第四章铁碳合金相图.ppt

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1、第四章 铁碳合金相图,铁碳合金包括：碳钢和铸铁钢含碳量为0.0218%2.11%，铸铁含碳量为 2.11%6.69%。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金材质太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是铁渗碳体（Fe-Fe3C）相图。,第一节铁碳合金的基本相,Fe-Fe3C相图的两个基本组元：Fe、Fe3CFe-C合金基本相：铁素体(F)(固溶体）、奥氏体(A)(固溶体）、渗碳体（Fe3C)(金属化合物）固溶体与金属化合物的形成：由于铁与碳之间相互作用不同，铁碳合金固态下的相结构形成固溶体和金属化合物两类。,一、铁素体（F）：

2、铁素体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号F表示。纯铁：912C以下为具有体心立方晶格的-Fe。-Fe的体心立方晶格特点：晶格间隙的直径很小，溶碳能力及差，在727溶碳量最大为0.0218%，随着温度下降溶碳量逐渐减小，在600溶碳量最约为0.0057%，室温时力学性能几乎与纯铁相同。铁素体的特点：强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织。在770以下具有铁磁性，在 770以上失去磁性。,二、奥氏体奥氏体：碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号A表示。-Fe面心立方晶格特点：致密度高于体心立方晶格的-Fe，晶格间隙的直径比-Fe大，溶碳能力也较大。在114

3、8C时溶碳量最大2.11%，随着温度下降，溶碳量逐渐减少，在727C时溶碳量为0.77%。奥氏体的特点：硬度较低、塑性较高，易于锻压成形。存在于727C以上的高温范围内，其显微组织的晶粒呈多边形，晶界较平直，为非铁磁性相。,三、渗碳体渗碳体：分子式Fe3C，它是具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体特点：碳含量wc=6.69%，熔点1227 C，在230C以下具有弱铁磁性，在230C以上失去磁性，硬度很高，塑性和韧性几乎为零，脆性极大。Fe3C在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。渗碳体显微组织：渗碳体在钢和铸铁中与其他相（Mn、Cr）共存时呈片状、球状、网状或板状。,第四章 铁碳合金相图,第

4、二节 铁-渗碳体相图分析,由于纯铁具有同素异晶性，并且-Fe 与-Fe的溶碳能力又各不相同，所以Fe-Fe3C相图比较复杂基本相：L液相-Fe 铁素体F（C固溶到-Fe中的间隙式固溶体）-Fe奥氏体A（C固溶到-Fe中的间隙式固溶体）-Fe高温铁素体（C固溶到Fe中的间隙式固溶体）Fe3C渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，C%=6.69%,一、上半部分图形 912C 以上的部分，由液态变为固态的第一次结晶。组元：-Fe与Fe3C1、图中各点分析A点：纯铁的熔点D点：渗碳体的熔点E点：在1148C 时碳在-Fe中最大溶解度（2.11%）E点是钢与生铁的分界点钢：铁碳合金中碳含量2.11%,C点：

5、共晶点，1148，C点液态合金将发生共晶反应：LCAE+Fe3C）。液相在恒温下，同时结晶出奥氏体和渗碳体所组成的细密的混合物（共晶体）。wC=4.3%共晶体（AE+Fe3C）称为莱氏体，用符合Ld表示。,第四章 铁碳合金相图,一、上半部分图形-由液体变为固态的一次结晶,2.图中各线的分析AC-液相线，液体合金冷却到AC线温度时，开始结晶出奥氏体ACD-液相线，液体合金冷却到CD线温度时，开始结晶出渗碳体Fe3C,A+Fe3C,第四章 铁碳合金相图,一、上半部分图形-由液体变为固态的一次结晶,2.图中各线的分析AE-固相线，奥氏体结晶终了线；ECF-固相线、共晶线，液态合金冷却到共晶温度114

6、8时，将发生共晶转变生产莱氏体Ld。,A+Fe3C,ES线为碳在奥氏体中固溶线，碳在奥氏体中最大溶解度是E点，随着温度下降，溶解度减小，到727 时，溶碳量仅为0.77%。,凡是wC0.77%的铁碳合金，由1148冷却到727的过程中，过剩的碳将以渗碳体形式从奥氏体中析出。一次渗碳体（Fe3C）自液态合金中直接析出的渗碳体。二次渗碳体（Fe3C）自奥氏体中析出的渗碳体。,1.图中各点的分析G点：-Fe与-Fe同素异晶转变温度；P点：727时碳在-Fe中最大溶解度（wC=0.0218%）。,共析转变：由一定成分的固相，在一定温度下，同时析出成分不同的两种固相的转变。S点：共析点，727，发生共析

7、转变：AS（FP+Fe3C）。奥氏体将在恒温下同时析出铁素体和渗碳体的细密混合物，共析转变后的细密混合物（FP+Fe3C）称为珠光体（P）。,第四章 铁碳合金相图,共晶转变与共析转变比较,相同点：在恒温下，由一相转变成两相混合物不同点：共晶转变从液相发生转变；共晶体-莱氏体Ld；共析转变从固相发生转变；共析体-珠光体P；由于原子在固态下扩散困难，故共析体比共晶体更细密。,2.图中各线的分析GS线：冷却时，由奥氏体转变成铁素体的开始线。或加热时铁素体转变成奥氏体的终了线；GP线：冷却时，奥氏体转变成铁素体的终了线，或加热时铁素体转变成奥氏体的开始线。,第四章 铁碳合金相图,PSK线-共析线。奥氏

8、体冷却到共析温度（727）时，将发生共析转变生成珠光体。在1148至 727间的莱氏体，是由奥氏体与渗碳体组成的混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。,1148,727,在727以下的莱氏体，是由珠光体与渗碳体组成的混合物，称为变态莱氏体，用符号Ld表示。,1148,727,PQ-碳在铁素体中固溶线，碳在铁素体中的最大溶解度是P点，随着温度降低，溶解度逐渐减小。室温时，铁素体中溶碳量几乎为零。从727到室温，铁素体中溶碳量从wC=0.0218%减小到wC=0.0008%。,Fe-Fe3C相图各区域的组织图,三次渗碳体（Fe3C）由727冷却到室温的过程中，过剩的碳将以渗碳体形式从铁素体中析出，称

9、为三次渗碳体。一次渗碳体（Fe3C）自液态合金中直接析出的渗碳体。二次渗碳体（Fe3C）自奥氏体中析出的渗碳体。,727,三、Fe-Fe3C相图中各点、线含义的小结,A-纯铁的熔点；C-共晶点，发生共晶反应：LC（AE+Fe3C）；D-渗碳体的熔点；E-1148时碳在-Fe中的最大溶解度（wC=2.11%）；F-1148，wC=6.69%渗碳体；,G-Fe与-Fe同素异晶转变温度；K-727，wC=6.69%渗碳体；P-727时碳在-Fe中最大溶解度（wC=0.0218%）；S-共析点，发生共析转变：AS（FP+Fe3C）；Q-600，wC=0.0057%，碳在铁素体中的溶解度。,三、Fe-F

10、e3C相图中各点、线含义的小结,AC-液相线，液体合金开始结晶出A；CD-液相线，液体合金开始结晶出Fe3C；AE-固相线，奥氏体结晶终了线；ECF-共晶线、固相线，将发生共晶转变生产莱氏体Ld。GS-冷却时由奥氏体转变成铁素体的开始线。,GP-冷却时奥氏体转变成终了线。PSK-共析线。将发生共析转变生成珠光体。ES-碳在奥氏体中固溶线。从1148到727，奥氏体中溶碳量从wC=2.11%减小到wC=0.77%。PQ-碳在铁素体中固溶线。从727到室温，铁素体中溶碳量从wC=0.0218%减小到wC=0%。,四、Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类,1.工业纯铁：wC 0.0218%，室温组织为

11、铁素体。2.钢0.0218%wC 2.11%，高温固态组织为塑性很好的奥氏体，适于热压成形。共析钢：成分为S点（wC 0.77%）的合金，室温组织为珠光体；亚共析钢：成分在S点左面（wC 0.77%）的合金，室温组织为珠光体+铁素体；过共析钢：成分在S点右面（wC 0.77%）的合金，室温组织为珠光体+二次渗碳体；,四、Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类,3.白口铸铁2.11%wC 6.69%，成分在E点右面的铁碳合金，液态结晶时都有共晶转变，比钢有较好的铸造性能。高温组织中硬脆的渗碳体量很多，不能进行热压力加工。共晶白口铸铁：wC 4.3%，室温组织为变态莱氏体；亚共晶白口铸铁：2.11%w

12、C 4.3%，室温组织为变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体；过共晶白口铸铁：4.3%wC 6.69%，室温组织为变态莱氏体+一次渗碳体；,第四章 铁碳合金相图,第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织,一、共析钢二、亚共析钢三、过共析钢四、共晶白口铸铁五、亚共晶白口铸铁六、过共晶白口铸铁,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,0.77,一、共析钢,1点：当液态合金L冷却到与液相线AC相交于点的温度时，从液相中开始结晶出奥氏体。温度下降：奥氏体量增加，成分沿固相线AE改变；剩余液相就逐渐减少，成分沿液相线AC改变。2点：液相全部结晶成与原合金成分相同的奥氏体,C,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,0.77

13、,一、共析钢,2点到3点：合金的组织不变。3点：727时，将发生共析转变：AS（FP+Fe3C）形成珠光体P。,C,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,0.77,一、共析钢,温度继续下降：铁素体的溶碳量沿固溶线PQ变化，析出三次渗碳体（Fe3C）。Fe3C常与共析渗碳体连在一起，不易分辨，且数量极少，可忽略不计，故共析钢的室温组织任为珠光体。室温珠光体是F与Fe3C的层状细密混合物。,C,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,0.77,一、共析钢,珠光体中铁素体与渗碳体的相对量可用杠杆定律求得。,C,6.69,K,第四章 铁碳合金相图,一、共析钢,t,T,1,2,3,3,第四章 铁碳合金相图,共析钢

14、（珠光体）显微组织,铁素体白色基底,渗碳体黑色线条,层状珠光体中渗碳体的层片较铁素体的层片薄，渗碳体数量较铁素体少。,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,4,亚共析钢在1点到3点温度间的结晶过程与共析钢相似。待合金冷却到与GS线相交于3点温度时，奥氏体开始转变铁素体，称为先析铁素体。随着温度的下降，铁素体不断的增加，其成分沿GP线改变，而奥氏体量逐渐减少，其成分沿GS线改变。,二、亚共析钢,第四章 铁碳合金相图,待冷却到与共析线PSK相交的4点的温度时，铁素体中含碳量为wC=0.0218%（碳的最大溶解度）,而剩余奥氏体的含碳量正好为共析成分（wC=0.77%）,因此，剩余奥氏体就发生共析转变而

15、形成了珠光体。当温度继续降低，铁素体中析出Fe3C，忽略。,二、亚共析钢,1,2,3,4,K,6.69,第四章 铁碳合金相图,亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体。所以亚共析钢的结晶过程相似，它们在室温下的组织都是由铁素体和珠光体组成。其差别仅在于：F和P的相对量有所不同。按杠杆定律可算得：凡距共析成分越近的亚共析钢，组织中所含P越多，F越少。,二、亚共析钢,1,2,3,4,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,二、亚共析钢,t,T,1,2,4,3,4,4,第四章 铁碳合金相图,亚共析钢显微组织,黑色珠光体,白色铁素体,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,三、过共析钢,4,过共析钢在1点到3点温度间的

16、结晶过程与共析钢相似。待合金冷却到与ES线相交于3点温度时，奥氏体中含碳量达到饱和而开始析出二次渗碳体，二次渗碳体沿着奥氏体晶界析出而呈网状发布，这种二次渗碳体又称为先析渗碳体。,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,三、过共析钢,4,随着温度的下降，析出的二次渗碳体量不断增加，剩余奥氏体中溶碳量沿ES线变化而逐渐减少。待冷却到与共析线PSK相交于4点的温度时，剩余奥氏体的含碳量正好为共析成分（wC=0.77%）,因此剩余奥氏体就发生共析转变而形成了珠光体。,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,三、过共析钢,4,过共析钢的室温组织为渗碳体网和珠光体。所以过共析钢的结晶过程相似，它们在室温下的组织都是

17、由二次渗碳体和珠光体组成。其差别仅在于：Fe3C和P的相对量有所不同。在室温组织中，Fe3C 的含量随钢中含碳量的增加而增加，当wC=2.11%时，达到最大。,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,三、过共析钢,4,当时，二次渗碳体量达到最多，其值可由杠杆求得：,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,三、过共析钢,t,T,1,2,4,3,4,4,第四章 铁碳合金相图,过共析钢显微组织,黑色珠光体,白色渗碳体网,第四章 铁碳合金相图,1,2,四、共晶白口铸铁,当共晶白口铸铁冷却到1点（共晶点）时，1148，将发生共晶转变Lc（AE+Fe3C）形成了莱氏体（Ld）。这种由共晶转变而结晶出的奥氏体与渗碳体，

18、分别称为共晶奥氏体与共晶渗碳体。,A,第四章 铁碳合金相图,1,2,四、共晶白口铸铁,A,随着温度的下降，奥氏体中的溶碳量沿ES线变化而不断降低，故从奥氏体中不断析出二次渗碳体。当温度下降到与共析线PSK相交于2点的温度时，奥氏体的含碳量是wC=0.77%，奥氏体发生共析反应形成珠光体。,S,K,4.3,第四章 铁碳合金相图,1,2,四、共晶白口铸铁,A,共晶白口铸铁的显微组织是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成的共晶体即变态莱氏体（Ld）。,S,第四章 铁碳合金相图,1,2,四、共晶白口铸铁,t,T,1,2,2,1,L,L+Ld(A+Fe3C),Ld(A+Fe3C+Fe3C),Ld(P+F

19、e3C+Fe3C),第四章 铁碳合金相图,黑色珠光体,白色基体渗碳体,第四章 铁碳合金相图,五、亚共晶白口铸铁,当亚共晶白口铸铁冷却到与液相线AC相交于1点的温度时，液相中开始结晶出初晶奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE改变，而剩余液相量逐渐减少，其成分沿液相线AC改变。,A,A,第四章 铁碳合金相图,五、亚共晶白口铸铁,当冷却到与共晶线ECF相交于2点温度时，初晶奥氏体的含碳量为wC=2.11%，液相的含碳量正好是共晶成分wC=4.3%，因此剩余液相发生共晶转变而形成莱氏体。,A,A,第四章 铁碳合金相图,五、亚共晶白口铸铁,在2点到3到间冷却时，初晶奥氏体与共晶奥

20、氏体中不断析出二次渗碳体，并在3点的温度时，这两种奥氏体的含碳量正好是wC=0.77%，故发生共析转变而形成珠光体。,A,A,第四章 铁碳合金相图,五、亚共晶白口铸铁,亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体。,A,A,第四章 铁碳合金相图,1,2,3,五、亚共晶白口铸铁,t,T,1,2,3,3,2,L,L+A,A+Ld,P+Ld,第四章 铁碳合金相图,亚共晶白口铸铁显微组织,黑色块状或树枝状珠光体,白色基体变态莱氏体,第四章 铁碳合金相图,六、过共晶白口铸铁,当过共晶白口铸铁冷却到与液相线CD相交于1点的温度时，液相中开始结晶出一次渗碳体。随着温度的下降，一次渗碳体量不断增加

21、，剩余液相量逐渐减少，其成分沿液相线CD线改变。,D,A,第四章 铁碳合金相图,六、过共晶白口铸铁,当冷却到与共晶线ECF相交于2点的温度时，液相的含碳量正好为共晶成分wC=4.3%，因此剩余的液相发生共晶转变而形成莱氏体。,D,A,F,第四章 铁碳合金相图,六、过共晶白口铸铁,在2点到3点间冷却时，奥氏体中同样要析出二次渗碳体，并在3点的温度时，奥氏体发生共析转变而形成珠光体。共晶白口铸铁的室温组织为：一次渗碳体和变态莱氏体。,D,A,第四章 铁碳合金相图,六、过共晶白口铸铁,在2点到3点间冷却时，奥氏体中同样要析出二次渗碳体，并在3点的温度时，奥氏体发生共析转变而形成珠光体。共晶白口铸铁的

22、室温组织为：一次渗碳体和变态莱氏体。,D,A,第四章 铁碳合金相图,1,2,六、过共晶白口铸铁,1,2,3,t,T,3,3,2,L,L+Fe3C,Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,第四章 铁碳合金相图,过共晶白口铸铁显微组织,基体变态莱氏体,亮白色板条状一次渗碳体,第四章 铁碳合金相图,第四章 铁碳合金相图,第四节 铁碳合金的成分、组织、性能间的关系,一、含碳量与平衡组织间的关系二、含碳量与力学性能间的关系三、含碳量与工艺性能间的关系,第四章 铁碳合金相图,一 含碳量与平衡组织间的关系,返回,第四章 铁碳合金相图,一、含碳量与平衡组织间的关系,1、含碳量相相对量（图）C%F%，Fe3C%2、含碳

23、量组织（图）FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld Ld Ld+Fe3CIIFe3C,第四章 铁碳合金相图,二、含碳量与力学性能间的关系,1、硬度（图）：取决于相及相对量。随碳含量的增加,由于硬度高的Fe3C增多,硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大,由全部为F的硬度约80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB。2、强度（图）：C%，0.9%（因网状Fe3CII的存在）3、塑性、韧性（图）：C%塑性、韧性,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,1.铸造性能合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距离。距离越大，合金的铸造性能越差。铸铁（图）有Fe-

24、Fe3C相图可见，共晶成分（wC=4.3%）的铸铁，不仅液相线与固相线的距离最小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔少，偏析小，是铸造性能良好的铁碳合金。偏离共晶成分远的铸铁，其铸造性能则变差。,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,1.铸造性能 钢（图）低碳钢的液相线与固相线之间距离较小，则有较好的铸造性能，但其熔点较高，使钢液的过热度较小，这对钢液的流动性不利。随着钢中的含碳量的增加，虽然其熔点随之降低，但其液相线与固相线的距离却增大，铸造性能变差。故钢的铸造性能都不太好。,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,1.铸造性能根据FeFe3C相图可以确定合金的浇

25、注温度。浇注温度一般在液相线以上50 100。在铸钢生产中,碳质量分数在0.15%-0.6%之间,因为这个范围内钢的结晶温度区间较小,铸造性能较好。,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,2.可锻性和可焊性 可锻性（图）可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。钢加热到高温，可获得塑性良好的单相奥氏体组织，因此其可锻性良好。低碳钢的可锻性优于高碳钢。白口铸铁在低温和高温下，组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，所以不能锻造。,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,2.可锻性和可焊性 可焊性可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊接裂纹的倾向性为其技术判断指标。在铁

26、碳合金中，钢都可以进行焊接，但钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢要是低碳钢和低碳合金钢。铸铁的可焊性差，故焊接主要用于铸铁件的修复和焊补。,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,3.切削加工性能低碳钢（wC0.25%）中有大量铁素体，硬度低，塑性好，因而切削时产生切削热较大，容易粘刀，而且不易断屑和排屑，影响工件的表面粗糙度，故切削性能差；高碳钢（wC0.60%）中渗碳体较多，当渗碳体呈层状或网状发布时，刃具易磨损，切削加工性能也差。,第四章 铁碳合金相图,三、含碳量与工艺性能间的关系,3.切削加工性能中碳钢（wC=0.25%0.60%）中铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性比较适中，因而切削加工性能较好；一般认为钢的硬度在160230HBS时，切削加工性能最好。碳钢可通过热处理来改变渗碳体的形态与分布，从而改善其切削加工性能。,第四章 铁碳合金相图,