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
2、处理、冶炼和铸造等工艺依据.,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
3、变之一固态相变。 铁的同素异构转变 铁在固态冷却过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
4、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
5、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
6、),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(2.116.69%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Fe3
7、C，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 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,
8、 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%0.77% (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
9、：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
10、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。,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,L
11、L (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Fe3C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L
12、e。,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+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) Fe3C
13、I +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
14、。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
15、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）+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。,五、铁碳相图的应用,(1)钢铁选材,1、需要韧性、
16、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
17、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。,
