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1、书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难19 五月 2023工程材料成型与技术基工程材料成型与技术基础之铁碳合金相图础之铁碳合金相图书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图 铁和碳是钢铁中两个最基本的元素，故称为铁碳合金。在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元。因此一般所说的铁碳合金相图，实际上是指铁一渗碳体(FeFe3C)相图，如图2-20所示为简
2、化图。(熟练掌握)二、铁碳合金相图纯铁的晶体结构：1538OC以上（L），1538OC1394OC（体心立方Fe）,1394OC-912 OC(面心立方Fe),912 OC以下体心立方-Fe。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图1、相图分析 1)铁碳合金相图中的特征点：书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图2)铁碳合金相图中的特征线：图2-20 Fe-Fe3C相图主要由包晶包晶、共晶共晶和共
3、析共析三个恒温转变组成。（1）ACD线为液相线液相线，AECF线为固相线固相线。（2）在ECF水平线(1148)发生共共晶晶转转变变L LC CE E+FeFe3 3C C，其转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱莱氏氏体体。碳的质量分数为211669的铁碳合金都发生这种转变。(3)在PSK水平线(727)发生共共析析转转变变S S P P+FeFe3 3C C，其转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，即珠光体。所有碳质量分数超过002的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度常标为A1温度。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不
4、知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图Fe-Fe3C相图中三条重要的固态转变线(1)GSGS线线奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称此温度为A A3 3温度温度。(2)ESES线线碳在奥氏体中的溶解限度线。此温度常称A ACMCM温温度度。低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。(3)PQPQ线线碳在铁素体中的溶解度线。在727，碳在铁素体中的最大溶解度为00218，因此，铁素体从727冷却下来时，也将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CIII。3)铁碳合金相图中的相区：相图中有F、A、L和Fe3C四
5、个单相区，以及由这四个单相区组成的两相区构成。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图2、典型铁碳合金结晶过程（1）铁碳合金分类 铁碳合金状态图上的各种合金，按其含碳量和常温组织的不同，一般可分为下列三类：1 1）工业纯铁）工业纯铁(0.02C)：常温组织为F。2 2）钢）钢(0.0082.06C)其中又分为：亚共析钢亚共析钢(0.0080.82.06C)常温组织为P+Fe3CII。3 3）生铁）生铁(2.066.67C)其中又分为：亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.064.36.67C)常温组织为
6、Li(P+Fe3CII+Fe3C)+Fe3CI。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图（）几种典型铁碳合金结晶过程分析书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图1）共析钢的结晶过程含碳量为0.77的铁碳合金(图-中合金)的结晶过程 该合金在1点以上温度时，全部为成分均匀的液体，缓慢冷却，温度降到1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量不断增加，直至2点，液体全部结晶成奥氏体，2点以
7、下到S点以上为奥氏体的冷却，没有组织变化，当温度下降到S点(727)时，奥氏体发生共析反应，全部转变成珠光体，3点以下至室温，组织基本上不再变化，而仅为珠光体的冷却。这种含碳量为0.77的铁碳合金叫共析钢，共析钢的常温组织为珠光体。其组织转变过程如图-所示。组织特征图图2-21组织转变过程书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图图2-22 共析钢组织金相图书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图2
8、）亚共析钢的结晶过程分析 含碳量为0.0080.77的铁碳合金的结晶过程 开始阶段合金的结晶过程与合金)类似，当冷却到3点(即GS线上的点)时，便从均匀的奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的下降，铁素体量逐渐增多，未转变的奥氏体中的含碳量沿GS线逐渐增加，即趋近于s点的成分，当温度降至4点(727)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量增至O.77，因此发生共析反应转变为珠光体，4点以下再继续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量O.772.06的铁碳合金叫过共析钢，所有过共析钢常温时的组织都是由珠光体和二次渗碳体组成。组织转变如图-。图中白色为渗碳体，片状为珠光体图2-25 过共析钢组织转变过程书山有路
9、勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图图2-26 过共析钢组织金相图书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难4）共晶白口铁的结晶过程分析第四节 铁碳合金相图 含碳量为4.3的铁碳合金在C点以上是液体，温度降到C点(1147)时，在恒温下发生共晶反应，全部液体均转变为莱氏体，在继续冷却的过程中，莱氏体内奥氏体的含碳量沿ES线逐渐减少的同时，不断析出二次渗碳体.冷却到PSK线上2点(727)时，组织中剩余的奥氏体的含碳量已降到
10、0.77，因而发生共析反应，转变成珠光体。室温时的组织为珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体，称为低温或变态莱氏体。将这种含碳量为4.3%的铁碳合金叫做共晶白口铁。常温组织为变态莱氏体，可表示为Le(P+Fe3C+Fe3C)。共晶生铁的组织转变如图2-27 共晶白口铁的室温组织图2-27 共晶生铁的组织转变书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图共晶白口铁组织金相图书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相
11、图5）亚共晶白口铁的结晶过程分析 图2-20中的合金V是碳质量分数在211-4.3的亚共晶白口铁。当亚共晶白口铁冷却到l点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体。随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE变化，而剩余液相量逐渐减少，其成分沿液相线AC变化。当冷却到与共晶线ECF相交于2点温度时，已结晶的奥氏体碳质量分数为211，液相的碳质量分数正好为共晶成分(WC=43)，因此，剩余的液相就发生共晶转变形成莱氏体。在2到3点之间冷却时，与共晶白口铁相同，奥氏体中不断析出二次渗碳体。到3点温度，奥氏体的碳质量分数正好是077，故发生共析转变，形成珠光体。亚共晶白口铁的室温组织为亚共晶白口铁的
12、室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。图2-28为其结晶过程示意图，图2-30a为其室温显微组织。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图亚共晶白口铸铁的室温显微组织书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图6）过共晶白口铁的结晶过程分析 图2-20中的合金VI是碳质量分数在4.3-669C的过共晶白口铁。冷却到1点温度时，液相中开始结晶出一次渗碳体。随着温度的下
13、降，结晶出的渗碳体量不断增加，剩余的液相量逐渐减少，其成分沿液相线DC变化。当冷却到与共晶线ECF相交于2点的温度时，液相的碳质量分数正好为共晶成分，因此，剩余的液相就发生共晶转变形成莱氏体。在2到3点间冷却时，奥氏体中同样要析出二次渗碳体，并在3点的温度，奥氏体发生共析转变形成珠光体。过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和低温莱氏体低温莱氏体，如图2-30c；结晶过程见示意图2-29。过共晶白口铸铁的室温组织图中亮白色板条状的为一次渗碳体，基体为低温莱氏体书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过
14、不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图过共晶白口铁组织金相图图中亮白色板条状的为一次渗碳体，基体为低温莱氏体书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图三、含碳量与铁碳合金的组织、性能的关系 1碳质量分数与平衡组织之间的关系 从以上分析的结果可以看出，不同碳质量分数的铁碳合金其室温组织是不同的。工业纯铁C0.0218%（F+Fe3CIII）亚共析钢(F+P)共析钢(P)过共析钢(P+Fe3CII)亚共晶白口铁（P+Fe3CII+Ld）共晶白口铁（Ld）过共晶白口铁（Fe3CI+Ld）Fe3C（C=
15、6.69%）在平衡条件下，碳质量分数与铁碳合金的组织组成及相组成物之间的定量关系，可归纳总结于下图中。提高铁碳合金中的碳含量，不仅增加组织中渗碳体的相对量，而且渗碳体的形态和分布情况也有所变化。因此，铁碳合金中的碳质量分数对铁碳合金的性能影响很大。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图2碳含量对力学性能的影响 图2-31为碳含量对碳钢的力学性能的影响。当钢
16、的碳含量小于0.9时，随着钢中碳含量的增加，钢的强度、硬度直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中碳含量大于0.9时，因网状渗碳体的存在，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。为了保证工业上使用的钢具有足够的强度，并具有一定的塑性和韧性，钢中的碳质量分数一般都不超过1.3-1.4。碳含量大于2.11的白口铁中存在较多的渗碳体，在性能上显得特别硬而脆，难以切削加工，因此在机械制造业中很少应用。图2-31 钢的成分对组织、力学性能的影响书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图四、铁碳相图
17、的应用 1在选材方面的应用 (熟练掌握)Fe-Fe3C相图总结了铁碳合金的组织、性能随成分变化的规律，因此在选择材料时，Fe-Fe3C相图就成为很重要的工具。例如，一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于025的低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.30.55的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.60.85的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.70.9的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.0
18、1.3的钢制造。白口铁中都存在莱氏体组织，具有很高的硬度和脆性，既难以切削加工，也不能锻造。但白口铁具有很高的抗磨损能力，可用于制作需要耐磨而不受冲击载荷的工件。如拔丝模、球磨机的铁球等。此外，白口铁还用作生产可锻铸铁的毛坯。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图 Fe-Fe3C相图除可作为选材的重要工具外，还可作为制定铸、锻、焊、热处理等热加工工艺的依据。(1)铸铸造造方方面面的应用 从Fe-Fe3C相图中液相线ABC可以看出，随着合金中碳质量分数的增加，合金的熔点越来越低，所以铸钢的熔化温
19、度与浇注温度都要比铸铁高得多。其次，由相图可见，共共晶晶成成分分的的铁铁碳碳合合金金，不不仅仅其其结结晶晶温温度度最最低低，其其结结晶晶温温度度范范围围亦亦最最小小(为为零零)。共共晶晶合合金金有有良良好好的的铸铸造造性能，性能，在铸造生产中获广泛应用。(2)锻锻造造方方面面应用 由Fe-Fe3C相图可知，钢在高温时为奥氏体组织，而奥奥氏氏体体的的强强度度低低、塑塑性性好好，有有利利于于塑塑性性变变形形。因此，钢材的轧制或锻压，一般都是选择在奥氏体区的适当温度范围内进行。(3)焊焊接接方方面面的应用 焊接时，焊缝与母材之间各个区域的加热温度是不同的。由FeFe3C相图可知，受不同加热温度的区域
20、在随后的冷却过程中可能出现不同的组织与性能。这就需要在焊接后采用不同的热处理方法加以调整和改善焊缝组织。（4）热热处处理理方方面面的应用 Fe-Fe3C相图对制定热处理工艺有特别重要的意义，后面将详细介绍。2在制定热加工工艺方面的应用 书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图制定热加工工艺方面的应用书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难第四节 铁碳合金相图生产实践中使用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：(1)通常
21、使用的铁碳合金中，除含铁、碳两元素外，尚有其他多多种种合合金金元元素素或或少少量量的的杂杂质质元元素素，这些元素对相图都有影响，应予以考虑。(2)Fe-Fe3C相图虽然表示了铁碳合金在不同温度下的组织状态，但这种组织都是从高温，以极其缓慢冷却速度得到的，是一种平衡组织。而实际生产中的冷却速度不可能如此缓慢。当冷却速度较快时，合金的临界点及其冷却后的组织都将可能与FeFe3C相图中不同。书山有路勤为径，书山有路勤为径，学海无涯苦作舟学海无涯苦作舟书到用时方恨少，书到用时方恨少，事非经过不知难事非经过不知难本次课小结本次课小结作业作业P39 T2-12 本次课主要讲授铁碳合金相图，要求同学们主要掌握：1、相图的特征点、线及相区2、典型合金的结晶过程分析3、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响4、铁碳合金相图的应用及注意事项