【教学课件】第四章铁碳合金.ppt

第四章 铁碳合金,主要内容铁碳合金系相图铁碳合金平衡冷却过程分析碳对铁碳合金的影响碳钢铸铁,第一节 铁碳合金系相图,日常生活中最常用的金属材料：碳钢和铸铁。（6080%)它们的基本组元是Fe和C，即Fe-C合金。不同成分的 Fe-C合金（C含量不同）组织、结构不同性能不同,一、组元的特性,1.纯铁,（1）物性：纯Fe在1538熔化，纯铁液体结晶为固体后在冷却至室温过程中经历两次同素异构转变。同素异构：元素相同，结构不同。,-Fe 在770（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。这种转变为非相变过程，因无晶格类型和成分变化。,一、组元的特性,（1）力学性质：工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好。抗拉强度：b180230 Mpa延伸率：3050断面收缩率：7080冲击韧性：ak160200 J/cm2硬度：5060 HB,纯铁：软、塑、韧,2.碳,碳有两种晶体结构：石墨：简单六方（最软之一）金刚石：面心立方（最硬）C在六方结构的同一层面上，以共价键结合，键距为0.142nm，结合力强，但两层之间的原子间距较大，为0.34nm，结合力很弱，易发生层间断裂。,耐高温，可导电，润滑性好 强度、硬度、塑性和韧性低。,C在钢铁中存在的三种形式：溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶 体）钢 以游离石墨存在于钢铁中铸铁。与铁成金属间化合物 如Fe3C,Fe2C,FeC）金属间化合物,石墨的性能：,二.FeFe3C相图,由于碳含量高于6.69wt%的Fe-C合金基本无应用价值，而在这一成分点上，C一般以Fe3C形式存在（金属间化合物），所以一般以FeFe3C相图分析不同成分合金中的组织和结构。,注：实线为 FeFe3C 相图 虚线为 FeC 相图两者非常接近,1、相图的特征,2、相图中的基本相,相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。=F相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。=A 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。,注：Fe与 相 的区别，.,2、相图中的基本相,Fe3C相 铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为 Cm(Cementite)。石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。L相 碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。,3、铁碳合金三相平衡转变,这是一包晶反应(1495 C)，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。（不作讨论）,共晶反应(1148 C)，产物共晶体组织称为莱氏体，记为Ld(Ledeburite),共析反应(727 C)，产物为F、Fe3C两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite),4、相图中各重要点的参数及含义,5、相图中的基本线,（1）ABCD 液相线（2）AHJECF 固相线（3）HJB 包晶反应线(1495 C)LB+HAJ（4）ECF 共晶反应线(1148 C)LC AE+Fe3CI(称为莱氏体)（5）PSK 共析反应线(727 C)AsFp+Fe3C(称为珠光体)（6）ACM线（ES线）从奥氏体析出 Fe3C的临界温度线（7）A3线（GS线）从奥氏体转变 为铁素体线,6、相图中相区,五个单相区：液相区 L 高温固溶体 相（奥氏体，A)相（铁素体，F)Fe3C相（渗碳体，Cm）,七个双相区：L，L，L Fe3C，Fe3C，Fe3C,三个三相区：HJB线 L ECK线 L Fe3C PSK线 Fe3C,第二节 铁碳合金平衡结晶过程,Fe-C 合金按组织、性能、应用特点分为以下类型：工业纯铁(C%0.77 wt%白口铸铁(生铁）（C%=2.11 6.69 wt%）依据C含量不同，又分为：亚共晶白口铸铁 C4.3 wt%灰口铸铁（C%=2.11 6.69 wt%）亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁,一、工业纯铁(C%0.02%),一、工业纯铁(C%0.02%),一、工业纯铁(C%0.02%),一、工业纯铁(C%0.02%),含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从Fe中析出的Fe3CIII（称为三次渗碳体）。,组织：F相：(F),二、共析钢(C%0.77%),组织转变过程：,结晶过程：（1）温度在“1”点以上为单相液体，到达“1”点，L开始结晶生成A，随温度进一步降低，L含量减少，A含量增加，但L的成分沿液相线变化，A成分沿固相线变化，相对含量遵循杠杆定律。（2）当温度到“2”点，L全部转变为A（）。进一步降低温度，A结构和成分均不发生变化。（3）当温度达到“3”点，发生共析反应：AP(F+Fe3C)（片层结构）（4）温度进一步降低，从F中将进一步析出Fe3C。从F中析出的Fe3C称为三次渗碳体，记为：Fe3CIII注意：各双相区的成分和相对含量均可通过杠杆定律计算,组织：P相：(F)Fe3C,二、共析钢(C%0.77%)显微组织,共析转变全部生成共析组织，F 和 Fe3C 两相一般为层片状分布，组织为单一的珠光体。两相的重量比两相的厚度比8:1,三、亚共析钢(C%=0.020.77%),三、亚共析钢(C%=0.020.77%),组织转变：L L+A A F+A F+P,结晶过程：（略）,组织：FP相：(F)Fe3C,在A的晶角或晶界处生成F（）,剩余的A转变为片层 P,三、亚共析钢的显微组织,室温下组织组成物的相对量的计算（以C%=0.40wt%为例）：,白色为F，深色为P,注意：组织或相的相对含量随温度的变化,四、过共析钢(C%=0.772.11%),四、过共析钢(C%=0.772.11%),结晶过程：（略）,说明：（1）从A中析出的 Fe3C 称为二次渗C体，记为Fe3C是，它沿A的晶界析出，成网状结构（2）珠光体仍呈片状结构。（3）各两相的相对含量及成分符合杠杆定律。,组织：PFe3CII相：(F)Fe3C,沿A的晶界析出网状结构的Fe3C,剩余的A转变为片层 P,四、过共析钢的显微组织,说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，使材料很脆，工程中使用并不希望出现这种组织。,晶界为Fe3CII，晶粒为P,五、共晶白口铁(C%4.3%),组织转变 L Ld（A+Fe3CI)A+Fe3CII+Fe3CI(P+Fe3CI（Fe3C)）,说明：（1）共晶反应形成的A+Fe3C称为高温莱氏体，用Ld表示。从L 中析出的Fe3C称为一次渗碳体，记为：Fe3CI（2）随温度降低，A中将析出Fe3C，同时，A的成分沿ES线变化。这种从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体，记为：Fe3C。这里Fe3C依附作Fe3CI生长，不能分辨（不是网状析出）（3）在727，A发生共析反应生成 P，这种由 P+Fe3CI（Fe3C）称为变态莱氏体，也称为低温莱氏体用Ld表示。,Ld,组织：Ld 相：(F)Fe3C,五、共晶白口铁的显微组织,P：黑色的斑点或条块状Fe3C：白色块状,六、亚共晶白口铁(C%=2.114.3%),网状分布,组织：PFe3CIILd 相：(F)Fe3C,Fe3C沿A的晶界网状析出，Ld中的A析出的Fe3CII依附Fe3CI析出,剩余的L转变为Ld,A中的成分达到S点成分时，A转变为P,六、亚共晶白口铁的显微组织,黑色带树枝状特征的为P；分布在P周围的白色网状为Fe3CII；具有黑白斑点状特征为Ld,七、过共晶白口铁(C%=4.3 6.69%),从L中析出的Fe3CI呈板条状，在后续过程中不在变化。,组织：Fe3CILd 相：(F)Fe3C,剩余的L转变为Ld,Ld中的A析出Fe3CII,七、过共晶白口铁的显微组织,Fe3C的形式：从L中直接析出的Fe3C为一次渗碳体（Fe3CI）从A中析出的Fe3C为二次渗碳体（Fe3CII）从F中析出的Fe3C为三次渗碳体（Fe3CIII）通常不可见,第三节 碳对铁碳合金的影响,一、碳对室温平衡组织的影响,第三节 碳对铁碳合金的影响,一、碳对室温平衡组织的影响,二、碳对室温平衡相的相对含量的影响,0,6.69,二、碳对力学性能的影响,1、各组成相的力学性质 F：软，塑 Fe3C：硬，脆 P（F+Fe3C）：介入二者之间,2、C对性能的影响 随C含量增加，硬度持续增加,持续下降 b先增加（C 2.11）后下降（由于 网状Fe3C的出现）,第四节 碳 钢,一、碳钢中的常存元素,碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶炼带入钢锭中的，且对性能有一定影响其他元素，在碳钢中一般指：Si、Mn冶炼时自然存在，对性能无不利影响。S、P冶金时难以彻底清除而存在于钢中的有害元素。一般钢中大致含量：,常存元素对性能的影响,磷：P 可溶入铁素体，提高强度和硬度，但显著降低了塑性和韧性，特别是低温下会使钢脆化冷脆。（有害）,硫：S 与 Fe 形成 FeS，而 FeS 与 Fe 又能形成低熔点的共晶体，分布在 A 的晶界上，在热加工过程中造成沿晶开裂热脆。但适量的 S 可改善钢的切削性能。,硅、锰：Si，Mn是脱氧剂，是对钢有利的杂质元素，Si 提高强度，而 Mn 可优先与 S 反应生成 MnS,降低S的副作用,二、碳钢的分类,按含碳量分：低碳钢 WC 0.25中碳钢 0.25 0.6,按用途分：碳素结构钢（建筑材料,如桥梁,房屋，机器零件等）碳素工具钢（刀具，模具等）,根据P，S含量的多少 普通碳素钢 WP 0.045 WS 0.055 优质碳素钢 WP 0.040 WS 0.040 高级优质碳素钢 WP 0.035 WS 0.030,根据含氧量：沸腾钢镇定钢,四、钢的牌号与用途,牌号,Q195、Q215、Q235、Q255、Q275AF，(1)Q的含义为“屈”，(2)数字为钢的屈服强度（单位：MPa）。(3)A:钢的等级（A,B,C，D),质量逐渐提高(S,P逐渐降低）(4)F:沸腾钢,特点：这一钢种仅关心材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型 材(钢板、圆、管、角)。,用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。如：桥梁，建筑。,1、普通碳素结构钢,牌号,08、08F、10、15、20、45、50、65（1）数字表示钢中C的含量(万分之几)；（2）F表示沸腾钢,特点：这类钢种要求保证 C 含量。,用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。,2、优质碳素结构钢,牌号T8、(T9)、T10、T10A、(T11)、T12、T12A、T13（1）“T”表示“碳”，（2）数字表示钢的含碳量(千分之几)。（3）全部为优质钢，后缀A为高级优质钢,特点：过共析钢，组织为：颗粒状的碳化物球化珠光体（经球化退火），可以直接进行机械加工。,用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，模具。,3、碳素工具钢,第五节 铸 铁,定义：工业铸铁是指 Wc 2.11wt的Fe-C合金 为铸铁。当C以Fe3C相似存在：白口铸铁 当C以石墨形式存在：灰口铸铁。与钢相比，铸铁中的 C 含量较高，杂质元素（P，S）也较多。,铸铁性质：铸造，切削加工，减震性较好。强度，塑性，韧性低。,一、铸铁中C的石墨化过程,1.Fe3C是亚稳相 C 在 Fe 中以 Fe3C形式存在，但 Fe3C是一亚稳相，在一定的时候会发生反应：Fe3C Fe+C。碳是以石墨形式存在。,2.石墨化过程 是指在连续冷却过程中，碳原子析出形成石墨的过程。按石墨化发生的温度，石墨化过程可分为三个阶段:,高温石墨化，中温石墨化，低温石墨化,所有析出Fe3C的过程，都有可能析出石墨,第一阶段 高温石墨化 温度:1154，从液体中直接析出初生或共晶石墨。共晶反应：LCAEGI 组织：（奥氏体石墨）的共晶体。,第二阶段 中温石墨化 温度：1154738之间，从奥氏体中析出石墨，称为二次石墨GII 过饱和析出反应：A AGII 组织：AGII,第三阶段 低温石墨化 温度：738，奥氏体发生共析反应析出石墨，称为三次石墨GIII。共析反应：AS FpGIII。组织：(铁素体石墨)共析体 注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。,灰口铸铁可以看成是石墨分布在工业纯铁或钢的基体上的铁碳合金,2.石墨化过程（FeC 相图）,3.影响铸铁石墨化的主要因素,对石墨化程度的影响,冷却速度：冷却速度缓慢有利于石墨化过程的进行。温度：高温有利于石墨化过程的进行。因为高温有利于渗碳体的分解，合金元素：Si、Al、Cu、Ni、Co将促进石墨的形成（不易形成渗碳体），而 Cr、W、Mo、V、Mn阻碍石墨化过程（促进渗碳体形成）。,对石墨形状的影响,表面活性剂：Mg、Re元素可以改变石墨在液体中表面张力，促进石墨以片状转变成球状。石墨化方式：从液体中析出的石墨易成片状，而从固体下渗碳体分解产生的石墨为团絮状（GII,GIII）。,三、铸铁的分类,1.按石墨化成度分：灰口铸铁（石墨化较充分）麻口铸铁（石墨化不充分）白口铸铁（没有石墨化，Fe3C）,2.按铸铁中石墨的形状分：普通灰铸铁（片状）球墨铸铁（球状）可锻铸铁（团絮状）蠕墨铸铁（蠕虫状）等。,灰口铸铁的显微组织,3.组织：片状石墨铁素体和珠光体的混合组织。,F片状G,FP片状G,P片状G,根据石墨化过程是否充分,F,P,片状G,充分,不充分,球墨铸铁的显微组织,四、铸铁的性能,1。抗拉强度低、塑性韧性差 石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性 接 近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。2。铸造性能好。3。耐磨性好。4。消震性好。5。切削加工性能好。6。缺口敏感性低。,五、牌号及用途,1。普通灰铸铁：如 HT150,HT200,HT250 牌号：HTxxx，HT表示灰铁，三个数字表示最低抗拉强 度，单位MPa。用途：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。热处理：只进行去应力退火。2。球墨铸铁：如 QT400-15,QT500-05,QT600-03 牌号：QTxxx-xx,数字表示最低抗拉强度和伸长率，单位MPa和%。用途：用于一般机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。热处理：可通过热处理改善基体组织和性能。,3、可锻铸铁（以下不讲）,1.牌号：KT3510 KTZ455 其中KT表示可锻铸铁，第一部分数字为抗拉强度，第二部分数字为延伸率。字母Z表示珠光体可鍛铸铁。,2.成分：C:2.5 2.8%Si:1.2 2.0%Mn:0.4 1.2%由于硅的含量(碳当量)小，加上Mn的作用，浇铸冷却时碳不以石墨形式析出，得到的是白口铸件，这是的组织为珠光体莱氏体。,3.生成过程：进行石墨化退火。将白口铸铁加热到900980，经过15hr左右的保温，这是让渗碳体进行充分的分解，形成的石墨在长大过程中并不是致密的，和部分基体组合为团絮状，缓慢冷却到750720，让第二阶段的石墨化充分进行。,可锻铸铁的显微组织,4.组织：絮状石墨（FP）混合基体,5.用途：有一定的塑性，塑性和韧性比灰口铁高得多，用来制作齿轮、曲轴、凸轮轴、活塞环、农机构件等,4、其他铸铁,1)蠕墨铸铁,石墨形状为蠕虫状，石墨两端圆滑，但未形成球状。性能介如灰铁和球铁之间。,2)合金铸铁,利用合金化原理，在铸铁熔炼中加入合金元素，得到的基体与合金钢相似。经过适当的热处理，满足某些专用特殊性能，可铸造出各种较复杂形状。这些种类的铸铁随合金元素类型的不同而各有特色，铸铁按用途的要求主要有：高耐磨性铸铁：成分一般为高的 Mn、P，制作球磨机的磨球等；耐热铸铁：一般含有较高的Cr，制作锅炉的炉条等；耐腐蚀铸铁：一般含Cr、Cu，用于一些防腐环境。,由于合金铸铁的成分是在熔炼时各生产厂家自己控制，所以在成分和牌号上没有统一的规格，仅仅是考核要求的关键性能。,