1、工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，其基本组元是铁和碳元素，因此称为铁碳合金。 为了掌握钢铁材料的成分、组织和性能之间的关系，为以后的生产应用做好准备，就必须学习和研究铁碳合金相图。铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物（Fe3C、Fe2C、FeC等），但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大，无实际应用价值，所以在铁碳合金相图中，只需研究Fe-Fe3C部分（含碳量6.69%）。,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,第一节 铁碳合金的基本相,在铁碳合金中，铁和碳元素的相互作用方式有两种：（1）碳原子溶解到纯铁的晶格中，形成固溶体，如铁素体和奥氏体；（2
2、）铁和碳原子相互作用形成金属化合物，如渗碳体。 一、铁素体： 、 F 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，它仍保持-Fe的体心立方结构。由于铁素体的含碳量较低（室温下wc=0.0008%），其性能与纯铁相近。铁素体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性和韧性。抗拉强度 b：180280MPa 屈服强度 s：100170MPa 硬 度 HB：5080HBW伸 长 率 ：3050%冲击韧性 Ak：160200J,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,二、奥氏体： 、 A 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，它仍保持-Fe的面心立方结构。奥氏体溶解碳原子的能力与温度有关，1148时wc=2.
3、11%，727时wc=0.77%。一般奥氏体的硬度约为170220HBW，伸长率约为3050%。因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成型。三、渗碳体： Fe3C渗碳体是一种具有复杂晶格结构的金属间化合物，其性能特点是硬度很高（约1000HV），且脆性很大（，k0）。渗碳体在碳钢中不能作为基体相，而是作为强化相存在，它的存在形态（网、片、条、粒状等），对碳钢的性能有很大的影响。例如，渗碳体以细小的颗粒状形态，均匀分布在固溶体基体相上，则碳钢的力学性能较好；但是，渗碳体呈较粗大形态或网状分布时，则碳钢的脆性会增大。,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,第二节 铁碳合金相图分析,分析相图：注
4、意相图中的恒温反应！钢铁的分类： （1）工业纯铁wc0.0218% （2）钢0.0218%wc2.11% （3）白口铸铁2.11%wc6.69%,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,简化的铁碳相图及各点说明：,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,一、 液相线： ACD 固相线： AECF 二、ECF 共晶反应线LC AE + Fe3C共晶产物（A + Fe3C）称为莱氏体， 用符号Ld 或 Le表示。 三、PSK 共析反应线 （A1线）AS FP + Fe3C共析产物（F + Fe3C）称为珠光体， 用符号P表示。 珠光体组织由F和Fe3C两相组成，其性能介于二者之间。 b=800Mpa
5、HB=180280 =20%25% Ak=2432J,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,四、 GS线 （A3线）温度降低时，沿着GS线，A的含碳量增大，析出F相。五、ES线 （Acm线）温度降低时，沿着ES线，A的含碳量减小，析出Fe3C。 六、PQ线温度降低时，沿着PQ线，F的含碳量减小，析出Fe3C。由于Fe3C数量极少，在光学显微镜下不易看见，可不考虑。,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,第三节 铁碳合金的结晶过程及其组织,、共析钢 C% = 0.77%组织转变过程： T0 T1： LT1 T2： L+AT2 T3： A T3 T4： P,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,共
6、析钢（C% = 0.77%）在室温下： 相组成： F + Fe3C 相对量的计算：组织组成： P,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,、亚共析钢 0.0218% 0.77%组织转变过程： T0 T1： LT1 T2： L+AT2 T3： A T3 T4： F+AT4 T5： F+P,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,亚共析钢（0.0218%C% 0.77%）在室温下： 相组成： F + Fe3C 相对量的计算：组织组成： F + P相对量的计算：,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,、过共析钢 0.77% 2.11%组织转变过程： T0 T1： LT1 T2： L+AT2 T3： A
7、T3 T4： A+Fe3CT4 T5： P+Fe3C,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,过共析钢（0.77%C% 2.11%）在室温下： 相组成： F + Fe3C 相对量的计算：组织组成： P+Fe3C相对量的计算：,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,、共晶白口铸铁 C%=4.3%组织转变过程： T0 T1： LT1 T1： Ld（A+Fe3C）T1 T2： Ld（A+Fe3C+Fe3C） T2 T3： Ld(P+Fe3C+Fe3C） 低温莱氏体/变态莱氏体,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,共晶白口铸铁（C%=4.3%）在室温下： 相组成： F + Fe3C 相对量的计算：组织
8、组成： Ld,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,、亚共晶白口铸铁 2.11%4.3%组织转变过程： T0 T1： LT1 T2： L+AT2 T3： Ld+A+Fe3C T3 T4： Ld+P +Fe3C,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,亚共晶白口铸铁（2.11%C% 4.3%）在室温下： 相组成： F + Fe3C 相对量的计算：组织组成： Ld+P +Fe3C,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,、过共晶白口铸铁 4.3%6.69%组织转变过程： T0 T1： LT1 T2： L+ Fe3CT2 T3： Ld+ Fe3CT3 T4： Ld+ Fe3C,工程材料及应用 第四章 铁
9、碳合金相图,过共晶白口铸铁（4.3%C% 6.69%）在室温下： 相组成： F + Fe3C 相对量的计算：组织组成： Ld+ Fe3C,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,按相组成物填写的铁碳相图,按组织组成物填写的铁碳相图,比较：,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,第四节 铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系,一、含碳量与平衡组织间的关系从铁碳平衡相图中可以看出，随着含碳量的提高，Fe3C的含量也随之提高，而且Fe3C的形态也发生变化（亚共析钢为F基体+Fe3C片；过共析钢为P+网状Fe3C；白口铸铁中的莱氏体则是以Fe3C为基体）。因此，不同成分的铁碳合金具有不同的组织，进而决定了
10、它们具有不同的性能。,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,二、含碳量与力学性能间的关系亚共析钢的组织为F+P，随着含碳量提高，组织中P的量增大，钢的强度、硬度呈直线提高，但塑性、韧性会下降；过共析钢的组织为P+Fe3C，且Fe3C呈网状分布，当钢中wc0.9%时不仅使钢的塑性、韧性进一步下降，而且强度也明显下降，因此工业用钢的含碳量一般1.31.4%；建筑结构和各种型材需要塑性、韧性较好的材料，一般采用低碳钢；各种机械零件需要综合性能较好的材料，应采用中碳钢；各种工具则需要硬度、耐磨性较好的材料，应采用高碳钢白口铸铁的组织中存在大量的Fe3C，性能硬而脆，难以切削加工，因此在机械工业中很少应
11、用。,工程材料及应用 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Fe-Fe3C相图可以确定合适的浇注温度；接近共晶成分铸铁的固/液相线的温度间隔小，铸造性好，且浇注温度低，适合于铸造生产。 2、锻造性能 碳钢在室温下为两相组织，形变加工困难，而在高温下碳钢为单相A组织，硬度低而塑性好，锻造性能优良，适合进行锻造加工；白口铸铁在高温/低温下，其组织都是以Fe3C为基体的，不能进行锻造。 3、焊接性能 钢材的焊接性能主要取决于材料的碳当量，碳当量越低则焊接性能越好，因此焊接结构一般应选用低碳钢或低碳合金钢，而铸铁的焊接性能差，故焊接仅用于铸铁件的修复和焊补。 Ce=C+M
12、n/6+(Cr+Mo+V)/5 +(Ni+Cu)/15,工程材料及应用 第四章 铁碳合金相图,4、切削性能 低碳钢中F较多，硬度低而塑性好，加工时切削热较大，容易“粘刀”，且断屑和排屑困难，影响工件的表面粗糙度；高碳钢中Fe3C较多，硬度大，加工时刀具易磨损，切削性能也较差。一般认为，钢的硬度在160230HBW时切削加工性能较好，因此可通过预先热处理来调整碳钢的硬度，并改善Fe3C的形态和分布，提高切削加工性能。 5、热处理加工热处理的基本原理是将碳钢通过加热保温A化后，采用不同方式冷却以获得不同的组织，而Fe-Fe3C相图中的A1、A3、Acm三条相变线则是确定碳钢热处理工艺加热温度的依据。,本 章 小 结钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，通过Fe-Fe3C相图分析和研究碳钢的成分、组织和性能之间的关系，对指导以后的生产应用具有重要意义。1、要求熟练掌握Fe-Fe3C相图，认识相图中各点、线的含义。2、学会分析Fe-Fe3C相图，掌握不同成分铁碳合金的结晶过程及其在室温下的相和组织组成情况，并能利用杠杆定律进行计算。3、根据铁碳相图中各材料的成分、组织，分析并判断平衡条件下材料的力学性能和工艺性能。思考题及练习题：教材P64,工程材料及应用 第二章 金属与合金的晶体结构,
