2. 鐵碳合金相圖

鐵碳合金相圖

與鋼的平衡組織鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織第一章基本概念鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織晶體：原子在三維空間內(nèi)按一定的幾何規(guī)律作周期性規(guī)則排列，長(zhǎng)程有序（整體性的有序現(xiàn)象）。非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列，長(zhǎng)程無(wú)序。在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數(shù)無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物，甚至植物纖維都是晶體。

1、晶體學(xué)基本概念鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織晶體與非晶體的性能區(qū)別有些晶體具有規(guī)則的多面體外形，如水晶；有些則沒(méi)有規(guī)則整齊的外形，如金屬。晶體有固定的熔點(diǎn)，而非晶體則沒(méi)有。非晶體各向同性。晶格和晶胞晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。這種抽象化的空間的格架稱晶格晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元定義：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度變化的現(xiàn)象稱同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變屬于固態(tài)相變。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變鐵在固態(tài)冷卻過(guò)程中有兩次晶體結(jié)構(gòu)變化，其變化為：1394℃912℃-Fe?-Fe?-Fe純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變2、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）的過(guò)程。結(jié)晶：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的過(guò)程。相變：物質(zhì)由一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相的過(guò)程，因此結(jié)晶過(guò)程是液-固相變過(guò)程。結(jié)晶的重要性：結(jié)晶之后得到的金屬材料顯微組織稱為鑄態(tài)組織。鑄態(tài)的顯微組織決定著鑄態(tài)材料的使用性能和加工工藝性能。掌握結(jié)晶規(guī)律可以幫助我們有效地控制金屬的結(jié)晶凝固條件，從而獲得性能優(yōu)良的金屬材料，對(duì)控制鑄件、鑄錠產(chǎn)品質(zhì)量、提高性能都是非常重要的。3、結(jié)晶有關(guān)概念冷卻曲線金屬結(jié)晶時(shí)溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對(duì)應(yīng)的溫度稱實(shí)際結(jié)晶溫度T1。曲線上水平階段是由于結(jié)晶時(shí)放出結(jié)晶潛熱引起的。過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度純金屬都有一個(gè)理論結(jié)晶溫度T0，在該溫度下,液體和晶體處于動(dòng)平衡狀態(tài)液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開(kāi)始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差

T稱過(guò)冷度，是結(jié)晶的必要條件。

T=T0–T1過(guò)冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過(guò)冷度越大。4、純金屬結(jié)晶的過(guò)程結(jié)晶的基本過(guò)程結(jié)晶由晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程組成.形核、長(zhǎng)大同時(shí)進(jìn)行形核：液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶胚。在T0以下,經(jīng)一段時(shí)間后(即孕育期),一些大尺寸的晶胚將會(huì)穩(wěn)定并長(zhǎng)大，稱為晶核。長(zhǎng)大晶核形成后便向各方向生長(zhǎng)，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長(zhǎng)大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長(zhǎng)成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。形核長(zhǎng)大形成多晶體重結(jié)晶過(guò)程形核一般在某些特定部位發(fā)生（如晶界、晶內(nèi)缺陷、特定晶面等）；轉(zhuǎn)變時(shí)也需要過(guò)冷度；由于固態(tài)下擴(kuò)散困難，因而過(guò)冷傾向大；固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨著體積變化，易造成很大內(nèi)應(yīng)力。5、固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)6、相圖的基本概念合金：兩種或兩種以上的金屬與金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)。可以是元素，也可以是穩(wěn)定化合物。（如二元、三元合金〕合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。如Fe-C，F(xiàn)e-Cr等。相：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一的組成部分。固相的分類：合金中的相按結(jié)構(gòu)可分固溶體和金屬化合物。顯微組織：實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織固溶體合金組元在固態(tài)下通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多；另一組元為溶質(zhì)，含量較少。金屬化合物若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質(zhì)，屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等。Fe3C和β相均具有相當(dāng)程度的金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，，稱為金屬化合物。而FeS、MnS具有離子鍵，沒(méi)有金屬性質(zhì)，屬于一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過(guò)程帶來(lái)的，數(shù)量少且對(duì)合金性能影響很壞，因而一般稱為非金屬夾雜。第二章鐵碳合金相圖

與鋼的平衡組織鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無(wú)實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。FeFe3CFe2C

FeCCC%(at%)→1、鐵碳合金相圖概述鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究在平衡條件下，鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關(guān)系及變化規(guī)律，這里的平衡是指極其緩慢的冷卻。鐵碳相圖是長(zhǎng)期的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的，是研究鋼鐵材料，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等重要理論依據(jù)和工具。2、鐵碳合金的基本相和組織組元：Fe、Fe3C相鐵素體Ferrite奧氏體Austenite滲碳體Cementite1.鐵素體：碳與α-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用F表示。強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好。2.珠光體：F與Fe3C混合物。強(qiáng)度，硬度，塑性，韌性介于兩者之間。3.奧氏體：碳與γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用A表示。高溫組織，在大于727℃時(shí)存在。塑性好，強(qiáng)度和硬度高于F，在鍛造、軋制時(shí)常要加熱到A，提高塑性，易于加工。另外奧氏體還有一個(gè)重要的性能，就是它具有順磁性，可用于要求不受磁場(chǎng)的零件或部件。4.滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物，硬度高，脆性大，用Fe3C表示。它的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wc=6.69％，質(zhì)硬而脆，耐腐蝕。用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，在顯微鏡下呈白色，如果用4%苦味酸溶液浸蝕，滲碳體呈暗黑色。5.萊氏體：A與Fe3C混合物硬度高，塑性差。鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織3、鐵碳合金相圖的特點(diǎn)與分析?????LJNG

+Fe3C

+Fe3CL+Fe3CL+

+

ABCD為液相線，AHJECF為固相線。

ES線——碳在奧氏體中的固溶線，通常稱為Acm線。從該線看出，碳在奧氏體中的最大溶解度是在1148℃，此時(shí)可溶解2.11％C，而在727℃時(shí)只能溶解0.77％C。故凡含碳量大于0.77％的鐵碳合金自1148℃冷至727℃時(shí)，均會(huì)從奧氏體中沿晶界析出滲碳體，稱為二次滲碳體（Fe3CII），以區(qū)別于從液體中直接結(jié)晶的一次滲碳體（Fe3CI）。

PQ線——碳在鐵素體中的固溶線。鐵素體在727℃時(shí)溶碳量最大為0.02％，室溫時(shí)僅溶解0.008％C，所以一般鐵碳合金自727℃緩冷至室溫時(shí)，均可能從鐵素體中沿晶界析出滲碳體，稱為三次滲碳體（Fe3CIII）。但其數(shù)量較少，除在極低碳的鋼中外，在一般鋼中作用不大，因此往往忽略而不予考慮。GS線——不同含碳量的奧氏體，在冷卻時(shí)析出鐵素體的溫度線；或在加熱時(shí)鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度線。通常稱為A3線。鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織

GP線——含碳量在0.02％以下的鐵碳合金，在冷卻時(shí)奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，或在加熱時(shí)鐵素體開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度線。HJB線——包晶線。在這條線上發(fā)生包晶反應(yīng)：LB+δH

AJ。包晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體。此反應(yīng)僅可能在含碳量為0.09～0.53％的鐵碳合金中發(fā)生。ECF線——共晶線。在這條線上發(fā)生共晶反應(yīng)：LCAE+Fe3C。共晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體與滲碳體的共晶混合物，稱為萊氏體，用Ld表示；冷至室溫時(shí)成為變態(tài)萊氏體，用L’d表示。共晶反應(yīng)發(fā)生于所有含碳量大于2.11％而小于6.69％的鐵碳合金中。萊氏體具有很高的硬度（HB>700），脆性很大。PSK線——共析線（又稱A1線）。在這條線上發(fā)生共析反應(yīng)：ASFP+Fe3C。共析反應(yīng)的結(jié)果形成了鐵素體與滲碳體的共析混合物，即前述的珠光體。所有含碳量超過(guò)0.02％的鐵碳合金，即實(shí)際在工程上常用的鐵碳合金均能發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。AHN和GPQ的左方分別為δ和α鐵素體區(qū)域；NJESG所包圍的為奧氏體區(qū)域。鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織以上所謂的一次、二次、三次滲碳體僅在其來(lái)源和分布方面有所不同，而并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，其含碳量、晶體結(jié)構(gòu)和本身的性質(zhì)均相同。鐵碳合金相圖與鋼的平衡組織典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程4、典型鐵碳合金的結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

1、典型結(jié)晶過(guò)程------工業(yè)純鐵典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

2、典型結(jié)晶過(guò)程------共析鋼典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

3、典型結(jié)晶過(guò)程------亞共析鋼典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

4、典型結(jié)晶過(guò)程------過(guò)共析鋼典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

5、典型結(jié)晶過(guò)程------共晶白口鑄鐵典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

6、典型結(jié)晶過(guò)程------亞共晶白口鑄鐵典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程

7、典型結(jié)晶過(guò)程------過(guò)共晶白口鑄鐵典型鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程含碳量對(duì)鐵碳合金影響5、含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響含碳量對(duì)鐵碳合金影響二、含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時(shí)，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Ld’,合金太脆。三、含碳量對(duì)工藝性能的影響①切削性能:中碳鋼合適②可鍛性能:低碳鋼好③焊接性能:低碳鋼好④鑄造性能:共晶合金好鑄造焊縫組織模鍛切削加工的基本形式車刨鉆銑磨六、Fe--Fe3C相圖的應(yīng)用Fe--Fe3C合金相圖總結(jié)了在平衡狀態(tài)下不同的合金成分、溫度與顯微組織及性能之間的關(guān)系，以及奧氏體相區(qū)和其它各相區(qū)的范圍，因而對(duì)于鑄造、鍛軋、焊接以及熱處理等生產(chǎn)實(shí)踐具有重要意義。

1．在選材方面的應(yīng)用在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上，通常是根據(jù)機(jī)器零件或工程構(gòu)件的使用性能要求來(lái)選擇鋼的成分(鋼號(hào))的，例如，大多數(shù)機(jī)件和工程構(gòu)件主要選用低碳鋼和中碳鋼；其中要求塑性、韌性好而強(qiáng)度不高的機(jī)件，則應(yīng)選用低碳鋼(Wc<0.25％)；要求強(qiáng)度、塑性、韌性等綜合性能較好的，則應(yīng)選用中碳鋼(Wc=0.3％~0.55％)并通過(guò)熱處理等工藝，進(jìn)一步提高鋼的使用性能和工藝性能；各種工具用鋼則應(yīng)選用高碳鋼來(lái)制造。Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用2．在鑄造生產(chǎn)方面的應(yīng)用首先，依據(jù)Fe--Fe3C相圖可以確定合適的澆鑄溫度（見(jiàn)圖）。其次，相圖還表明純鐵和共晶成分的鐵碳合金，其凝固溫度區(qū)間為零，故可推斷它們的流動(dòng)性好，分散縮孔少，可使縮孔集中在冒口內(nèi)，有可能得到致密的鑄件。因此，在鑄造生產(chǎn)中接近于共晶成分的鑄鐵得到較廣泛的應(yīng)用。3．在鍛造、軋制方面的應(yīng)用單相合金比多相合金具有更佳的壓力加工性能，這是由于多相合金中各相的晶體結(jié)構(gòu)和位向不同以及晶界的作用，使變形抗力提高所致。在Fe--Fe3C相圖中，碳鋼的高溫區(qū)是單相奧氏體面心立方晶格；變形抗力小，塑性好，所以碳鋼的熱壓力加工(鍛、軋等)溫度都選在高溫奧氏體相區(qū)。但是，開(kāi)始鍛(軋)溫度不能過(guò)高，以免嚴(yán)重氧化導(dǎo)致脫碳；而終鍛(軋)溫度也不能過(guò)低，以免鋼材塑性差，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用4．在熱處理方面的應(yīng)用根據(jù)Fe--Fe3C相圖，可以確定各種熱處理操作(退火、正火、淬火等)的加熱溫度。這里必須指出，使用Fe-Fe3C相圖的同時(shí)，要考慮多種合金元素、雜質(zhì)