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1、工程材料（第三版）4 铁碳合金与铁碳相图教学课件 4 铁碳合金和碳合金和铁碳相碳相图 学习目的：1）能够正确地分析铁碳相图。2）能够熟练地应用铁碳相图。前言学习目的 铁碳合金主要由铁和碳两种元素组成，包括碳钢和铸铁，是现代工农业生产上使用最多的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。前言研究铁碳相图的必要性 FeFe3CFe2C FeCCC%(at%)一、铁碳合金的组元（1）Fe：是过渡族金属元素，其冷却曲线如图所示。纯Fe机械性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。（2）C：碳在铁碳
2、合金中有三种存在形式。（3）Fe3C：渗碳体，Fe与C形成的一种复杂间隙化合物。其机械性能的特点是硬而脆。4.1 相图分析 二、铁碳合中的基本相（1）液相：铁与碳无限互溶形成的液体。（2）高温铁素体：是碳在-Fe中的间隙固溶体，用表示，体心立方晶格。（3）奥氏体：是碳在-Fe中的间隙固溶体,用A或表示，面心立方晶格。其性能是强度低，硬度低，塑性好。4.1 相图分析（4）铁素体：是碳在-Fe中的间隙固溶体，用F或表示，体心立方晶格。其性能是强度低，硬度低，塑性好。（5）渗碳体：用Fe3C或Cm表示。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。4.1 相图
3、分析 三、Fe-Fe3C相图中的特性点LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL+4.1 相图分析 四、Fe-Fe3C相图中的特性线 （1）ABCD：液相线。AHJECFD：固相线。（2）三条水平线：HJB：包晶线，碳含量在H点和B点之间的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生恒温包晶转变。转变产物为奥氏体。L0.53+0.09=0.174.1 相图分析 ECF：共晶线，碳含量在E点和F点之间的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生恒温共晶转变。L4.3=（2.11+Fe3C）共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le表示。莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体Fe3C共晶。Fe3C 4.1 相图分析 P
4、SK：共析线，碳含量在P点和K点之间的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生恒温共析转变。PSK线又称A1线。0.77=（0.0218+Fe3C）共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体Fe3C共析。珠光体珠光体组织 4.1 相图分析 （3）其他相线：GS线：合金冷却时转变为（固溶体的同素异晶转变）的开始线。又称A3线。GP线：合金冷却时转变为的终了线。ES线：碳在中的固溶线，又称Acm线。PQ线：碳在中的固溶线。4.1 相图分析 五、Fe-Fe3C相图中的相区（1）五个单相区：L，A，F，Fe3C。冷却时单相区内无相变、无组织转变。（2）七个两相
5、区：三个含液相的两相区L，LA，LFe3C，夹在液相线和固相线之间，冷却时发生匀晶转变；A，AF，发生固溶体的同素异晶转变；A+Fe3C，F+Fe3C，发生脱溶转变。（3）三个三相区：对应三条水平线，HJB(L+A)、ECF(L+A+Fe3C)、PSK(A+F+Fe3C)，发生三相平衡恒温转变。4.1 相图分析 一、Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类 (1)工业纯铁(C0.0218%)：平衡组织为单相铁素体极少量三次渗碳体。(2)钢(0.0218C2.11%)a.亚共析钢(0.0218%C0.77%)：平衡组织为铁素体珠光体。b.共析钢(C=0.77%)：平衡组织为珠光体。c.过共析钢(0.7
6、7%C2.11%)：平衡组织为珠光体+二次渗碳体。4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程 (3)白口铸铁(2.11%C 6.69%)a.亚共晶白口铸铁(2.11C4.3)：平衡组织是为珠光体二次渗碳体低温莱氏体。b.共晶白口铸铁(C=4.3%)：平衡组织为低温莱氏体。c.过共晶白口铸铁(4.3%C 6.69%)：平衡组织为一次渗碳体+低温莱氏体。4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程 二、典型铁碳合金的平衡结晶过程 （1）过共析钢的平衡结晶过程LL+Fe3CII+P+Fe3CIIP+Fe3CII 4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程液态合金在12点间发生匀晶转变生成。34点，沿晶界呈网状析出Fe3CII
7、。到4点，成分沿ES线变化到S点，剩余发生共析反应转变为P。温度继续下降，P中的中析出Fe3C，由于与P中的Fe3C共析结合，且量少，忽略不计。过共析钢室温平衡组织为P+Fe3C。4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程过共析钢的组织转变动画室温下的金相组织照片 （2）共晶白口铁的平衡结晶过程4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程LLe(+Fe3C共晶)Le(+Fe3CII+Fe3C共晶)Le+Le Le(P+Fe3CII+Fe3C共晶)液态合金冷却到1点发生共晶转变全部转变为莱氏体(Le)。12之间，Le中的成分沿ES线变化析出Fe3C，由于与Le中的Fe3C共晶结合，不易分辨。温度降到2点，Le中剩
8、余的成分达到S点发生共析反应，转变为P，这种由P与 Fe3C基体组成的共晶体称低温莱氏体，用Le表示。2 点以下，Le中P 的变化同共析钢。共晶白口铁室温平衡组织为Le(P+Fe3C基体)。低温莱氏体低温莱氏体4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程共晶白口铁的组织转变动画室温下的金相组织照片 三、组织组成物在铁碳合金相图上的标注4.2 典型铁碳合金的平衡结晶过程组织组成物与相组成物标注的区别主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区。+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。(1)成分与组织的关系随碳含量的增加，相组成物中的量逐渐变少，由100按直线关系变至0；Fe3C的量
9、则逐渐增多，相应地由0%变至100。同时，两相相互组合的形态，即合金的组织也随碳含量的增加，按下列顺序变化：4.3铁碳合金成分、组织与性能的关系一、Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类+Fe3C+PPP+Fe3CP+Fe3C+LeLeLe+Fe3CFe3C （2）成分与性能的关系a.硬度：平衡条件下，随碳含量的增加，由于硬度高的Fe3C相增多，硬度低的相减少，所以合金的硬度呈直线关系增加。b.强度：强度是一个对组织形态很敏感的力学性能。平衡条件下，随碳含量的增加，合金的强度先增后降。c.塑性：平衡条件下，随碳含量的增大，塑性相量不断减少，脆性相Fe3C不断增多，合金的塑性连续下降。到合金成为白口
10、铸铁时，塑性就降到近于零值了。4.3铁碳合金成分、组织与性能的关系 一、在钢铁材料选用方面的应用纯铁不宜用作结构材料，主要用作功能材料。低碳钢主要用作建筑结构和各种型钢，中碳钢主要制作各种机械零件，高碳钢主要制作各种工具。白口铸铁适用于做要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。4.4 铁碳合金相图的应用 二、在铸造工艺方面的应用根据Fe-Fe3C相图可确定合金的浇注温度（液相线以上50100）。纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，所以铸铁在生产上很多是选在共晶成分附近。铸钢生产中，碳含量规定在0.150.6之间。4.4 铁碳合金相图的应用 4.4 铁碳合金相图的应用三、在热锻、热轧工艺方面的应用钢锻造、轧制选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100200范围内；亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，过共析钢热加工终止温度应控制在PSK线以上一点。四、在热处理工艺方面的应用热处理加热温度都是依据Fe-Fe3C相图确定的。