鐵碳合金結(jié)構(gòu)及其相圖

1、工程技術(shù)學(xué)院n重點(diǎn)：重點(diǎn)： 1 1鐵碳相圖組成相鐵碳相圖組成相 2. 2. 合金的結(jié)晶過(guò)程分析合金的結(jié)晶過(guò)程分析 3 3鐵碳相圖應(yīng)用鐵碳相圖應(yīng)用n難點(diǎn)：難點(diǎn)： 相圖的分析相圖的分析n學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求： 掌握掌握“相構(gòu)成組織、組織決定性能相構(gòu)成組織、組織決定性能”的原則的原則第四章第四章 鐵碳合金的結(jié)構(gòu)及其相圖鐵碳合金的結(jié)構(gòu)及其相圖工程技術(shù)學(xué)院鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖是是研究鐵碳合金最基研究鐵碳合金最基本的本的工具工具；是研究；是研究碳鋼和鑄鐵的成分、碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能溫度、組織及性能之間關(guān)系的之間關(guān)系的理論基理論基礎(chǔ)；礎(chǔ)；是制定熱加工、是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄熱處理、冶

2、煉和鑄造等工藝造等工藝依據(jù)。依據(jù)。工程技術(shù)學(xué)院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，它們都可以作為純組元看待。，它們都可以作為純組元看待。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(wú)實(shí)用價(jià)值。無(wú)實(shí)用價(jià)值。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%) FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 工程技術(shù)學(xué)院一、鐵碳合金的組元和相一、鐵碳合金的組元和相碳在碳在-Fe中的固溶體稱中的固溶體稱 -鐵素體鐵素體，用，用 表示。

3、表示。 都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低都是體心立方間隙固溶體。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%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似性能與純鐵相似。鐵素體鐵素體 組元：組元：Fe、 Fe3C 相相 鐵素體：鐵素體：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。 工程技術(shù)學(xué)院 奧氏體奧氏體: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。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能

4、力比鐵素體大，1148時(shí)最大為時(shí)最大為2.11%。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。鋼材度低、塑性好。鋼材熱加工都在熱加工都在 區(qū)進(jìn)行區(qū)進(jìn)行.碳鋼室溫組織中無(wú)奧碳鋼室溫組織中無(wú)奧氏體。氏體。奧氏體奧氏體工程技術(shù)學(xué)院 滲碳體：滲碳體：含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。Fe3C硬度高、強(qiáng)度低硬度高、強(qiáng)度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性幾乎為零塑性幾乎為零Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨) 。由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度

5、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或或石墨的形式存在。石墨的形式存在。 鑄鐵中的石墨鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體鋼中的滲碳體工程技術(shù)學(xué)院 特征點(diǎn)特征點(diǎn) LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 二、二、鐵碳合金相圖的分析鐵碳合金相圖的分析工程技術(shù)學(xué)院 特征線特征線 液相線液相線ABCD， 固相線固相線AHJECFD 三條水平線：三條水平線：HJB：包晶線包晶線LB+H J ECF：共晶線共晶線LC E+Fe3C 共晶產(chǎn)物是共晶產(chǎn)物是 與與Fe3C的機(jī)的機(jī)械混合物，稱作械混合物，稱作萊氏體萊氏體, 用用Ld表示。為蜂窩狀表示。為蜂窩狀, 以以

6、Fe3C為基，為基，性能硬而脆。性能硬而脆。萊氏體萊氏體工程技術(shù)學(xué)院PSK：共析線：共析線 S FP+ Fe3C 共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是 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+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C珠光體的組織特點(diǎn)是兩珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布相呈片層相間分布,性能性能介于兩相之間。介于兩相之間。 PSK線線又稱又稱A1線線 。工程技術(shù)學(xué)院 其它相線其它相線 GS,GP 固溶體固溶體轉(zhuǎn)變線轉(zhuǎn)變線, GS又稱又稱A3 線。線。 HN,JN 固溶體轉(zhuǎn)固溶體轉(zhuǎn)變線。變線。 ES碳在碳在

7、-Fe中的固溶中的固溶線。又稱線。又稱Ac m線。線。 PQ碳在碳在 -Fe中的固溶中的固溶線。線。工程技術(shù)學(xué)院 三個(gè)三相區(qū)：即三個(gè)三相區(qū)：即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三條水平線三條水平線 相區(qū)相區(qū) 五個(gè)單相區(qū)：五個(gè)單相區(qū)： L、 、 、 、Fe3C 七個(gè)兩相區(qū)七個(gè)兩相區(qū): L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 工程技術(shù)學(xué)院三、典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程三、典型合金的平衡結(jié)晶過(guò)程 鋼鋼(0.02182.11%C)高高溫組織為單相溫組織為單相 亞共析鋼亞共析鋼 (0.02180.77%C) 共析鋼共析鋼 (0

8、.77%C) 過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼 (0.772.11%C) 鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類： 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。亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼共晶白口鐵共晶白口鐵過(guò)共晶白口鐵過(guò)共晶白口鐵亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵工程技術(shù)學(xué)院 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 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 (2.114.3%C) 共 晶 白 口 鑄 鐵共 晶 白 口 鑄 鐵(4.3%C) 過(guò)共晶白口鑄鐵過(guò)共晶白口鑄鐵 (4.36.69%C)工

9、程技術(shù)學(xué)院工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程 NSJBH L+ + + 合金液體在合金液體在1-2點(diǎn)點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)殚g轉(zhuǎn)變?yōu)?，3-4點(diǎn)間點(diǎn)間 ，5-6點(diǎn)間點(diǎn)間 。到到7點(diǎn)，從點(diǎn)，從 中析出中析出Fe3C。 工程技術(shù)學(xué)院工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程工業(yè)純鐵的結(jié)晶過(guò)程 工程技術(shù)學(xué)院 隨溫度下降，隨溫度下降，F(xiàn)e3C量不斷量不斷增加，合金的增加，合金的室溫下組織為室溫下組織為F+ Fe3C。室溫下室溫下Fe3C最大量為最大量為: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Q從鐵素體中析出的滲碳體稱從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，三次滲碳體，用用Fe3C表示。表示

10、。 Fe3C以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。工程技術(shù)學(xué)院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)?。到到S點(diǎn)發(fā)生共點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：析轉(zhuǎn)變： S P+Fe3C, 全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿哭D(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。珠光體。 共析鋼的結(jié)晶過(guò)程共析鋼的結(jié)晶過(guò)程工程技術(shù)學(xué)院 共析鋼的結(jié)晶過(guò)程共析鋼的結(jié)晶過(guò)程工程技術(shù)學(xué)院珠光體在光鏡下呈指紋狀。珠光體在光鏡下呈指紋狀。轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對(duì)轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，珠光體中相的相對(duì)重量百分比為：重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。體。S點(diǎn)以下，共析點(diǎn)以下，共析 中析出中析出Fe3C，與共析，與共析Fe3C結(jié)合不易結(jié)合不

11、易分辨。室溫組織為分辨。室溫組織為P。%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠光體珠光體Q工程技術(shù)學(xué)院室溫下，珠光體中室溫下，珠光體中兩兩相的相對(duì)重量百分比相的相對(duì)重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219工程技術(shù)學(xué)院 含碳量在含碳量在0.090.53%C亞共亞共析鋼冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)。析鋼冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)。以以0.45%C的鋼為例的鋼為例合金在合金在4點(diǎn)以前通過(guò)勻晶點(diǎn)以前通過(guò)勻晶包晶包晶勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)閯蚓Х磻?yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。到。到4點(diǎn)，由點(diǎn)，由 中析

12、出中析出 。到到5點(diǎn)點(diǎn), 成分沿成分沿GS線變到線變到S點(diǎn)，點(diǎn)， 發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，溫度繼續(xù)下降， 中析出中析出Fe3C，由于與共析，由于與共析Fe3C結(jié)合結(jié)合, 且且量少量少, 忽略不計(jì)。忽略不計(jì)。 +Fe3CGSPABJH（三）（三） 亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程工程技術(shù)學(xué)院亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程亞共析鋼的結(jié)晶過(guò)程工程技術(shù)學(xué)院利用平衡組織中珠光體所占利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量算亞共析鋼的含碳量:C%=P面積面積%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面積面積%=QP)

13、共析溫度下相的相對(duì)重量為：共析溫度下相的相對(duì)重量為： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 組織組成物的相對(duì)重量為：組織組成物的相對(duì)重量為： %PSSQ%PSPQP10051005 ，S工程技術(shù)學(xué)院室溫下相的相對(duì)重量室溫下相的相對(duì)重量百分比為：百分比為：室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：室溫下組織組成物的相對(duì)重量百分比為：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 S工程技術(shù)學(xué)院亞共析鋼室溫下的組織為亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在在0.02180.77%C 范

14、圍內(nèi)范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加珠光體的量隨含碳量增加而增加。而增加。含含0.45%C鋼的組織鋼的組織含含0.20%C鋼的組織鋼的組織含含0.60%C鋼的組織鋼的組織工程技術(shù)學(xué)院 4、過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程、過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程 合金在合金在12點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?, 到到3點(diǎn)點(diǎn), 開(kāi)始析出開(kāi)始析出Fe3C。從奧氏。從奧氏體中析出的體中析出的Fe3C稱二次滲碳體稱二次滲碳體, 用用Fe3C表示表示, 其沿晶界呈其沿晶界呈網(wǎng)狀分布網(wǎng)狀分布. 溫度下降溫度下降, Fe3C量增加。量增加。到到4點(diǎn)，點(diǎn)， 成分成分沿沿ES線變化到線變化到S點(diǎn)，余下的點(diǎn)，余下的 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻。在共析溫度下在共析溫度下FeFe

15、3 3C C的相對(duì)量？的相對(duì)量？工程技術(shù)學(xué)院過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程過(guò)共析鋼的結(jié)晶過(guò)程工程技術(shù)學(xué)院過(guò)共析鋼室溫組織為過(guò)共析鋼室溫組織為P+ Fe3C 。Fe3C量隨含碳量而增加量隨含碳量而增加, 含碳量為含碳量為2.11%時(shí)時(shí), Fe3C量最大：量最大：%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含含1.4%C鋼的組織鋼的組織工程技術(shù)學(xué)院室溫下兩相的相對(duì)重室溫下兩相的相對(duì)重量百分比：量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653室溫下兩組織組成物的室溫下兩組織組成物的相對(duì)重量百分比：相對(duì)重量百分比：12345SPCFePQ%L

16、 S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653工程技術(shù)學(xué)院5、共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程、共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程 合金冷卻到合金冷卻到C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Le),萊氏萊氏體是共晶體是共晶 與共晶與共晶Fe3C的機(jī)械混合物的機(jī)械混合物, 呈蜂窩狀呈蜂窩狀.Fe3C 工程技術(shù)學(xué)院共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對(duì)重量百分比為共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)，兩相的相對(duì)重量百分比為:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， C點(diǎn)以下點(diǎn)以下, 成分沿成分沿ES線變化，共晶線變化，共晶 將析出將析出Fe3C。 Fe3C與共晶與共晶Fe3C 結(jié)合

17、，不易分辨。結(jié)合，不易分辨。12 Fe3C工程技術(shù)學(xué)院溫度降到溫度降到2點(diǎn)點(diǎn), 成分達(dá)到成分達(dá)到0.77%, 此時(shí)此時(shí), 相的相對(duì)重量相的相對(duì)重量: 在在2點(diǎn)點(diǎn), 共晶共晶 發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由%.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， P P與與 FeFe3 3C C組成的共晶組成的共晶體稱體稱低溫萊氏體低溫萊氏體, , 用用LeLe表示。表示。 2 2 點(diǎn)以下，共晶體中點(diǎn)以下，共晶體中P P 的變化同共析鋼。的變化同共析鋼。S工程技術(shù)學(xué)院共晶白口鐵室溫共晶白口鐵室溫組織為組織為L(zhǎng)e (P+ Fe3C), 它保留它保留

18、了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征。的形態(tài)特征。室溫下兩相的相室溫下兩相的相對(duì)重量百分比為：對(duì)重量百分比為： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ 工程技術(shù)學(xué)院六、亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程六、亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程合金在合金在12點(diǎn)間析出點(diǎn)間析出 。到。到2點(diǎn)，液相成分變到點(diǎn)，液相成分變到C點(diǎn)點(diǎn),并轉(zhuǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)樽優(yōu)長(zhǎng)e。23點(diǎn)間從點(diǎn)間從 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被被共晶共晶 襯托出來(lái)。到襯托出來(lái)。到3點(diǎn)，點(diǎn)， 轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻。工程技術(shù)學(xué)院亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程亞共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程工程技術(shù)學(xué)院亞共晶

19、白口鐵亞共晶白口鐵室溫組織為室溫組織為P+Fe3C+Le。室溫下組織組成物相對(duì)重室溫下組織組成物相對(duì)重量百分比為量百分比為 ：IIIICFeLeCFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室溫下相的相對(duì)重量百分比室溫下相的相對(duì)重量百分比?工程技術(shù)學(xué)院7、過(guò)共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程、過(guò)共晶白口鐵的結(jié)晶過(guò)程12點(diǎn)間從液相中析出點(diǎn)間從液相中析出Fe3C, 這種滲碳體稱一次滲碳這種滲碳體稱一次滲碳體，用體，用 Fe3C表示，呈粗條片狀。到表示，呈粗條片狀。到2點(diǎn)，余下的液點(diǎn)，余下的液相成分變到相成分變到C點(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e。DFK3Fe3C12

20、4工程技術(shù)學(xué)院2點(diǎn)以下點(diǎn)以下, Fe3C成分重量不再發(fā)生變化成分重量不再發(fā)生變化, Le變化同共晶變化同共晶合金合金,其其室溫組織為室溫組織為Fe3C+Le。 工程技術(shù)學(xué)院滲碳體分類： Fe3C（塊狀） Fe3C共晶（魚骨狀） Fe3C（網(wǎng)狀） Fe3C共析（層狀） Fe3C（短桿狀或粒狀）工程技術(shù)學(xué)院n組織組成物與相組織組成物與相組成物標(biāo)注區(qū)別組成物標(biāo)注區(qū)別主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe3C兩個(gè)相區(qū)兩個(gè)相區(qū). + Fe3C相區(qū)中相區(qū)中有有四個(gè)組織組成物四個(gè)組織組成物區(qū)，區(qū)， +Fe3C相區(qū)相區(qū)中中有七個(gè)組織組有七個(gè)組織組成物區(qū)。成物區(qū)。8、組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注、組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注 + Fe3C + Fe3C 工程技術(shù)學(xué)院FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%溫度溫度工程技術(shù)學(xué)院9、含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響、含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響 1） 含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響 含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：含碳量與緩冷后相