1、第四章 铁碳合金相图,概 述 第一节 铁碳合金的基本相 第二节 铁碳合金相图分析 第三节 典型铁碳合金的平衡结晶过程 第四节 铁碳合金的成分、组织与性能 间的关系,铁碳合金相图是指在平衡条件下（极其缓慢加热或冷却），不同成分的铁碳合金，在不同温度下所处状态或组织的图形。 在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列稳定化合物（Fe3C、Fe2C、FeC），由于C6.69%的铁碳合金材质很脆，在工业上无使用价值。所以，我们仅研究C6.69%的部分。而C=6.69%对应的正好全部是铁碳体(Fe3C)，把他作为一个组元，实际上我们研究的铁碳相图是FeFe3C相图。,概 述,Fe-Fe3C相图,简化的Fe-Fe
2、3C相图,第一节 铁碳合金的基本相,Fe-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） 一、铁素体（F） ： 碳溶于- Fe中的间隙固溶体，溶碳能力极差。727可达0.0218%，室温仅有0.0008%。 铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。 抗拉强度b： 180280MPa 屈服点s ： 100170 MPa 伸长率100； 3050 断面收缩率100 ： 7080,冲击韧度k：160200J/cm2 硬度： 80HBW 组织：在显微镜下，呈明亮的等轴多边形状。,二、奥氏体(A)： 碳溶于-Fe中的间隙固溶体。 溶碳量较大，在
3、1148时，溶碳 能力最大，可达C =2.11%;随着温度的下降使溶碳能力逐渐减小，在727时C=0.77%。,铁素体的显微组织（100）,奥氏体在高温状态存在； 硬度为170220HBW,伸长率为40%50% 奥氏体的硬度较低而塑性 较高，易于锻压成形。,奥氏体的显微组织（100）,三、渗碳体(Fe3C) Fe与C 形成的金属化合物Fe3C，其含碳量为6.69%，极硬、脆。 熔点约为1227，渗碳体硬度很高（9501050HV），而塑性与韧性几乎为零，脆性极大。 F、A 、 Fe3C都能溶入合金元素，形成合金固溶体或合金渗碳体起到强化的作用。渗碳体在钢和铸铁中存在形式有片状、球状、网状和板状
4、，他的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能影响很大。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。,第二节 铁碳合金相图分析,简化后的铁碳相图,一、相图中各点分析,液相线： AC线和CD线 固相线：AE和ECF,二、相图中各线分析,ES线（Acm线） ：碳在奥氏体中的固溶线 GS线（A3线） ：奥氏体和铁素体的相互转变线,三、铁碳合金的分类,铁碳合金根据其组织和性能的特点，常分为三类：,工业纯铁 C % 0.0218 %,钢 0.0218 % C % 2.11 %,白口铸铁 2.11 % C % 6.69 %,第三节 典型铁碳合金平衡结晶过程,一、合金（共析钢）,室温组织
5、: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500,室温组织: F + P，500,二、合金（亚共析钢）,室温组织: P + Fe3CII 400,三、合金（过共析钢）,室温组织:(低温) 莱氏体 Le （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500,四、 合金（共晶白口铸铁）,室温组织: Le+ P + Fe3CII 200,五、合金（亚共晶白口铁）,室温组织: Le+ Fe3CI 500,六、合金（过共晶白口铁）,第四节 铁碳合金的成分、组织与性能间的关系,一、碳的质量分数对平衡组织的影响 随着碳的质量分数的增加，铁碳合金的室温组织变化顺序为：,碳的质量分数增高时，组织中不仅
6、渗碳体的数量增加，而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。渗碳体由层状分布在铁素体基体内（如珠光体），变为呈网状分布在晶界上（如Fe3C），最后形成莱氏体时，渗碳体已作为基体出现 。,二、碳的质量分数对力学性能的影响,在铁碳合金中，渗碳体一般可看作是一种强化相。,基体是铁素体，随着渗碳体数量的增加，其强度和硬度升高，而塑性与韧性相应降低。当硬而脆的渗碳体以网状分布在晶界，特别是作为基体出现时，将使铁碳合金的塑性、韧性大大下降。,碳的质量分数对碳钢力学性能的影响,纯铁：塑性好、韧性很好，而强度和硬度很低。 亚共析碳钢：随着碳的质量分数的增加，钢的强度和硬度呈直线上升，而塑性、韧性不断下降
7、。 过共析碳钢：当钢中C0.9%时，脆性的二次渗碳体数量也相应增加，形成网状分布，使其脆性增加，不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降。所以，工业上使用钢的碳质量分数一般为C=1.3%1.4%。 白口铸铁：特硬特脆，难以切削加工，因此很少应用。但它耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸铁的毛坯。,三、碳的质量分数对工艺性能的影响,1铸造性能 由相图可知，共晶成分的合金，其凝固温度间隔最小（为零），故流动性好，分散缩孔较小，有可能得到致密的铸件。 2锻造性能 钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体的温度范围内进行，才能有较好的塑性 。 3焊接性能 焊接时在不同加热区域会获得不同的高温组织，随后的冷却也就可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。 4切削加工性能 生产中最常用的办法之一是通过适当的热处理工艺，改变材料的金相组织，使材料的切削加工性得到改善，其依据也是铁碳相图。,
