铁碳相图对共析钢-亚共析钢和过共析钢的详细分析.ppt

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1、第四节 铁碳合金相图,1、铁碳合金的基本相与性能2、铁碳合金相图与结晶过程3、含碳量对铁碳合金组织性能的影响4、铁碳合金相图的应用,铁碳合金碳钢和铸铁，是工业应用最广的金属材料。含碳量为0.0218%2.11%的称钢。含碳量为 2.11%6.69%的称铸铁。,铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为相图的组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。,铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依

2、据.,一、铁碳合金的基本相和性能,碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用 表示。都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。,铁素体,铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体,用F 或 表示。,奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为2.11%。,组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在A 区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,构转变。同素异构转变属于相变之一固态相变。铁的同素异构转变铁在固态冷却过

3、程中有两次晶体结构变化，其变化为：,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异,纯铁的同素异构转变,渗碳体：即Fe3C,含碳6.69%,用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、强度低(b35MPa),脆性大,塑性几乎为零,Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨),该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。,三个基本相：铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金平衡组织中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。,五种组织组成物：,是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可

4、以是两相或者多相混合物。,铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体珠光体：共析反应的产物，是F与Fe3C片层相间的两相混合物莱氏体：共晶反应的产物，高温莱氏体是A与Fe3C两相混合物,室温莱氏体是珠光体与Fe3C的两相混合物,二、铁碳合金相图的分析,相图的简化,特征点,特征线 液相线ACD，固相线AECF 两条水平线：ECF：共晶线LC E+Fe3C共晶产物是A与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体,用Le表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。,莱氏体,PSK：共析线 S FP+Fe3C共析转变的产物是 F与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。,珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布,性

5、能介于两相之间。PSK线又称A1线。,其它相线GSA F 固溶体转变线,GS又称A3 线。ES碳在-Fe中的固溶线。又称Ac m线。PQ碳在-Fe中的固溶线。,两个三相区：即ECF(L+A+Fe3C)、PSK(A+F+Fe3C)两条水平线,相区 单相区：L、A、F、Fe3C 两相区:L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C,钢(0.02182.11%C)高温组织为单相A 亚共析钢(0.02180.77%C)共析钢(0.77%C)过共析钢(0.772.11%C),铁碳合金按成分可分为三类：工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。,三、典型铁碳合金的平衡结晶过程,白口铸铁(2

6、.116.69%C)铸造性能好,硬而脆 亚共晶白口铸铁(2.114.3%C)共晶白口铸铁(4.3%C)过共晶白口铸铁(4.36.69%C),(一)共析钢的结晶过程,合金液体在1-2点间转变为A。到S点发生共析转变：ASFP+Fe3C,A 全部转变为珠光体。,1点以上：L,12点：LA,23点：A,33点：AP,3点以下：P,珠光体在光镜下呈指纹状.转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：,珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析 F 中析出Fe3C，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。,珠光体,室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？,共析钢的结晶过程,(二)亚共析钢的结晶过程

7、以0.40%C的钢为例合金在3点以前通过匀晶包晶匀晶反应全部转变为A。到4点，由A,中析出F。到5点,A成分沿GS线变到S点，A发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，F 中析出 Fe3C，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.,1点以上：L,12点：LA,23点：A,34：AF,44：AP,4点以下：P+F,共析温度下相的相对重量为：,组织组成物的相对重量为：,温度继续下降，中析出Fe3C，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计.,室温下相的相对重量百分比为：,室温下组织组成物的相对重量百分比为：,利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积%0.7

8、7%(忽略F中含碳量，P面积%=QP),亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。,亚共析钢的结晶过程,(三)过共析钢的结晶过程 合金在12点转变为A,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3C表示,其沿晶界呈网状分布.,温度下降,Fe3C量增加。到4点，A 成分沿ES线变化到S点，余下的A 转变为P。,1点以上：L,12点：LA,23点：A,34：AFe3C,44：AP,4点以下：P+Fe3C,室温组织：P+Fe3C 400,室温下两相的相对重量百分比：,过共析钢室温组织为P+Fe3C。两组织组成物的相对重量

9、百分比：,Fe3C量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3C量最大：,过共析钢的结晶过程,总结：钢的结晶过程,1、共析钢的结晶过程,3、过共析钢的结晶过程,2、亚共析钢的结晶过程,L L+A A P相组成物：F，Fe3C,LL+A A A+F P+F相组成物：F，Fe3C,LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII相组成物：F，Fe3C,莱氏体(Ld)是共晶A与共晶Fe3C的机械混合物,1点以上：L,11：LLd,(四)共晶白口铁的结晶过程,共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:,12：Ld,C点以下,共晶A将析出Fe3C，A成分沿ES线变化。Fe3C与共晶Fe3C 结合，不易分辨。,

10、温度降到2点,A成分达到0.77%,此时,相的相对重量:,在2点,共晶A 发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Ld表示.,22：LdLd(AP),2点以下：Ld（P+Fe3CII+共晶 Fe3C）,室温组织:（低温）莱氏体 Ld 500,Ld的性能：硬而脆,室温下两相的相对重量百分比为：,共晶白口铁的结晶过程,LL(A+Fe3C共晶)L(A+Fe3C共晶+Fe3CII)L(P+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3C,(五)亚共晶白口铁的结晶过程合金在12点间析出A。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。23点间从A中析出Fe3C，一次A的F

11、e3C被共晶A 衬托出来。到3点，A转变为P。,亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3C+Le。室温下组织组成物相对重量百分比为：,室温下相的相对重量百分比?,亚共晶白口铁的结晶过程,(六)过共晶白口铁的结晶过程12点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。,2点以下,Fe3C成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3C+Le。,总结：白口铸铁的结晶过程,1、共晶白口铁的结晶过程,3、过共晶白口铁的结晶过程,2、亚共晶白口铁的结晶过程,LL(A+Fe3C共晶)L(A+Fe3C共晶+Fe3CII)L(P

12、+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3C,LL+A A+L(共晶A+Fe3C共晶)A+L(A+Fe3C共晶+Fe3CII)+Fe3CII P+L(P+Fe3C共晶+Fe3CII)+Fe3CII相组成物：F，Fe3C,LL+Fe3CI Fe3CI+L(共晶A+Fe3C共晶)Fe3CI+L(A+Fe3C共晶+Fe3CII)Fe3CI+L(P+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3C,四、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：,F F+P P P+Fe3CII P+Fe3CII,+L L,L+Fe3CI,含碳

13、量对力学性能的影响,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80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。,强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加,亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高,其大小与细密程度有关。组织越细密,则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。,但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,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

14、步增加,强度不断下降,到2.11%C后,合金中出现Le时,强度已降到很低的值。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(约20 MPa30 MPa)。,塑性铁碳合金中Fe3C是极脆的相,没有塑性。合金的塑性变形全部由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了。,亚共析钢的硬度、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)或硬度80w（F）+800w（Fe3C）(HB)强度(b)230w（F）+770w（P）(MPa)延伸率()50w（F）+20

15、w（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。,五、铁碳相图的应用,(1)钢铁选材,1、需要韧性、塑性好的（起重机构架、输电铁塔）可选用含碳小于0.25%的碳钢2、需要强度、韧性都较好（重要的地脚螺栓、轴、齿轮等）可选用含碳0.3%0.5%的钢；各类弹簧、板簧需要含碳0.5%0.75%的钢；3、需要耐磨的（工具、模具、轴承类）可选用含碳0.8%1.3%的钢。,(2)在铸造工艺方面的应用,1、根据相图可确定合金的浇注温度。从图中看出，铸铁的浇注温度比钢低，所以铸铁的铸造性能大大优于铸钢。2、共晶

16、点C的铁碳合金铸造性能最好。越是接近共晶点C的铁碳合金结晶温度越低，合金的流动性好。3、固液线距离近，偏析倾向小。,(3)在压力加工方面的应用,相图中有很广阔的奥氏体区，面心立方晶格的高温奥氏体有优良的塑性和较好的强度，塑性变形抗力很低，是热锻、热轧极好的组织，轧、锻温度一般选在图中影线部分。,（4)在焊接方面的应用,含碳量越低的钢焊接性越好，含碳量增加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。,在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：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了。,本章小结,三种常见晶格及其致密度。单晶体、多晶体结构。晶格缺陷及其对金属性能的影响。掌握纯金属结晶的条件和结晶过程。影响结晶过程的因素；过冷度。细化晶粒的措施。,同素异晶（构）转变。,相、组织、固溶体、化合物的概念。二元相图（匀晶、共晶、共析）。匀晶反应的合金的结晶过程；枝晶偏析。杠杆定律应用。相图与性能的关系。,Fe-C合金的基本相、组织（F、A、Fe3C、P、Ld）的结构、成分、性能。铁碳相图。典型铁碳合金的平衡结晶过程。各类碳钢室温平衡组织。铁碳合金的成分-组织-性能关系。用杠杆定律计算各相、组织组分的相对含量。,