工程材料第五章 铁碳合金相图及应用

第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 δ相 高温铁素体：δ固溶体。 α相 铁素体：α-Fe中的固溶体， “F”表示。
F的强度、硬度低、塑性好 溶解度：727℃：0.0218% C ；室温：0.0008% C
铁素体的力学性能
σb σ0.2 硬度
180～230MPa/m2
ψ
70～80%
100～170 MPa/m2
抗拉强度极限σb ≈770MPa 延伸率δ≈20%～35% 硬度：180 HB
2．液固相线 液相线ABCD 固相线AECF
二、Fe-C合金平衡结晶过程
7种典型Fe-C合金的平衡结晶过程： 1.工业纯铁 2.共析钢 3.亚共析钢 4.过共析钢
5.共晶白口铁 6.亚共晶白口铸铁 7.过共晶白口铸铁
1．工业纯铁(C%≤0.0218%）
L→L+Le→ Le (A+Fe3C)→ Le (A+Fe3C+Fe3CII) → Le’(P+Fe3CII+Fe3C)
6．亚共晶白口铸铁，2.11%＜C%＜4.3%
相组成物：F%= 组织组成物：P，Le’，Fe3CII
Fe3C%=
7．过共晶白口铸铁
相组成物：F%= 组织组成物：Le’%=Lc%=
本章结束
几乎为零。 Fe3C在钢中的形态：条状、网状、片状、粒状等, 对机械性能影响很大。
F ≤0.0218%C的Fe-C合金
板条马氏体(过饱和F ) F + P 0.2%C的Fe-C合金(20钢)
P＋ Fe3C
针状马氏体(过饱和F)
1.0%C的Fe-C合金(T10)
过共晶白口铸铁 5.0%C的Fe-C合金
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金：以铁和碳为基本元素的合金。 钢:0.0218～2.11%C，铸铁大于2.11%C。
低碳钢:<0.25％C；中碳钢:0.25％-0.60％C；高碳钢>0.60％C。 铁与碳可以形成间隙固溶体、化合物Fe3C、Fe2C、FeC等。 铁碳相图中的组元是Fe和Fe3C。
铸钢零件 碳含量0.15-0.6%之间, 这个范围内钢的结晶 温度区间较小, 铸造性能较好。
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢在奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 锻造 或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
制定钢的热处理工艺（退火、正火、 淬火等），需要参照Fe- Fe3C相图。
在运用Fe-Fe3C相图时应注意： ①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。 ②Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金的组织状态, 若快速冷却或加热时, 其组织 状态将有变化。
作业： 1）T12碳素工具钢是碳的质量分数为 1.2％的过共析钢。①简述该钢平衡结晶（缓慢冷却） 过程并画出其示意图；②计算T12钢平衡结晶后组织组成P和Fe3C的相对量（质量分数）；相 组成F和Fe3C的相对量。
2）某厂要用中碳钢作零件，但仓库的一批碳钢（退火态）却不知其化学成分，经金相观察， 组织为 F ＋ P ，其中F占视野面积的45％。问这批钢的含碳量大约为多少？能否使用？
δ
30～50%
50～80HBS
ak
160～200J/m2
二、奥氏体 碳溶于γ-Fe中的固溶体， “A”表示。 溶解度：1148℃时 2.11％C。727℃时 0.77%C。 A（727℃以上）强度低，易变形加工； A化是热处理重要步骤。
三、渗碳体 Fe3C相，由Fe与C组成一种复杂结构的间隙化合物。 Fe3C中C含量6.69％，熔点高， 硬而脆，塑性、韧性
Fe3C%=
Fe3C%=
第三节、Fe-C合金的成分-组织-性能关系
含碳量与性能: C%↑→硬度↑ C%↑→σ↑ C% ≻ 0.9%→σ↓ 塑性、韧性：C%↑→
塑性↓、韧性↓
第四节、Fe- Fe3C相图的应用
①力学性能 ②加工工艺 建材用钢；汽车零件等
相图的应用 机械零件要求强度、塑性及韧性都较好的材料, 选用碳含量适中的中碳钢。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。 在727℃,S点成分的A发生共析反应：
A → F + Fe3C（渗碳体） （0.0218%C）（6.69% C ） 铁素体与渗碳体的混合物, 称珠光体, P表示。
P中F与Fe3C 的质量分数
ωF ωFe3C
珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介 于渗碳体和铁素体之间：
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 1495℃ ，C%=0.09-0.53% L → L+δ → A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） 奥氏体与渗碳体的混和物, 称莱氏体。
2．共析钢 C%=0.77%
相组成物：F 和 Fe3C 相相对量： 组织组成物 ：P
ωF ωFe3C
共析钢的结晶过程如图及金相组织
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
L → A → A+F → A+P+F → P+F
亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
相图的应用 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 选碳含量高的钢（大于0.60％ C）。
相图的应用
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，不能锻造。 但耐磨性好，铸造性能好，用于耐磨、不 受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、 冷轧辊、犁铧、泵体、阀门等。
相图的应用——铸造工艺方面的应用
共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 流 动性好, 分散缩孔少, 精密铸件选在共晶成分附近。
熔点或凝固点：1538℃； 密度7.87； 两次同素异构转变： 1394℃ δ→A 912℃ A→α
1．工业纯铁（C%≤0.0218%）
L→ δ+L→ δ→ δ+A→ A→ A+F→ F→ F+Fe3CIII
相组成物：F + Fe3C
相相对量：F%=
Fe3C%=
组织组成物：F 和 Fe3CIII
2．共析钢 C%=0.77%
相组成物：F，Fe3C 相相对量：F%= 组织组成物：F、P
P%=
源自文库
Fe3C%= F%=
4．过共析钢
4．过共析钢
L → L+A → A → A+Fe3CII → A+P+Fe3CII → P+Fe3CII
4．过共析钢
相组成物：F%= 组织相对量：Fe3CII%=
Fe3C%= P%=
5．共晶白口铁（C%=4.3%）