1、铁碳合金的基本组织和相图,本节难点：铁碳合金状态图的理解；,铁碳合金由于其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越，在工业生产中广泛使用。,合金的结构,纯金属虽然得到了一定的应用，但是它的机械性能较差，而且价格昂贵。因此在工业生产上应用的大都是合金。合金定义：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。,合金的结构,组元：组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。 相：合金中的相是指有相同的结构，相同的物理、化学性能，并与该系统中其余部分有明显界面分开的均匀部分。例如：水和冰虽然化学成分相同，但物力性能不同，则
2、为两个相。固态下只有一个相的合金称为单相合金；由两个或两个以上相组成的合金称为多相合金。,合金的结构,合金的结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元之间在结晶时的相互作用，合金可以形成：固溶体、金属化合物和机械混合物三种。,合金的结构,合金的结构,置换固溶体：溶质原子占据晶格的正常结点，这些结点上的溶剂原子被溶质原子所替换，当合金中的二组元的原子半径相近时，更易形成这种置换固溶体。有些置换固溶体的溶解度有限，称有限固溶体，但当溶剂与溶质原 子的半径相当，并 具有相同的晶格类 型时，它们可以按 任意比例溶解，这 种置换固溶体称为 无限固溶体。,合金的结构,间隙固溶体：溶质原子不占据正常的晶格结点，而
3、是嵌入晶格间隙中，由于溶剂的间隙尺寸和数量有限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体，且这种固溶体的溶解度有限。,合金的结构,固溶体的性能：固溶体与纯金属相比，不仅具有高的强度和硬度，还有良好的塑性与韧性。一般合金都是以固溶体作为基体相。,固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。,合金的结构,合金的结构,（2）金属化合物 金属化合物：是
4、合金中各组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，其晶体结构一般比较复杂，而且不同于任一组成元素的晶体类型。它的组成一般可用分子式来表示，如铁碳合金中的Fe3C（渗碳体）。,金属化合物性能：一般熔点高，性能硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体基体上时，能使合金的强度、硬度、耐磨性等提高，这一现象称为弥散强化，因此，合金中的金属化合物是不可缺少的强化相；但由于金属化合物的塑性、韧性差，当合金中的金属化合物数量多或呈粗大、不均匀分布时，会降低合金的力学性能。,合金的结构,合金的组织可以是单相固溶体，但由于其强度不够高，其应用具有局限性；绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合
5、物。通过调整固溶体中溶质原子的含量，以及控制金属化合物的数量、形态、分布状况，可以改变合金的力学性能， 以满足不同的需要。,合金的结构,（3）机械混合物机械混合物是指合金中，两种相或两种以上的相相互均匀混合形成的混合组织，其中各个相仍然保持其各自相的结构特征，但是它们相互间仅仅发生了机械均匀的混合而已。 机械混合物的性能决定于组成混合物各部分的性能、数量、大小和形态。,合金的结构,合金的结晶 合金的结晶过程也是在过冷的条件下形成晶核和晶核长大的过程。但合金的结晶过程较为复杂, 通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。我们将在下面以铁碳合金为例进行详细分析和讲解,一、铁碳合金的基本组织及其性能,以
6、铁和碳为基本组元组成的合金,钢 和铸铁的总称 1. 铁素体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称 铁素体，用F或 表示。 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。其强度、硬度低, 塑性、韧性好.,铁素体,2 奥氏体: 碳溶于 -Fe中形成的间隙固溶体称奥氏体。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、硬度低、塑性、韧性 好，钢材热加工都在区进行。 碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,3. 渗碳体是铁与碳的金属化合物,
7、含碳6.69%，用Fe3C表示。Fe3C具有复杂的晶格结构,硬度很高、脆性大，塑性、韧性几乎为零,不能单独使用.是钢中的主要强化相. 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。,4.珠光体：,铁素体和渗碳体的机械混合物称为珠光体,用符号P表示. 铁素体和渗碳体呈片状交替排列,WC=0.77,力学性能介于铁素体和渗碳体之间, 强度、硬度较高,有一定的塑性、韧性.,奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称莱氏体,用符号 Ld 表示WC=4.3, 其性能与渗碳体相似,硬度很高，塑性韧性极
8、差。,5.莱氏体：,二、铁碳合金状态图及其应用,1.铁碳合金状态图,铁碳合金状态图是表示缓慢冷却(加热)条件下,不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形.,多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元，如Fe-C合 金中的Fe3C。 相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。 根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。,几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。,相图的建立,：纯铜 ：75%Cu+25%Ni III：50%Cu+50%Ni,：25%C
9、u+75%Ni ：纯Ni,二元相图的建立：以Cu-Ni合金(白铜)为例,1)、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2)、在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。 3）、将垂线上相同意义的点连 接起来，并标上相应的数字 和字母。相图中，结晶开始点的连 线叫液相线。结晶终了点的 连线叫固相线。,铁碳合金状态图,1) 特征点,1) 特征点,共晶：指一定成分的液体合金，在一定温度下，同时结晶出成分和晶格均不相同的两种晶体。,共析：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的，具有一定晶体结构的固相,2）、特征线液相线ABCD(AC
10、D)固相线AHJECF(AECF) 共晶线ECF, LC A + Fe3C共晶产物是 A 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Ld表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。,莱氏体,共析线PSK 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。其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 。,3） 其它相线 GS,GPA 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。,2、铁碳合金的分类,铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： 工业纯铁(0.0218% C) 组织
11、为单相铁素体。 钢(0.02182.11%C) 高温组织为单相 A，易于变形， 亚共析钢(0.0218 0.77%C) 共析钢(0.77%C) 过共析钢(0.77 2.11%C), 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(4.3 6.69%C),典型铁碳合金平衡结晶过程分析,P+Fe3C,共析钢 C%=0.77%,L-L+A-A- A+P-P相组成物：F和Fe3C,组织组成物 ： P,珠光体,亚共析钢 0.0218%C%0.77%,L-L+A-A-A+F-A+P+F-P+F,45钢金相,亚共析钢室温下
12、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,铁素体量减少.,相组成物：F，Fe3C,过共析钢,L-L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CII,T12钢金相,相组成物：F，Fe3C,组织组成物：P，Fe3CII,含1.4%C钢的组织,随着含碳量增加二次渗碳体量增加,珠光体量减少.,共晶白口铁（C%=4.3%）,L-L+Le-Le (A+Fe3C共晶)-Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII)-Le(P+Fe3CII+Fe3C),共晶白口铁金相,相组成物：F，Fe3C,F%=,Fe3C%=,组织组成物：Le,亚共晶白口铸铁 2.11%C%4.3%,过共晶白口铸铁,小结：标注组织的铁碳相图,3、含碳量对铁碳合金性能的影响 含碳量越高，强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。,本节结束,
