鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織

1、第九章第九章 鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織鐵碳相圖和鐵碳合金緩冷后的組織 本章是本課程的重點章本章是本課程的重點章 本章目的：本章目的： 1 介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相；介紹鐵碳相圖的基本組元和基本相； 2 分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵分析鐵碳相圖，講解各種典型成分鐵碳合金的結晶過程和其成分組織性碳合金的結晶過程和其成分組織性能間關系。能間關系。本章重點：本章重點：（1）重要概念：鐵素體）重要概念：鐵素體 奧氏體奧氏體 珠光體珠光體 萊氏體萊氏體 共晶滲碳體共晶滲碳體 共析滲碳體共析滲碳體 二次滲碳體二次滲碳體（2）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與成分點、重）熟記鐵碳相圖，弄清重要溫度與

2、成分點、重要線意義；熟記鐵碳合金中各種相的本質與特征；要線意義；熟記鐵碳合金中各種相的本質與特征；（3）典型鐵碳合金的結晶過程分析，室溫平衡組）典型鐵碳合金的結晶過程分析，室溫平衡組織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織織中相及組織組成物相對量的計算；熟悉各組織特征特征（4）掌握鐵碳合金的成分組織性能之間的關）掌握鐵碳合金的成分組織性能之間的關系系 一、鐵碳合金與鐵碳相圖一、鐵碳合金與鐵碳相圖鋼和鑄鐵是國民經(jīng)濟和國防工業(yè)生產(chǎn)中最重要鋼和鑄鐵是國民經(jīng)濟和國防工業(yè)生產(chǎn)中最重要的一大類金屬材料，是以的一大類金屬材料，是以鐵鐵為基礎的合金。在為基礎的合金。在各種鋼和鑄鐵中均含有碳。在鐵碳二元系中把

3、各種鋼和鑄鐵中均含有碳。在鐵碳二元系中把碳含量小于碳含量小于2.11%的合金稱為的合金稱為鋼鋼；碳含量大于；碳含量大于2.11%的合金稱為的合金稱為鑄鐵鑄鐵。工業(yè)用鋼和鑄鐵中除了含有鐵、碳外，還含有工業(yè)用鋼和鑄鐵中除了含有鐵、碳外，還含有其他元素。為了研究方便，可將鋼和鑄鐵看成其他元素。為了研究方便，可將鋼和鑄鐵看成鐵碳二元合金。鐵碳二元合金。 鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金與鐵碳相圖鐵碳合金鐵碳合金應用最廣泛的合金（碳鋼、鑄鐵）應用最廣泛的合金（碳鋼、鑄鐵）一、純鐵的晶體結構與性能一、純鐵的晶體結構與性能 1 純鐵：室溫下，體心立方點陣，純鐵：室溫下，體心立方點陣， Fe， 鐵磁性，力學性能。鐵

4、磁性，力學性能。(P247) 純鐵冷卻中晶體結構的變化：純鐵冷卻中晶體結構的變化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 體心立方點陣體心立方點陣 面心立方點陣面心立方點陣 純鐵在冷卻中經(jīng)歷純鐵在冷卻中經(jīng)歷同素異構同素異構轉變轉變A4A3A2轉變轉變(770)居里點居里點(順磁性與順磁性與鐵磁性轉變溫度鐵磁性轉變溫度)具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處具有固態(tài)相變是鋼鐵材料能夠熱處理的前提與原因之一理的前提與原因之一鐵的點陣鐵的點陣未發(fā)生變未發(fā)生變化，磁性化，磁性轉變不屬轉變不屬于相變于相變相變的溫度遲滯相變的溫度遲滯純純鐵鐵結結晶晶后后的的組組織織相變的溫度遲

5、滯現(xiàn)象相變的溫度遲滯現(xiàn)象在非平衡的加熱和冷卻時，相變不在在非平衡的加熱和冷卻時，相變不在A3發(fā)生，加發(fā)生，加熱時在熱時在A3以上某一溫度發(fā)生，冷卻是在以上某一溫度發(fā)生，冷卻是在A3以下某以下某一溫度發(fā)生。當加熱或冷卻的速度越大，實際發(fā)生一溫度發(fā)生。當加熱或冷卻的速度越大，實際發(fā)生相變的臨界點偏離相變的臨界點偏離A3的溫度間隔也愈大。的溫度間隔也愈大。區(qū)分區(qū)分非平衡加熱或冷卻時的臨界點與平衡的臨界非平衡加熱或冷卻時的臨界點與平衡的臨界點點(A3),分別用下標分別用下標c，r來標注來標注加熱和冷卻加熱和冷卻時實際時實際發(fā)生相變的臨界點，記作為發(fā)生相變的臨界點，記作為Ac3和和Ar3注意：注意：-F

6、e的磁性轉變沒有轉變溫度遲滯現(xiàn)象的磁性轉變沒有轉變溫度遲滯現(xiàn)象通過結晶形成初生的通過結晶形成初生的鐵晶粒；鐵晶粒；經(jīng)過重結晶（經(jīng)過重結晶（A4相變）后，初相變）后，初生生的鐵晶粒被改造為的鐵晶粒被改造為鐵晶粒；鐵晶粒；經(jīng)過又一次重結晶（經(jīng)過又一次重結晶（A3相變）相變）后得到的室溫后得到的室溫鐵晶粒鐵晶粒純鐵結晶過程對應組織變純鐵結晶過程對應組織變化化2 純鐵的顯微組織純鐵的顯微組織 單相的單相的Fe3 工業(yè)純鐵的性能工業(yè)純鐵的性能 強度低強度低 硬度低硬度低 塑性好塑性好 鐵磁性鐵磁性4 應用：應用： 儀器儀表用軟磁鐵芯儀器儀表用軟磁鐵芯1、碳化物（碳化物（Fe3C）是）是Fe與與C的一種具

7、有復雜結的一種具有復雜結構的間隙化合物構的間隙化合物, 通常稱為通常稱為滲碳體滲碳體。磁性轉變溫度（居里點）210 滲碳體的機械性能抗拉抗拉強度強度b 延伸延伸率率 斷面斷面收縮收縮率率 沖擊沖擊韌度韌度ak 硬度硬度 30 MPa 0 0 0 800 HB Fe3C晶胞滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài), 對鐵碳對鐵碳合金的機械性能有很大影響合金的機械性能有很大影響. 二、鐵的碳化物二、鐵的碳化物 2、碳化物（碳化物（Hagg碳化物）碳化物） 化學式：化學式：Fe2.2C， Fe5C2 具有底心單斜點陣，與具有底心單斜點陣

8、，與Mn5C2同型。同型。 居里點：居里點：247 3、碳化物碳化物 化學式：化學式：Fe2.4C， Fe23C或或FexC，亞穩(wěn)相，亞穩(wěn)相 密集六角點陣，與密集六角點陣，與Ni3C同型同型 居里點：居里點：3704、碳化物的穩(wěn)定性、碳化物的穩(wěn)定性 高溫：高溫： 碳化物碳化物 碳化物碳化物 低溫：低溫： 碳化物碳化物 碳化物碳化物,可轉變可轉變,臨界溫臨界溫 度在度在230-350之間。之間。 碳化物穩(wěn)定性最好碳化物穩(wěn)定性最好備注：備注： 碳化物，碳化物， 碳化物的形成方式碳化物的形成方式 P250 三、鐵碳合金中的基本相和基本組織三、鐵碳合金中的基本相和基本組織 1 基本組元：基本組元： F

9、e、C 2 基本相：基本相： 液相、滲碳體、液相、滲碳體、碳化物、鐵素體和奧氏體碳化物、鐵素體和奧氏體 （1）鐵素體：包括）鐵素體：包括鐵素體鐵素體(或或 F)和和鐵素體。鐵素體。相區(qū)：相為相為高溫鐵素體，是碳在-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格bcc，在在1394以上存在，在以上存在，在1495時溶碳量時溶碳量最大，為最大，為0.09%.（結合鐵碳相圖進行分析）相區(qū)：相也稱相也稱鐵素體，是碳在-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時約為鐵素體中碳的固溶度極小，室溫時約為0.0008%，在，在727 時溶碳量最大，為時溶碳量最大，為0.0218%。 性能性能: 強

10、硬度低、塑韌性好、居里點強硬度低、塑韌性好、居里點（770 ） 與工業(yè)純與工業(yè)純鐵相同。鐵相同。良好塑韌性良好塑韌性鋼鋼中基體相中基體相LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDBC%Fe JNFe3C11487274.32.110.770.02186.691495AL+0.00080.530.171538912H溫度溫度1227 （2）奧氏體）奧氏體(或或 A ) 相區(qū)：相區(qū)：是是C在面心立方在面心立方-Fe中的間隙固溶體，中的間隙固溶體，呈面心立方晶格呈面心立方晶格fcc。奧氏體中碳的固溶度奧氏體中碳的固溶度較大，在較大，在1148 時溶碳量最大達時溶碳量最大達2.11%

11、。 性能性能: 強硬度較低；塑性較好強硬度較低；塑性較好, 變形抗力較變形抗力較低；沖壓、彎曲等加工變形性好；順磁性。低；沖壓、彎曲等加工變形性好；順磁性。 （3）滲碳體）滲碳體(Fe3C) 定義：定義： Fe與與C形成的金屬化合物，含形成的金屬化合物，含 6.69%C，屬于復雜晶系。符號：，屬于復雜晶系。符號：Cm 性能：強度低；性能：強度低；硬度高硬度高；無塑性；弱的鐵；無塑性；弱的鐵 磁性磁性(230 ) 硬、脆硬、脆 鋼中強化相鋼中強化相滲碳體的鑒別滲碳體硬而脆，硬度為滲碳體硬而脆，硬度為HBW800，（相當于，（相當于HRC7275）很耐磨；無延展性，強度很低，塑性、韌性幾乎為零。滲

12、很耐磨；無延展性，強度很低，塑性、韌性幾乎為零。滲碳體在鋼和鑄鐵中與其它相共存時，可以呈片狀、粒狀、碳體在鋼和鑄鐵中與其它相共存時，可以呈片狀、粒狀、網(wǎng)狀或板狀。網(wǎng)狀或板狀。滲碳體的特點滲碳體是鋼中主要強化相，它的形態(tài)、大小及分布對相的滲碳體是鋼中主要強化相，它的形態(tài)、大小及分布對相的性能有很大影響。具有金屬特性，定義為金屬化合物。性能有很大影響。具有金屬特性，定義為金屬化合物。滲碳體是一種不穩(wěn)定的相，在一定條件下，能分解而形成石墨狀的自由碳，即Fe3C3Fe十C（石墨）這一分解過程對于研究鋼和鑄鐵具有重大意義。3 組織組織 Fe-C合金成分范圍寬，相的構成只有三個，但合金成分范圍寬，相的構成

13、只有三個，但是鐵碳合金的性能差別大，原因：相之間具體組合是鐵碳合金的性能差別大，原因：相之間具體組合方式不同，或以單相或以混合相存在方式不同，或以單相或以混合相存在 不同組織不同組織 （1）鐵素體）鐵素體(F) （2）奧氏體）奧氏體(A) （3）滲碳體）滲碳體(Fe3C) （4）珠光體）珠光體(P) ：F Fe3C； 共析共析反應產(chǎn)物反應產(chǎn)物 （5）萊氏體）萊氏體(Ld)：AFe3C；共晶共晶反應產(chǎn)物反應產(chǎn)物 （6）變態(tài)萊氏體）變態(tài)萊氏體(Ld)：PFe3C單單相相組組織織兩兩相相組組織織（又叫低溫萊氏體）（又叫低溫萊氏體）FeFe3C相圖分析相圖分析實際組元：實際組元： Fe-Fe3C 鐵和

14、碳可以形成一系列化合物鐵和碳可以形成一系列化合物,如如Fe3C,Fe2C,FeC等等,有實用意義并被深入研究的只是有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分部分,通常通常稱其為稱其為 Fe-Fe3C相圖相圖, 此時相圖的組元為此時相圖的組元為Fe和和Fe3C. LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDBC%Fe JNFe3C鐵碳相圖中點、線、相區(qū)及其意義鐵碳相圖中點、線、相區(qū)及其意義11487274.32.110.770.02186.691495AL+0.00080.530.171538912H溫度溫度1227 液相線：液相線：ABCD固相線：固相線：AHJECF五個單

15、相區(qū)：五個單相區(qū)：ABCD以上液相區(qū)以上液相區(qū)（L）AHNA固溶體區(qū)固溶體區(qū)（）NJESGN奧氏體奧氏體相區(qū)（相區(qū)（ 或或A ）GPQG鐵素體相鐵素體相區(qū)（區(qū)（或或A）DFKL滲碳體相區(qū)滲碳體相區(qū)（Fe3C）AC%FeTHFe3CKLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGFD4.32.1111487270.770.02186.690.0008包晶線包晶線HJB LB+H J共析線共析線PSKS P+Fe3C共晶線共晶線ECF LC E+Fe3CB JN1495L+ H0.170.53萊氏體萊氏體珠光體珠光體AC%FeTHFe3CKLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESP

16、QGFD4.32.1111487270.770.02186.690.0008B JN1495L+ H0.170.53ES: Acm 線，從線，從中析出中析出Fe3CGS: A3線，是在線，是在冷卻過程中冷卻過程中,由由析析出出的開始線的開始線PQ: 碳在碳在相的溶相的溶解度曲線解度曲線三條重要特征曲線三條重要特征曲線AC%FeTHFe3CKLL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGFD4.32.1111487270.770.02186.690.0008B JN1495L+ H0.170.53J點點包晶點包晶點 1495 0.17% CC點點共晶點共晶點 1148 4.3% CS點點

17、共析點共析點 727 0.77% E點點的最大溶碳量的最大溶碳量 2.11% CP點點的最大溶碳量的最大溶碳量 0.0218% C727 鐵碳合金的平衡結晶過程及組織鐵碳合金的平衡結晶過程及組織 1 鐵碳合金分類鐵碳合金分類LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHFe3C4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵鋼鋼鑄鐵鑄鐵按照鐵碳相圖，按照鐵碳相圖，根據(jù)碳含量不同根據(jù)碳含量不同分為三大類：分為三大類：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型：根據(jù)組織特征，將鐵碳合金分為七種類型： （1）工業(yè)純鐵）工

18、業(yè)純鐵 Wc0.0218 （2）亞共析鋼）亞共析鋼 Wc=0.02180.77 （3）共析鋼）共析鋼 Wc=0.77 （4）過共析鋼）過共析鋼 Wc=0.772.11 （5）亞共晶白口鐵）亞共晶白口鐵 Wc=2.114.3 （6）共晶白口鐵）共晶白口鐵 Wc=4.3 （7）過共晶白口鐵）過共晶白口鐵 Wc=4.36.69LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵共析鋼共析鋼過共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵共晶白口鐵共晶白口鐵

19、過共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共析鋼亞共析鋼LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+0.0008合金合金 W WC C= 0.01% = 0.01% 的工業(yè)純鐵結晶過程的工業(yè)純鐵結晶過程常溫下的組織構成：常溫下的組織構成： F+Fe3C (P256)12345671.工業(yè)純鐵的結晶過程思考：思考：為什么會有三次滲為什么會有三次滲碳體的析出？碳體的析出？LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDAC%FeT JNA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.3

20、2.1111487270.770.02186.691495L+合金合金：共析鋼：共析鋼（Wc=0.77%Wc=0.77%）727時發(fā)生共析轉變：時發(fā)生共析轉變： S (PFe3C) = P常溫下的組織構成：常溫下的組織構成： PBH123不同放大倍數(shù)不同放大倍數(shù)下下P的顯微組織的顯微組織 計算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對含量？計算珠光體中鐵素體和滲碳體的相對含量？LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNHA1Fe3C4.32.1111487270.770.02181495L+0.0086.69WF=SK/PK =(6.690.77)/(6.690.021

21、8)100% =88.7%W Fe3C = 188.7% = 11.3%LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGKFDABC%FeT JNA1Fe3C鐵碳相圖鐵碳相圖4.32.1111487270.770.02186.691495L+亞共析鋼亞共析鋼(0.4%C)(0.4%C)常溫下的組織構成：常溫下的組織構成： F先共析先共析 PLLFe3C12435先共析先共析FP0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 區(qū)區(qū)0.4計算計算WC=0.4%鋼中的鋼中的組織組織組成物組成物 W F先先 = (0.770.40) / (0.770.0218) 100% = 49.5

22、%WP = 149.5% = 50.5%先共析先共析F 和和 P 的含量？的含量？0.02186.690.77727F + Fe3C 相相 區(qū)區(qū)0.4計算計算相相組成物組成物WF = (6.690.40) / (6.690.0218) 100% = 94.3%WFe3C = 194.3% = 5.7%鐵素體鐵素體 和和 Fe3C 的含量？的含量？過共析鋼過共析鋼( 1.0%C )L1.0 0.77 +Fe3CP +Fe3C相構成：相構成：F+ Fe3C 組織構成：組織構成： Fe3C+PFe3CP1148727合金合金 共晶白口鐵共晶白口鐵 1148發(fā)生發(fā)生共晶共晶轉變轉變 LC E+ Fe3

23、C萊氏體萊氏體 Ld室溫組織：室溫組織：共析共析反應后：變態(tài)萊氏體反應后：變態(tài)萊氏體Ld(P+ Fe3C)P+ Fe3CK 合金合金 亞共晶白口鐵亞共晶白口鐵 組織構成：組織構成：P +Fe3C +Ld2.114.30.7711487276.692.114.30.7711487276.69合金合金過共晶白口鐵過共晶白口鐵組織構成：組織構成： Fe3C+ Ld一次滲碳體一次滲碳體p255區(qū)別一次滲碳體、二次滲碳體和三區(qū)別一次滲碳體、二次滲碳體和三次滲碳體（次滲碳體（p256）一次滲碳體：過共晶白口鑄鐵在液態(tài)結晶時，從鐵碳合金液相中析出的滲碳體，稱為一次滲碳體。一次滲碳體是從液態(tài)中析出的，長大很少受阻，所以一般比較粗大。二次滲碳體Fe3CII鐵碳合金冷卻時，從奧氏體中析出的滲碳體稱為二次滲碳體。二次滲碳體一般沿奧氏體晶界析出，所以一般呈網(wǎng)狀分布。三次滲碳體鐵碳合金冷卻時，從鐵素體中析出的滲碳體稱為三次滲碳體。由于鐵素體溶碳量很低，析出三次滲碳體很少，往往可忽略不計。 一次滲碳體：液相中析出滲碳體：LFe3C 二次滲碳體：奧氏體中析出滲碳體：rFe3C 三次滲碳體：鐵素體中析出滲碳體：Fe3C小結小結鐵碳合