金屬學(xué)及熱處理課件：鐵碳合金

鐵碳合金[目標(biāo)]1.了解鐵碳相圖在鑄造、鍛造、焊接等工藝技術(shù)中的應(yīng)用；2.掌握鐵碳合金基本相；鐵碳相圖分析；典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程及組織；鐵碳合金成分-組織-性能關(guān)系；[重點(diǎn)]1.掌握鐵碳合金基本相及其性能特點(diǎn)；

2.鐵碳合金成分-組織-性能關(guān)系；

[難點(diǎn)]

典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程及組織。鐵碳合金4.1純鐵的結(jié)構(gòu)及其同素異晶轉(zhuǎn)變純鐵冷卻曲線及同素異晶轉(zhuǎn)變

鐵的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度變化而改變，這種現(xiàn)象稱為同素異晶轉(zhuǎn)變（或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）。1394℃912℃(bcc)(bcc)(fcc)

-Fe

-Fe

-Fe鐵碳合金γ-Fe

Fe

α-Fe

Fe3C：

C→

:鐵素體F0.02%近于純鐵硬、脆多:奧氏體A2.11%4.2鐵碳合金的基本相溶入塑性韌性高碳溶入

-Fe中形成的間隙固溶體。最大溶碳量（727C時(shí)）為0.0218%，室溫溶碳量為0.0008%。符號(hào)：F或

性能：強(qiáng)度和硬度低（80HBW）、塑性和韌性高（A≈40%）4.2.1鐵素體（Ferrite）鐵素體晶體結(jié)構(gòu)示意圖

鐵素體顯組織示意圖

碳溶入

-Fe中形成的間隙固溶體

最大溶碳量（1148C時(shí)）為2.11%、727C時(shí)溶碳量為0.77%。

符號(hào)：A或

性能：強(qiáng)度硬度較低（160～200HBW）塑性韌性高（A≈40～50%）相比F，A可溶入更多的碳，強(qiáng)度和硬度更高；同時(shí)因具有面心立方晶格，也具有更好的塑性韌性

4.2.2奧氏體（Austenite）奧氏體晶體結(jié)構(gòu)示意圖

奧氏體顯微組織示意圖碳和鐵相互作用形成的間隙化合物符號(hào)：Cm

或Fe3C。性能：硬度高（800HBW）；

脆性大，塑性幾乎為零（A≈0）

鐵碳合金的室溫組織，一般是在鐵素體基體中分布著片狀、粒狀或網(wǎng)狀滲碳體，滲碳體的大小、形狀和分布對(duì)鐵碳合金的性能有很大的影響。

當(dāng)C含量高達(dá)6.69%時(shí)，鐵碳合金的組織全部為硬而脆的滲碳體而不能使用。4.2.3滲碳體（Cementite）Fe3C晶格示意圖

4.3鐵碳合金相圖4.3.1

Fe-Fe3C相圖概述簡(jiǎn)化后的Fe-Fe3C相圖

點(diǎn)

CwC%說明A15380純鐵的熔點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)G9120

-Fe

-Fe的轉(zhuǎn)變溫度（A3）S7270.77共析點(diǎn)（A1）E11482.11碳在

-Fe中的最大溶解度P7270.02碳在

-Fe中的最大溶解度Q6000.0057碳在

-Fe中的溶解度液相線：ACD固相線：AECF共晶線：ECFGS線（A3線）：A向F轉(zhuǎn)變開始線ES線（Acm線）：C在A中的溶解度曲線PSK線（A1線）：共析線GP線：A向F轉(zhuǎn)變結(jié)束線PQ線：C在F中的溶解度曲線鐵碳相圖中的重要線單相區(qū):含有一個(gè)相的區(qū)域

如：L、A、F、Fe3C，共四個(gè)；兩相區(qū)：含有兩個(gè)相

如：L+A、L+Fe3CI、A+F、A+Fe3CII、A+Fe3CIII，共五個(gè)；三相區(qū)：兩條水平線——共晶線和共析線即：L+A+Fe3C和A+F+Fe3C相區(qū)。鐵碳相圖中的重要區(qū)域1.鐵碳合金相圖——如何畫共晶點(diǎn)共晶轉(zhuǎn)變L→(A

+Fe3C)Ldc1148℃共析轉(zhuǎn)變A→(F

+Fe3C)PS727℃共析點(diǎn)2.鐵碳合金相圖——相區(qū)AFe3CFLA+FA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3C3.鐵碳合金相圖——線的含義AFe3CFLC液相線C在A中溶解度曲線T↓

→

A中析出多余的C：Fe3CⅡC在F中溶解度曲線T↓

→

F中析出多余的C：Fe3CⅢL+Fe3CⅠ固相線3.鐵碳合金相圖——線的含義AFe3CFLC液相線L+Fe3CⅠ固相線GS:A→

F轉(zhuǎn)變開始線GP:A→F轉(zhuǎn)變終止線∵

γ-Fe

→

α-Fe∴A→

F1）同素異構(gòu)溫度隨含碳量增加而降低2）同素異構(gòu)溫度不再是恒溫2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工業(yè)純鐵共析鋼亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鐵過共晶白口鐵共晶白口鐵鋼鑄鐵ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%4.3.2鐵碳合金的分類4.3.3碳素鋼平衡結(jié)晶過程及組織碳鋼平衡組織轉(zhuǎn)變示意圖

分別介紹共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼平衡結(jié)晶過程及組織1.共析鋼的組織轉(zhuǎn)變

a）光學(xué)顯微鏡AS

P（FP+Fe3C）A1（727℃）b）掃描電鏡珠光體顯微組織

（2）珠光體性能：綜合性能

——較高強(qiáng)硬度

一定塑韌性（1）珠光體形態(tài)：F片

+Fe3C片片層結(jié)構(gòu)、交錯(cuò)排列；緊密混合，機(jī)械混合物組

成

物Rm/（MPa）HBWA×100αK/（J/㎝2）鐵

素

體150～2308040200滲

碳

體－≈800≈0≈0珠

光

體77018025≈302.亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變

a)WC=0.20%

b)WC=0.40%

c)WC=0.60%亞共析鋼的室溫平衡組織3.過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變

WC=1.2%鋼的室溫平衡組織WC=1.4%鋼的室溫平衡組織4.3.4白口鑄鐵結(jié)晶過程簡(jiǎn)介1.共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程

共晶白口鑄鐵室溫平衡組織Lc

Ld（AE+Fe3C）（1148℃）共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程示意圖2.亞共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程

亞共晶白口鑄鐵室溫平衡組織3.過共晶白口鑄鐵結(jié)晶過程

過共晶白口鑄鐵室溫平衡組織12S1.共析鋼的組織轉(zhuǎn)變（另一種描述，可根據(jù)需要選用）

12S=tS:A→(F

+Fe3C)P<tS:(F

+Fe3C)Pp+Fe3CⅢA1線后基本無變化S12432.亞共析鋼的組織轉(zhuǎn)變

（另一種描述，可根據(jù)需要選用）

=t4:A

+FP

(F

+Fe3C)+FPS<t4:Fe3CⅢ=t3:A

+FF343’t3~t4：A

↓

+F

↑

3→S

3’→PppFFQ≈03’12433.過共析鋼的組織轉(zhuǎn)變（另一種描述，可根據(jù)需要選用）

43=t4:A

+Fe3CⅡP

(F

+Fe3C)+Fe3CⅡA

+

Fe3CⅡt3~t4：A

↓

+

Fe3CⅡ

↑

3→Sp=t3:A中C處于飽和

狀態(tài)S<t4:Fe3C

ⅢQ≈04.4鐵碳合金組織組成物及其含量計(jì)算1.碳含量為0~0.0218%的工業(yè)純鐵室溫平衡組織：F+Fe3CⅢ當(dāng)碳含量為0.0218%時(shí)，工業(yè)純鐵（或F）中Fe3CⅢ的含量最大：

2.碳含量為0.0218%~0.77%的亞共析鋼室溫平衡組織：F+P碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)x%的亞共析鋼的室溫平衡組織中F和P的相對(duì)含量為：3.碳含量為0.77%的共析鋼室溫平衡組織：P

相組成：F+Fe3C

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.77%的共析鋼中F和Fe3C的相對(duì)含量為：

4.碳含量為0.77%~2.11%的過共析鋼室溫平衡組織：P+Fe3CⅡ碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)x%過共析鋼室溫平衡組織P和Fe3CⅡ相對(duì)含量為：4.5鐵碳合金的性能及其相圖應(yīng)用4.5.1鐵碳合金成分與平衡組織、力學(xué)性能關(guān)系1.碳鋼成分→相→組織關(guān)系鐵碳合金含碳量與相及組織的關(guān)系2.碳素鋼中碳含量對(duì)其力學(xué)性能的影響1）Wc↑：F↓Fe3C↑Rm、HRC↑

,A、Z↓2）Wc＞1％時(shí)，F(xiàn)e3C呈連續(xù)網(wǎng)狀，脆性大

生產(chǎn)中Wc＜1.35％銼刀

1.鋼鐵材料選用建筑結(jié)構(gòu)鋼：低碳鋼機(jī)器零件：中碳鋼工模具：高碳鋼

4.5.2