铁碳合金及Fe-Fe3C相图.ppt

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1、2023/10/19,1,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,第1篇 金属学基本原理 第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图教学目标：吃透并熟练记忆铁碳相图；掌握钢铁合金中的基本相及其结构特点；熟悉钢、铸铁的概念；掌握各类铁碳合金的平衡结晶过程，组成相的相对量及组织形貌特点。,2023/10/19,2,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,钢铁材料的生产已有几千年的历史。矿石 Fe3O4、Fe2O3 Fe(C)合金 2009年5.68亿吨。是排在中国后面四位的日本、俄罗斯、美国和印度钢产量之和的2.2倍；2010年我国钢年产量为6.1

2、亿吨，2011年6.83亿吨，2012年7.17亿吨。碳钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金(alloys of the ironcarbon system)。,2023/10/19,3,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,铁碳相图是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，整个Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,Fe3C-

3、Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于Fe和C化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量一般不超过5）。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。,2023/10/19,4,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,铁碳相图,2023/10/19,5,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.1 Fe-C合金的组元及基本相4.1.1 合金中的组元一、纯铁（Fe）物理性能：元素周期表中第26号元素，属于过渡族元素，相对原子量为55.85，在一个大气压下，熔点为1538，在2738时气化，密度为

4、7.87g/cm3。同素异构转变：-Fe-Fe-Fe。磁性转变：纯铁具有磁性转变。高温顺磁性 低温铁磁性机械性能：纯铁的强度低，塑性好，很少用于结构材料，主要利用其铁磁性，制造仪器、仪表的铁芯等。,2023/10/19,6,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,纯铁的显微组织,2023/10/19,7,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,二、渗碳体（Fe3C）在非平衡凝固过程中，Fe-C合金的碳以化合物 Fe3C 形式出现的，即具有复杂结构的间隙化合物，通常称为渗碳体，用“Fe3C或 Cm”表示。Fe3C熔点为1227，是一种亚稳化

5、合物。在一定条件下（高温下长时间保温），渗碳体可以分解形成石墨状的自由碳：Fe3C 3Fe+C（石墨）这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以，Fe-Fe3C相图称为亚稳定系相图，Fe-C相图称为稳定系相图，若把Fe-Fe3C相图与Fe-C相图画在同一图上，称为Fe-C合金双重相图。通常情况下，由于凝固过程不可能是无限缓慢的平衡过程，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变的。,2023/10/19,8,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,Fe-Fe3C 和 Fe-C 双重相图,2023/10/19,9,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3

6、C相图,Fe3C机械性能 渗碳体相硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于零，是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状，其各种形态对应不同的宏观性能。Fe3C中C和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等金属原子置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。如：(Fe,Cr)3C，(Fe,Mn)3C渗碳体高温无磁性 低温具有一定铁磁性。,2023/10/19,10,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.1.2 合金中的相 在Fe-Fe3C相图中，Fe-C合金在不同条件(成分/温度)下,有六个

7、基本相：L相、相、相、相、Fe3C相和石墨。液相 L：Fe 与 C 的液溶体。相：又称高温铁素体(high temperature ferrite)，是C在-Fe中的间隙固溶体，呈bcc晶格，在1394以上存在，在1495时溶碳量最大，为 0.09%。相：也称铁素体(Ferrite)，用符号 F 或 表示，是碳在-Fe 中的间隙固溶体，呈bcc晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008%，600时为0.0057%，在727时溶碳量最大，为0.0218%。铁素体性能特点是强度低、硬度低、塑性好，称为工业纯铁。,2023/10/19,11,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及

8、Fe-Fe3C相图,相：称为奥氏体(Austenite)，用符号A或表示，是碳在-Fe中的间隙固溶体，为fcc结构。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148时溶碳量最大达 2.11%。碳原子存在于FCC晶格中正八面体间隙的中心。单相区存在于NJESGN区域内(7271459)(见P74相图）。奥氏体的强度较低，硬度较低(HB170220)，塑性高(延伸率 为40%50%)，易于塑性变形。铁是顺磁性，晶粒呈平直 多边形。,2023/10/19,12,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,奥氏体的显微组织,2023/10/19,13,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁

9、碳合金及Fe-Fe3C相图,Fe3C相(Cementite)：具有复杂的晶格（斜方晶系），Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，C原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，晶胞中有12个Fe原子和4个C原子，Fe:C=3:1。其晶体结构如图：石墨（C）（graphite）：在一定条件下，碳可以以游离态石墨稳定相存在，六方结构。,2023/10/19,14,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,碳在钢铁中的存在形式碳原子溶于-Fe 形成的间隙固溶体铁素体 F(bcc)碳原子溶于-Fe 形成的间隙固溶体奥氏体 A(fcc)与铁原子形成复

10、杂结构的间隙化合物渗碳体 Fe3C、Cm(斜方点阵）也可能以游离态石墨（六方结构）稳定相存在于基体中。,2023/10/19,15,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.2 Fe-Fe3C相图分析 4.2.1 Fe-Fe3C平衡相图,围绕三条水平线可把Fe-Fe3C相图分解为三个部分考虑：左上角的包晶部分、右边的共晶部分、左下角的共析部分。我们从分析相图中的点、线、区，特别是重要的点、三条水平恒温转变线、重要的相界线入手。达到掌握整个相图的目的。,2023/10/19,16,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,相图中重要的点和线

11、,液相线ABCD,固相线AHJECF,包晶线 HJB，包晶点 JL0.53+0.09 A0.17,共晶线 ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体，Le或Ld,共析线 PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体，P,ES线：C在A中的固溶线,PQ线：C在F中的固溶线,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,17,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,18,材料科学与工程学院多媒体课件,2023/10/19,19,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,一、相图中的

12、点、线、区及其意义1、相图中的点（最重要的点）J点：包晶点，合金在平衡结晶过程中冷却到1495时，B点成分的L与H点成分的发生包晶反应，生成 J点成分的A。LBH AJ or L0.530.09 A0.17 反应时三相共存，在恒温下进行。,2023/10/19,20,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,C点：共晶点，合金在平衡结晶过程中冷却到1148时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的 A 和 Fe3C。LC AE Fe3C or L4.3 A2.11 Fe3C 反应时三相共存，在恒温下进行。共晶反应的产物是 A 与渗碳体的共晶混和物，称为莱氏体(Led

13、eburite)，以符号Le表示。L4.3 Le4.3（A+Fe3C）注意：莱氏体中的渗碳体称共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时为珠光体）分布在渗碳体基体上。,2023/10/19,21,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,S点：共析点，合金在平衡结晶过程中冷却到727时，S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的 F 和 Fe3C。AS FP Fe3C or A0.77 F0.0218 Fe3C 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体(Pearlite)，以符号P 表示。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之

14、间。,2023/10/19,22,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。在显微镜下珠光体的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片(窄条)与铁素体片(宽条)。w(Fe3C)1 w(F)11.3%w(Fe3C)/w(F)1:8 故显微镜下铁素体片宽，而渗碳体片窄。,2023/10/19,23,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2、相图中的线（重要的线）ABCD线液相线AHJECF线固相线水平线HJB包晶反应线，碳质量分数为0.09%0.53%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生包晶反应

15、。水平线ECF共晶反应线，碳质量分数在2.11%6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。水平线PSK共析反应线，碳质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK 线亦称A1线。,2023/10/19,24,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,GS线合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线，通常称A3线。合金加热时F转变为A的终了线。GS线是由G点（A3点）演变而来，随着C含量的增加，使向的同素异构转变温度逐渐下降，从A3点延伸为A3线。ES线碳在A中的固溶线，通常叫做Acm线。由于在1148时A中溶碳量最大可

16、达2.11%，而在727时仅为0.77%，因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148冷至727的过程中，将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。,2023/10/19,25,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,PQ 线碳在F中固溶线。在727时F中溶碳量最大可达0.0218%，室温时仅为0.0008%，因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727冷至室温的过程中，将从F中析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ 线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临

17、界温度线。Fe3CIII数量极少，往往予以忽略。,2023/10/19,26,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,3、相图中的区五个单相区:L、A（）、F（）、Fe3C（Cm）七个双相区:L、L、L Fe3C、Fe3C、Fe3C三个三相共存线区：HJB、ECF、PSK线,2023/10/19,27,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.2.2.1 钢铁材料的划分据Fe-Fe3C相图，按含碳量，铁碳合金可分为三类：工业纯铁 Wc%0.0218%钢 0.0218%Wc%2.11%亚共析钢 0.0218%Wc%0.77%共析钢 Wc%

18、0.77%过共析钢 0.77%Wc%2.11%,2023/10/19,28,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,白口铸铁 2.11%Wc%6.69%其特点液态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具有良好的铸造性能。但因共晶产物是以Fe3C为基的莱氏体组织，所以性能很脆，不能锻造。它们的断口呈银白色，故称为白口铸铁。可见Wc2.11%是钢和铸铁（生铁）的理论分界线。根据白口铸铁室温组织不同，可分为三种：亚共晶白口铸铁:2.11%Wc%4.3%共晶白口铸铁:Wc%4.3%过共晶白口铸铁:4.3%Wc%6.69%,2023/10/19,29,材料

19、科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,亚共析钢,过共析钢,过共晶白口铁,亚共晶白口铁,2023/10/19,30,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.2.2.2 工业纯铁 Wc%0.0218%以Wc%0.01%的铁碳合金为例室温组成相：F 和 Fe3C室温平衡组织：F+Fe3CIII；F呈白色块状，Fe3CIII量极少，呈小白片状分布于F晶界处。若忽略Fe3CIII，则组织全为F。,2023/10/19,31,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,32,材料科学与工程学院多媒体课件

20、,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,可见，Wc%=0.01%的工业纯铁转变过程：LL+Fe3C 其室温组织组成物为：+Fe3C,工业纯铁室温组织图（200）Fe3C最多为0.33%,2023/10/19,33,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.2.2.3 共析钢 Wc%=0.77%,0.77,2023/10/19,34,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,室温组织：P，P呈层片状，是和Fe3C的层片交替重叠的机械混合物。白色片状为，黑色片状为Fe3C。（匀晶转变共析转变脱溶沉淀）组成相：F 和 Fe3C，它们的质量分数为

21、：,2023/10/19,35,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,共析钢显微组织示意图,2023/10/19,36,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,珠光体显微组织图,2023/10/19,37,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.2.2.4 亚共析钢 0.0218%w(C)0.77%,2023/10/19,38,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,室温组织：FPF呈白色块状；P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。,珠光体的室温平衡组织,2023/10/19,

22、39,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,室温组织为 F+P，由于F是发生在共析转变之前，我们称之为先共析铁素体。,显微组织示意图,2023/10/19,40,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,碳质量分数大于0.6%的亚共析钢，室温平衡组织中的 F 常呈白色网状，包围在P周围。,2023/10/19,41,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,亚共析钢的室温组织（200）,2023/10/19,42,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,组织组成物相对质量分数：组成相：

23、F 和 Fe3C 相对质量分数：,2023/10/19,43,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,近似计算：亚共析钢的碳质量分数的估算 若将F中的碳含量忽略不计，则钢中的碳含量全部在P中，因此由钢中P的碳质量分数可求出钢的碳质量分数:式中，W(C%)表示钢的碳质量分数，W(P%)表示钢中P的质量分数。由于P和F的密度相近，钢中P和F的质量分数可以近似用P和F的相对面积分数来估算。,2023/10/19,44,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,4.2.2.5 过共析钢 0.77%w(C)2.11%,1.2,2023/10/19,4

24、5,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,过共析钢 w(C)=1.2%室温组织：PFe3C（Fe3CII呈网状分布在片层状P周围）,硝酸酒精浸蚀：白色网状为Fe3CII，暗黑色为P,苦味酸钠浸蚀：黑色为Fe3CII，浅白色为P,2023/10/19,46,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,铁碳合金的室温平衡组织：PFe3CII,室温平衡组织中的P,过共析钢室温组织为：P+Fe3C，组织转变示意图如下：,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,显微组织示意图,2023/10/19,47,材料科学与工程学院多媒体课件,过共析钢 w(C)

25、=1.2%组织组成物相对质量分数：组成相：F 和 Fe3C 相对质量分数：,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,48,材料科学与工程学院多媒体课件,4.3,4.2.2.6 共晶白口铁 w(C)=4.3%,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,49,材料科学与工程学院多媒体课件,室温组织：(PFe3C Fe3C)(Ld)由黑色条状或粒状P和白色 Fe3C 基体组成室温组成相：F和Fe3C,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,50,材料科学与工程学院多媒体课件,3.0,4.2.2.7 亚共晶白口铁 2.11%w(C)4.3%,第

26、4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,51,材料科学与工程学院多媒体课件,亚共晶白口铁 w(C)=3.0%室温组织：PFe3C Ld Ld=PFe3C Fe3C 网状Fe3CII分布在粗大块状P（黑色）的周围，Ld则由条状或粒状P和Fe3C基体组成,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,52,材料科学与工程学院多媒体课件,5.0,4.2.2.8 过共晶白口铁 4.3%w(C)6.69%,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,53,材料科学与工程学院多媒体课件,过共晶白口铁 w(C)=5.0%室温组织：Fe3C Ld Ld=PFe3

27、C Fe3C Fe3CI呈长条状,Ld由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成室温组成相：F和Fe3C,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,54,材料科学与工程学院多媒体课件,！注意区别组织中的渗碳体一次渗碳体 Fe3C长条状，尺寸较大；共晶渗碳体 Fe3C 作为基体；二次渗碳体 Fe3C沿A晶界处析出；共析渗碳体 Fe3C 在P中呈片层状；三次渗碳体 Fe3C从F中析出，量极少，一般忽略。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,55,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,亚共析钢,过共析钢,过共晶白口铁,亚共晶白口铁

28、,包晶温度,共晶温度,共析温度,Fe-Fe3C相图分析,2023/10/19,56,材料科学与工程学院多媒体课件,4.3 铁碳合金的成分与平衡组织和性能的关系 4.3.1 含碳量对平衡组织的影响 室温下，碳含量不同时，F和Fe3C两相相互组合的形态即合金的组织在变化。随碳含量增大，组织按下列顺序变化：FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Ld LdLd+Fe3CIFe3C,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,57,材料科学与工程学院多媒体课件,各个区间的组织组成物的质量分数用杠杆定律求出。w(C)0.0218%，合金的组织全部为 Fw(C)0.77%，合金的组织全

29、部为 Pw(C)4.3%，合金的组织全部为 Ldw(C)6.69%，合金的组织全部为 Fe3C 在上述碳含量之间，则为相应组织组成物的混合物。室温下的组织都由F和Fe3C两相组成，两相的质量分数由杠杆定律确定。随碳含量的增加，F的量逐渐变少，由100%按直线关系变至0%(w(C)=6.69%时)；Fe3C的量则逐渐增多，由0%按直线关系变至100%。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,58,材料科学与工程学院多媒体课件,随着含碳量的增加,Fe-C合金的组织发生下列变化：+Fe3C+PPP+Fe3CFe3C+Ld+PLd Fe3C+Ld 称为组织组成物。所有Fe-Fe3

30、C合金的室温组织都是由铁素体F和渗碳体Fe3C两相组成，所以，铁素体和渗碳体称为Fe-C合金的相组成物。注：随着Wc的增加，Fe-C合金中F的量逐渐减少，Fe3C的量逐渐增多，其变化呈线性关系。随碳含量的增加，Fe3C的量增加，Fe3C形态也发生变化，由片状及球状形式分布在F基本内(P)，Fe3C成网状分布在原A晶界上，当Ld形成时，Fe3C 成为基体。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,59,材料科学与工程学院多媒体课件,4.3.1 含碳量对平衡组织的影响 含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物、组织组成物相对量的关系图示,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023

31、/10/19,60,材料科学与工程学院多媒体课件,4.3.2 含碳量对机械性能的影响 4.3.2.1 含碳量组织硬度关系 硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，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。图示如下：,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,61,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,62,材料科学与工程学院多媒体课件,含碳量与组成相,含碳量与性能,4.3.2.2 含碳量组织强度关系强

32、度对组织形态很敏感亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。随碳含量的增加，亚共析钢中 P 增多而 F 减少。F的强度较低，而 P 的强度比较高，强度决定于 P 大小与细密程度有关，组织越细密，则强度值越高。钢在w(C)=0.9%时获得最大强度 当碳质量分数超过共析成分之后，由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现，合金强度的增高变慢，到约0.9%C时，获得最大强度。钢在w(C)0.9%时，Fe3CII沿晶界形成完整的网，强度迅速降低，随着碳质量分数的进一步增加，强度不断下降。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,63,材料科学与工程学院多媒体课件,w(C)2.11%后，合金中出

33、现变态Ld，强度降到很低的值。再增加碳含量时，由于合金基体都为脆性很高的Fe3C，强度变化不大且值很低，趋于Fe3C的强度(20MPa30MPa)。F为软韧相，Fe3C为硬脆相，故Fe-C合金的力学性能取决于F和Fe3C两相的相对量及它们的相互分布特征。珠光体的强、硬度比F高，比Fe3C低，而P的韧性和塑性比F低，比Fe3C高，而且P的强度随P片间距的减小而增大。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,64,材料科学与工程学院多媒体课件,在钢中Fe3C是一种强化相，随钢中Wc的增加使Fe-C合金强度升高，当Wc超过0.77%后，先析出F消失而Fe3C出现，合金强度增加变缓

34、；当Wc达到0.90%时，由于Fe3C沿晶界上形成网状分布，强度开始迅速下降。当达到2.11%时，出现低温Ld，强度降到最低。钢的塑性完全由F来提供，Wc的增加使F减少，塑性和韧性显著下降；当基体为Fe3C后，塑性就接近于0。为保证钢有足够的强度和适当的韧性配合，其Wc一般不超过1.31.4%。对于白口铸铁，组织中存在大量的低温Ld，而低温Ld是以Fe3C为基的硬脆组织，因此白口铸铁具有很大的脆性。但由于大量的Fe3C存在，铸铁的硬度和耐磨性很高。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,65,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/1

35、0/19,66,材料科学与工程学院多媒体课件,含碳量与组成相,含碳量与强度,含碳量与组成相,含碳量与塑性,4.3.2.3 含碳量组织塑性关系 铁碳合金中Fe3C是极脆的相，没有塑性。合金的塑性变形基本由 F 提供。所以随碳含量的增大，F 量不断减少时，合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时，塑性就降到近于零值。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,67,材料科学与工程学院多媒体课件,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,68,材料科学与工程学院多媒体课件,4.3.2 含碳量对机械性能的影响 综上所述，Wc对铁碳合金的机械性能的影响如图所示,亚共析

36、钢的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下的估算：硬度80w(F)+180w(P)(HB)硬度80w(F)+800w(Fe3C)(HB)强度(b)230w(F)+770w(P)(MPa)延伸率()50w(F)20w(P)(%)式中的数字相应为F、P或Fe3C的大概硬度、强度和延伸率；w(F)、w(P)、w(Fe3C)相应表示组织中F、P或Fe3C的质量分数。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,69,材料科学与工程学院多媒体课件,4.4 Fe-Fe3C相图的应用 4.4.1 在钢铁材料选用方面的应用 Fe-Fe3C相图所表明的成分组织性能的规律，为钢铁材料的选用提供了根

37、据。建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，选用碳含量较低的钢材。机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，选用碳含量适中的中碳钢。工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,70,材料科学与工程学院多媒体课件,纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,20

38、23/10/19,71,材料科学与工程学院多媒体课件,4.4.2 在加工工艺制定方面的应用 4.4.2.1 在铸造工艺上的应用根据Fe-Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50100。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。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4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,72,材料科学与工程学院多媒体课件,4.4.2.2 在热锻、热轧工艺方面的应用锻造或轧制

39、选在单相奥氏体区进行；原因：钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性较好。始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内，约为11501250。原因：一方面降低变形抗力，节约能源，减小设备吨位；另一方面防止钢材严重烧损或过烧（晶界熔化）。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,73,材料科学与工程学院多媒体课件,终锻、终轧温度750850亚共析钢：GS线以上一点过共析钢：PSK线以上一点原因：一方面避免钢材因温度低塑性差而发生开裂；另一方面避免亚共析钢中出现F，使合金韧性降低；把过共析钢中的网状Fe3C打碎。终轧温度不能过高，以避免再结晶后A的晶粒粗大。,第4章 铁碳合金及Fe

40、-Fe3C相图,2023/10/19,74,材料科学与工程学院多媒体课件,4.4.2.3 在热处理工艺上的应用 Fe-Fe3C相图在制订热处理工艺有着特别重要的意义。运用Fe-Fe3C相图时的应注意得事项：Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其它元素，相图将发生变化。Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态，若冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只用相图来分析。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,75,材料科学与工程学院多媒体课件,附：碳素结构钢的分类和编号 关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。下面给大家介绍一下碳

41、素结构钢的分类和牌号。一.分类1.根据钢的含碳量分类（1）低碳钢 Wc0.25%（2）中碳钢 Wc=0.250.60%（3）高碳钢 Wc0.60%2.根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类（1）普通碳素钢 Ws0.055%Wp0.045%（2）优质碳素钢 Ws0.040%Wp0.040%（3）高级优质碳素钢 Ws0.030%Wp0.030%3.根据钢的用途分类（1）碳素结构钢（2）碳素工具钢,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,76,材料科学与工程学院多媒体课件,二.碳钢的编号 我国的钢材编号是采用国际化学符号、数字及汉语拼音字母并用的原则，碳钢的具体编号方法如下：1

42、、普通碳素结构钢 该类钢牌号表示方法是用“Q+数字+符号”表示，其中Q代表屈服点的字母，数字表示屈服点数值(MPa)，质量等级符号(A，B，C，D)及脱氧方法符号(F，b，Z，TZ)等四部分按顺序组成。如Q235-A.F，表示屈服强度数值为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号表示普碳钢中杂质硫磷含量的高低，C，D级的含量最低，质量好。脱氧方法符号从F起依次分别表示沸腾钢，半镇静钢，镇静钢及特殊镇静钢，质量等级高的钢牌号中的脱氧方法符号可省略。主要有：Q195、Q235、Q255、Q275、Q420、Q460等。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,77,材料科学与工程

43、学院多媒体课件,2、优质碳素结构钢 该类钢的钢号用“两位数字或两位数字+Mn”表示，其中两位数字表示钢中碳的平均含量，单位为万分之一；Mn表示对含锰量较高的钢，须将锰元素标出，一般锰的含量为0.701.0%，如：20、20Mn、45、40Mn。钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这是正常含锰量的优质碳素结构钢；钢号20Mn表示碳的平均含量为0.20%、Mn表示锰的含量为0.701.0%的钢。沸腾钢，半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如15g，即平均含碳量为0.15%的锅炉钢；08F表示含碳量为0.08%的沸腾钢。（脱氧方法：F、b、Z、TZ）,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,78,材料科学与工程学院多媒体课件,3、碳素工具钢 碳素工具钢是用“T+数字”表示，其中T为碳的拼音，其后数字表示钢中平均含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8”；T12表示碳的平均含量为1.2%的碳素工具钢。含锰量较高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。,第4章 铁碳合金及Fe-Fe3C相图,2023/10/19,79,材料科学与工程学院多媒体课件,