1、闫健 ,welcome,材料科学基础,1,2,第四章 铁碳合金和铁碳相图,4.1 铁碳合金中的组元和基本相 4.2 Fe-Fe3C相图 4.3 典型合金的平衡结晶 4.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 4.5 钢中杂质元素对组织性能的影响,3,4,4.1 铁碳合金中的组元和基本相,组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（）、铁素体（）、奥氏体（） 基本组织： 珠光体（P）、莱氏体（Le/Le）,5,纯铁,纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。,由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。,同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。,原子序数26，相对
2、原子质量55.85，Tm 1538， 20密度为7.87g/cm3。,纯铁的性能,6,抗拉强度 176274MPa 屈服强度 98166MPa 延伸率 30%50% 断面收缩率 70%80% 冲击韧性 160200J/cm2 硬度 5080HBW,1538,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,液 相,体心立方,体心立方,面心立方,返回,7,同素异构转变,铁素体与奥氏体,铁素体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构，常用或者表示。 奥氏体是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，为面心立方结构，常用或者表示。 铁素体的溶碳能力比奥氏体小的多，奥氏体的最大溶碳量是2.11 % （1148），而铁素
3、体的最大溶碳量仅为0.0218% （727）。770 是Fe的居里点，770 以上表现为顺磁，770 以下表现为铁磁。,8,碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体,强度、硬度低,塑性、韧性好,返回,9,碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。,有一定的强度和硬度，塑性也很好,返回,10,渗碳体,渗碳体是Fe与C形成的间隙化合物Fe3C，含碳量是6.69%，是钢铁中的重要基本相。渗碳体具有很高的硬度，大约为800HBW，但塑性很差，延伸率接近于零， 理论熔点1227。,11,铁与碳形成具有复杂晶格的稳定间隙化合物Fe3C,硬度很高,脆性大，塑性和韧性极低,返回,12,铁素体和渗碳体组成 的机械混合物,综合力
4、学性能较好,返回,13,第二节 FeFe3C相图分析 一、相图分析,相图中的三个重要点,相图中的五个单相(区),相图中的三条水平线,相图中的四条垂直线,14,J为包晶点: 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。,C点为共晶点 1148 时, C点成分的L发生共晶反应, 生成E点成分的和Fe3C（莱氏体）。,S点为共析点 727 时, S点成分的发生共析反应, 生成P点成分的和Fe3C（P）。,返回,15,相图中的三个重要点,返回,16,相图中的五个单相(区),包晶反应：L+,共晶反应：LLe( FeC3+ ),共析反应： P (FeC3+ ),返回,17,相
5、图中的三条水平线,3.2 Fe-Fe3C相图,过共析钢,共析钢,共晶白口铁,亚共晶白口铁,过共晶白口铁,碳素钢,白口铸铁,工业纯铁,18,相图中的四条垂直线,19,20,三条重要特性曲线,1：GS线 A3线2：ES线 Acm3：PQ线,21,过共析钢,共析钢,亚共析钢,共晶白口铁,亚共晶白口铁,过共晶白口铁,铁碳合金,碳素钢,白口（铸）铁,工业纯铁,0.0218%,0.02182.11%,2.116.68%,0.77%,4.3%,22,第三节 铁碳合金的平衡结晶过程及组织,亚共析钢用途实例,45钢 碳含量0.45,60钢 碳含量0.60,23,共析钢的应用举例,T8钢 碳含量 0.80,24,
6、过共析钢应用举例,T12 钢 碳含量 1.2,返回,25,一、工业纯铁,26,冷却过程中匀晶反应：L相相相相 相中沿晶界析出片状Fe3C,返回,27,28,二. 共析钢,29,单相液体的冷却,匀晶反应L相中析出相（奥氏体A）,单相固溶体的冷却,相发生共析反应生成珠光体P,30,注意事项,共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成Fe3C，但与共析的Fe3C连在一起，难以分辨。,共析钢的室温平衡组织：P,P：铁素体（F）和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？,31,杠杆定律 计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是
7、两个相的成分点。,32,33,三、亚共析钢,34,L相冷却,L相 相,L相+ 相 相，并且L相有剩余,剩余L相 相,单相的冷却,相 相，但相有剩余,共析反应：剩余相P（+Fe3C），存在先析相,35,注意事项,先析铁素体（相）在随后的冷却过程中会析出Fe3C，但量很少可忽略,亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P,利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数,36,计算727 下, 组织组成物的质量分数,37,38,四、过共析钢,39,单相液体的冷却,L相 相,单相固溶体（奥氏体）的冷却,相中析出二次渗碳体（Fe3C）,共析转变
8、： 相（ +Fe3C），存在Fe3C,40,注意事项,从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体,Fe3C沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大,过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3C,利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数,41,42,43,五、亚共晶白口铁,44,单相液体的冷却,共晶反应：LLe（+Fe3C）,共晶中的相不断析出Fe3C，不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C）,45,46,六、亚共晶白口铁,47,单相液体的冷却,共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）,先共晶相不断析出Fe3C，共晶相析出Fe3C不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+
9、Fe3C） 先共晶相 P,匀晶反应： L 相,室温组织： Le（P+Fe3C） + P,48,49,七、过共晶白口铁,50,单相液体的冷却,共晶反应：剩余LLe（+Fe3C）,共晶相析出Fe3C不可见,共析反应： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C）,匀晶反应： L Fe3C相,室温组织： Le（P+Fe3C） + Fe3C,51,52,第四节 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,53,一、对平衡组织的影响,54,55,56,二、对力学性能的影响,（1）C硬度 （2）C塑性 （3）C韧性 （4）C强度先后,57,三、对工艺性能的影响,1、切削加工性能 适当的碳含量有利于切削加工性能，碳化
10、物形态对于切削加工性能有明显的影响。 2、可锻性 压力加工时能够改变形状而不产生裂纹的性能 C可锻性；高温奥氏体有良好的可锻性。 3、铸造性 主要体现在流动性、收缩性方面。,58,流动性是指液态金属充满铸型的能力。主要受到化学成分和浇筑温度的影响。 T浇筑 流动性； T浇筑一定时，过热度流动性； C 液相线T过热度流动性。 铸铁的液相线温度比钢低，故铸铁的流动性总是比钢好。铸铁中共晶铸铁流动性最好，原因是（1）液相线温度低，（2）恒温凝固。,59,铸件从浇筑温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。 收缩是铸造合金本身的物理性质，是铸件产生缩孔、缩松、残余内应力、变形和开裂的
11、基本原因。 液态金属冷却到室温要经历三个阶段的收缩： （1）液态收缩 从浇筑温度到开始凝固温度这一温度范围内的 收缩称为液态收缩。,60,（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终了这一温度范围内的收缩称为凝固收缩。 （3）固态收缩 从凝固终止至冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。 液态收缩、凝固收缩表现为合金体积的缩小，称为体收缩。固态收缩虽然也使体积缩小，但只引起尺寸变化，不引起形状变化，称为线收缩。,61,62,63,64,第五节 钢中杂质元素及钢锭组织,一、钢中杂质元素及其影响 1、Mn、Si的影响 冶炼时加的脱氧剂，形成MnO、SiO2。Mn和S可以形成MnS，消除了S 的有害作用。
12、Mn 还可以溶入铁素体中提高强度，也可以溶入渗碳体中，形成(Fe,Mn)3C。 Si溶入铁素体可以起到固溶强化作用，但含量不能太高，否则会降低塑形和韧性，碳钢中Si 含量一般不超过0.5%。,65,2、S的影响,S 在钢中会形成FeS，局部容易出现偏聚，晶界上形成（Fe+FeS）二元共晶（熔点989），轧钢加热温度一般1200-1250，出现熔化，容易沿晶界开裂。如果出现三元共晶组织（Fe+FeO+FeS,熔点940），危害更大。 加Mn形成MnS（熔点1600）可以解决这个问题。,66,67,Titanic的沉没,68,69,70,71,3、P的影响 主要由铁矿石原料带入。 P有很强的固溶强
13、化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但使塑形、韧性强烈降低，即产生冷脆现象。 P有提高耐大气腐蚀的能力。4、N的影响 产生淬火时效和应变时效现象，使强度、硬度升高，塑形、韧性下降。 N和Al可以形成AlN,可以起到细化晶粒作用。,72,5、H的影响 引起氢脆，钢中容易引起白点。6、O及其它非金属夹杂物的影响 氧在钢中几乎全部以氧化物的形式存在，此外，还存在硫化物、硅酸盐夹杂。总体来说都降低钢材力学性能（塑形、韧性、疲劳强度、耐蚀性等），通过真空冶炼、电渣重熔等二次精炼技术有效降低。,73,二、钢锭组织和缺陷,1、镇静钢（O0.01%） 脱氧比较完全的钢。 铸锭依然三晶区，缺陷包括缩孔、缩松、偏析
14、、气泡等。2、沸腾钢（0.03%O0.07%） 脱氧不完全的钢。由坚壳带、蜂窝气泡带、中心坚固带、二次气泡带、锭心带组成，力学性能不高。,74,a.镇静钢的组织,75,b.镇静钢的缺陷,76,77,2. 沸腾钢,(1)坚壳带。由细小等轴晶组成的无气泡的致密、坚实的外壳带。一般厚度为1225mm。 (2)蜂窝气泡带。钢锭下部的柱状晶在向锭心生长时，平行于柱状晶生长方向而逐渐长大成为椭圆形气泡组成。 (3)中心坚固带。为防止出现过分严重的偏析在钢液上面加盖封顶后，抑制了碳氧反应，气体停止析出，蜂窝气泡终止生长，而结晶继续进行，形成无气泡的由柱状晶组成的中心坚固带。 (4)二次气泡带。随柱状晶的生长
15、，由于偏析作用碳氧富集到一定程度时，碳氧反应重新发生，成为二次气泡带。 (5)锭心带。当模壁温度与钢锭中心温度之差很小时，钢锭心部形成等轴晶，成为锭心带。此时沸腾已大致停止，但仍有少量气孔形成，部分气泡还能逐渐上移聚合长大为头部大气泡。构成头部疏松区。沸腾钢钢锭凝固时强烈析出气体，在各类钢锭中，偏析最为严重。钢锭越大，沸腾越烈，延续时间越长，偏析发展愈严重。,78,沸腾钢的应用,1.优点与应用a). 形成一个纯净、坚实的外壳，故轧成的产品表面质量较好，特别适于制造薄板。b)含碳、硅量较低，有良好的焊接、冷弯和冲压性能，一些冷冲压件如拖拉机箱、汽车壳体等均使用沸腾钢。c)还用它轧制一般型钢、中板、线材、窄带和管材。沸腾钢钢锭头部没有集中缩孔，轧制成坯后切头率低，且消耗脱氧剂和耐火材料少，故成本较低。大多数国家沸腾钢的产量占模铸钢总产量的40%50%。 2. 缺点 偏析严重、组织不致密、力学性能波动较大，在轧材的不同部位抗拉强度和伸长率有明显差别。其低温冲击性差，钢板易于失效使韧性降低，故不适于制造对力学性能要求较高的零部件,79,谢谢,80,
