金屬工藝學(xué) 第3版 課件 5 金屬材料基礎(chǔ)知識

金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識模塊十鐵碳合金相圖鐵碳合金是由鐵和碳兩種元素為主組成的合金。一、鐵碳合金的基本組織鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1．鐵素體(F)鐵素體是指α-Fe或其內(nèi)固溶有一種或數(shù)種其他元素所形成的晶體點陣為體心立方的固溶體，用符號F(或α)表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體的溶碳量很小，在727℃時溶碳量最大（W（C）=0.0218%）。鐵素體的性能幾乎與純鐵相同，強度和硬度較低(σb=180～280MPa，50～80HBW)，而塑性和韌性好(δ=30%～50%，KU≈128～160J)。鐵素體在770℃（居里點）有磁性轉(zhuǎn)變，在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。

2．奧氏體(A)

奧氏體是指γ-Fe內(nèi)固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶體點陣為面心立方的固溶體，常用符號A(或γ)表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體溶碳能力較大，在1148℃時溶碳量最大（W（C）=2.11%），隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃時的溶碳量為W（C）=0.77%。奧氏體是非鐵磁性相，具有一定的強度和硬度(σb≈400MPa，160～220HBW)，塑性好(δ≈40%～50%)。穩(wěn)定的奧氏體屬于鐵碳合金的高溫組織，當(dāng)鐵碳合金緩冷到727℃時，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷慕M織。

3．滲碳體(Fe3C)滲碳體是指晶體點陣為正交點陣、化學(xué)成分近似于Fe3C的一種間隙式化合物，以符號Cm表示。滲碳體的晶格形式，與碳和鐵都不一樣，是復(fù)雜的晶格類型。滲碳體碳的質(zhì)量分數(shù)是W（C）=6.69%，熔點為1227℃。滲碳體硬度高(約為800HV)，脆性大，塑性與韌性極低。滲碳體不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有磁性轉(zhuǎn)變，在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230℃以上則失去磁性。滲碳體是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分解成鐵和石墨。

4．珠光體(P)珠光體是奧氏體從高溫緩慢冷卻時發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的組織。常見的珠光體是鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相組織。珠光體也是鐵素體(軟)和滲碳體(硬)組成的機械混合物，常用符號“P”表示。珠光體中碳的質(zhì)量分數(shù)平均為W（C）=0.77%。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強度（σb≈770MPa，160～220HBW）、塑性(δ≈20%～35%)和韌性(KU≈24～32J)，硬度適中（180HBW），是一種綜合力學(xué)性能較好的組織。5．萊氏體(Ld)萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時所形成的奧氏體和碳化物滲碳體所組成的共晶體，用符號Ld表示。萊氏體碳的質(zhì)量分數(shù)為W（C）=4.3%，WC＞2.11%的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1148℃時，將同時從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物（即萊氏體）。727℃以上存在的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld)，在727℃以下存在的萊氏體稱為低溫萊氏體（L′d），或稱變態(tài)萊氏體。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高(相當(dāng)于700HBW)，塑性很差。二、鐵碳合金相圖1．鐵碳合金相圖合金相圖是表示在極緩慢冷卻(或加熱)條件下，不同化學(xué)成分的合金，在不同溫度下所具有的組織狀態(tài)的一種圖形。2．鐵碳合金相圖中的特性點特性點溫度（℃）WC（%）特性點的含義A15380純鐵的熔點或結(jié)晶溫度C11484.3共晶點，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.3?A2.11+Fe3CD12276.69滲碳體的熔點E11482.11碳在奧氏體中的最大溶碳量，也是鋼與生鐵的化學(xué)成分分界點F11486.69共晶滲碳體的成分點G9120α-Fe?γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點S7270.77共析點，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0。77?F0.0218+Fe3CP7270.0218碳在鐵素體中的最大溶碳量K7276.69共析滲碳體的成分點Q室溫0.0008碳在鐵素體中的最大溶碳量3．鐵碳合金相圖中的主要特性線（1）液相線ACD。（2）固相線AECF。（3）共晶線ECF。ECF線是一條水平(恒溫)線，稱為共晶線。在ECF線上，液態(tài)鐵碳合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式是：L4.3

1148℃A2.11

＋Fe3C6.69

（4）共析線PSK。PSK線也是一條水平(恒溫)線，稱為共析線，通稱A1線。在PSK線上固態(tài)奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式是：A0.77

727℃F0.0218

＋Fe3C6.69

（5）GS線。GS線表示冷卻時由奧氏體組織中析出鐵素體組織的開始線，通稱A3線。（6）ES線。ES線是碳在奧氏體中的溶解度變化曲線，通稱Acm線。（7）GP線。GP線為冷卻時奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線或者加熱時鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的開始線。（8）PQ線。PQ線是碳在鐵素體中的溶解度變化曲線。它表示鐵素體隨著溫度的降低，鐵素體中的碳的質(zhì)量分數(shù)沿著PQ線逐漸減少。三、鐵碳合金的分類。四、碳對鐵碳合金組織和性能的影響

隨著鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，平衡組織中的鐵素體量不斷減少，滲碳體量不斷增多，鋼的力學(xué)性能將發(fā)生明顯的變化。當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)W（C）<0.9%時，隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低；當(dāng)碳的質(zhì)量分數(shù)W（C）>0.9%時，由于Fe3CII的數(shù)量隨著碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，而急劇增多，并