鮑魏濤鐵碳相圖上課課件

1、1/701/66/63材料科學(xué)與工程學(xué)院本科生課程金屬學(xué)與熱處理2/702/66/631、講述鐵碳合金的分類、鐵碳合金的結(jié)晶過程及相對量的計算；2、介紹碳含量對鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)及性能的影響。 鐵碳合金的結(jié)晶過程及相對量計算。 鐵碳合金的結(jié)晶過程及相對量計算。共6學(xué)時。3/703/66/63一、組元和相一、組元和相1、組元、組元鐵鐵-石墨相圖：石墨相圖：Fe，C;鐵鐵-滲碳體相圖：滲碳體相圖：Fe，F(xiàn)e3C。2、相、相L, , A(), F(), Fe3C(K)。 5.1 鐵碳合金的組元和基本相鐵碳合金的組元和基本相4/704/66/631、重要的點、重要的點五個重要的點：J、P、S、E、C。

2、2、重要的線、重要的線一條液相線、一條固相線、一條先共析相析出線、兩條溶解度線、三條水平線、“四條垂直線”。3、重要的區(qū)、重要的區(qū)五個單相區(qū)：L、Fe3C。5.2 鐵碳合金相圖分析鐵碳合金相圖分析5/705/66/63J為包晶點為包晶點: 1495 oC時，B點成分的L與H點成分的發(fā)生包晶反應(yīng), 生成J點成分的，0.17%C。 C點為共晶點：點為共晶點：1148 oC時, C點成分的L發(fā)生共晶反應(yīng), 生成E點成分的和Fe3C（萊氏體），4.3%C。 S點為共析點：點為共析點：727 oC時，S點成分的發(fā)生共析反應(yīng)，生成P點成分的和Fe3C（P），0.77%C。E為碳在為碳在相中的最大溶相中的最

3、大溶解度點，解度點，2.11%C。 P為碳在相中的最大溶解度點，0.0218%C。 1、五個重要的點、五個重要的點6/706/66/63一條液相線一條固相線一條先共析相析出線液相線：液相線：ABCDABCD固相線：固相線：AHJECFAHJECF先共析相析出線：先共析相析出線：GSGS2、幾條重要的線、幾條重要的線7/707/66/63兩條溶解度線碳在碳在相中的固溶度線相中的固溶度線ESES。碳在碳在中的固溶度線中的固溶度線PQPQ。8/708/66/63包晶反應(yīng)：包晶反應(yīng)：L+共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：LLd( FeC3+ )共析反應(yīng)共析反應(yīng)： P (FeC3+ ) 三條水平線三條水平線9/709

4、/66/63過共析鋼過共析鋼共析鋼共析鋼共晶白口鐵共晶白口鐵亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵過共晶白口鐵碳素鋼碳素鋼白口鑄鐵白口鑄鐵亞共析鋼亞共析鋼工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵“四條垂直線四條垂直線”10/7010/66/63液相區(qū)液相區(qū)L L。高溫鐵素體相區(qū)高溫鐵素體相區(qū) ，碳在，碳在-Fe中的間隙固溶體。中的間隙固溶體。奧氏體相區(qū)奧氏體相區(qū)A/，碳在，碳在-Fe相相中的間隙固溶體。強度和硬中的間隙固溶體。強度和硬度低，易于塑性變形。度低，易于塑性變形。鐵素體相區(qū)鐵素體相區(qū)F/，碳在，碳在-Fe相相中的間隙固溶體。強度和硬中的間隙固溶體。強度和硬度低，塑性好。度低，塑性好。滲碳體滲碳體Fe3CFe3

5、C。復(fù)。復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。硬度高，脆物。硬度高，脆性大，塑性和韌性大，塑性和韌性低。性低。3、五個單相區(qū)、五個單相區(qū)11/7011/66/63一、鐵碳合金分類一、鐵碳合金分類1、工業(yè)純鐵、工業(yè)純鐵w(C)0.0218%。2、鋼、鋼0.0218% w(C)2.11%；亞共析鋼： 0.0218% w(C)0.77%；共析鋼： w(C)=0.77%；過共析鋼：0.77% w(C)2.11%。5.3 鐵碳合金的平衡結(jié)晶與組織鐵碳合金的平衡結(jié)晶與組織12/7012/66/633、白口鑄鐵、白口鑄鐵2.11% w(C)6.69%； 亞共晶白口鐵：2.11% w(C)4.3%；共晶白口鐵：w

6、(C)=4.3%；過共晶白口鐵：4.3% w(C)6.69%。13/7013/66/63二、平衡結(jié)晶過程及其組織二、平衡結(jié)晶過程及其組織典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對量計算。 14/7014/66/63冷卻過程中勻晶反應(yīng)：冷卻過程中勻晶反應(yīng)：L相相相相（F）相中沿晶界析出片狀Fe3C1、工業(yè)純鐵結(jié)晶過程、工業(yè)純鐵結(jié)晶過程室溫組織F+Fe3C15/7015/66/63單相液體的冷卻勻晶反應(yīng)L相中析出相（奧氏體A）單相固溶體的冷卻相發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體P2、共析鋼結(jié)晶過程、共析鋼結(jié)晶過程室溫組織：P（F+Fe3C）16/7016/66/63共析轉(zhuǎn)變：共析轉(zhuǎn)變：由一個固

7、相在恒溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗鈨蓚€固相的轉(zhuǎn)變。組織為F+FeC3兩相交替排列的混合物。兩相的相對質(zhì)量是多少兩相的相對質(zhì)量是多少? ?？共析反應(yīng)生成的P在冷卻過程中，F(xiàn)析出Fe3C，但與共析Fe3C連在一起，難以分辨。17/7017/66/63%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6M%5 .11%1000008. 069. 60008. 077. 03CFeM共析鋼相組成物相對量計算18/7018/66/635001000380019/7019/66/63L相冷卻相冷卻L相相相相L相相+ 相相相（相（A），并且），并且L相有剩余相有剩余剩余剩余L相相相相單相的冷卻單相的冷卻相相

8、先共析先共析相（相（F），但），但相有剩余相有剩余剩余剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存在先析相（相（F）3、亞共析鋼結(jié)晶過程、亞共析鋼結(jié)晶過程室溫組織：室溫組織：F+P20/7020/66/63 亞共析鋼相組成物與組織組成物相對量亞共析鋼相組成物與組織組成物相對量先析鐵素體（相）在隨后的冷卻過程中會析出Fe3C，但量很少可忽略；亞亞共析鋼室溫相組成共析鋼室溫相組成：+Fe3C；亞共析鋼室溫平衡組織：亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體先析鐵素體F先先+珠光體珠光體P；以wC=0.4%鋼冷卻到727 oC為例： 相組成物相對量相組成物相對量 組織組成物相對量組織組成物相對量36.690.41

9、00%94%6.690.02181 94%6%Fe Cww 0.770.4100%49%0.770.0218149%51%FPww先 21/7021/66/63 亞共析鋼組織組成物中亞共析鋼組織組成物中Fe3CIII最大含量最大含量30.02180.0008100%0.3%6.690.00083IIIIII%CFe CFe Cw 含0.0218的過共析鋼冷卻到室溫時析出的最多。22/7022/66/63單相液體的冷卻單相液體的冷卻L相相 相（相（A）單相固溶體的冷卻單相固溶體的冷卻相中析出二次滲碳體（相中析出二次滲碳體（Fe3C）相相P（ +Fe3C），存在），存在Fe3C4、過共析鋼結(jié)晶過程

10、、過共析鋼結(jié)晶過程室溫組織室溫組織P+Fe3C23/7023/66/6323/63 過過共析鋼相組成物與組織組成物相對量共析鋼相組成物與組織組成物相對量從奧氏體中析出的Fe3C稱為Fe3C，沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使材料整體脆性加大；過共析鋼室溫平衡相：過共析鋼室溫平衡相：+Fe3C；過共析鋼室溫平衡組織：過共析鋼室溫平衡組織：P+Fe3C。以wC=1.2%鋼冷卻到727 oC為例：相組成物相對量相組成物相對量 組織組成物相對量組織組成物相對量6.69 1.2100%82%6.690.02181 82%14%3Fe Cww 6.69 1.2100%93%6.690.771 93%7%3IIPF

11、e Cww 24/7024/66/63 過共析鋼組織組成物中過共析鋼組織組成物中Fe3CII最大含量最大含量32.117272.110.77100%23%6.690.773IIoII%CCFe CFe Cw 成分為的過共析鋼冷卻到析出的最多。25/7025/66/63單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：共晶反應(yīng)：LLd（+Fe3C）共晶中共晶中相不斷析出相不斷析出Fe3CII發(fā)生共析反應(yīng)，剩余發(fā)生共析反應(yīng)，剩余轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镻。共析反應(yīng)后共析反應(yīng)后Ld(Fe3C+Fe3CII+P)5、共晶合金結(jié)晶過程、共晶合金結(jié)晶過程室溫組織：室溫組織：Ld(P+ Fe3CII+Fe3C) 26/7026/6

12、6/6326/63 共晶白口鑄鐵的平衡冷卻共晶白口鑄鐵的平衡冷卻冷卻過程中萊氏體中的奧氏體相析出Fe3C，但其依附于萊氏體中的Fe3C長大，不可見；共共晶白口鐵室溫相組成：晶白口鐵室溫相組成：+Fe3C；共晶白口鐵室溫組織：共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏體變態(tài)萊氏體Ld （珠光體呈條狀或粒狀分布在Fe3C基體上）； 共晶白口鐵的基體相是Fe3C脆性相，材料整體脆性較大，硬度較高。27/7027/66/63 共晶白口鐵冷卻到共晶白口鐵冷卻到1148 oC時相組成物相對量時相組成物相對量3o3C+Fe C4.32.11100%48%=1-48%=52%6.692.11Fe Cww1148時的相組成為

13、。；28/7028/66/63單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：剩余共晶反應(yīng)：剩余LLd(+Fe3C)先共晶先共晶相不斷析出相不斷析出Fe3C，共晶，共晶相析出相析出Fe3C共析反應(yīng)：共析反應(yīng)：及及Ld(+Fe3C+Fe3CII) P+Ld（P+Fe3C+Fe3CII）勻晶反應(yīng)：勻晶反應(yīng)： L 先共晶先共晶室溫組織：室溫組織：P+Ld(P+Fe3C+Fe3CII) +Fe3CII6、亞共晶白口鐵結(jié)晶過程、亞共晶白口鐵結(jié)晶過程室溫組織：室溫組織：P+ Ld (P+ Fe3C+ Fe3C) + Fe3C29/7029/66/63 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵相組成物與組織組成物相對量相組成物與組織

14、組成物相對量1148 oC時初晶相析出完畢，剩余L發(fā)生共晶反應(yīng)，形成Ld；繼續(xù)冷卻時，初晶相和共晶相中均將析出Fe3CII，冷卻到727 oC時剩余初晶相轉(zhuǎn)變?yōu)镻，Ld轉(zhuǎn)變?yōu)長d；室溫相組成：+Fe3C；室溫組織組成：P+Ld+Fe3CII以3.0%C的亞共晶白口鐵為例，1148 oC時：4.33.0100%59%;=1-59%=41%4.32.11Ldww初30/7030/66/63 1148 oC冷到冷到727 oC時時初初中析出的中析出的Fe3CII3II2.110.7759%6.690.77100%13.4%Fe Cw727 oC時時P的含量的含量=59%-13.4%=45.6%P6.

15、692.11()59%6.690.77100%45.6%w727 oC時的相組成：時的相組成：+Fe3C36.693.0()=55.3%;155.3%45.7%6.690.0218Fe Cww31/7031/66/631148 oC冷到冷到727 oC時時Fe3CII=(13.4+4.8)%=18.2%36.69 3.02.11 0.77()6.69 2.116.69 0.77100% 18.2%IIFe Cw 1148 oC時時Ld中的中的奧氏體奧氏體含量含量共共6.694.341%6.692.11100%21.4%w共 1148 oC冷到冷到727 oC時時 共共中析出的中析出的Fe3CI

16、I3IIFe C2.110.7721.4%6.690.77100%4.8%w727 oC時的組織組成：時的組織組成：P+Ld +Fe3CII3345.6%;41%;13.4%;100%IIIIPLdFe CpLdFe Cwwwwww32/7032/66/6333/7033/66/63單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：剩余共晶反應(yīng)：剩余LLd (+Fe3C)共晶共晶相析出相析出Fe3C共析反應(yīng)：共析反應(yīng)： Ld(+Fe3C) Ld(P+Fe3C+Fe3CII) 勻晶反應(yīng)：勻晶反應(yīng)： L Fe3CI室溫組織：室溫組織：Ld(P+Fe3C+Fe3CII) + Fe3CI7、過共晶白口鐵結(jié)晶過程、

17、過共晶白口鐵結(jié)晶過程室溫組織室溫組織Fe3C+ Ld 34/7034/66/635%C鋼在1148 oC時的相組成物是什么？如何計算？5%C鋼在1148 oC時的組織組成物是什么？如何計算？35/7035/66/63 計算計算1148 oC時時wc=5.0%的過共晶合金初的過共晶合金初晶滲碳體和萊氏體相對含量？晶滲碳體和萊氏體相對含量？354.3100%29%;=1-29%=71%6.694.3IFe CLdww 室溫下的相組成相對量？室溫下的相組成相對量？3350.0008100%75%;125%6.690.0008Fe CFFe Cwww 36/7036/66/63鐵碳合金中的基本組織鐵碳

18、合金中的基本組織37/7037/66/63鋼中組織組分與相組分的計算鋼中組織組分與相組分的計算38/7038/66/63亞共晶白口鐵中組織組分與相組分的計算亞共晶白口鐵中組織組分與相組分的計算39/7039/66/63鐵碳合金中的滲碳體鐵碳合金中的滲碳體40/7040/66/63鐵碳合金的分類鐵碳合金的分類41/7041/66/63三、相圖標(biāo)注三、相圖標(biāo)注標(biāo)注相的標(biāo)注相的Fe-Fe3C相圖相圖42/7042/66/63三、相圖標(biāo)注三、相圖標(biāo)注標(biāo)注組織的標(biāo)注組織的Fe-Fe3C相圖相圖43/7043/66/63一、碳對平衡組織的影響一、碳對平衡組織的影響鐵碳合金的室溫平衡組織均由鐵素體和滲碳鐵素

19、體和滲碳體兩相組成體兩相組成，并且隨著含碳量的增加，滲碳體逐慚增加，鐵素體量逐慚減少。5.4 碳對鐵碳合金平衡組織與性能影響碳對鐵碳合金平衡組織與性能影響3333FeCIIIIdddIFF PPP FeCP FeCLLL FeC 44/7044/66/63鐵碳合金成分與組織之間的關(guān)系鐵碳合金成分與組織之間的關(guān)系相組織組成物和組織組成物的相對含量均可由杠桿定律求得。45/7045/66/63二、碳對鐵碳合金機(jī)械性能的影響二、碳對鐵碳合金機(jī)械性能的影響1、對硬度的影響、對硬度的影響 主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 隨 C ， 硬 度 高 的Fe3C，硬度低的F，硬度呈直線。

20、46/7046/66/632、對強度的影響、對強度的影響0.0218%C0.77%，脆性Fe3CII斷續(xù)沿晶界析出，合金強度的增高變慢，到約0.9%C時, Fe3CII沿晶界形成完整的網(wǎng)，強度迅速降低，隨著C，強度不斷下降，到2.11%C后，合金中出現(xiàn)Ld時，強度已降到很低的值；C2.11%后，合金基體都為脆性很高的Fe3C，強度變化不大且值很低，趨于Fe3C的強度(約20 MPa30 MPa)。47/7047/66/633、對塑性的影響、對塑性的影響鐵碳合金中Fe3C是極脆的相，沒有塑性。合金的塑性變形全部由F提供。隨C, F量不斷，合金的塑性連續(xù)。到合金成為白口鑄鐵時，塑性就降到近于零值了

21、。 48/7048/66/631、切削加工性能、切削加工性能材料的硬度太軟，容易粘刀，切削熱大，切屑不易折斷，影響表面粗糙度；材料的硬度太硬，刀具磨損嚴(yán)重；鋼硬度為HB250時，切削加工性最好；粗晶粒鋼的韌性較差，切削易斷，切削性能較好；片狀珠光體的切削加工性能好于二次滲碳體，當(dāng)二次滲碳體呈粒狀分布時，可改善其切削加工性能； 三、碳對鐵碳合金工藝性能的影響三、碳對鐵碳合金工藝性能的影響49/7049/66/63導(dǎo)熱性對切削加工意義重大 奧氏體鋼，導(dǎo)熱性低，切削熱基本聚集在切削刀附近而很少被工件吸收，使刀具變熱，降低了刀具壽命。因此，盡管奧氏體鋼的硬度不高，但切削加工性能不好。50/7050/6

22、6/632、可鍛性、可鍛性低碳鋼塑性好，可鍛性好。隨C，可鍛性變差；白口鑄鐵不能鍛造。 3、鑄造性、鑄造性C，鋼結(jié)晶溫度區(qū)間增大，對流動性不利；C液相線溫度降低，當(dāng)澆注溫度相同時，含C高鋼的液相線與鋼液溫差較大，對流動性有利；綜合考慮，鋼液的流動性隨C而提高；澆注溫度越高，流動性越好，鑄造性越好。51/7051/66/63鑄鐵的液相線溫度比鋼低，流動性比鋼好。共晶鑄鐵的結(jié)晶溫度最低，同時又是恒溫結(jié)晶，流動性最好；鋼的分散縮孔多，偏析大，鑄造性越差。而共晶成分鑄鐵的收縮為集中縮孔，偏析小，鑄造性好。52/7052/66/631、Mn和和Si的影響的影響Mn和和Si是有益雜質(zhì)；是有益雜質(zhì)；作為脫氧

23、劑產(chǎn)物的MnO和SiO2若留在鋼中，成為非金屬夾雜，將使鋼的疲勞強度和塑、韌性下降；Mn在鋼中形成MnS，可消除硫的有害作用；Mn還可溶入Fe3C中形成合金滲碳體；溶解于鐵素體中的Mn可增加P數(shù)量并使其細(xì)化，提高強度；Mn和Si溶入鐵素體起固溶強化作用，但降低塑性和韌性。5.5 鋼中雜質(zhì)元素對組織與性能的影響鋼中雜質(zhì)元素對組織與性能的影響53/7053/66/632、S的影響的影響在鋼中一般起有害作用。在鋼中一般起有害作用。不能溶于固溶體中，而是以FeS夾雜物的形式存在晶界上（嚴(yán)重的偏析）。最大的危害是引起“熱脆”；熱脆的原因：熱脆的原因：形成（-Fe+FeS）共晶，熔點為989 oC。當(dāng)鋼在

24、1150-1250 oC進(jìn)行熱加工時， -Fe+FeS共晶熔化，使鋼沿奧氏體晶界開裂而變脆；防止熱脆的方法：防止熱脆的方法：加入適當(dāng)Mn，MnS先于FeS而形成，MnS的熔點(1600 oC)，高于熱加工溫度，在高溫下具有一定塑性，可避免熱脆的發(fā)生。但MnS在壓力加工后可能對性能產(chǎn)生不利影響。54/7054/66/63S的有利作用。的有利作用。提高鋼的切削加工性能；在易切削鋼中，含S量一般為0.15-0.3%，同時加入0.6-1.2%Mn。為何可提高切削加工性能？為何可提高切削加工性能？夾雜物是應(yīng)力集中源，從而成為裂紋源和細(xì)碎化切削，但又不致使工件產(chǎn)生裂紋；生成MnS，硬度較低，起斷屑，減少摩

25、擦作用。55/7055/66/633、P的影響的影響在鋼中一般起有害作用；可全部溶于鐵素體中，鐵素體的強度和硬度，鋼的室溫塑性和韌性，韌脆轉(zhuǎn)變溫度，產(chǎn)生冷脆冷脆。但可提高切削加工性能。嚴(yán)重偏聚于晶界，引起回火脆性。在鋼基體中的擴(kuò)散速度很小，很難用熱處理消除。與銅共存可顯著提高鋼的耐蝕性能。56/7056/66/634、H的影響的影響(1) 引起氫脆引起氫脆對于鋼而言，一般認(rèn)為，在鋼凝固過程中，溶入其中的H沒能及時逸出，向晶格缺陷附近擴(kuò)散，到室溫時原子H在缺陷處結(jié)合成H2并不斷聚集，從而產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，使金屬發(fā)生裂紋而致脆。(2) 產(chǎn)生白點產(chǎn)生白點鋼材內(nèi)部產(chǎn)生的細(xì)微裂紋缺陷，在鋼材縱斷面上呈光滑的銀白色白點，在酸洗后的斷面呈發(fā)絲狀裂紋。57/7057/66/6357/6358/7058/66/635、N的影響的影響引起淬火時效引起淬火時效鋼由高溫快冷到室溫，過剩的N來不及析出而過飽和于-Fe中，在室溫長時間停留或稍加熱時，N將以FeN形式從-Fe中析出，強度和硬度，塑性和韌性，使鋼變脆。加入Al、Ti形成AlN和TiN，可以消除時效脆性。59/7059/66/636、O及其他非金屬夾雜物的影響及其他非金屬夾雜物的影響氧化物及其他非金屬夾雜破壞了鋼基體的連續(xù)性，在載荷作用下，往往成為裂紋源；