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1、 金属工艺学金属工艺学金属工艺学主讲人：金属工艺学金属工艺学3.1铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织3.2铁碳合金状态图铁碳合金状态图 3.3铁碳合金状态图的应用铁碳合金状态图的应用 第三章第三章 铁碳合金铁碳合金本节重点：本节重点：铁碳合金状态图在铸造、铁碳合金状态图在铸造、压力加工、焊接中的应用压力加工、焊接中的应用本节难点：本节难点：铁碳合金状态图的理解铁碳合金状态图的理解 金属工艺学金属工艺学3.1铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织3.1.1纯铁的同素异购转变纯铁的同素异购转变1538c1394c912c室温室温-Fe-Fe-Fe体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方金属
2、的同素异构转变的慨念金属的同素异构转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。晶体结构发生变化的现象。金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性达到改善材料性 能的目的。能的目的。金属工艺学金属工艺学3.1铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织3.1.2铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体：铁素体：碳溶解在碳溶解在Fe中中的间隙固溶的间隙固溶(F）。塑性）。塑性 （=45-50%）、韧性好，
3、强度、硬度低。）、韧性好，强度、硬度低。奥氏体：奥氏体：碳溶解在碳溶解在 Fe中中的间隙固溶体（的间隙固溶体（A）。塑）。塑 性好。性好。渗碳体：渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）。硬度很）。硬度很 高（高（HBW=800），塑性、韧性几乎为零。），塑性、韧性几乎为零。珠光体：珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体 与渗碳体的共析体（与渗碳体的共析体（P）。）。莱氏体：莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏 体与渗碳体的共晶体（体与渗碳体的共晶体（Ld）。硬度高，塑性）。硬度高，
4、塑性 差。差。金属工艺学金属工艺学1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体，它仍保持-Fe的体心立方晶格结构。由于-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727），所以是几乎不含碳的纯铁。铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。金属工艺学金属工艺学2、奥氏体（A）奥氏体是碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体。它保持-Fe的面心立方晶格结构。因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727时溶碳量为0.77%，1148时溶碳量达到2.11%。奥氏体的强度、硬度较低，
5、但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。由于-Fe一般存在于7271394之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。金属工艺学金属工艺学3、渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的具有复杂斜方结构的间隙化合物，含碳量为6.69%，硬度很高（800HBW），塑性和韧性几乎为零。主要作为铁碳合金中的强化相存在。显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽，并在一定条件下可以分解出石墨。金属工艺学金属工艺学4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体（机械混合物）。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727以下温度范围内存在。力学性能
6、介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。金属工艺学金属工艺学5、莱氏体（Ld）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148时发生共晶转变，生成高温莱氏体（Ld）。合金继续冷却到727时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体（Ld）。统称莱氏体。莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。金属工艺学金属工艺学3.2铁碳合金相图渗碳体的熔点渗碳体的熔点共晶点共晶点共析线共析线共析点共析点纯铁的熔点纯铁的熔点共晶线共晶线ACD线线液相线液相线AEC
7、F线线固相线固相线碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度A3线线Acm 金属工艺学金属工艺学简化后的相图 金属工艺学金属工艺学两种反应两种反应1148 1、共晶反应、共晶反应 一定成分的一定成分的液相液相在一定的温度下同时在一定的温度下同时结晶结晶出两种成分和结构出两种成分和结构均均不相同不相同的固相的反应。的固相的反应。L 4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c 共晶反应的产物即莱氏体共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)金属工艺学金属工艺学两种反应两种反应2、共析反应、共析反应 一定成分的一定成分的固相固相在一定的温度下同时在一定的温度下同
8、时析出析出两种成分和两种成分和结构均结构均不相同不相同的的 新的新的固相固相的反应。的反应。A0.77%c 727 共析反应的产物即珠光体共析反应的产物即珠光体 PF0.02%c+Fe3C6.69%cF0.02%c+Fe3C6.69%c 金属工艺学金属工艺学铁碳合金相图中主要特性点的含义铁碳合金相图中主要特性点的含义 特性点的特性点的符号符号温度温度t/含碳量含碳量wc%含义含义A AC CD DE EG GP PS SQ Q 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 727 727 727 室温室温0 04.34.36.696.69
9、2.112.110 00.020.020.770.770.00080.0008纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点 渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度-Te -Te -Te-Te同素异晶转变点同素异晶转变点碳在铁素体中的最大溶解度碳在铁素体中的最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 金属工艺学金属工艺学相图中主要线的含义相图中主要线的含义ACD线线液相线液相线 是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线线固相线固相线 各种成分的合金均处在固体状态。结晶温各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线
10、。度终止线。ECF水平线水平线共晶线共晶线 含碳量为含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，的液态合金冷却到此线时，在在1148 由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。物，此反应称为共晶反应。PSK水平线水平线共析线共析线（A1线）线）含碳量为含碳量为0.77%的奥氏体冷却的奥氏体冷却到此线时，在到此线时，在727 同时同时析出析出铁素体和渗碳体的机械混合物，铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。此反应称为共析反应。GS线线（A3线）线）是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。E
11、S线线称称Acm线线 是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。金属工艺学金属工艺学3.2.2典型合金结晶过程分析典型合金结晶过程分析工业纯铁工业纯铁钢钢生铁生铁 含碳量为含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据的铁碳合金。根据金相金相 组织的不同，可分为三种。组织的不同，可分为三种。共析钢：共析钢：含碳量为含碳量为0.77%;亚共析钢：亚共析钢：含碳量在含碳量在0.02%0.77%之间；之间；过共析钢：过共析钢：含碳量在含碳量在0.77%2.11%之间；之间；含碳量小于含碳量小于0.
12、02%0.02%的铁碳合金。的铁碳合金。含碳量为含碳量为2.11%2.11%6.69%6.69%的铁碳合金。的铁碳合金。共晶生铁：共晶生铁：含碳量为含碳量为4.3%;4.3%;亚共晶生铁：亚共晶生铁：含碳量在含碳量在2.11%2.11%4.3%4.3%之间；之间；过共晶生铁：过共晶生铁：含碳量在含碳量在4.3%4.3%6.69%6.69%之间；之间；金属工艺学金属工艺学铁碳合金状态图分析铁碳合金状态图分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金
13、属工艺学金属工艺学共析钢的结晶过程分析共析钢的结晶过程分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金属工艺学金属工艺学亚共析钢的结晶过程分析亚共析钢的结晶过程分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金属工艺学金属工艺学过共析钢结晶过程分析过共析钢结晶过程分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe
14、3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金属工艺学金属工艺学共晶生铁结晶过程分析共晶生铁结晶过程分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金属工艺学金属工艺学亚共晶铁结晶过程分析亚共晶铁结晶过程分析Ld变态莱氏体变态莱氏体 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+F
15、e3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金属工艺学金属工艺学过共晶铁结晶过程分析过共晶铁结晶过程分析 LL+AAA+Fe3CF+AA+Fe3C+LdP+Fe3C+LdP+Fe3CPP+FLdLdL+Fe3CLd+Fe3CLd+Fe3CL Ld dP+FeP+Fe3 3C C+Fe3C转变 金属工艺学金属工艺学3.3铁碳合金相图的应用3.3.1碳含量对组织及性能的影响 金属工艺学金属工艺学碳含量对力学性能影响 金属工艺学金属工艺学3.3.2铁碳合金状态图的应用1铸造确定浇铸温度选材:共晶点附近铸造性能好2锻造锻造温度区间A3焊接焊接缺陷用热处理改善.根据状态图制定热处理工艺 金属工艺学金属工艺学小结小结画出简化后的铁碳相图画出简化后的铁碳相图,会分析结晶过程会分析结晶过程 金属工艺学金属工艺学作业作业作业：作业：P29 2、3、8