鐵碳合金及鐵碳相圖

1、第九章 鐵碳合金和鐵碳相圖9.1 鐵碳合金中的組元和基本相鐵碳合金中的組元和基本相9.2 Fe-Fe3C相圖分析相圖分析9.3 典型合金的平衡結(jié)晶典型合金的平衡結(jié)晶9.4 含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對鐵碳合金組織和性能的影響 鑒于含碳量為鑒于含碳量為6.69%的的Fe3C硬而脆，超過硬而脆，超過6.69的的鐵碳合金沒有實用價值。鐵碳合金沒有實用價值。所以所以我們研究的鐵碳相圖我們研究的鐵碳相圖，實際上是，實際上是Fe和和Fe3C二個二個基本組元組成的基本組元組成的FeFe3C相圖相圖或或Fe和自由碳組成的和自由碳組成的FeG相圖。相圖。 整個整個FeFeC C相圖包括相圖包括FeF

2、eFe3CFe3C、Fe3CFe3CFe2CFe2C、Fe2CFe2CFeCFeC、FeCFeCC C等部分組成。等部分組成。組組 元：元： 純鐵、滲碳體基基 本本 相：相： 高溫鐵素體（）、 鐵素體（）、 奧氏體（）基本組織：基本組織： 珠光體（P）、 萊氏體（Le/Le）9.1 鐵碳合金中的組元和基本相鋼和鑄鐵可以看成是鐵碳二元合金，碳含量（重量）小于2.11%的合金稱為鋼，大于2.11%的合金稱為鑄鐵。1394 C912 C體心立方體心立方面心立方面心立方體心立方體心立方 - Fe - Fe - Fe一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變一、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變第一節(jié)第一節(jié) 鐵碳合金的組元與基本相鐵碳合金

3、的組元與基本相鐵在室溫為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為 鐵，具有鐵磁性。在鐵，具有鐵磁性。在770 （居里點）以上鐵磁性消失，（磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變）鐵磁性消失，（磁性轉(zhuǎn)變不屬于相變）溫度到達溫度到達912 以上時具有面心立方點陣結(jié)構(gòu)，稱為鐵；鐵；溫度到達溫度到達1394 以上時再次具有體心立方點陣結(jié)構(gòu)，稱為鐵；鐵；溫度到達溫度到達1538 以上時成為液態(tài)液態(tài)。1394 C912 C體心立方體心立方面心立方面心立方體心立方體心立方 - Fe - Fe - Fe1394 C912 C體心立方體心立方面心立方面心立方體心立方體心立方 - Fe - Fe - FFe-Fe-Fe液液 相相

4、體心立方體心立方體心立方體心立方面心立方面心立方溫度溫度 時間時間/s室溫室溫返回返回9.1 鐵碳合金中的組元和基本相770非 磁 性磁性純鐵純鐵強度低，硬度低，塑性好，很少做結(jié)構(gòu)材料。由于有高的磁導率，可作為電工材料用于各種鐵芯。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在溫度（壓力）改變時發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)變化的現(xiàn)象。9.1 鐵碳合金中的組元和基本相二、鐵碳合金的基本相及其性能二、鐵碳合金的基本相及其性能鐵素體（鐵素體（F）：碳溶與碳溶與-Fe中形成中形成的間隙固溶體。的間隙固溶體。性能性能-強度和硬度強度和硬度低，塑性和韌性好低，塑性和韌性好奧氏體（奧氏體（A）：碳與碳與-Fe形成的間隙形成的間隙固溶體

5、。高溫組織固溶體。高溫組織，在大于，在大于727時存時存在。在。性能性能-塑性好，強塑性好，強度和硬度高于度和硬度高于F。在。在鍛造、軋制時常要鍛造、軋制時常要加熱到加熱到A，可提高塑，可提高塑性，易于加工。性，易于加工。滲碳體（滲碳體（ Fe3C ）：鐵與碳形成：鐵與碳形成的金屬化合物。的金屬化合物。在在Fe - Fe3C相圖相圖中，既是組元又中，既是組元又是基本相。是基本相。性能性能-硬度高，硬度高，脆性大。脆性大。珠光體（珠光體（ P ）：）： 鐵素體（鐵素體（F）和滲碳體（）和滲碳體（Fe3C）組成的機械混合物。）組成的機械混合物。性能性能-力學性能介于兩者之間。力學性能介于兩者之間。

6、萊氏體（萊氏體（ Ld ）： 奧氏體（奧氏體（A）和滲碳體（）和滲碳體（Fe3C）組成的機械混合物。）組成的機械混合物。性能性能-硬度高，塑性差。硬度高，塑性差。萊氏體萊氏體Le或或Ld ：高溫萊氏體：高溫萊氏體,Le或或Ld（A+Cm） 低溫萊氏體低溫萊氏體,Le或或Ld（P+Cm）FeTFe3C第三節(jié)第三節(jié) Fe - Fe3C 相圖分析相圖分析Fe - Fe3C 相圖相圖ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C

7、)PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相圖共晶相圖共析相圖共析相圖勻晶相圖勻晶相圖( P+Fe3C )Fe - Fe3C 相圖相圖ACDEFGSPQ1148727LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C TLdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FP0.77%CLdK( P+Fe3C )P+Ld+Fe3CLd+Fe3CP+FP+Fe3C( F+ Fe3C )A+ Fe3CL+ Fe3C( A+Fe3C )兩種反應：兩種反應：1148 1、共晶反應、共晶反應 一定成分的一定成分的液相液相在一定的溫度下同時在一定的溫度下同時

8、結(jié)晶結(jié)晶出兩種成出兩種成分和結(jié)構(gòu)均分和結(jié)構(gòu)均不相同不相同的固相的反應。的固相的反應。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反應的產(chǎn)物即萊氏體共晶反應的產(chǎn)物即萊氏體 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)2 、共析反應、共析反應 一定成分的一定成分的固相固相在一定的溫度下同時在一定的溫度下同時析出析出兩種成分和兩種成分和結(jié)構(gòu)均結(jié)構(gòu)均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反應。的反應。A0.77%c 727 F0.02%c+Fe3C6.69%c共析反應的產(chǎn)物即珠光體共析反應的產(chǎn)物即珠光體 PF0.02%c+Fe3C6.69%c9.2 Fe-Fe3C相圖J為包晶點為包晶點:

9、1495 時, B點成分的L與H點成分的 發(fā)生包晶反應, 生成J點成分的。 C點為共晶點點為共晶點 1148 時, C點成分的L發(fā)生共晶反應, 生成E點成分的和Fe3C（萊氏體）。 S點為共析點點為共析點 727 時, S點成分的發(fā)生共析反應, 生成P點成分的和Fe3C（P）。返回返回9.2 Fe-Fe3C相圖返回返回9.2 Fe-Fe3C相圖包晶反應：L+共晶反應：LLd( FeC3+ )共析反應： P (FeC3+ ) 返回返回9.2 Fe-Fe3C相圖9.2 Fe-Fe3C相圖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

10、鑄鐵白口鑄鐵亞共析鋼亞共析鋼工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 相圖中主要線的含義相圖中主要線的含義ABCD線線液相線液相線 是不同成分鐵碳合金是不同成分鐵碳合金開始結(jié)晶的溫度線。開始結(jié)晶的溫度線。JECF線線固相線固相線 各種成分的合金均處在各種成分的合金均處在固體狀態(tài)。結(jié)晶溫度終止線。固體狀態(tài)。結(jié)晶溫度終止線。ECF水平線水平線共晶線共晶線 含碳量為含碳量為4.3%的液的液態(tài)合金冷卻到此線時，在態(tài)合金冷卻到此線時，在1148 由液態(tài)合由液態(tài)合金同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，金同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共晶反應。此反應稱為共晶反應。PSK水平線水平線共析線共析線（A1線）線） 含

11、碳量為含碳量為0.77%的奧氏體冷卻到此線時，在的奧氏體冷卻到此線時，在727 同同時時析出析出鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反鐵素體和滲碳體的機械混合物，此反應稱為共析反應。應稱為共析反應。GS線線（A3線）線） 是冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F是冷卻時奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開始線。素體的開始線。ES線線稱稱Acm線線 是碳在奧氏體中的溶解度是碳在奧氏體中的溶解度線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲線，實際上是冷卻時由奧氏體中析出二次滲碳體的開始線。碳體的開始線。A3Acm鐵碳鐵碳合金合金含碳量為含碳量為2.11%6.69%2.11%6.69%的鐵碳合金。的鐵碳合金。共晶白口鑄鐵：共晶白口鑄鐵： 含碳

12、量為含碳量為4.3%;4.3%;亞共晶白口鑄鐵：亞共晶白口鑄鐵：含碳量在含碳量在2.11%4.3%2.11%4.3%之間；之間；過共晶白口鑄鐵：過共晶白口鑄鐵：含碳量在含碳量在4.3%6.69%4.3%6.69%之間；之間；含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%的鐵碳合金。的鐵碳合金。工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵鋼鋼白口白口鑄鐵鑄鐵 含碳量為含碳量為0.02%2.11%的鐵碳合金。根的鐵碳合金。根據(jù)金相據(jù)金相 組織的不同，可分為三種。組織的不同，可分為三種。共析鋼：共析鋼： 含碳量為含碳量為0.77%;亞共析鋼：亞共析鋼：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之間；之間；過共析鋼：過共析鋼：含碳量在含碳量

13、在0.77%2.11%之間；之間；典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織典型鐵碳合金的結(jié)晶過程及組織工業(yè)純鐵的平衡結(jié)晶過程冷卻過程中勻晶反應：冷卻過程中勻晶反應：L相相相相 相中沿晶界析出片狀Fe3C返回返回共析鋼的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻勻晶反應L相中析出相（奧氏體A）單相固溶體的冷卻相發(fā)生共析反應生成珠光體P共析鋼的結(jié)晶過程分析共析鋼的結(jié)晶過程分析注意事項注意事項共析反應生成的珠光體在冷卻過程中，其中的鐵素體共析反應生成的珠光體在冷卻過程中，其中的鐵素體產(chǎn)生三次析出，生成產(chǎn)生三次析出，生成Fe3C，但與共析的，但與共析的Fe3C連在一連在一起，難以分辨。起，難以分辨。共析鋼的室溫平衡組織：共析鋼的

14、室溫平衡組織：P共析鋼的平衡結(jié)晶過程P：鐵素體（：鐵素體（F）和滲碳體的兩相）和滲碳體的兩相混合物，兩相的相對質(zhì)量是多少？混合物，兩相的相對質(zhì)量是多少？ 杠桿定律杠桿定律計算二元相圖中計算二元相圖中 平衡狀態(tài)下平衡狀態(tài)下 兩平衡相的相對質(zhì)量分數(shù)。兩平衡相的相對質(zhì)量分數(shù)。杠桿的杠桿的支點支點是兩相合金的是兩相合金的成分點成分點，端點，端點分別是兩個相的分別是兩個相的成成分點分點。%5 .11%1000008. 069. 60008. 077. 03CFeM%5 .88%1000008. 069. 677. 069. 6M 相的質(zhì)量分數(shù)相的質(zhì)量分數(shù)Fe3C相的質(zhì)量分數(shù)相的質(zhì)量分數(shù)Fe3CA(0.0

15、008)B(6.69)0.77C亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程L相冷卻相冷卻L相相 相相L相相+ 相相 相，并且相，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 相，但相，但相有剩余相有剩余共析反應：剩余共析反應：剩余相相P（+Fe3C），存在先析），存在先析相相亞共析鋼的結(jié)晶過程分析亞共析鋼的結(jié)晶過程分析注意事項注意事項先析先析鐵素體（鐵素體（相）在隨后的冷卻過程中會析出相）在隨后的冷卻過程中會析出FeFe3 3C C，但量很少可忽略，但量很少可忽略亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體+ +珠光體珠光體P P利用杠桿定律計算先析鐵素體與珠光體的質(zhì)量分

16、數(shù)，計算鐵素體（先析鐵利用杠桿定律計算先析鐵素體與珠光體的質(zhì)量分數(shù)，計算鐵素體（先析鐵素體素體+P+P光體中的鐵素體）與滲碳體的質(zhì)量分數(shù)光體中的鐵素體）與滲碳體的質(zhì)量分數(shù)亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程計算計算727 下下, 組織組成物組織組成物的質(zhì)量分數(shù)的質(zhì)量分數(shù)%28.77%1000218. 077. 00218. 06 . 0PM%72.22%1000218. 077. 06 . 077. 0M 組織組成物的組織組成物的質(zhì)量分數(shù)質(zhì)量分數(shù)P組織組成物的組織組成物的質(zhì)量分數(shù)質(zhì)量分數(shù)P P PA(0.0218)B(0.77)0.6C亞共析鋼的平衡結(jié)晶過程過共析鋼的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻L相 相單相固

17、溶體（奧氏體）的冷卻相中析出二次滲碳體（Fe3C）共析轉(zhuǎn)變： 相（ +Fe3C），存在Fe3C過共析鋼結(jié)晶過程分析過共析鋼結(jié)晶過程分析注意事項注意事項從奧氏體中析出的從奧氏體中析出的Fe3C稱為二次滲碳體稱為二次滲碳體Fe3C沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使材料的整體脆性加大沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使材料的整體脆性加大過共析鋼室溫平衡組織：珠光體過共析鋼室溫平衡組織：珠光體P+ Fe3C 利用杠桿定律計算珠光體與二次滲碳體的質(zhì)量分數(shù)利用杠桿定律計算珠光體與二次滲碳體的質(zhì)量分數(shù)過共析鋼的平衡結(jié)晶過程共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反應：共晶反應：LLd（+Fe3C）共晶共晶中的

18、中的相不斷析出相不斷析出Fe3C，不可見，不可見共析反應：共析反應： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 注意事項注意事項冷卻過程中萊氏體中的奧氏體相析出，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，但其依附于萊氏體中的Fe3C長大，不可見長大，不可見共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏體共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏體Le （珠光體呈粒狀分布在（珠光體呈粒狀分布在Fe3C基體上）基體上）共晶白口鐵的基體相是共晶白口鐵的基體相是Fe3C脆性相，材料整體脆性較大，硬度較高脆性相，材料整體脆性較大，硬度較高 亞共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程亞共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻單相

19、液體的冷卻共晶反應：剩余共晶反應：剩余LLd（+Fe3C）先共晶先共晶相不斷析出相不斷析出Fe3C，共晶，共晶相相析出析出Fe3C不可見不可見共析反應：共析反應： Ld（+Fe3C） Ld（P+Fe3C） 先共晶先共晶相相 P勻晶反應：勻晶反應： L 相相室溫組織：室溫組織： Ld（P+Fe3C） + P+ Fe3C亞共晶白口鐵的室溫組織亞共晶白口鐵的室溫組織 低溫萊氏體珠光體二次滲碳體低溫萊氏體珠光體二次滲碳體 （LdLdP PFeFe3 3C C) ) 基體為低溫萊氏體基體為低溫萊氏體LdLd ，大塊黑色顆，大塊黑色顆 粒為由初晶奧氏體共析轉(zhuǎn)變形成的珠粒為由初晶奧氏體共析轉(zhuǎn)變形成的珠 光體

20、光體P P ，初晶奧氏體中析出的，初晶奧氏體中析出的FeFe3 3C C 與共晶與共晶FeFe3 3C C連成一體難以分辨。連成一體難以分辨。注意注意室溫組織室溫組織如如 w(C)w(C)3.0%3.0%合金，利用杠桿定律可計算合金，利用杠桿定律可計算: :組織組成物：組織組成物： LdLd P PFeFe3 3C C6401001123411203459100112340334.%.)()(%.%.)(CELwLdww 從初晶奧氏體中析出的二次滲碳體的數(shù)量為從初晶奧氏體中析出的二次滲碳體的數(shù)量為%.%.)()(max4134597706967701123EwCFew %.%.)(464134

21、59Pw)(CFew3過共晶白口鐵的平衡結(jié)晶過程單相液體的冷卻單相液體的冷卻共晶反應：剩余共晶反應：剩余LLe（+Fe3C）共晶共晶相析出相析出Fe3C不可見不可見共析反應：共析反應： Le（+Fe3C） Le（P+Fe3C） 勻晶反應：勻晶反應： L Fe3C相相室溫組織：室溫組織： Le（P+Fe3C） + Fe3C過共晶白口鐵的室溫組織過共晶白口鐵的室溫組織小結(jié)a+Fe3Ca+P PP+Fe3CP+Fe3C+LdLdFe3C+Ld鐵鐵素體素體珠光體珠光體滲滲碳碳體體萊萊氏體氏體鋼鐵鋼鐵分界分界線線兩個單相之間是混合相兩個單相之間是混合相Ld含碳量對平衡組織的影響示意圖含碳量對平衡組織的影

22、響示意圖重要！重要！碳含量變化對碳含量變化對和和FeFe3 3C C分布和形態(tài)的影響：分布和形態(tài)的影響： 碳含量碳含量 w(C)0.0218% w(C)0.0218w(C)0.0218 為連續(xù)分布的塊狀組織為連續(xù)分布的塊狀組織w(C)w(C)接近接近0.77% 0.77% 先共析先共析沿沿晶界呈網(wǎng)狀分布晶界呈網(wǎng)狀分布w(C)w(C)0.770.77 為片層狀的共析鐵素體為片層狀的共析鐵素體w(C)w(C)6.69% 6.69% 已不存在已不存在 碳含量碳含量 FeFe3 3C Cw(C)0.0218% w(C)0.0218w(C)0.0218 共析轉(zhuǎn)變形成共析轉(zhuǎn)變形成層片狀層片狀共析共析FeF

23、e3 3C C w(C)0.77w(C)0.77 沿奧氏體晶界析出沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀網(wǎng)狀FeFe3 3C C ES ES線：線：w(C)2.11w(C)2.11 共晶反應形成共晶反應形成共晶共晶FeFe3 3C C ，為連續(xù)的，為連續(xù)的基體基體組織組織w(C)w(C)4.3% 4.3% 全部是以共晶全部是以共晶FeFe3 3C C為基體的為基體的LdLd組織組織w(C)4.30w(C)4.30 從液相中直接結(jié)晶出從液相中直接結(jié)晶出粗大長條狀粗大長條狀的的FeFe3 3C C CD CD線：線：CFe3 CFe3 CFeL3硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和硬度主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分數(shù)質(zhì)量分數(shù), 隨碳含量的增加隨碳含量的增加, 由于硬度高的由于硬度高的Fe3C增多增多, 硬度硬度低的低的F減少減少,合金的硬度呈直線關(guān)系增大合金的硬度呈直線關(guān)系增大, 由全部為由全部為F的硬度的硬度約約80 HB增大到全部為增大到全部為Fe3C時的約時的約800 HB。 含碳量對鐵碳合金力學性能的影響n, 亞共析鋼亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度高。組織越細密, 則強度值越高。F的強度較低。所以亞共析鋼的強度隨