机械工程材料第四章铁碳合金相图

第四章铁碳合金相图

教学目的及其要求

通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。

主要内容

1．铁碳合金的相组成

2．铁碳合金相图及其应用

3．碳钢的分类、编号及应用

学时安排

讲课4学时

教学重点

1．铁碳合金相图及应用

2．典型合金的结晶过程分析

教学难点

铁碳合金相图的分析和应用。

教学过程

纯铁、铁碳合金中的相

一、铁碳合金的组元

铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。

由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。

二、铁碳合金中的基本相

相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。

1．铁素体

碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。

2．奥氏体

碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。

3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。

渗碳体对合金性能的影响：

（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。

（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：

以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；

以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。

二、两相机械混合物

珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。

莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。

铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。

组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。

显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。

第二节铁碳合金相图

一、相图中的点（14个）

1．组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C的熔点

2．同素异构转变点：N（0, 1394）δ-Fe (γ-Fe；G（0, 912）γ-Fe ( α-Fe

3．碳在铁中最大溶解度点：

P（0.0218，727），碳在α-Fe 中的最大溶解度

E（2.11，1148），碳在γ-Fe 中的最大溶解度

H (0.09，1495)，碳在δ-Fe中的最大溶解度

Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe 中的溶解度

三相共存点：

S（共析点，0.77，727），（A＋F ＋Fe3C）

C（共晶点，4.3，1148），（A＋L ＋Fe3C）

J（包晶点，0.17，1495）（＋A＋L ）

其它点

B（0.53，1495），发生包晶反应时液相的成分

F（6.69,1148 ），渗碳体

K (6.69,727 ) ，渗碳体

二、相图中的线

1．液相线(ＡＢＣＤ)：结晶时液相的成分，在其上体系为液相；

2．固相线（ＡＨＪＥＣＦ）：结晶时固相的成分，其下为固相。

3．恒温转变的线：HJB 包晶线、ECF共晶线、PSK共析线。

PSK 线，共析线。在此线上的合金都要发生共析反应。冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度；加热时，珠光体转变为奥氏体的温度；PSK线又称A1线。

4．固溶度线

ES线：碳在奥氏体中的溶解度线，随温度温度(，溶解度( ；0.77%～2.11%C。冷却时，从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度；加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体中的温度。ES线又叫作Acm线。

PQ 线：碳在铁素体中的溶解度；随温度( ，最大溶解度( ；0.0008% ～0.0218%C；冷却时，从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度；加热时，三次渗碳体完全溶入铁素体的温度。5．同素异构转变线：NH 和NJ，GS 和GP。

GS线：冷却时，由奥氏体向铁素体转变的开始温度；加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度，GS线又叫作A3线。

三、相图中的相区

1．单相区（4个＋1个）：L、δ、A、F 、（＋Fe3C）

2．两相区（7个）：L + δ、L + Fe3C、L + A、δ+ A 、A + F 、A + Fe3C 、F + Fe3C。

四、基本转变类型

1．匀晶反应

L (δ: 由液相中直接结晶出δ相。合金的成分线与AB线相交，Wc：0 ～0.53%。

L( A: 由液相中直接结晶出A相。合金的成分线与BC线相交，Wc：0.53% ~ 4.3%。

L( Fe3C: 由液相中直接结晶出Fe3C相。合金的成分线与CD线相交，Wc：4.3% ~ 6.69% 2．包晶反应

含义：具有J点成分的铁碳合金冷却至14950C，液相和δ相在转变过程中恰好全部消耗完，生成了单一的J点成分的A相。

包晶点：J（0.17，1495）

产物：单相奥氏体（A ）

发生包晶反应的合金成分：0.09%--0.53% C 。即合金的成分线与HJB线相交。

3．共晶反应

含义：由C点成分的液相在11480C下，同时生成具有E点成分的A 相和Fe3C。

发生共晶反应的成分范围：2.11 %—6.69% C，合金成分线与ECF线相交)。

产物：A和Fe3C的两相混合物，称为莱氏体，用Ld表示，其组织形态是以Fe3C为基体，A 呈粒状或杆状分布在Fe3C基体上。

共晶点：C (4.3,1148)

4．共析反应

含义：在7270C下，由S点成分的A相同时生成P点成分的F相和Fe3C相

合金范围：0.0218 ～6.69%C，合金成分线与PSK线相交。

产物：F和Fe3C的两相混合物，称为珠光体，用P表示，形态呈层片状。

共析点：S（0.77，727），具有S点成分的A相冷却至7270C时，发生共析转变，生成珠光体。

五种渗碳体的异同（Fe3CI、Fe3CⅡ、Fe3CIⅡ、共晶Fe3C、共析Fe3C）：它们只是形成条件、形态与分布不同，对铁碳合金性能有所不同，就其本身来说，并无本质区别，都是同一种物质，即Fe3C，6.69％C。

五、铁碳合金分类

工业纯铁、钢（亚共析、共析、过共析钢）、铸铁（亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁）

六、典型铁碳合金的结晶过程分析

分析方法和步骤：

在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线；

在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4…….）

写出每两个点之间或者重要点上发生的转变（由液相分析至室温）。

室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相；组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。

Wc＝0.77%的铁碳合金结晶过程分析

合金在1点温度以上为液相L；

在1～2温度之间，发生匀晶反应，从液相中析出奥氏体相；

在2～3点温度之间，为单相奥氏体，只有温度的降低；

在3点（S点）时到达共析温度（7270C，奥氏体发生共析反应，生成珠光体组织；

3点以下直到室温，合金温度降低，为珠光体组织。

所以，Wc＝0.77%的铁碳合金

室温下的相：F+Fe3C

组织组成物：P(珠光体）（100％）

组织形貌：F和Fe3C层片状混合物

Wc＝0.4%的铁碳合金结晶过程分析

合金在1点温度以上为液相L；