鐵碳合金相圖與共析鋼結晶過程

鐵碳合金相圖與共析鋼結晶過程第一頁，共三十二頁。鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應用最廣的金屬材料。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼。含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。第二頁，共三十二頁。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。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時，合金太脆，已無實用價值。實際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→第三頁，共三十二頁。鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關系的理論基礎,是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù).第四頁，共三十二頁。一、鐵碳合金的基本相和性能碳在δ-Fe中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ表示。

都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體⑴鐵素體：碳在-Fe中的固溶體稱鐵素體,用F

或

表示。

第五頁，共三十二頁。⑵奧氏體:碳在

-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在A

區(qū)進行.碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體第六頁，共三十二頁。

構轉變。同素異構轉變屬于相變之一—固態(tài)相變。鐵的同素異構轉變鐵在固態(tài)冷卻過程中有兩次晶體結構變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe物質在固態(tài)下晶體結構隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異純鐵的同素異構轉變第七頁，共三十二頁。⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強度低(b35MPa),脆性大,塑性幾乎為零Fe3C是一個亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應對鑄鐵有重要意義。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體第八頁，共三十二頁。三個基本相：鐵素體、奧氏體和滲碳體。但奧氏體一般僅存在于高溫下，所以室溫下所有的鐵碳合金平衡組織中只有兩個相，就是鐵素體和滲碳體。五種組織組成物：是構成顯微組織的獨立部分，可以是單相，也可以是兩相或者多相混合物。鐵素體奧氏體滲碳體珠光體萊氏體珠光體：共析反應的產(chǎn)物，是F與Fe3C片層相間的兩相混合物萊氏體：共晶反應的產(chǎn)物，高溫萊氏體是A與Fe3C兩相混合物,室溫萊氏體是珠光體與Fe3C的兩相混合物第九頁，共三十二頁。二、鐵碳合金相圖的分析相圖的簡化第十頁，共三十二頁。⒈特征點?????L+Fe3C?第十一頁，共三十二頁。⒉特征線⑴液相線—ACD，固相線—AECF⑵兩條水平線：ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是A與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體,用Le表示。為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體第十二頁，共三十二頁。PSK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉變的產(chǎn)物是F與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+Fe3C珠光體的組織特點是兩相呈片層相間分布,性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。第十三頁，共三十二頁。⑶

其它相線GS—A?

F

固溶體轉變線,GS又稱A3

線。ES—碳在

-Fe中的固溶線。又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。第十四頁，共三十二頁。⑶兩個三相區(qū)：即ECF(L+A+Fe3C)、PSK(A+F+Fe3C)兩條水平線

⒊相區(qū)⑴單相區(qū)：

L、A、F、Fe3C

⑵兩相區(qū):L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C第十五頁，共三十二頁。⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相A

①亞共析鋼

(0.0218~0.77%C)

②共析鋼(0.77%C)

③

過共析鋼

(0.77~2.11%C)鐵碳合金按成分可分為三類：⑴工業(yè)純鐵(<0.0218%C)組織為單相鐵素體。三、典型鐵碳合金的平衡結晶過程第十六頁，共三十二頁。⑶白口鑄鐵

(2.11~6.69%C)

鑄造性能好,硬而脆①亞共晶白口鑄鐵

(2.11~4.3%C)②

共晶白口鑄鐵(4.3%C)③

過共晶白口鑄鐵

(4.3~6.69%C)第十七頁，共三十二頁。(一)共析鋼的結晶過程

合金液體在1-2點間轉變?yōu)锳。到S點發(fā)生共析轉變：

AS?FP+Fe3C,

A全部轉變?yōu)橹楣怏w。第十八頁，共三十二頁。1點以上：L1～2點：LA2～3點：A3～3'點：AP3'點以下：P第十九頁，共三十二頁。珠光體在光鏡下呈指紋狀.轉變結束時，珠光體中相的相對重量百分比為：珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點以下，共析F中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結合不易分辨。室溫組織為P。珠光體第二十頁，共三十二頁。室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？Q43219第二十一頁，共三十二頁。共析鋼的結晶過程第二十二頁，共三十二頁。總結：鋼的結晶過程1、共析鋼的結晶過程3、過共析鋼的結晶過程2、亞共析鋼的結晶過程L→L+A→A→P相組成物：F，F(xiàn)e3C

L→L+A→A→A+F→P+F相組成物：F，F(xiàn)e3CL→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII相組成物：F，F(xiàn)e3C第二十三頁，共三十二頁。四、

含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響⒈含碳量對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系為：

鋼鐵素體亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對量%相組成物相對量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體F→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII

+Lｄ’→Lｄ’→Lｄ’+Fe3CI第二十四頁，共三十二頁。⒉含碳量對力學性能的影響硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質量分數(shù),隨碳含量的增加,由于硬度高的Fe3C增多,硬度低的F減少,合金的硬度呈直線關系增大,由全部為F的硬度約80HB增大到全部為Fe3C時的約800HB。第二十五頁，共三十二頁。強度是一個對組織形態(tài)很敏感的性能。隨碳含量的增加,亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度比較高,其大小與細密程度有關。組織越細密,則強度值越高。F的強度較低。所以亞共析鋼的強度隨碳含量的增大而增大。第二十六頁，共三十二頁。但當碳質量分數(shù)超過共析成分之后,由于強度很低的Fe3CII沿晶界出現(xiàn),合金強度的增高變慢,到約0.9%C時,Fe3CII沿晶界形成完整的網(wǎng),強度迅速降低,隨著碳質量分數(shù)的進一步增加,強度不斷下降,到2.11%C后,合金中出現(xiàn)Le時,強度已降到很低的值。再增加碳含量時,由于合金基體都為脆性很高的Fe3C,強度變化不大且值很低,趨于Fe3C的強度(約20MPa～30MPa)。第二十七頁，共三十二頁。塑性

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。

第二十八頁，共三十二頁。五、鐵碳相圖的應用(1)鋼鐵選材1、需要韌性、塑性好的（起重機構架、輸電鐵塔）可選用含碳小于0.25%的碳鋼2、需要強度、韌性都較好（重要的地腳螺栓、軸、齒輪等）可選用含碳0.3%~0.5%的鋼；各類彈簧、板簧需要含碳0.5%~0.75%的鋼；3、需要耐磨的（工具、模具、軸承類）可選用含碳0.8%~1.3%的鋼。第二十九頁，共三十二頁。(2)在鑄造工藝方面的應用1、根據(jù)相圖可確定合金的澆注溫度。從圖中看出，鑄鐵的澆注溫度比鋼低，所以鑄鐵的鑄造性能大大優(yōu)于鑄鋼。2、共晶點C的鐵碳合金鑄造性能最好。越是接近共晶點C的鐵碳合金結晶溫度越低，合金