第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104

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(2)共析钢(C=0.77%) • L (匀晶转变)
第五章 相平衡与相图

+Fe3C (共析转变)
• 室温平衡组织: P(+Fe3C),100%珠光体,层片状混合物。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
(3)亚共析钢(0.0218%<C<0.77%) • 0.09% > C :L
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
二、 Fe- Fe3C
第五章 相平衡与相图
1. 组元和相
(1)Fe为同素异构体,在常压下从高温到低温,具有3个晶态: -Fe , -Fe, -Fe
(2)碳有两种晶态:
金刚石:金刚石结构;石墨:六方结构 (3)在Fe-Fe3C系中有4种晶体相:
• 铁素体( 或F):碳原子溶于-Fe形成的固溶体(体心立方结构);
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
三、 Fe- 石墨相图
1. 相图中的线和区 CD——从液相结晶出一次石墨GI; ES ——从奥氏体中析出二次石墨GII; PQ ——从铁素体中析出三次石墨GIII; ECF——共晶反应线,LC E + G PSK ——共析反应线, S P + G 2. Fe- 石墨结晶平衡组织
பைடு நூலகம்
• 共析钢,C=0.77%;
• 亚共析钢,0.0218%<C<0.77%; • 过共析钢,0.77%<C<2.11%;
(3)铸铁, 2.11%<C<6.69%
• 共晶白口铁,C=4.30%; • 亚共晶白口铁,2.11%<C<4.30%;
• 过共晶白口铁,4.30%<C<6.69%;
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
• 铁素体从727℃冷却时也会析出极少量的渗碳体,以三次渗碳体 Fe3CIII称之,以区别上述两种情况产生的渗碳体。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
4. 铁碳合金的分类
第五章 相平衡与相图
铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织分为三大类:
(1)工业纯铁,C<0.0218% (2)碳钢,0.0218%<C<2.11%
(3)相应于碳的两种形式,存在两种相图,重合在一起,构成双重相图:
• Fe-C(石墨)相图,稳定平衡相图(虚线),Fe和C构成相图的组元。 • Fe- Fe3C相图,亚稳定平衡相图(实线)。Fe和Fe3C构成相图的组元。
• 通常情况下,铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变。只有在极其缓慢的 冷却条件下才有可能形成石墨,按Fe-C(石墨)系进行转变。
转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物,称为莱氏体(Ld);
(3)PSK—在727℃发生共析转变:s→P+Fe3C, 转变产物是铁素体与渗碳体的机械混合物,称为珠光体(P)。
共析转变温度常标为A1温度。
(4)770℃的水平虚线—铁素体的磁性转变温度,常称为A2温度。 (5)230℃的水平虚线—渗碳体的磁性转变。
第五章 相平衡与相图
• 完全按Fe- 石墨相图结晶的的所有铸铁的平衡组织都是由铁素体和 片状石墨组成。
• 随含碳量增加,石墨数量增加,铁素体数量减少。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
2. 铁碳合金的石墨化
第五章 相平衡与相图
铁碳合金中形成石墨的过程称为石墨化,分为两个阶段: (1) 液态石墨化:
第五章 相平衡与相图
脱溶分解( +Fe3CII)
共析转变( +Fe3C) • 室温平衡组织: Fe3CI +Ld ( Fe3CII + P + Fe3C共晶)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.24 过共晶白口铸铁冷却到室温后的组织 250× (白色条片是一次渗碳体,其余为莱氏体)
第五章 相平衡与相图
(2)孕育灰口铸铁,石墨为细片状,(加入孕育剂,孕育处理)。
(3)球墨铸铁,石墨为球状,(加入球化剂,球化处理)。
4. 石墨和基体组织对铸铁性能的影响
• 石墨为粗片状细片状球状,力学性能提高。
• 珠光体数量增加,强度提高,塑性降低。
第五章 相平衡与相图
• 0.09% <C < 0.17 % : L L+
• C = 0.17 %:L L+
• 0.17 % < C < 0.53 % :L L+ L • C > 0.53 %: L
• (固溶体同素异晶转变) 脱溶分解( +Fe3CIII)
• 结晶条件不同,第二阶段的石墨化程度不同,基体组织分别为铁素体、 珠光体、铁素体+珠光体。
(3) 麻口铸铁 • 第一阶段的石墨化未充分进行,铸铁组织中包括石墨和共晶渗碳体或一 次渗碳体,称为麻口铸铁。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
根据石墨的形状,铸铁可分为: (1)普通灰口铸铁,石墨为粗片状。
• 高温铁素体() :碳原子溶于 -Fe形成的固溶体(体心立方结构); • 奥氏体(或A) :碳原子溶于 -Fe形成的固溶体(面心立方结构) ;
• 渗碳体(Cm):碳与铁形成复杂结构的化合物Fe3C(正交点阵)。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
2. 水平线
第五章 相平衡与相图
(1)HJB—在1495℃发生的包晶转变:LB+H→ J , 转变产物是奥氏体(A); (2)ECF—在1148℃发生的共晶转变:Lc→E+Fe3C,

亚共晶铸铁 铸铁 共晶铸铁 过共晶铸铁
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
6. 碳对Fe-C合金组织性能的影响 (1)室温下各种组织的形态 • 铁素体:等轴铁素体 • 珠光体:共析铁素体和共析渗碳体为层片状。 • 一次渗碳体:长条状 • 二次渗碳体:网状 • 三次渗碳体:颗粒状 • 室温莱氏体:共晶渗碳体为连续的基体。 (2)室温下两个组成相的性能 • 铁素体:塑性和韧性高,强度和硬度较低。 • 渗碳体:塑性和韧性低,硬而脆。
第五章 相平衡与相图

(固溶体同素异晶转变)

(固溶体同素异晶转变)

+Fe3CIII (脱溶分解)
• 室温平衡组织:+Fe3CIII,铁素体
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.18 工业纯铁的显微组织 300×
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
脱溶分解( +Fe3CII)
+Fe3C)
共析转变(

• 室温平衡组织: Fe3CII + P +Ld ( Fe3CII + P + Fe3C共晶)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
(7)过共晶白口铁, 4.30%<C<6.69%; • L Fe3CI 共晶转变 L( + Fe3C)Ld
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
总类 铁 分类名称 工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 碳浓度( % ) <0.0218 0.02180.77 0.77 0.77-2.11 2.11-4.30 4.30 4.30-6.69
第五章 相平衡与相图
室温平衡组织
铁素体 (F) 铁素体+三次渗碳体(F)+ CmIII 先共析铁素体+珠光体 (F)+P 珠光体,P 先共析二次渗碳体+珠光体 P+CmII 珠光体+二次渗碳体+莱氏体 P+CmII+Ld 莱氏体Ld 一次渗碳体+莱氏体 CmII+Ld
图7.22 共晶白口铸铁的室温组织 250× 白色基体是共晶渗碳体 黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
(6)亚共晶白口铁,2.11%<C<4.30%;
第五章 相平衡与相图
• L (匀晶转变) 脱溶分解( +Fe3CII) 共晶转变 L( + Fe3C)Ld +Fe3C) 共析转变(
材料科学基础
第五章
相平衡与相图
第四节 Fe-C相图
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
一、概述
第五章 相平衡与相图
(1) 碳钢和铸铁是最为广泛使用的金属材料,铁碳相图是研究钢铁材料 的组织和性能及其热加工和热处理工艺的重要工具。
(2) 在Fe-C系统中,碳可以以两种形式存在: • 游离态石墨(表示为C或G),含碳量100%,是稳定相; • 化合物Fe3C (表示为Cm) ,含碳量6.69%。Fe3C是亚稳相,在一定 条件下可以分解为铁和石墨,即 Fe3C→3Fe+C(石墨)
• 从液体中直接形成一次石墨和共晶石墨;
• 一次渗碳体和共晶渗碳体的高温分解。 (2)固态石墨化:
• 从奥氏体中形成的二次石墨和共析石墨;
• 二次渗碳体和共析渗碳体的分解。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
3. 铸铁的类型和组织
第五章 相平衡与相图
根据石墨化程度,铸铁可分为
(1)白口铸铁 • 完全按Fe- Fe3C相图结晶的铸铁的平衡组织由铁素体和渗碳体组成。其 断口呈现白色,故称为白口铸铁。 (2)灰口铸铁 • 第一阶段的石墨化可以充分进行,第二阶段的石墨化充分或部分,铸铁 组织由基体组织和石墨组成。其断口呈现深灰色,故称为灰口铸铁。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
(3)碳对对Fe-C合金组织的影响 • 完全按Fe- Fe3C相图结晶的的铸铁平衡组织都是由铁素体和渗碳 体组成。但不同含碳量的合金中,铁素体和渗碳体的数量和组织 形态不同。
• 随含碳量增加,渗碳体的数量增加,铁素体数量减少。
• 随含碳量增加,合金组织的变化: + P P P + CmII P + CmII + Ld Ld + CmI (4)碳对Fe-C合金性能的影响 • 在碳钢中,珠光体数量越多,强度越高。 • 在铸铁中有共晶莱氏体,塑性,强度和韧性均比钢差。 • 共晶铸铁的铸造性最好。
(5)共晶白口铁,C=4.30%; • 共晶转变 L( + Fe3C)Ld 脱溶分解( +Fe3CII)
第五章 相平衡与相图
共析转变( +Fe3C) • 室温平衡组织: 室温莱氏体 Ld ( Fe3CII + P)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
共析转变( +Fe3C) • 室温平衡组织: +Fe3CIII + P(+Fe3C)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.20亚共析钢的室温组织 200×
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
(4)过共析钢,0.77%<C<2.11%;
• L (匀晶转变) 脱溶分解( +Fe3CII)
第五章 相平衡与相图
共析转变( +Fe3C)
• 室温平衡组织: Fe3CII + P(+Fe3C)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.21 含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织 500× 硝酸酒精浸蚀,白色网状相为二次渗碳体,暗黑色为珠光体
(a)
(b)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
3. 固态两相平衡转变(脱溶分解,固溶析出)
第五章 相平衡与相图
在Fe-Fe3C相图中,有3条重要的固溶度曲线:
(1) GS线——奥氏体中开始析出铁素体(降温时)或铁素体全部溶人 奥氏体(升温时)的转变线。 • 曲线所代表的温度常称为A3温度。 (2) ES线——碳在奥氏体中的溶解度曲线。 • 曲线所代表的温度常称Acm温度。 • 低于此温度,奥氏体中将析出渗碳体,称为二次渗碳体,用Fe3CII表 示,以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体 Fe3CI (3)PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线。 • 在727 ℃时,碳在铁素体中的最大含碳量达到0.0218% C 。
第五章 相平衡与相图
• 碳钢和铸铁是按共晶转变来区分的,无共晶转变,即无莱氏体的 合金称为碳钢。既无共析转变也无共晶转变的合金称为工业纯铁。 • 碳钢和铸铁的理论分界碳含量为2.11%。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
5. 平衡凝固过程
(1)工业纯铁(C<0.0218%) • L (匀晶转变)
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