率為20 25%，沖擊功為24 32J。力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好b=770MPa，1

17、80HBS，=20%35%，AKU=2432J)。 珠光體的綜合力學(xué)性能比單獨(dú)的鐵素體或滲碳體都好。珠光體的機(jī)械性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度、硬度適中，并不脆，這是因?yàn)橹楣怏w中的滲碳體量比鐵素體量少得多的緣故。 3、溫度影響 1)片狀珠光體中相鄰兩片滲碳體（或鐵素體）中心之間的距離稱為珠光體的片間距。 2)溫度是影響片間距大小的一個(gè)主要因素。隨著冷卻速度增加，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的降低，也即過冷度不斷增大，轉(zhuǎn)變所形成的珠光體的片間距不斷減小。3)碳素鋼和合金鋼的珠光體片間距與形成溫度之間的關(guān)系。當(dāng)過冷度很小時(shí)有近似的線性關(guān)系，但總的來看是非線性的。有些人碳素鋼中珠光體的片間距與過冷度的關(guān)系處理為

18、線性關(guān)系：珠光體的片間距和過冷度關(guān)系如下：S0 = C /T其中：C =8.0210 3(nmK)；S0：珠光體的片間距(nm)； T：過冷度，即珠光體轉(zhuǎn)變溫度與臨界點(diǎn)A1之差。4、影響珠光體轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的因素即是影響形核率和長大速度的因素 1）內(nèi)因：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu); 外因：加熱溫度、保溫時(shí)間。2）化學(xué)成分的影響（1）碳含量的影響：亞共析鋼：隨含C量增加，先共析F速度減慢，使P轉(zhuǎn)變速度 減小。 原因:隨含C量增加，F(xiàn)形核率減少，F(xiàn)長大時(shí)所需擴(kuò)散離去的C量增大。過共析鋼:隨含C量的增高，滲碳體形核率越大，碳在A中的擴(kuò)散系數(shù)增大，P轉(zhuǎn)變速度增大。過共析鋼不完全奧氏體化更易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。（2）奧

19、氏體成分的不均勻性和過剩相均加速珠光體轉(zhuǎn)變。 (3)合金元素的影響：除了Co以外，其它所有的合金元素都使“C”曲線右移；除了Ni、Mn以外，其它常用合金元素皆使珠光體轉(zhuǎn)變的“鼻尖”溫度上移。原因：合金元素的自擴(kuò)散、對碳擴(kuò)散的影響，對相變臨界點(diǎn)的影響。（4）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響：加熱溫度低、保溫時(shí)間短，將加速珠光體的轉(zhuǎn)變。原因：A成分不均勻、或有未溶滲碳體，有利于形核。（5）奧氏體晶粒度的影響A的晶粒越細(xì)小，P的形核部位越多，越促進(jìn)P轉(zhuǎn)變。細(xì)小的A晶粒也將促進(jìn)先共析相的析出。（6）應(yīng)力和塑性變形的影響對奧氏體氏加拉應(yīng)力，將加速珠光體的轉(zhuǎn)變；對奧氏體氏加壓應(yīng)力，將減慢珠光體的轉(zhuǎn)變。六、萊氏體（

20、Ld） 萊氏體是奧氏體和滲碳體的混合物，用符號Ld表示。它是含碳量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金在1148C時(shí)的共晶產(chǎn)物。當(dāng)溫度降到727C時(shí)，由于萊氏體中的奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，所以室溫下的萊氏體由珠光體和滲碳體組成，這種混合物稱為低溫萊氏體，用符號Ld表示。如下圖所示為低溫萊氏體的顯微組織。 萊氏體晶相組織 1、萊氏體形成 液態(tài)鐵碳合金在1147左右會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，含碳量為4.3%的液態(tài)鐵碳合金會(huì)轉(zhuǎn)化為含碳量為2.11%的奧氏體和6.67%的滲碳體兩種晶體的混合物，其比例大約是1：1。 L4.3%Ld(2.11%+Fe3C）隨著溫度的降低，萊氏體中總碳含量組成不變，但其中的組分奧氏體和滲碳體的比

21、例在發(fā)生改變。當(dāng)溫度降到727以下時(shí)，萊氏體中的奧氏體成分會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成鐵素體和滲碳體層狀分布的珠光體。 0.77%P(0.0218%+Fe3C)。所以727以下時(shí)，萊氏體是珠光體和滲碳體的機(jī)械混合物。 2、過共晶與亞共晶組成分析 雖然萊氏體中碳的含量是4.3%，但含量在2.06%到6.69%的液態(tài)鐵碳合金在降溫過程中都會(huì)有萊氏體產(chǎn)生，只是由于含碳量不同，產(chǎn)生的固態(tài)合金中不僅有萊氏體還有其他成分。 含碳量在2.11%到4.3%的液態(tài)鐵碳合金在降溫到共晶溫度之前，奧氏體即逐漸析出。到1147時(shí)，剩余的液態(tài)合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變形成萊氏體，整個(gè)合金組成是先析出的奧氏體和萊氏體。溫度繼續(xù)降低后，先析

22、出的奧氏體會(huì)沿晶界析出滲碳體，被稱為二次滲碳體。 奧氏體與滲碳體共晶晶相 共晶白口鐵的萊氏體 Fe3C(II)這樣含碳量在2.11%到4.3%的合金是奧氏體、萊氏體和二次滲碳體的混合物，但二次滲碳體和萊氏體中的滲碳體很難區(qū)分。而降到727以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)換成珠光體，合金組成為珠光體、低溫萊氏體和二次滲碳體的混合物，是亞共晶白口鐵的主要成分。 含碳量在4.3-6.69%的液態(tài)鐵碳合金在降溫到共晶溫度之前，滲碳體逐漸析出，被稱為一次滲碳體。到了1147時(shí)，剩余的液態(tài)合金會(huì)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)轉(zhuǎn)變成萊氏體，此時(shí)的合金組成是萊氏體和一次滲碳體的混合物。隨后一直保持這一組成727，至室溫后即為低溫萊氏體和一

23、次滲碳體的混合物，是過共晶白口鐵的主要成分。結(jié)構(gòu)上是低溫萊氏體分布在粗樹枝狀的白色一次滲碳體之間。 純?nèi)R氏體中含有的滲碳體較多，故性能與滲碳體相近，即極為硬脆。 由于萊氏體的基體是滲碳體，所以它的性能接近于滲碳體，硬度很高，塑性很差。以上五種組織中，鐵素體、奧氏體和滲碳體都是單相組織，稱為鐵碳合金的基本相；珠光體和萊氏體則是由基本相組成的多相組織。 鐵碳合金基本組織的性能及特點(diǎn)1、鐵素體（、鐵素體（F）：碳與：碳與-Fe形成的間隙固溶體。形成的間隙固溶體。 性性能能-強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。2、奧氏體（奧氏體（A）：碳與：碳與-Fe形成的間隙固溶體。高溫組織，形成的間隙固溶體。高溫組織，在大于在大于727時(shí)存在。時(shí)存在。 性性能能-塑性好，強(qiáng)度