《项目四铁碳合金.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目四铁碳合金.pptx（66页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 2023/4/27项目四 铁碳合金重点：1 1 1 1铁碳相图组成相铁碳相图组成相铁碳相图组成相铁碳相图组成相 2.2.2.2.合金的结晶过程分析合金的结晶过程分析合金的结晶过程分析合金的结晶过程分析 3 3 3 3铁碳相图应用铁碳相图应用铁碳相图应用铁碳相图应用难点：相图的分析相图的分析相图的分析相图的分析学习要求：掌握掌握掌握掌握“相构成组织、相构成组织、相构成组织、相构成组织、组织决定性能组织决定性能组织决定性能组织决定性能”的原则的原则的原则的原则任务四 铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两个元素，故统称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织及性能之间的
2、关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。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、冶炼和铸造等工艺依据。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待，如图4-1所示。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值，所以实际讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图，如图4-2所示。学习任务一 金属的同素异构转变一、金属的同素异构转变金属的同素异构转变是指在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象，如铁、锰、钛、钴、锡等结晶后，继续冷却时晶格
3、类型会发生变化。液态纯铁在1538进行结晶得到具有体心立方晶格的-Fe。继续冷却到1394时发生同素异构转变，-Fe转变为面心立方晶格的-Fe，再冷却到912时又发生同素异构转变，-Fe转变为体心立方晶格的-Fe。二、铁素体碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F或表示。碳在-Fe中的固溶体称-铁素体，用表示。铁素体和-铁素体都是体心立方晶格的间隙固溶体，铁素体的晶体结构如图4-4所示。由于体心立方晶格的晶格空隙很小，所以铁素体的溶碳能力很低，在727时溶碳量最大，可达0.0218%。随着温度的下降，溶碳量逐渐减小，室温时几乎等于零；因此，铁素体的性能几乎和纯铁的相同，即强度、硬度低，塑性、韧性好。
4、铁素体的显微组织与纯铁相同，在显微镜下观察，呈明亮的多边形晶粒组织，铁素体的显微组织如图4-5所示。二、奥氏体（Austenite）碳在-Fe中的固溶体称奥氏体，用A或表示。奥氏体仍然保持-Fe的面心立方晶格，奥氏体的晶体结构如图4-6所示。由于面心立方晶格的晶格空隙比体心立方晶格的大，所以奥氏体的溶碳能力比铁素体大。在1148时溶碳量最大，可达2.11%。随温度下降溶碳量逐渐降低，727时溶碳量为0.77%。奥氏体的力学性能与其溶碳量和晶粒大小有关，相对于铁素体具有一定的强度和硬度，塑性和韧性也好。因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成形。具有顺磁性，可作为无磁钢。奥氏体是一种高温组织
5、，稳定存在的温度范围为7271394，高温下奥氏体的显微组织也是由多边形晶粒构成的，但一般情况下，晶粒较粗大，晶界较平直，奥氏体的显微组织如图4-7所示。渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶体结构的金属化合物，其晶体结构如图4-8所示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点约为1227，硬度很高，但塑性和韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体不发生同素异构转变，却有磁性转变，在230以下具有弱的铁磁性。渗碳体的组织形态很多，在铁碳合金中与其他相共存时，可以呈片状、粒状、网状或板条状。渗碳体是碳钢中的主要强化相，它的数量、形态、大小与分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一种亚稳定相，在一定
6、条件下可以发生分解，形成石墨，Fe3C3Fe+C（石墨）。常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨（如图4-9）的形式存在。珠光体珠光体是奥氏体冷却时，在727发生共析转变的产物，由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示。珠光体的显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织，如图4-10所示。珠光体的力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。莱氏体莱氏体是铁碳合金冷却到1148时共晶转变的产物，是介稳相。由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。存在于1148727之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示；存在于727以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏
7、体，用符号“Ld”或“Ld”表示，组织由渗碳体和珠光体组成。莱氏体的平均含碳质量分数为4.3%，由于含碳质量分数高，因此其力学性能与渗碳体相似，硬度高、脆性大、塑性差，是铁碳合金组织中的脆性组织。上述5种基本组织中，铁素体、奥氏体、渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相。珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织学习任务二 铁碳相图Fe-Fe3C相图是指在极其缓慢的冷却条件下，不同成分的铁碳合金的组织状态随温度变化的图解，简化后的Fe-Fe3C相图如图4-12所示。特征点特征点LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL+一、铁碳合金相图的分析 特征线特征线 液相线液相线ABCD，固相线固相
8、线AHJECFD 三条水平线：三条水平线：HJB：包晶线包晶线LB+H J ECF：共晶线共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是共晶产物是A与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体,用用Ld表表示。为蜂窝状示。为蜂窝状,以以Fe3C为基，为基，性能硬而脆。性能硬而脆。莱氏体PSK：共析线：共析线 S FP+Fe3C 共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称作珠的机械混合物，称作珠光体，用光体，用P表示。表示。珠光体L+L+L+Fe3C+Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相呈片层珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布相间分布,性能介于两相之间。性能介
9、于两相之间。PSK线又称线又称A1线线。其它相线其它相线GS,GP 固溶体转变固溶体转变线线,GS又称又称A3 线线。HN,JN 固溶体转变固溶体转变线。线。ES碳在碳在 -Fe中的固溶线。中的固溶线。又称又称Acm线。线。PQ碳在碳在-Fe中的固溶线。中的固溶线。三个三相区：即三个三相区：即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线三条水平线 相区 五个单相区：L、Fe3C 七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 铁碳合金相图铁碳合金相图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
10、,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据.铁碳合金相图的分析铁碳合金相图的分析重要的特性线:ACD、AECF、ES、GS两个重要转变:共晶转变、共析转变。六个重要的特性点:A、C、D、E、G、S。二个重要温度:1148 、727 。一、重要的特性线和特性点液相线：ACD A点：纯铁的熔点固相线：AECF D点：渗碳体的熔点一、重要的特性线和特性点ES：碳在奥氏体中的溶解度，也称Acm线 E点:碳在-Fe中的最大溶解度GS：铁素体-奥氏体转变线，也称A3线 G点：纯铁的同素异构转变点-Fe转变为-Fe共晶反应、共析反应线：共晶反应、共析反应线：C点：共晶点-1148S点：共析点-727共晶反
11、应：共晶反应：LLd(FeC3+)共析反应：共析反应：P(FeC3+)1148727铁碳合金的重要特性点铁碳合金的重要特性点特性点特性点的符号的符号温度温度t/t/含碳量含碳量wc%wc%含义含义A AC CD DE EG GS S 15381538 1148 1148 1227 1227 1148 1148 912 912 727 7270 04.34.36.696.692.112.110 00.770.77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与与-Te-Te同素异晶转变点同素异晶转变点共析点共析点铁碳合金分类
12、含碳量为2.11%6.69%的铁碳合金。共晶白口铸铁：含碳量为4.3%;亚共晶白口铸铁：含碳量在2.11%4.3%之间；过共晶白口铸铁：含碳量在4.3%6.69%之间；含碳量小于0.02%的铁碳合金。工业纯铁碳钢白口铸铁含碳量为0.02%2.11%的铁碳合金。根据金相 组织的不同，可分为三种。共析钢：含碳量为0.77%;亚共析钢：含碳量在0.02%0.77%之间；过共析钢：含碳量在0.77%2.11%之间；二、铁碳合金的分类 钢钢(0.02182.11%C)高高温温组织为单相组织为单相 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)共析钢共析钢(0.77%C)过共析钢过共析钢 (0.772.1
13、1%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C)铸造性能好铸造性能好,硬而脆硬而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)共共 晶晶 白白 口口 铸铸 铁铁(4.3%C)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)1.1.工业纯铁工业纯铁 (Wc 0.0218%)(Wc 0.0218%)工业纯铁组织金相图工业纯铁组织金相图2.2.共析钢 (Wc=0.77%)(Wc=0.77%)2、共析钢 共析钢组织金相图共析钢组织金相图3.
14、3.亚共析钢亚共析钢 (Wc=0.45%)(Wc=0.45%)3、亚共析钢F铁素体 亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图4.4.过共析钢过共析钢 (Wc=1.2%)(Wc=1.2%)4、过共析钢 过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图共析钢亚共析钢过共析钢5.5.共晶白口铁共晶白口铁 (Wc=4.3%)(Wc=4.3%)5、共晶白口铸铁 共晶白口铁组织金相图共晶白口铁组织金相图6.6.亚共晶白口铁亚共晶白口铁 (Wc=3.0%)(Wc=3.0%)6、亚共晶白口铸铁Ld变态莱氏体 亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图7.7.过共晶白口铁过共晶白口铁 (Wc=5.0%)(Wc=5.0%)7、
15、过共晶白口铸铁 过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁含碳量增加含碳量增加FFPPP Fe3C PFe3CLdLdLdFe3CI四、铁碳合金性能与组织、成分间的关系1、室温时的组织FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LdLdLd+Fe3CLd+Fe3CLdP+Fe3C+LdP+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温度随着碳的质量分数增加，铁碳合金的室温平衡组织中，渗碳体的数量增加，且渗碳体的形态、分布发生变化，因此，铁碳合金的力学性能也相应改变。铁碳合金的成分、
16、组织组成、相组成及力学性能之间的变化规律如图4-30所示。含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，组织为100%P,钢的性能即P的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。l2.11%C，组织中有以Fe3C为基的Ld,合金太脆。铁碳合金状态图的应用铁碳合金状态图的应用1）选材方面的应用在Fe-Fe3C相图表明了组织随温度、成分变化的规律，根据组织可大致判断钢的力学性能，便于合理选材。例如型材和建筑结构用材，要求良
17、好的塑性、韧性和一定的强度，可选用wc0.55%的高碳钢。一些形状复杂，不受冲击而要求耐磨的拔丝模、冷轧辊、犁铧等工件，可考虑用白口铁铸造。2）金属热加工工艺方面的应用（1）在铸造生产上的应用根据Fe-Fe3C相图的液相线，可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合金合适的熔化温度和浇注温度（熔化浇注温度一般在液相线以上50100）。此外，根据相图可知，共晶成分的合金结晶温度最低，结晶过程的温度区间最小，因此铸造时流动性好、分散缩孔少、铸件组织致密。在铸造生产中广泛应用共晶成分或接近共晶成分的铸铁，铁碳相图与热加工温度之间的关系如图4-32所示。（2）在锻压工艺上的应用由Fe-Fe3C相图可
18、知，碳钢在高温时可获得单相的奥氏体组织，它的强度低，塑性好，有利于压力加工。因此，钢材锻压轧制时，坯料一般都加热到单相的奥氏体区。一般情况下，温度高则塑性好，但亦不宜过高，以免氧化和晶粒粗大，所以一般始锻温度控制在固相线下100200，终锻温度不能过低，以免塑性变差和加工硬化不能消除，加工变形会产生裂纹。对于共析钢和亚共析钢，终锻温度一般稍高于GS线；过共析钢一般控制在稍高于PSK线（727）的温度范围内。各种热处理工艺与铁碳相图有非常密切的关系，如图4-33所示。（3）在热处理工艺上的应用在热处理工艺上的应用 机加工性能机加工性能:中碳钢好中碳钢好 压力加工性能压力加工性能:低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好 热处理性能热处理性能:后续介绍后续介绍铸造焊缝组织模锻切削加工的基本形式车刨钻铣磨 2023/4/27谢 谢