工程材料鐵碳合金的結(jié)晶

（優(yōu)選）工程材料鐵碳合金的結(jié)晶當(dāng)前第1頁\共有55頁\編于星期日\22點Fe1234566.69C%140012001000800600400200溫度

/℃CEFDBAJNSGPKQγ＋δγL＋δδL＋γγ＋αL＋Fe3Cγ＋Fe3Cα＋Fe3CαHFe-Fe3C相圖

鐵碳合金相圖是研究平衡條件下鐵碳合金的成分、溫度和組成相之間的關(guān)系及其變化規(guī)律的圖形。當(dāng)前第2頁\共有55頁\編于星期日\22點鐵碳相圖需要掌握知識點相圖中重要的點、線和相區(qū)。相圖中的重要轉(zhuǎn)變及產(chǎn)物。分析典型成分鐵碳合金的結(jié)晶過程，分析室溫下得到的相和組織組成物。會用杠桿定律計算室溫下相和組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鐵碳合金的成分－組織－性能關(guān)系及其應(yīng)用。當(dāng)前第3頁\共有55頁\編于星期日\22點金屬的多晶型（同素異構(gòu)現(xiàn)象）多晶型轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1394℃912℃δ-Fe

γ-Fe α-Febccfccbcc符合形核、長大的結(jié)晶規(guī)律固態(tài)金屬在不同的溫度和壓力范圍內(nèi)，具有二種或二種以上晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變過程恒溫、可逆純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變工業(yè)純鐵中常含有<0.0218%的碳及其它雜質(zhì)。

§1

純鐵及其同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變當(dāng)前第4頁\共有55頁\編于星期日\22點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。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%)→當(dāng)前第5頁\共有55頁\編于星期日\22點1.鐵碳合金的組元⒈組元：Fe、Fe3C⒉鐵碳合金的相(1)液相L(2)δ相：高溫鐵素體，在1394℃以上存在

§2鐵碳合金的相和組織組成當(dāng)前第6頁\共有55頁\編于星期日\22點鐵素體（F或α）：碳溶于α-Fe中所形成的間隙固溶體晶格結(jié)構(gòu)：bcc最大溶解度：0.0218%（727℃），室溫下僅為0.0008%。性能組織：σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

HBS=50～80

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

ak=160～200J/cm2δ-鐵素體（δ）：碳溶于δ-Fe中所形成的間隙固溶體

最大溶解度：0.09%（1495℃）

§2鐵碳合金的相和組織組成鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。當(dāng)前第7頁\共有55頁\編于星期日\22點奧氏體（A或γ）：碳溶于γ-Fe中所形成的間隙固溶體晶格結(jié)構(gòu)：fcc最大溶解度：2.11%（1148℃）（高溫組織）性能組織：

σb≈400MPa

HBS=170～220

δ=40%～50%

組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。高塑性、強度低、無磁，鋼材熱加工都在區(qū)進(jìn)行。碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體當(dāng)前第8頁\共有55頁\編于星期日\22點

滲碳體（Fe3C,Cm）：Fe與C所形成的金屬化合物,含碳6.69%晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)雜正交性能：σb≈35MPa

HBS=800

δ≈0

ψ≈0

硬度高,強度低,脆性大,塑性幾乎為零亞穩(wěn)定：Fe3C

3Fe+C（石墨）合金滲碳體：(Fe、Me)3C Fe3(C、N)或Fe3(C、B)

石墨碳晶格結(jié)構(gòu)：簡單六方性能:加工性能機械性能高溫當(dāng)前第9頁\共有55頁\編于星期日\22點由于碳在-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。Fe3C相根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體當(dāng)前第10頁\共有55頁\編于星期日\22點

珠光體（P）F與Fe3C所形成的機械混合物（平均含碳量：0.77%）性能組織：

σb≈750MPa

HBS=180

δ≈20%～25%

ak=30～40J/cm2綜合性能當(dāng)前第11頁\共有55頁\編于星期日\22點萊氏體（）高溫萊氏體：A與Fe3C所形成的機械混合物（平均含碳量：4.3%）低溫萊氏體：Ｐ與Fe3C所形成的機械混合物性能組織：為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。當(dāng)前第12頁\共有55頁\編于星期日\22點

Fe-Fe3C

相圖分析FeT°Fe3CCDEF1148℃727℃LL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C6.69%C(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡA+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖(P+Fe3C)GSPQAFA+F(F+Fe3C)PP+FP+Fe3CⅡ共析相圖0.77%C0.0218%CANBHJ包晶相圖當(dāng)前第13頁\共有55頁\編于星期日\22點§3相圖中重要的點和線⒈特征點?????6.69當(dāng)前第14頁\共有55頁\編于星期日\22點⒉特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFD⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是與Fe3C的機械混合物，稱作萊氏體(Ld,Le)。當(dāng)前第15頁\共有55頁\編于星期日\22點PSK：共析線

S

?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是

與Fe3C的機械混合物，稱作珠光體，用P表示。珠光體L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+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。當(dāng)前第16頁\共有55頁\編于星期日\22點⑶其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線。HN,JN—δ?

固溶體轉(zhuǎn)變線。ES—碳在

-Fe中的固溶線，又稱Acm線。PQ—碳在-Fe中的固溶線。當(dāng)前第17頁\共有55頁\編于星期日\22點⑶三個三相區(qū)：HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三條水平線

⒊相區(qū)⑴五個單相區(qū)：液相區(qū)(L):ABCD以上區(qū)域固溶體區(qū)：AHNA奧氏體區(qū)()：NJESGN鐵素體區(qū)():GPQ以左滲碳體區(qū)(Fe3C):DFK直線

⑵七個兩相區(qū):L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C

ABCDFENGPSKQJHA(γ)LF(α)δFe-Fe3C相圖T(℃)wC（%）FeFe3C6.69%當(dāng)前第18頁\共有55頁\編于星期日\22點§4典型鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相

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)鐵碳相圖上的合金，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。當(dāng)前第19頁\共有55頁\編于星期日\22點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)當(dāng)前第20頁\共有55頁\編于星期日\22點1.工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程當(dāng)前第21頁\共有55頁\編于星期日\22點

隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。當(dāng)前第22頁\共有55頁\編于星期日\22點2.共析鋼的結(jié)晶過程合金液體在1-2點間轉(zhuǎn)變?yōu)?。到S點發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

S?P+Fe3C,

全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。室溫組織為：P（F+Fe3C）當(dāng)前第23頁\共有55頁\編于星期日\22點共析鋼的結(jié)晶過程當(dāng)前第24頁\共有55頁\編于星期日\22點珠光體在光鏡下呈指紋狀.相變結(jié)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，共析中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P。珠光體QQ43219當(dāng)前第25頁\共有55頁\編于星期日\22點室溫下，珠光體中兩相的相對重量百分比是多少？Q43219當(dāng)前第26頁\共有55頁\編于星期日\22點3.亞共析鋼的結(jié)晶過程0.09~0.53%C亞共析鋼冷卻時發(fā)生包晶反應(yīng).以0.4%C的鋼為例合金在4點以前通過勻晶—包晶—勻晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。?點，由中析出。到5點,成分沿GS線變到S點，

發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計.L→L+A→A→F+A先共析

AS(0.77%C)→P當(dāng)前第27頁\共有55頁\編于星期日\22點亞共析鋼的結(jié)晶過程當(dāng)前第28頁\共有55頁\編于星期日\22點利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:

C%=P面積%×0.77%(忽略中含碳量，P面積%=QP)共析溫度下相的相對重量為：

組織組成物的相對重量為：

S’當(dāng)前第29頁\共有55頁\編于星期日\22點室溫下相的相對重量百分比為：S’室溫組織為：P+F當(dāng)前第30頁\共有55頁\編于星期日\22點含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。P%=F%=當(dāng)前第31頁\共有55頁\編于星期日\22點4.過共析鋼的結(jié)晶過程合金在1~2點轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

,到3點,開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈網(wǎng)狀分布。溫度下降,Fe3CⅡ量增加。到4點，

成分沿ES線變化到S點，余下的轉(zhuǎn)變?yōu)镻。在共析溫度下Fe3CⅡ的相對量？當(dāng)前第32頁\共有55頁\編于星期日\22點過共析鋼的結(jié)晶過程當(dāng)前第33頁\共有55頁\編于星期日\22點過共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量隨含碳量而增加,含碳量為2.11%時,Fe3CⅡ量最大：當(dāng)前第34頁\共有55頁\編于星期日\22點室溫下兩相的相對重量百分比：室溫下兩組織組成物的相對重量百分比：當(dāng)前第35頁\共有55頁\編于星期日\22點5.白口鑄鐵的結(jié)晶合金冷卻到C點發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Ld)。Fe3C當(dāng)前第36頁\共有55頁\編于星期日\22點共晶轉(zhuǎn)變結(jié)束時，兩相的相對重量百分比為:C點以下,

成分沿ES線變化，共晶

將析出Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ與共晶Fe3C

結(jié)合，不易分辨。1’2Fe3C當(dāng)前第37頁\共有55頁\編于星期日\22點溫度降到2點,

成分達(dá)到0.77%,此時,相的相對重量:在2點,共晶

發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體,用L’d表示.

2點以下，共晶體中P的變化同共析鋼。SL--->L+Ld--->Ld(A+Fe3C共晶)--->Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->L’d(P+Fe3CII+Fe3C)當(dāng)前第38頁\共有55頁\編于星期日\22點共晶白口鐵室溫組織為L’d(P+Fe3C),它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征。室溫下兩相的相對重量百分比為：當(dāng)前第39頁\共有55頁\編于星期日\22點合金在1~2點間析出

。到2點，液相成分變到C點,并轉(zhuǎn)變?yōu)長d。2~3點間從中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶襯托出來。到3點，轉(zhuǎn)變?yōu)镻。6亞共晶白口鐵結(jié)晶過程當(dāng)前第40頁\共有55頁\編于星期日\22點6亞共晶白口鐵結(jié)晶過程當(dāng)前第41頁\共有55頁\編于星期日\22點相組成物：F、Fe3C組織組成物：P+Fe3CII+L’d6亞共晶白口鐵結(jié)晶過程L’dP+Fe3CII當(dāng)前第42頁\共有55頁\編于星期日\22點1~2點間從液相中析出Fe3C,這種滲碳體稱一次滲碳體，用Fe3CⅠ表示，呈粗條片狀。到2點，余下的液相成分變到C點并轉(zhuǎn)變?yōu)長d。DFK3Fe3C1247過共晶白口鐵結(jié)晶過程當(dāng)前第43頁\共有55頁\編于星期日\22點2點以下,Fe3CⅠ成分重量不再發(fā)生變化,Ld變化同共晶合金,其室溫組織為Fe3CⅠ+L'd。

7過共晶白口鐵結(jié)晶過程當(dāng)前第44頁\共有55頁\編于星期日\22點相組成物：F、Fe3C;組織組成物：Fe3CⅠ+L’d7過共晶白口鐵結(jié)晶過程F%=

Fe3C%=

Fe3C%=

L’d%=Ld%=

當(dāng)前第45頁\共有55頁\編于星期日\22點§5鐵碳合金成分－組織－性能的關(guān)系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(guān)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當(dāng)前第46頁\共有55頁\編于星期日\22點⒉含碳量對力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ為晶界連續(xù)網(wǎng)狀，強度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的L’d,合金太脆。當(dāng)前第47頁\共有55頁\編于星期日\22點⒊含碳量對工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼合適②可鍛性能:低碳鋼好