金屬工藝學(xué) 第3版 課件 5 金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)

金屬工藝學(xué)單元一金屬材料基礎(chǔ)知識(shí)模塊十鐵碳合金相圖鐵碳合金是由鐵和碳兩種元素為主組成的合金。一、鐵碳合金的基本組織鐵碳合金在固態(tài)下的基本組織有鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體。1．鐵素體(F)鐵素體是指α-Fe或其內(nèi)固溶有一種或數(shù)種其他元素所形成的晶體點(diǎn)陣為體心立方的固溶體，用符號(hào)F(或α)表示。鐵素體仍保持α-Fe的體心立方晶格。鐵素體的溶碳量很小，在727℃時(shí)溶碳量最大（W（C）=0.0218%）。鐵素體的性能幾乎與純鐵相同，強(qiáng)度和硬度較低(σb=180～280MPa，50～80HBW)，而塑性和韌性好(δ=30%～50%，KU≈128～160J)。鐵素體在770℃（居里點(diǎn)）有磁性轉(zhuǎn)變，在770℃以下具有鐵磁性，在770℃以上則失去鐵磁性。

2．奧氏體(A)

奧氏體是指γ-Fe內(nèi)固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶體點(diǎn)陣為面心立方的固溶體，常用符號(hào)A(或γ)表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。奧氏體溶碳能力較大，在1148℃時(shí)溶碳量最大（W（C）=2.11%），隨著溫度下降溶碳量逐漸減少，在727℃時(shí)的溶碳量為W（C）=0.77%。奧氏體是非鐵磁性相，具有一定的強(qiáng)度和硬度(σb≈400MPa，160～220HBW)，塑性好(δ≈40%～50%)。穩(wěn)定的奧氏體屬于鐵碳合金的高溫組織，當(dāng)鐵碳合金緩冷到727℃時(shí)，奧氏體將發(fā)生轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷慕M織。

3．滲碳體(Fe3C)滲碳體是指晶體點(diǎn)陣為正交點(diǎn)陣、化學(xué)成分近似于Fe3C的一種間隙式化合物，以符號(hào)Cm表示。滲碳體的晶格形式，與碳和鐵都不一樣，是復(fù)雜的晶格類型。滲碳體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是W（C）=6.69%，熔點(diǎn)為1227℃。滲碳體硬度高(約為800HV)，脆性大，塑性與韌性極低。滲碳體不發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，有磁性轉(zhuǎn)變，在230℃以下具有弱鐵磁性，而在230℃以上則失去磁性。滲碳體是亞穩(wěn)定的金屬化合物，在一定條件下，滲碳體可分解成鐵和石墨。

4．珠光體(P)珠光體是奧氏體從高溫緩慢冷卻時(shí)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的組織。常見的珠光體是鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復(fù)相組織。珠光體也是鐵素體(軟)和滲碳體(硬)組成的機(jī)械混合物，常用符號(hào)“P”表示。珠光體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為W（C）=0.77%。珠光體的性能介于鐵素體和滲碳體之間，有一定的強(qiáng)度（σb≈770MPa，160～220HBW）、塑性(δ≈20%～35%)和韌性(KU≈24～32J)，硬度適中（180HBW），是一種綜合力學(xué)性能較好的組織。5．萊氏體(Ld)萊氏體是指高碳的鐵基合金在凝固過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變時(shí)所形成的奧氏體和碳化物滲碳體所組成的共晶體，用符號(hào)Ld表示。萊氏體碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為W（C）=4.3%，WC＞2.11%的鐵碳合金從液態(tài)緩冷至1148℃時(shí)，將同時(shí)從液體中結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物（即萊氏體）。727℃以上存在的萊氏體稱為高溫萊氏體(Ld)，在727℃以下存在的萊氏體稱為低溫萊氏體（L′d），或稱變態(tài)萊氏體。萊氏體的性能與滲碳體相似，硬度很高(相當(dāng)于700HBW)，塑性很差。二、鐵碳合金相圖1．鐵碳合金相圖合金相圖是表示在極緩慢冷卻(或加熱)條件下，不同化學(xué)成分的合金，在不同溫度下所具有的組織狀態(tài)的一種圖形。2．鐵碳合金相圖中的特性點(diǎn)特性點(diǎn)溫度（℃）WC（%）特性點(diǎn)的含義A15380純鐵的熔點(diǎn)或結(jié)晶溫度C11484.3共晶點(diǎn)，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變L4.3?A2.11+Fe3CD12276.69滲碳體的熔點(diǎn)E11482.11碳在奧氏體中的最大溶碳量，也是鋼與生鐵的化學(xué)成分分界點(diǎn)F11486.69共晶滲碳體的成分點(diǎn)G9120α-Fe?γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)S7270.77共析點(diǎn)，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變A0。77?F0.0218+Fe3CP7270.0218碳在鐵素體中的最大溶碳量K7276.69共析滲碳體的成分點(diǎn)Q室溫0.0008碳在鐵素體中的最大溶碳量3．鐵碳合金相圖中的主要特性線（1）液相線ACD。（2）固相線AECF。（3）共晶線ECF。ECF線是一條水平(恒溫)線，稱為共晶線。在ECF線上，液態(tài)鐵碳合金將發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式是：L4.3

1148℃A2.11

＋Fe3C6.69

（4）共析線PSK。PSK線也是一條水平(恒溫)線，稱為共析線，通稱A1線。在PSK線上固態(tài)奧氏體將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其反應(yīng)式是：A0.77

727℃F0.0218

＋Fe3C6.69

（5）GS線。GS線表示冷卻時(shí)由奧氏體組織中析出鐵素體組織的開始線，通稱A3線。（6）ES線。ES線是碳在奧氏體中的溶解度變化曲線，通稱Acm線。（7）GP線。GP線為冷卻時(shí)奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的終了線或者加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的開始線。（8）PQ線。PQ線是碳在鐵素體中的溶解度變化曲線。它表示鐵素體隨著溫度的降低，鐵素體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿著PQ線逐漸減少。三、鐵碳合金的分類。四、碳對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響

隨著鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，平衡組織中的鐵素體量不斷減少，滲碳體量不斷增多，鋼的力學(xué)性能將發(fā)生明顯的變化。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)W（C）<0.9%時(shí)，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性降低；當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)W（C）>0.9%時(shí)，由于Fe3CII的數(shù)量隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，而急劇增多，并