金屬材料與熱處理課題十-課件2

金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理課題四鐵碳合金學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖課題四鐵碳合金學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)目標(biāo)了解鐵碳合金五種基本組織的組織結(jié)構(gòu)和性能特點；掌握Fe－Fe－3C相圖中各特征點、特征線的含義及各區(qū)域的

組織隨成分、溫度的變化規(guī)律；能夠利用Fe-Fe-3C相圖來選材、選擇熱加工方法；掌握金相組織觀察實驗的方法。課題四鐵碳合金學(xué)習(xí)目標(biāo)了解鐵碳合金五種基本組織的組織結(jié)構(gòu)和性能特點；課題四鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩個元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。為了掌握鐵碳合金成分、組織及性能之間的關(guān)系，以便在生產(chǎn)中合理使用，首先必須了解鐵碳相圖。在鐵碳合金中，鐵與碳相互作用可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，穩(wěn)定的化合物可以作為一個獨立的組元。在實際生產(chǎn)中，由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%的鐵碳合金脆性很大，沒有實用價值，所以在鐵碳相圖中，僅研究Fe－Fe3C部分。

相關(guān)知識課題四鐵碳合金鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩個學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能由于鐵和碳的相互作用，鐵碳合金可形成下列五種基本組織。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能由于鐵和碳的相互作用，學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能

一、鐵素體碳溶解于α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。鐵素體晶胞示意圖如圖4-1所示。由于α-Fe是體心立方晶格，晶格間隙較小，所以碳在α-Fe中的溶解度很小。故鐵素體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)極小，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為0.0218%（727℃）。隨著溫度的下降，溶碳量逐漸下降，在室溫時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0008%，所以鐵素體是幾乎不含碳的純鐵，其力學(xué)性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強度、硬度較低。鐵素體的顯微組織如圖4-2所示。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能一、鐵素體碳溶解于學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-1鐵素體的晶胞示意圖圖4-2鐵素體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-1鐵素體的晶學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能

二、

奧氏體碳溶解于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。奧氏體晶胞示意圖如圖4-3所示。由于在高溫狀態(tài)下存在的γ-Fe是面心立方晶格，晶格間隙較大，故奧氏體的溶碳能力較強，在1148℃時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到2.11％。隨著溫度的下降，溶碳量逐漸減小，在727℃時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％。奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比鐵素體高，奧氏體呈面心立方晶格，雖其強度、硬度不高，但卻具有良好的塑性，尤其是具有良好的鍛壓性能。奧氏體存在于727℃以上的高溫范圍內(nèi)，無室溫組織。奧氏體的顯微組織如圖4-4所示。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能二、奧氏體碳溶解學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-3奧氏體的晶胞示意圖圖4-4奧氏體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-3奧氏體的晶學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能鋼絲、鋼管的拉拔，型鋼（角鋼、槽鋼、工字鋼等）的軋制，熱加工時的鍛壓鍛打等都是將鋼加熱到使其組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織的溫度再進行的。鋼的正火、退火、淬火等熱處理工藝加熱后也將得到奧氏體組織。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能鋼絲、鋼管的拉拔，型鋼學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是鐵和碳的金屬化合物，具有復(fù)雜斜方晶格，如圖4-5所示，其分子式為Fe3C，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69％，熔點為1227℃。滲碳體的性能特點是熔點高、硬度高（950～1050HV），塑性和韌性幾乎為零。三、滲碳體圖4-5滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是鐵和碳的金屬化滲碳體不能單獨使用，主要作為鐵碳合金中的強化相，在鋼或鑄鐵中可以片狀、球狀或網(wǎng)狀分布，其數(shù)量、形狀、大小和分布對鋼的性能影響很大。通常滲碳體越細(xì)小，在固溶體基體中分布得越均勻，合金的力學(xué)性能越好。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體不能單獨使用，主要作為鐵碳合金中的強化相，在鋼或鑄鐵中學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是碳在鐵碳合金中的主要存在形式，是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下（如高溫長期停留或極緩慢冷卻）能分解為鐵和石墨，這一過程對鑄鐵的形成過程具有重要意義。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是碳在鐵碳合金中學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能珠光體是奧氏體在高溫緩慢冷卻時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的，由鐵素體和滲碳體組成的混合物，用符號P表示。其中，滲碳體和鐵素體呈片層相間、交替排列的形式。珠光體的顯微組織如圖4-6所示，其中白色相為鐵素體基體，黑色相為滲碳體。在緩慢冷卻條件下，珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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，因此其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，綜合力學(xué)性能良好，即強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。四、珠光體學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能珠光體是奧氏體在高溫緩學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-6珠光體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-6珠光體的顯學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的混合物，用符號Ld表示。萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3％的液態(tài)鐵碳合金在1148℃時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。當(dāng)溫度降到727℃時，由于萊氏體中的奧氏體轉(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，稱為低溫萊氏體，用Ld′表示。低溫萊氏體的顯微組織如圖4-7所示，圖中黑色相為珠光體，白色相為滲碳體基體。萊氏體的性能與滲碳體的相似，即硬度高、塑性差。五、萊氏體學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能萊氏體是由奧氏體和滲碳學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-7低溫萊氏體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-7低溫萊氏體學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能以上五種組織中，鐵素體、奧氏體和滲碳體是單相組織，稱為鐵碳合金的基本相；珠光體和萊氏體是由基本相組成的多相組織。鐵碳合金基本組織的性能特點見表4-1。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能以上五種組織中，鐵素體學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖是指在極其緩慢的冷卻條件下，不同成分的鐵碳合金的組織狀態(tài)隨溫度變化的圖解。為了便于分析和掌握Fe-Fe3C相圖，將高溫轉(zhuǎn)變部分省略，簡化后的Fe-Fe3C相圖如圖4-8所示。圖4-8簡化后的Fe-Fe3C相圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖是指在極其緩慢學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各個特性點的溫度、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義見表4-2。

一、

鐵碳相圖分析相圖中各點分析1.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各個特性點的學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖AC線和DC線為液相線，鐵碳合金在液相線溫度以上處于液態(tài)，用符號L表示。液態(tài)合金冷卻到AC線時開始結(jié)晶出奧氏體；冷卻到DC線時開始結(jié)晶出滲碳體，也稱為一次滲碳體，用符號Fe3CI表示。AE線為固相線，表示奧氏體結(jié)晶終了的溫度；ECF線是共晶線，液態(tài)合金冷卻到ECF線溫度(1148℃)時，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即相圖中各線分析2.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖AC線和DC線為液相線，鐵碳合金學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖由奧氏體和滲碳體組成的共晶體(A+Fe3C)稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示。凡碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%以上的鐵碳合金冷卻到1148℃時，都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。ES線又稱Acm線，是碳在奧氏體中的溶解度線，隨著溫度的變化，奧氏體的溶碳量將沿著ES線變化。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.77%以上的鐵碳合金，自1148℃冷卻到727℃的過程中，都要從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體，用符號Fe3CⅡ表示。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖由奧氏體和滲碳體組成的共晶體(A學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖PQ線是碳在鐵素體中的溶解度線。鐵碳合金自727℃冷卻至室溫的過程中，要從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體，用符號Fe3CIII表示?，F(xiàn)將Fe-Fe3C相圖中的相界線及其含義歸納于表4-3。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖PQ線是碳在鐵素體中的溶解度線。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各相區(qū)的相組分見表4-4。通過對鐵碳相圖的分析，結(jié)合所學(xué)相圖的基本知識，能夠很容易看出鐵碳相圖中各區(qū)域的組織組分，如圖4-9所示。相圖中各相區(qū)分析3.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各相區(qū)的相組學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-9Fe-Fe3C相圖各區(qū)域的組織組分學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-9Fe-Fe3C相圖各學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖在Fe-Fe3C相圖中，按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫平衡組織的不同，鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類，見表4-5。二、

鐵碳合金的分類學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖在Fe-Fe3C相圖中，按碳的質(zhì)工業(yè)純鐵從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相線AC和固相線AE轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；經(jīng)A3線奧氏體開始向鐵素體轉(zhuǎn)變，形成A+F組織；經(jīng)GP線后轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗噼F素體組織；經(jīng)溶解度線PQ時析出Fe3CⅢ。因此，工業(yè)純鐵的室溫平衡組織為F+Fe3CⅢ，其顯微組織如圖4-10所示。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖三、

鐵碳合金的組織隨溫度變化的規(guī)律工業(yè)純鐵1.工業(yè)純鐵從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相線AC和固相線AE轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-10工業(yè)純鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-10工業(yè)純鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鋼從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相線AC和固相線AE轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體。然后，共析鋼經(jīng)共析點S轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，如圖4-11所示。亞共析鋼經(jīng)A3線析出先析鐵素體，形成F+A組織，再經(jīng)A1線剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，到室溫時，亞共析鋼的平衡組織為F+P，如圖4-12所示。過共析鋼經(jīng)Acm線析出先析滲碳體，形成Fe3CⅡ+A組織，再經(jīng)A1線剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，到室溫時，過共析鋼的平衡組織為Fe3CⅡ+P，如圖4-13所示。鋼2.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鋼從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-11共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖4-12亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-11共析鋼結(jié)晶過程示意學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-13過共析鋼結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-13過共析鋼結(jié)晶過程示學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共析鋼的顯微組織如圖4-14所示，其特征是鐵素體和滲碳體以層片狀形態(tài)相互混合交替排列。亞共析鋼的顯微組織如圖4-15所示，其特征是鐵素體晶粒和珠光體晶粒均勻分布。過共析鋼的顯微組織如圖4-16所示，其特征是網(wǎng)狀二次滲碳體分布在珠光體基體上。圖4-14共析鋼的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共析鋼的顯微組織如圖4-14所示學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-15亞共析鋼的顯微組織圖4-16過共析鋼的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-15亞共析鋼的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵經(jīng)共晶點C發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體組織，再經(jīng)A1線發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，得到低溫萊氏體組織，如圖4-17所示。亞共晶白口鑄鐵經(jīng)液相線AC結(jié)晶出先共晶奧氏體，經(jīng)共晶線ECF剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。隨溫度降低，奧氏體中析出二次滲碳體，在A1線以上亞共晶白口鑄鐵的組織為A+Fe3CⅡ+Ld，經(jīng)A1線奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。到室溫時，亞共晶白口鑄鐵的平衡組織為P+Fe3CⅡ+Ld′，如圖4-18所示。過共晶白口鑄鐵經(jīng)液相線DC結(jié)晶出先晶滲碳體，經(jīng)共晶線ECF剩余液相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厝R氏體，形成Fe3CⅠ+Ld，經(jīng)A1線奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。到室溫時，過共晶白口鑄鐵的平衡組織為Fe3CⅠ+Ld′，如圖4-19所示。白口鑄鐵3.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵經(jīng)共晶點C發(fā)生共晶轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-17共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖圖4-18亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-17共晶白口鑄鐵結(jié)晶過學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-19過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-19過共晶白口鑄鐵結(jié)晶學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-20所示，其特征是在滲碳體的基體上分布著顆粒狀的珠光體。亞共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-21所示，其特征是在萊氏體基體上分布著樹枝狀或塊狀的珠光體。過共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-22所示，其特征是在萊氏體基體上分布著板條狀的一次滲碳體。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-2學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-20共晶白口鑄鐵的顯微組織圖4-21亞共晶白口鑄鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-20共晶白口鑄鐵的顯微學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-22過共晶白口鑄鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-22過共晶白口鑄鐵的顯學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鐵碳合金的室溫平衡組織中滲碳體的數(shù)量增加，且滲碳體的形態(tài)、分布發(fā)生變化，因此，鐵碳合金的力學(xué)性能也相應(yīng)改變。鐵碳合金的成分、組織組成、相組成及力學(xué)性能之間的變化規(guī)律如圖4-23所示。四、

鐵碳合金的室溫平衡組織、性能隨成分變化的規(guī)律圖4-23鐵碳合金的成分、組織組成、相組成及力學(xué)性能之間的變化規(guī)律學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鐵碳合金的從圖4-23中可以看出，鋼的室溫組織以珠光體為基體，白口鑄鐵的室溫組織以低溫萊氏體為基體。鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%時，室溫下具有完全的珠光體組織，離共析成分越遠(yuǎn)，珠光體組織的相對量越少，而鐵素體或二次滲碳體的相對量越多。白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%時，室溫下具有完全的低溫萊氏體組織，離共晶成分越遠(yuǎn)，低溫萊氏體組織的相對量越少，而珠光體、二次滲碳體或一次滲碳體的相對量越多。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖從圖4-23中可以看出，鋼的室溫組織以珠光體為基體，白口鑄鐵學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳合金的室溫平衡組織是由鐵素體和滲碳體兩相構(gòu)成的，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，滲碳體的量逐漸增多，而鐵素體的量相應(yīng)地逐漸減少。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳合金的室溫平衡組織是由鐵素體學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳合金的硬度與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致呈線性關(guān)系，受組織形態(tài)的影響不大。強度受組織形態(tài)的影響較大:當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.77%時，強度隨鐵碳合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而提高;當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.9%時，二次滲碳體沿奧氏體晶界析出并形成完整的網(wǎng)狀形態(tài)，使強度迅速下降；碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2.11%后，硬脆性很大的滲碳體成為鐵碳合金的基體，強度很低。鐵碳合金的塑性和韌性隨鐵碳合金中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而迅速下降。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳合金的硬度與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳相圖反映了鋼鐵材料的組織隨化學(xué)成分和溫度變化的規(guī)律，因此，在工程上為選材及制訂鑄造、鍛造、焊接、熱處理等熱加工工藝提供了重要的理論依據(jù)。五、

鐵碳相圖的應(yīng)用學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳相圖反映了鋼鐵材料的組織隨化學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳相圖揭示了合金的性能與成分之間的關(guān)系，為合理選擇材料提供了依據(jù)。如各種工程結(jié)構(gòu)需要塑性和韌性好的材料，應(yīng)選用低碳鋼；各種機器零件需要綜合力學(xué)性能好的材料，應(yīng)選用中碳鋼；各種工具需要高硬度、高耐磨性的材料，應(yīng)選用高碳鋼。白口鑄鐵硬度高，耐磨性好，但切削加工困難，適合生產(chǎn)耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，如冷軋輥、火車車輪、犁鏵等。另外，白口鑄鐵還可用于生產(chǎn)可鍛鑄鐵。在選材方面的應(yīng)用1.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鐵碳相圖揭示了合金的性能與成分之學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖在制訂熱加工工藝方面的應(yīng)用2.據(jù)鐵碳相圖可以找出不同成分的鐵碳合金的熔點，從而確定合適的熔化溫度和澆注溫度。由圖4-24可以看出，鋼的熔化溫度和澆注溫度均比鑄鐵高，而靠近共晶成分的鐵碳合金熔點最低，凝固溫度范圍最小，因而具有良好的鑄造性能。所以共晶成分附近的鐵碳合金適宜鑄造成型。圖4-24鐵碳相圖與熱加工工藝規(guī)范的關(guān)系學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖在制訂熱加工工藝方面的應(yīng)用2.據(jù)學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖從鐵碳相圖中可以看出，白口鑄鐵的組織主要是萊氏體，硬度高，脆性大，不適合于壓力加工，而鋼的高溫固態(tài)組織為單相奧氏體，強度低，塑性好，易于鍛壓成形。因此，鋼材的鍛造或軋制應(yīng)選擇在單相奧氏體的溫度范圍內(nèi)進行。一般始鍛溫度不宜太高，以免鋼材氧化嚴(yán)重，甚至發(fā)生奧氏體晶界部分熔化，使工件報廢。終鍛溫度也不能過低，以免鋼材塑性變差，導(dǎo)致工件開裂。各種碳鋼合適的鍛軋溫度范圍如圖4-24所示。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖從鐵碳相圖中可以看出，白口鑄鐵的學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖焊接時，從焊縫到母材各區(qū)域的溫度是不同的。根據(jù)鐵碳相圖可知，在不同的溫度下會獲得不同的組織，冷卻后也就可能出現(xiàn)不同組織與性能，這就需要在焊接后采用適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒右愿纳?。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖焊接時，從焊縫到母材各區(qū)域的溫度學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖各種熱處理工藝與鐵碳相圖有非常密切的關(guān)系。退火、正火、淬火的加熱溫度選擇都是以鐵碳相圖為理論依據(jù)的，這方面內(nèi)容將在“鋼的熱處理”中詳細(xì)討論。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖各種熱處理工藝與鐵碳相圖有非常密必須指出，鐵碳相圖是在平衡(即無限緩慢地加熱或冷卻)條件下測定的，與實際生產(chǎn)條件下鐵碳合金組織的變化規(guī)律有一定的差距。而且，生產(chǎn)上使用的鐵碳合金，除鐵、碳兩個元素外，還有其他元素存在，這些元素也將對鐵碳相圖產(chǎn)生影響。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖必須指出，鐵碳相圖是在平衡(即無限緩慢地加熱或冷卻)條件下測ThankyouThankyou金屬材料與熱處理金屬材料與熱處理課題四鐵碳合金學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖課題四鐵碳合金學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能學(xué)習(xí)情境學(xué)習(xí)目標(biāo)了解鐵碳合金五種基本組織的組織結(jié)構(gòu)和性能特點；掌握Fe－Fe－3C相圖中各特征點、特征線的含義及各區(qū)域的

組織隨成分、溫度的變化規(guī)律；能夠利用Fe-Fe-3C相圖來選材、選擇熱加工方法；掌握金相組織觀察實驗的方法。課題四鐵碳合金學(xué)習(xí)目標(biāo)了解鐵碳合金五種基本組織的組織結(jié)構(gòu)和性能特點；課題四鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩個元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。為了掌握鐵碳合金成分、組織及性能之間的關(guān)系，以便在生產(chǎn)中合理使用，首先必須了解鐵碳相圖。在鐵碳合金中，鐵與碳相互作用可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，穩(wěn)定的化合物可以作為一個獨立的組元。在實際生產(chǎn)中，由于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%的鐵碳合金脆性很大，沒有實用價值，所以在鐵碳相圖中，僅研究Fe－Fe3C部分。

相關(guān)知識課題四鐵碳合金鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬材料，其基本組元是鐵和碳兩個學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能由于鐵和碳的相互作用，鐵碳合金可形成下列五種基本組織。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能由于鐵和碳的相互作用，學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能

一、鐵素體碳溶解于α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。鐵素體晶胞示意圖如圖4-1所示。由于α-Fe是體心立方晶格，晶格間隙較小，所以碳在α-Fe中的溶解度很小。故鐵素體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)極小，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為0.0218%（727℃）。隨著溫度的下降，溶碳量逐漸下降，在室溫時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0008%，所以鐵素體是幾乎不含碳的純鐵，其力學(xué)性能與純鐵相似，即塑性和沖擊韌度較好，而強度、硬度較低。鐵素體的顯微組織如圖4-2所示。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能一、鐵素體碳溶解于學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-1鐵素體的晶胞示意圖圖4-2鐵素體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-1鐵素體的晶學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能

二、

奧氏體碳溶解于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號A表示。奧氏體晶胞示意圖如圖4-3所示。由于在高溫狀態(tài)下存在的γ-Fe是面心立方晶格，晶格間隙較大，故奧氏體的溶碳能力較強，在1148℃時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到2.11％。隨著溫度的下降，溶碳量逐漸減小，在727℃時，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％。奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比鐵素體高，奧氏體呈面心立方晶格，雖其強度、硬度不高，但卻具有良好的塑性，尤其是具有良好的鍛壓性能。奧氏體存在于727℃以上的高溫范圍內(nèi)，無室溫組織。奧氏體的顯微組織如圖4-4所示。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能二、奧氏體碳溶解學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-3奧氏體的晶胞示意圖圖4-4奧氏體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-3奧氏體的晶學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能鋼絲、鋼管的拉拔，型鋼（角鋼、槽鋼、工字鋼等）的軋制，熱加工時的鍛壓鍛打等都是將鋼加熱到使其組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織的溫度再進行的。鋼的正火、退火、淬火等熱處理工藝加熱后也將得到奧氏體組織。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能鋼絲、鋼管的拉拔，型鋼學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是鐵和碳的金屬化合物，具有復(fù)雜斜方晶格，如圖4-5所示，其分子式為Fe3C，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69％，熔點為1227℃。滲碳體的性能特點是熔點高、硬度高（950～1050HV），塑性和韌性幾乎為零。三、滲碳體圖4-5滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是鐵和碳的金屬化滲碳體不能單獨使用，主要作為鐵碳合金中的強化相，在鋼或鑄鐵中可以片狀、球狀或網(wǎng)狀分布，其數(shù)量、形狀、大小和分布對鋼的性能影響很大。通常滲碳體越細(xì)小，在固溶體基體中分布得越均勻，合金的力學(xué)性能越好。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體不能單獨使用，主要作為鐵碳合金中的強化相，在鋼或鑄鐵中學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是碳在鐵碳合金中的主要存在形式，是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下（如高溫長期停留或極緩慢冷卻）能分解為鐵和石墨，這一過程對鑄鐵的形成過程具有重要意義。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能滲碳體是碳在鐵碳合金中學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能珠光體是奧氏體在高溫緩慢冷卻時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的，由鐵素體和滲碳體組成的混合物，用符號P表示。其中，滲碳體和鐵素體呈片層相間、交替排列的形式。珠光體的顯微組織如圖4-6所示，其中白色相為鐵素體基體，黑色相為滲碳體。在緩慢冷卻條件下，珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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，因此其力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，綜合力學(xué)性能良好，即強度較高，硬度適中，具有一定的塑性。四、珠光體學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能珠光體是奧氏體在高溫緩學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-6珠光體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-6珠光體的顯學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的混合物，用符號Ld表示。萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3％的液態(tài)鐵碳合金在1148℃時發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。當(dāng)溫度降到727℃時，由于萊氏體中的奧氏體轉(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，稱為低溫萊氏體，用Ld′表示。低溫萊氏體的顯微組織如圖4-7所示，圖中黑色相為珠光體，白色相為滲碳體基體。萊氏體的性能與滲碳體的相似，即硬度高、塑性差。五、萊氏體學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能萊氏體是由奧氏體和滲碳學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-7低溫萊氏體的顯微組織學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能圖4-7低溫萊氏體學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能以上五種組織中，鐵素體、奧氏體和滲碳體是單相組織，稱為鐵碳合金的基本相；珠光體和萊氏體是由基本相組成的多相組織。鐵碳合金基本組織的性能特點見表4-1。學(xué)習(xí)情境一鐵碳合金的基本組織與性能以上五種組織中，鐵素體學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖是指在極其緩慢的冷卻條件下，不同成分的鐵碳合金的組織狀態(tài)隨溫度變化的圖解。為了便于分析和掌握Fe-Fe3C相圖，將高溫轉(zhuǎn)變部分省略，簡化后的Fe-Fe3C相圖如圖4-8所示。圖4-8簡化后的Fe-Fe3C相圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖是指在極其緩慢學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各個特性點的溫度、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及含義見表4-2。

一、

鐵碳相圖分析相圖中各點分析1.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各個特性點的學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖AC線和DC線為液相線，鐵碳合金在液相線溫度以上處于液態(tài)，用符號L表示。液態(tài)合金冷卻到AC線時開始結(jié)晶出奧氏體；冷卻到DC線時開始結(jié)晶出滲碳體，也稱為一次滲碳體，用符號Fe3CI表示。AE線為固相線，表示奧氏體結(jié)晶終了的溫度；ECF線是共晶線，液態(tài)合金冷卻到ECF線溫度(1148℃)時，將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，即相圖中各線分析2.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖AC線和DC線為液相線，鐵碳合金學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖由奧氏體和滲碳體組成的共晶體(A+Fe3C)稱為高溫萊氏體，用符號Ld表示。凡碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%以上的鐵碳合金冷卻到1148℃時，都要發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。ES線又稱Acm線，是碳在奧氏體中的溶解度線，隨著溫度的變化，奧氏體的溶碳量將沿著ES線變化。凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.77%以上的鐵碳合金，自1148℃冷卻到727℃的過程中，都要從奧氏體中析出滲碳體，稱為二次滲碳體，用符號Fe3CⅡ表示。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖由奧氏體和滲碳體組成的共晶體(A學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖PQ線是碳在鐵素體中的溶解度線。鐵碳合金自727℃冷卻至室溫的過程中，要從鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體，用符號Fe3CIII表示?，F(xiàn)將Fe-Fe3C相圖中的相界線及其含義歸納于表4-3。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖PQ線是碳在鐵素體中的溶解度線。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各相區(qū)的相組分見表4-4。通過對鐵碳相圖的分析，結(jié)合所學(xué)相圖的基本知識，能夠很容易看出鐵碳相圖中各區(qū)域的組織組分，如圖4-9所示。相圖中各相區(qū)分析3.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖Fe-Fe3C相圖中各相區(qū)的相組學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-9Fe-Fe3C相圖各區(qū)域的組織組分學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-9Fe-Fe3C相圖各學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖在Fe-Fe3C相圖中，按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和室溫平衡組織的不同，鐵碳合金可分為工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三類，見表4-5。二、

鐵碳合金的分類學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖在Fe-Fe3C相圖中，按碳的質(zhì)工業(yè)純鐵從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相線AC和固相線AE轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；經(jīng)A3線奧氏體開始向鐵素體轉(zhuǎn)變，形成A+F組織；經(jīng)GP線后轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗噼F素體組織；經(jīng)溶解度線PQ時析出Fe3CⅢ。因此，工業(yè)純鐵的室溫平衡組織為F+Fe3CⅢ，其顯微組織如圖4-10所示。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖三、

鐵碳合金的組織隨溫度變化的規(guī)律工業(yè)純鐵1.工業(yè)純鐵從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相線AC和固相線AE轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-10工業(yè)純鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-10工業(yè)純鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鋼從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相線AC和固相線AE轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體。然后，共析鋼經(jīng)共析點S轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，如圖4-11所示。亞共析鋼經(jīng)A3線析出先析鐵素體，形成F+A組織，再經(jīng)A1線剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，到室溫時，亞共析鋼的平衡組織為F+P，如圖4-12所示。過共析鋼經(jīng)Acm線析出先析滲碳體，形成Fe3CⅡ+A組織，再經(jīng)A1線剩余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，到室溫時，過共析鋼的平衡組織為Fe3CⅡ+P，如圖4-13所示。鋼2.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖鋼從液態(tài)緩慢冷卻的過程中，經(jīng)液相學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-11共析鋼結(jié)晶過程示意圖圖4-12亞共析鋼結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-11共析鋼結(jié)晶過程示意學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-13過共析鋼結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-13過共析鋼結(jié)晶過程示學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共析鋼的顯微組織如圖4-14所示，其特征是鐵素體和滲碳體以層片狀形態(tài)相互混合交替排列。亞共析鋼的顯微組織如圖4-15所示，其特征是鐵素體晶粒和珠光體晶粒均勻分布。過共析鋼的顯微組織如圖4-16所示，其特征是網(wǎng)狀二次滲碳體分布在珠光體基體上。圖4-14共析鋼的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共析鋼的顯微組織如圖4-14所示學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-15亞共析鋼的顯微組織圖4-16過共析鋼的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-15亞共析鋼的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵經(jīng)共晶點C發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體組織，再經(jīng)A1線發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，得到低溫萊氏體組織，如圖4-17所示。亞共晶白口鑄鐵經(jīng)液相線AC結(jié)晶出先共晶奧氏體，經(jīng)共晶線ECF剩余液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成高溫萊氏體。隨溫度降低，奧氏體中析出二次滲碳體，在A1線以上亞共晶白口鑄鐵的組織為A+Fe3CⅡ+Ld，經(jīng)A1線奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。到室溫時，亞共晶白口鑄鐵的平衡組織為P+Fe3CⅡ+Ld′，如圖4-18所示。過共晶白口鑄鐵經(jīng)液相線DC結(jié)晶出先晶滲碳體，經(jīng)共晶線ECF剩余液相轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厝R氏體，形成Fe3CⅠ+Ld，經(jīng)A1線奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。到室溫時，過共晶白口鑄鐵的平衡組織為Fe3CⅠ+Ld′，如圖4-19所示。白口鑄鐵3.學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵經(jīng)共晶點C發(fā)生共晶轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-17共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖圖4-18亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-17共晶白口鑄鐵結(jié)晶過學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-19過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-19過共晶白口鑄鐵結(jié)晶學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-20所示，其特征是在滲碳體的基體上分布著顆粒狀的珠光體。亞共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-21所示，其特征是在萊氏體基體上分布著樹枝狀或塊狀的珠光體。過共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-22所示，其特征是在萊氏體基體上分布著板條狀的一次滲碳體。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖共晶白口鑄鐵的顯微組織如圖4-2學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-20共晶白口鑄鐵的顯微組織圖4-21亞共晶白口鑄鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-20共晶白口鑄鐵的顯微學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-22過共晶白口鑄鐵的顯微組織學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖圖4-22過共晶白口鑄鐵的顯學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鐵碳合金的室溫平衡組織中滲碳體的數(shù)量增加，且滲碳體的形態(tài)、分布發(fā)生變化，因此，鐵碳合金的力學(xué)性能也相應(yīng)改變。鐵碳合金的成分、組織組成、相組成及力學(xué)性能之間的變化規(guī)律如圖4-23所示。四、

鐵碳合金的室溫平衡組織、性能隨成分變化的規(guī)律圖4-23鐵碳合金的成分、組織組成、相組成及力學(xué)性能之間的變化規(guī)律學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鐵碳合金的從圖4-23中可以看出，鋼的室溫組織以珠光體為基體，白口鑄鐵的室溫組織以低溫萊氏體為基體。鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%時，室溫下具有完全的珠光體組織，離共析成分越遠(yuǎn)，珠光體組織的相對量越少，而鐵素體或二次滲碳體的相對量越多。白口鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%時，室溫下具有完全的低溫萊氏體組織，離共晶成分越遠(yuǎn)，低溫萊氏體組織的相對量越少，而珠光體、二次滲碳體或一次滲碳體的相對量越多。學(xué)習(xí)情境二鐵碳相圖從圖4-23中可以看出，鋼的室