图 铁碳相图 第四节铁碳相图和铁碳合金.ppt
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1、图 铁碳相图 第四节 铁碳相图和铁碳合金 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 铁碳相图铁碳相图&铁碳相图是研究钢和铸铁的基础,对于钢铁材料的应用以铁碳相图是研究钢和铸铁的基础,对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。&铁碳合金中的碳有两种存在形式:渗碳体铁碳合金中的碳有两种存在形式:渗碳体Fe3C和石墨。和石墨。现在,我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅简化了我现在,我们首先
2、仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅简化了我们对铁们对铁-碳二元系的认识难度,而且由于实际使用的金属合碳二元系的认识难度,而且由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过金其含碳量一般不超过5%,所以先来重点研究,所以先来重点研究Fe-Fe3C相相图也是必要的图也是必要的。1.铁碳合金中的组元及相铁碳合金中的组元及相&铁碳相图的组元为纯铁和碳。铁碳相图的组元为纯铁和碳。&铁碳相图中的相有碳在铁中形成的固溶体铁素体(铁碳相图中的相有碳在铁中形成的固溶体铁素体(F)、)、奥氏体(奥氏体(A)、高温铁素体()、高温铁素体()和铁与碳形成的间隙化合物)和铁与碳形成的间隙化合物渗碳体(渗碳体(Fe3C)。)。图
3、纯铁的同素异构转变(1)纯铁)纯铁 纯铁在从液相冷却到固相过程中会发生以下相变:L-Fe(15381394C)-Fe(1394912 C)-Fe(912 C)铁的同素异形体:-Fe(BCC)-Fe(FCC)-Fe(BCC)pp铁素体铁素体 碳原子溶解在-Fe(低温相)和-Fe(高温相)中形成的固溶体,为bcc结构。Fe原子位于点阵的结点上,而碳原子固溶到晶格的八面体间隙中。相的强度、硬度较低,但塑性和韧性较好。一般用F或表示。pp奥氏体奥氏体 碳原子溶解在-Fe中形成的固溶体为fcc结构。Fe原子位于点阵的结点上,而碳原子固溶到晶格的八面体间隙中。一般用A或 表示。(2)铁的固溶体)铁的固溶体
4、(3)渗碳体)渗碳体&渗碳体渗碳体wc=6.69%,熔点为,熔点为1227,渗碳体不发生同素,渗碳体不发生同素异晶转变;异晶转变;230以下时有弱以下时有弱铁磁性,硬度很高铁磁性,硬度很高(9501050HV),而塑性和),而塑性和韧性几乎为零。韧性几乎为零。&渗碳体是一个独立的相。渗碳体是一个独立的相。因其性能又脆又硬,没有单因其性能又脆又硬,没有单独用它做为组织使用,而是独用它做为组织使用,而是多与铁素体或奥氏体共同组多与铁素体或奥氏体共同组成双相组织。成双相组织。图 渗碳体结构示意图 渗碳体渗碳体渗碳体(Fe3C):是铁和碳的化合物,含碳量为6.69。熔点为1227C,硬度很高(约为HB
5、800),脆性大,塑性很低。在一定温度下能分解为石墨状的游离碳。一次渗碳体一次渗碳体:从液态合金中结晶析出的共晶深碳体。其形态呈粗大较规则的板片状。二次渗碳体二次渗碳体:从奥氏体中析出的渗碳体称之为二此渗碳体,一般在奥氏体晶界呈网状分布。三次渗碳体三次渗碳体:从-Fe中析出的渗碳体,沿奥氏体晶界分布,呈片状。(2)铁的固溶体)铁的固溶体晶格类型晶格类型最大含碳量最大含碳量性质性质铁素体铁素体(F)体心立方体心立方0.0218%室温下铁素体的性室温下铁素体的性能与纯铁相似。能与纯铁相似。奥氏体奥氏体(A)面心立方面心立方2.11%奥氏体具有良好的奥氏体具有良好的塑性、韧性和一定塑性、韧性和一定的
6、强度、硬度。的强度、硬度。高温铁素体高温铁素体()体心立方体心立方0.09%2.Fe-Fe3C相图分析相图分析图 铁碳相图符符号号温度温度/含碳含碳量量/%含义含义A15380纯铁的熔点纯铁的熔点 B14950.53包晶转变时包晶转变时液态合金的液态合金的成分成分 C11480.43共晶点共晶点 D12276.69Fe3C的熔点的熔点 E11482.11碳在碳在-Fe中中的最大溶解的最大溶解度度 F11486.69Fe3C的成分的成分 G9120与与同素异同素异构转变点构转变点(A3)铁碳相图中的特征点铁碳相图中的特征点图 铁碳相图符符号号温度温度/含碳含碳量量/%含义含义H14950.09碳
7、在碳在-Fe中的最大中的最大溶解度溶解度 J14950.17包晶点包晶点 K11486.69Fe3C的成分的成分 N13940与与同素异构转同素异构转变点变点(A4)P7270.0218碳在碳在-Fe中的最大中的最大溶解度溶解度 S7270.77共析点共析点 Q室温室温 0.0008室温下碳在室温下碳在-Fe中中的溶解度的溶解度 铁碳相图中的特征点(续)铁碳相图中的特征点(续)图 铁碳相图特性特性线线 含含 义义 ABCD铁碳合金的液相线铁碳合金的液相线AHJECF铁碳合金的固相线铁碳合金的固相线HJBLB+AJECFLCAE+Fe3C共晶转变线共晶转变线 GS奥氏体转变为铁素体的开始线奥氏体
8、转变为铁素体的开始线 ES碳在奥氏体中的溶解度线碳在奥氏体中的溶解度线 PSKAs Fp+Fe3C 共析转变线共析转变线 PQ碳在铁素体中的溶解度线碳在铁素体中的溶解度线 铁碳相图中的特征线铁碳相图中的特征线图 铁碳相图恒温转变线恒温转变线HJB&含碳量在含碳量在0.09%0.53%之间的合金冷之间的合金冷却到却到1495时,均要发生包晶反应,形时,均要发生包晶反应,形成奥氏体。成奥氏体。&含碳量为含碳量为0.17%的铁碳合金,在包晶的铁碳合金,在包晶反应终了时,反应终了时,相与液相同时耗尽,变为相与液相同时耗尽,变为单相奥氏体。单相奥氏体。&含碳量为含碳量为0.090.17%的铁碳合金,在的
9、铁碳合金,在包晶反应终了时,有多余的包晶反应终了时,有多余的,随后通过,随后通过通素异构转变变为奥氏体。通素异构转变变为奥氏体。&含碳量为含碳量为0.170.53%的铁碳合金,在的铁碳合金,在包晶反应终了时,有多余的液相,随后包晶反应终了时,有多余的液相,随后冷却过程中结晶成为奥氏体。冷却过程中结晶成为奥氏体。图 铁碳相图恒温转变线恒温转变线ECF&莱氏体(又称高温莱氏莱氏体(又称高温莱氏体)共晶反应的产物,用体)共晶反应的产物,用符号符号“Ld”表示。表示。&变态莱氏体(又称低温变态莱氏体(又称低温莱氏体)是由珠光体、二莱氏体)是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组次渗碳体和共晶渗碳体组成,用
10、符号成,用符号“Ld”表示。表示。图 铁碳相图图 共晶白口铸铁平衡组织恒温转变线恒温转变线PSK&珠光体是铁素体和渗碳珠光体是铁素体和渗碳体两相的混合物,是共析体两相的混合物,是共析反应的产物,用符号反应的产物,用符号“P”表示。表示。&珠光体是一种双相组织。珠光体是一种双相组织。一般情况下,两相呈层片一般情况下,两相呈层片状分布,强度较高、硬度状分布,强度较高、硬度适中、有一定塑性。适中、有一定塑性。图 铁碳相图图 共析钢的室温组织 ES、PQ、GS线线&ES线是碳在奥氏体中的溶解度线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。含碳量大于曲线。含碳量大于0.77%的合金,的合金,从从1148冷到冷到727的
11、过程中,将的过程中,将自奥氏体中析出渗碳体,这种渗碳自奥氏体中析出渗碳体,这种渗碳体称为二次渗碳体体称为二次渗碳体(Fe3CII)。&PQ线是碳在铁素体中的溶解度线是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁碳合金由曲线。铁碳合金由727冷却到室冷却到室温的过程中,铁素体中会有渗碳体温的过程中,铁素体中会有渗碳体析出,这种渗碳体称为三次渗碳体析出,这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。&GS线是冷却过程中,奥氏体向线是冷却过程中,奥氏体向铁素体转变的开始线;或者说是加铁素体转变的开始线;或者说是加热过程中,铁素体向奥氏体转变的热过程中,铁素体向奥氏体转变的终了线(具有同素异晶转变的纯金终了线(具有同素
12、异晶转变的纯金属,其固溶体也具有同素异晶转变,属,其固溶体也具有同素异晶转变,但其转变温度有变化)。但其转变温度有变化)。图 铁碳相图简化后的Fe-Fe3C相图2.典型铁碳合金的平衡凝固典型铁碳合金的平衡凝固(1)共析钢)共析钢 共析钢凝固过程示意图(2)亚共析钢)亚共析钢亚共析钢凝固过程示意图 20、45和60钢的室温组织(3)过共析钢)过共析钢过共析钢凝固过程示意图 过共析钢光学显微组织照片(4)共晶白口铸铁)共晶白口铸铁共晶白口铸铁的凝固过程示意图 图 共晶白口铸铁的光学显微组织照片(5)亚共晶白口铸铁)亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁的凝固过程示意图 亚共晶白口铸铁的光学显微组织照片(6)
13、过共晶白口铸铁)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁的凝固过程示意图 过共晶白口铸铁的光学显微组织照片按组织分区的铁碳合金相图 APAFAP+AFe3CIIAP+LdLLdLLA+AFe3CIIAP+LdLLdLFe3CIL+LdLLd计算含碳量为计算含碳量为3.0%的铁碳合金在室温下组织组成物的质量百的铁碳合金在室温下组织组成物的质量百分比。分比。LA2.113.04.30LdFe3CIIP0.77 2.116.69碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系 1.碳的影响碳的影响含碳量对碳钢机械性能的影响&在在
14、C%1%后,随含碳量的后,随含碳量的增加,钢的硬度增加,但强度、增加,钢的硬度增加,但强度、塑性、韧性降低,这是因为塑性、韧性降低,这是因为Fe3C成连续网状分布,进一步成连续网状分布,进一步破坏了铁素体基体之间的连接破坏了铁素体基体之间的连接作用所造成。作用所造成。思考题思考题u1.如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁?u2.钢铆钉为什么一般用低碳钢制成钢铆钉为什么一般用低碳钢制成?u3.为什么钢适宜用于压力成形为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜用于铸造成形而铸铁适宜用于铸造成形?u4.大家唱的大家唱的“比铁还硬比铁还硬,比钢还强比钢还强”能不能改成能不能改成“
15、比钢还硬比钢还硬,比铁还强比铁还强”?”?&锰在钢中的存在也属于有益元素,它与氧有较强的亲合力,锰在钢中的存在也属于有益元素,它与氧有较强的亲合力,具有较好的脱氧能力,在炼钢时作为脱氧剂加入。具有较好的脱氧能力,在炼钢时作为脱氧剂加入。&另外锰与硫的亲合力很强,在钢液中与硫形成另外锰与硫的亲合力很强,在钢液中与硫形成MnS,起,起到去硫作用,大大的消除了硫的有害影响。到去硫作用,大大的消除了硫的有害影响。&钢中的含锰量一般为钢中的含锰量一般为0.250.80%,它一部分溶入铁素体,它一部分溶入铁素体起到固溶强化作用,提高铁素体的强度,锰还可溶入渗碳体起到固溶强化作用,提高铁素体的强度,锰还可溶
16、入渗碳体形成合金渗碳体(形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C,使钢具有较高的强度;,使钢具有较高的强度;&另一部分锰与硫形成另一部分锰与硫形成MnS,与氧形成,与氧形成MnO,这些非金属,这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。夹杂物大部分进入炉渣。2.锰的影响锰的影响&硅在钢中的存在属于有益元素,由于它与氧有很大的亲合硅在钢中的存在属于有益元素,由于它与氧有很大的亲合力,具有很好地脱氧能力。在炼钢时作为脱氧剂加入,力,具有很好地脱氧能力。在炼钢时作为脱氧剂加入,Si+2FeO=2Fe+SiO2,硅与氧化铁反应生成二氧化硅(硅与氧化铁反应生成二氧化硅(SiO2)非金属夹杂物,一般大部分进入炉渣,消除了非金
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