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1、船舶工程第四章铁碳合金汇总 第一节第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 纯纯铁铁是是铁铁碳碳合合金金的的组组元元之之一一，工工业业纯纯铁铁的的纯纯度度为为99.8%99.9%，其其性性能能塑塑性性好好，强强度度、硬硬度度低低，只只能能利利用用它它的的磁磁性性制制造造仪仪器器仪仪表表中中的的铁铁芯芯。铁铁是是过过渡渡族族元元素素，熔熔点点为为1538，密度为，密度为7.87gcm3。固态纯铁具有二种晶格：固态纯铁具有二种晶格：912以下和以下和13941538之间的体心立方晶格的之间的体心立方晶格的-Fe和和-Fe，912一1394 之间的面心立方晶格的-Fe。铁碳合金组织中组成物：铁素
2、体、奥氏体、珠光体、莱氏铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体。体、渗碳体。2一、铁素体一、铁素体 碳溶于碳溶于-FeFe中的间隙固溶体称为铁素体（又称固溶体）中的间隙固溶体称为铁素体（又称固溶体）。用符号。用符号F F或或表示。它仍保持表示。它仍保持-FeFe的的体心体心立方晶格立方晶格:（1)1)-FeFe中碳的溶解度很小，在室温时仅为中碳的溶解度很小，在室温时仅为0.0008%0.0008%，727C727C时达到最大为时达到最大为0.0218%0.0218%;(2)(2)性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，强度和性能与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低；硬度较低；(3)(
3、3)组织为均匀明亮的多边形晶粒。组织为均匀明亮的多边形晶粒。3铁素体铁素体-FeFe的显微组织如图所示的显微组织如图所示4二、奥氏体二、奥氏体A 碳溶于碳溶于-FeFe中形成的间隙固溶体称奥氏体，又称固溶体，中形成的间隙固溶体称奥氏体，又称固溶体，用符号用符号A A或或表示。奥氏体仍保持表示。奥氏体仍保持-Fe-Fe铁的面心立方晶格：铁的面心立方晶格：（1 1）在）在727C727C时的溶解度为时的溶解度为0.77%0.77%，在，在1148C1148C时达最大为时达最大为2.11%2.11%；（2 2）奥氏体存在于奥氏体存在于727C727C以上的高温，具有很好的塑性，以上的高温，具有很好的
4、塑性，适于锻造，绝大多数钢材锻造前都要加热到奥氏体状态。强适于锻造，绝大多数钢材锻造前都要加热到奥氏体状态。强度和硬度不高。度和硬度不高。5奥氏体奥氏体-FeFe的显微组织如图所示的显微组织如图所示6三、渗碳体三、渗碳体Fe3C 铁铁碳碳合合金金中中多多余余的的碳碳与与铁铁按按一一定定比比例例化化合合成成金金属属化化合合物物，称为渗碳体，用分子式称为渗碳体，用分子式FeFe3 3C C表示表示：（1 1）含碳量为）含碳量为6 669%69%，具有复杂斜方晶格，具有复杂斜方晶格；（2 2）具具有有金金属属特特性性(有有金金属属光光泽泽和和导导电电性性等等)，熔熔点点高高(1227)(1227)，
5、硬度高，脆性大，强度低，不能单独使用，硬度高，脆性大，强度低，不能单独使用 ；（3 3）有）有粗大片状、沿晶界呈网状粗大片状、沿晶界呈网状或或细小片状或粒状细小片状或粒状形态；形态；（4 4）亚稳定组织，一定条件亚稳定组织，一定条件下发生：下发生：7四、珠光体四、珠光体P 珠光体是共析产物，是在珠光体是共析产物，是在727C727C含碳量为含碳量为0.77%0.77%的奥氏的奥氏体发生共析转变所生成的体发生共析转变所生成的铁素体铁素体和和渗碳体渗碳体的机械混合物，的机械混合物，用符号用符号P P表示表示：（1 1）在低倍显微镜下呈片状或暗黑色，在高倍放大下，）在低倍显微镜下呈片状或暗黑色，在高
6、倍放大下，为在铁素体基体上分布层片状渗碳体；为在铁素体基体上分布层片状渗碳体；（2 2）强度较高，塑性、韧性和硬度在铁素体和渗碳体之）强度较高，塑性、韧性和硬度在铁素体和渗碳体之间。间。8珠光体珠光体P的显微组织如图所示的显微组织如图所示9五、莱氏体五、莱氏体 莱氏体是碳莱氏体是碳c c=4.3%=4.3%的液态铁碳合金在的液态铁碳合金在1148C1148C时发生的共时发生的共晶转变产物，是晶转变产物，是奥氏体奥氏体和和渗碳体渗碳体的机械混合物，的机械混合物，用用L Ld d表示，表示，也叫高温莱氏体：也叫高温莱氏体：（1 1）在）在1148C1148C存在时存在时渗碳体基体渗碳体基体上分布着
7、上分布着短棒状或粒状短棒状或粒状奥氏体奥氏体，组织细密，性能硬、脆，称为高温莱氏体；室温下，组织细密，性能硬、脆，称为高温莱氏体；室温下，其为渗碳体基体上分布着其为渗碳体基体上分布着珠光体珠光体，称为，称为低温莱氏体或变态莱低温莱氏体或变态莱氏体，用符号氏体，用符号LLd d表示表示。（2 2）莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。）莱氏体硬而脆，是白口铸铁的基本组织。10 在铁碳合金五种基本组织中，在铁碳合金五种基本组织中，F F、A A、FeFe3 3C C都是都是单相单相组织，是基本相；而组织，是基本相；而P P、L Ld d是是由基本相组成的由基本相组成的二相二相组织。组织。小 结11第
8、二节第二节 Fe-Fe3C（铁碳合金）相图分析（铁碳合金）相图分析 相图建立是通过实验获得的。Fe-Fe3C相图（一定要默记、（一定要默记、默画）默画）12PSECGQAFKD0.0008FAA+FL+ALL+Fe3CA+Fe3CII727C1148C碳钢铸铁0.02180.772.114.36.69F+Fe3C C（%）简化的Fe-Fe3C相图FeFe3C温度13一、一、Fe-Fe3C相图中的特性点及其意义相图中的特性点及其意义A纯铁的熔点纯铁的熔点(1538，c=0%)；D渗碳体的熔点渗碳体的熔点(理论计算值理论计算值1227，c=6.69%)；C共晶点共晶点(1148，c=4.3)；E温
9、温度度为为1148，c=2.11，表表示示碳碳在在-Fe中中的的最最大大溶溶解解度；度；G纯铁的同素异构转变点，在纯铁的同素异构转变点，在912时，时，-Fe -Fe；S共析点。共析点。温度为温度为727，c=0.77，在该温度时，奥氏在该温度时，奥氏体同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。这体同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。这一过程即共析反应一过程即共析反应.14二二、Fe-Fe3C相图中主要特性线及其意义相图中主要特性线及其意义 在简化的在简化的Fe-Fe3C相图中有相图中有六条重要的特性线：六条重要的特性线：1）共共晶晶转转变变线线，即即ECF水水平平线线（1148
10、），液液态态合合金金冷冷却却到到该该线线时时发生共晶反应，产生莱氏体发生共晶反应，产生莱氏体Ld。2）共共析析转转变变线线，即即PSK水水平平线线，又又称称A1线线（727），产产生生珠珠光光体体P。3）ES固溶线固溶线，即碳在奥氏体中的溶解度曲线，即碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称又称Acm线。线。4）PQ固溶线固溶线，即碳在铁素体中的溶解度曲线。，即碳在铁素体中的溶解度曲线。5）GS线线，又又称称A3线线，是是冷冷却却时时高高温温下下的的奥奥氏氏体体转转变变为为铁铁素素体体的的开开始始线线，随随着着温温度度的的降降低低，从从奥奥氏氏体体中中析析出出铁铁素素体体，GS为为发发生生同同素异构的转
11、变线素异构的转变线。156 6）GPGP线线，也也是是发发生生同同素素异异构构转转变变的的线线，是是冷冷却却时时奥奥氏氏体体转转变为铁素体的终了线。变为铁素体的终了线。ABCDABCD液相线液相线。该线以上全部为液态金属，用符号。该线以上全部为液态金属，用符号L L表示。表示。AECFAECF固相线固相线，该线以下全部为固态。，该线以下全部为固态。根根据据上上述述各各主主要要特特性性点点、线线意意义义的的分分析析，可可以以填填写写出出铁铁碳合金状态图中各区域的组织。碳合金状态图中各区域的组织。16三、相图中的相区三、相图中的相区三个单相区：L、A、F；五个两相区：L+A、L+Fe3C、A+Fe
12、3C、F+A、F+Fe3C两个三相共存区：ECF、PSK上的L+A+Fe3C、A+F+Fe3C。注意区分注意区分相组成物相组成物和和组织组成物组织组成物17四、铁碳合金的分类四、铁碳合金的分类可分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁三大类可分为工业纯铁、碳钢和白口铸铁三大类。熟记组织成分熟记组织成分（1 1）工业纯铁：）工业纯铁：小于0.0218的铁碳合金。（2 2）碳碳钢钢：为0.02182.11的铁碳合金，根据其室温组织的特点，又可以S点为界分为三类：共析钢为0.77；亚共析钢为0.021 80.77；过共析钢为0.772.11。（3 3）白口铸铁：）白口铸铁：2.116.69的铁碳合金。根据白口铸
13、铁的特点，也可以C点为界分为三类。共晶白口铸铁为4.30；亚共晶白口铸铁为2.114.30；过共晶白口铸铁为4.306.69。18第第三节三节 典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程 从简化的从简化的FeFeFeFe3 3c c相图中选择典相图中选择典型合金，分析其型合金，分析其结晶过程和高温结晶过程和高温下的显微组织，下的显微组织，以便更深入了解以便更深入了解铁碳合金的形成铁碳合金的形成规律。规律。19一、共析钢（一、共析钢（）相相图图中中合合金金是是碳碳的的质质量量分分数数为为0.77%的的共共析析钢钢。共共析钢的结晶过程可以用下式表示析钢的结晶过程可以用下式表示：20 用杠杆定理可
14、以求出珠光体中的用杠杆定理可以求出珠光体中的F F与与FeFe3 3C C相对相对含量含量(略去室温铁素体的含量略去室温铁素体的含量)：所以 21共析钢的结晶过程示意图共析钢的结晶过程示意图渗碳体铁素体22 二、亚共析钢（二、亚共析钢（）以以c c =0.45%=0.45%的的4545钢钢为为例例，亚亚共共析析钢钢的的结结晶晶过过程程可可以以用用下式表示：下式表示：合金合金IIII的为亚共析钢。其结晶过程如图的为亚共析钢。其结晶过程如图4-74-7所示：所示：23亚共析钢的结晶过程示意图亚共析钢的结晶过程示意图铁素体铁素体(白色不规则多边形晶粒)亚共析钢亚共析钢珠光体珠光体(暗黑色团)24 依
15、据杠杆定理可以计算出依据杠杆定理可以计算出 c=0.45%的亚共析的亚共析钢中，钢中，F与与P的相对含量：的相对含量：还可以计算出还可以计算出 c =0.45%的亚共析钢中，的亚共析钢中，F与与 的相对含量：的相对含量：25三、过共析钢三、过共析钢（）合金含量合金含量IIIIII为过共析钢。过共析钢的结晶过程为过共析钢。过共析钢的结晶过程可以用下式表示（以可以用下式表示（以c c=0.90%=0.90%为例）：为例）：26过共析钢过共析钢珠光体(暗黑色球团)FeFe3 3C C(白色网状)27四、共晶的白口铸铁四、共晶的白口铸铁（c=4.3%）合金合金为共晶的白口铸铁。为共晶的白口铸铁。含碳量
16、为含碳量为4.3%的铁碳合金的铁碳合金(共晶白口铸铁共晶白口铸铁)的结晶过程如下的结晶过程如下:28共晶白口铸铁的结晶过程共晶白口铸铁的结晶过程29渗碳体珠光体共晶白口铁共晶白口铁的显微组织，的显微组织，在在白色白色的的渗渗碳体基体碳体基体上上分布着分布着黑色黑色的的珠光体珠光体。30 图图4-54-5相图中的合金相图中的合金表示亚共晶白口铸铁。其结晶表示亚共晶白口铸铁。其结晶过程可用下式表示（以过程可用下式表示（以c c=3.0%=3.0%为例）：为例）：五、亚共晶白口铸铁（五、亚共晶白口铸铁（2.11%2.11%c c4.3%4.3%）31亚共晶白口铸铁的结晶过程亚共晶白口铸铁的结晶过程3
17、2亚共晶白口铸铁：亚共晶白口铸铁：含碳量小于含碳量小于4.3%4.3%的铁碳合的铁碳合金金。珠光体低温莱氏体33六、过共晶白口铸铁六、过共晶白口铸铁（4.3%4.3%c c 6.69%6.69%）合金合金表示过共晶白口铸铁。过共晶白口铸铁表示过共晶白口铸铁。过共晶白口铸铁可用下式表示其结晶过程（以可用下式表示其结晶过程（以c c=5.0%=5.0%为例）：为例）：34过共晶白口铸铁的结晶过程过共晶白口铸铁的结晶过程35 过共晶白口铸过共晶白口铸铁：铁：含碳量大含碳量大于于4.3%的铁碳的铁碳合金。合金。FeFe3 3C C低温莱氏体36第第四节四节 Fe-Fe3C相图的应用相图的应用 一、碳的
18、质量分数对平衡组织的影响一、碳的质量分数对平衡组织的影响 铁铁碳碳合合金金的的两两组组元元FeFe是是和和FeFe3 3C C，各各种种不不同同成成分分的的铁铁碳碳合合金金的的室温平衡组织都是由室温平衡组织都是由铁素体铁素体和各种形态的和各种形态的渗碳体渗碳体组成。组成。37二、二、c c对铁碳合金机械性能的影响对铁碳合金机械性能的影响38三、三、Fe-Fe3C相图在生产中的应用相图在生产中的应用一、在选材方面的应用一、在选材方面的应用 铁碳合金状态图提示了合金的组织随成分变化的铁碳合金状态图提示了合金的组织随成分变化的规律：规律：1)工程构件如工程构件如船体、桥梁船体、桥梁及及建筑结构建筑结
19、构所需的各种所需的各种型钢要求塑性、韧性好，应采用低碳钢型钢要求塑性、韧性好，应采用低碳钢c 0.25。2)各种机器零件如：船用各种机器零件如：船用柴油机的曲轴、连杆，柴油机的曲轴、连杆，机床上的齿轮、轴类零件机床上的齿轮、轴类零件需要强度、塑性及韧性都需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应采用中碳钢较好的材料，应采用中碳钢(0.25 c 0.6)。39归纳理解归纳理解 （1 1）工程结构件材料，应选）工程结构件材料，应选含碳量较低含碳量较低（小于（小于0.25%0.25%）的钢，以保证其塑性、冷变形和焊接性能。）的钢，以保证其塑性、冷变形和焊接性能。（2 2）一般的机器零件应选）一般的机器零件
20、应选含碳量中等含碳量中等的（的（0.25%0.25%0.6%0.6%）的钢，以保证其一定的强度和硬度，同时又）的钢，以保证其一定的强度和硬度，同时又具有一定的塑性和韧性，即综合机械性能较好的材料。具有一定的塑性和韧性，即综合机械性能较好的材料。（3 3）对于精密偶件和各种刃具、模具、量具和弹）对于精密偶件和各种刃具、模具、量具和弹簧等零件，应选含碳量较高（簧等零件，应选含碳量较高（0.6%0.6%）的中、高碳钢。）的中、高碳钢。以保证高硬度、高耐磨性，或高强度、高疲劳强度、以保证高硬度、高耐磨性，或高强度、高疲劳强度、高弹性的材料。高弹性的材料。40 二、在铸造工艺方面的应用二、在铸造工艺方面
21、的应用41 （1 1）纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的，即结晶）纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的，即结晶过程中温度保持不变，因此其流动性好，缩孔集中，易于充过程中温度保持不变，因此其流动性好，缩孔集中，易于充满型腔，铸造性能最好。满型腔，铸造性能最好。（2 2）因因此此在在铸铸造造生生产产中中，接接近近共共晶晶成成分分的的共共晶晶白白口口铸铸铁铁被被广广泛应用泛应用。（3 3）铸铸钢钢的的铸铸造造性性能能远远不不如如铸铸铁铁。铸铸钢钢件件的的熔熔点点大大大大高高于于铸铸铁铁件件，需需要要复复杂杂的的冶冶炼炼设设备备，铸铸造造性性能能比比铸铸铁铁差差，不不易易充充满满薄薄壁壁铸铸件件
22、，主主要要用用于于制制造造不不便便通通过过锻锻造造获获得得毛毛坯坯，强强度度和和韧韧性要求较高的条件。性要求较高的条件。合理选择铸件成分合理选择铸件成分42习题作业习题作业1、什么是加工硬化？解释原因？、什么是加工硬化？解释原因？2、什么是固溶强化？解释原因、什么是固溶强化？解释原因?3、写出、写出c=0.9%的结晶过程式？的结晶过程式？4、阐述含碳量对合金性能的影响、阐述含碳量对合金性能的影响?5、试计算（、试计算（1）35号钢显微组织中珠光体和铁素号钢显微组织中珠光体和铁素体的百分含量；（体的百分含量；（2）75号钢的显微组织中铁素号钢的显微组织中铁素体和渗碳体的百分含量。体和渗碳体的百分含量。6、默写铁碳合金相图？、默写铁碳合金相图？43人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢