铁碳合金相图及应用

相图的应用—— 相图的应用——在热处理工艺方面的应用
一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热 一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热 温度都是依据Fe相图确定的。 温度都是依据Fe- Fe3C相图确定的。因此有重要 都是依据Fe 的意义。 的意义。
在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： 在运用Fe相图时应注意以下两点： Fe 相图只反映铁碳二元合金中相的平 铁碳二元合金中相的 ①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平 Fe衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。 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 相图反映的是平衡条件下 平衡条件下铁碳合金 Fe中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其 中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 组织转变就不能只用相图来分析了。 组织转变就不能只用相图来分析了。
第三节、Fe- 合金的成分-组织第三节、Fe-C合金的成分-组织-性能关系
含碳量——性能 性能 含碳量
HB： HB：取决于相及相对量
强度： ↑→σ↑， ↑→σ↓ 强度：C%↑→σ↑，而C% ≻ 0.9%↑→σ↓ 塑性、韧性：C%↑→塑性↓ 韧性↓ 塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓ 塑性
第四节、Fe第四节、Fe- Fe3C相图的应用
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、 工业纯铁的机械性能特点是强度低 、硬度低 、 塑性好。主要机械性能如下： 塑性好。主要机械性能如下： 抗拉强度极限 σb 延伸率 δ 180MPa～230MPa 180MPa～230MPa MPa 100MPa～170MPa 100MPa～170MPa MPa
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： 相组成物：F%= 组织相对量： 组织相对量：Fe3CII%=
Fe3C%= P%=
5．共晶白口铁（C%=4.3%） 共晶白口铁（C%=4.3%）
L→L+Le→ Le (A+Fe3C共晶)→ Le (A+Fe3C共晶 Le’(P+Fe +Fe3CII)→ Le (P+Fe3CII+Fe3C)
6．亚共晶白口铸铁，2.11%＜C%＜4.3% 亚共晶白口铸铁，2.11%＜C%＜
相组成物：F%= 相组成物： 组织组成物： 组织组成物：P，Le’，Fe3CII Le ，
Fe3C%=
7．过共晶白口铸铁
相组成物： 相组成物：F%=
Fe3C%= Fe3C%=
组织组成物：Le %=Lc源自文库= 组织组成物：Le’%=Lc%=
抗拉屈服极限 σ0.2 断面收缩率 ψ
30%～50% 30% 50% 70% 80% 70%～80%
冲击韧性 ak 1.6×106J/m2～2×106 J/m2 硬度 50HB～80HB 50HB～80HB HB
2．共析钢 C%=0.77%
2．共析钢 C%=0.77%
相组成物： 相组成物：F和Fe3C 相相对量： 相相对量：F%= 组织组成物 ：P Fe3C%=
相图的应用——热锻 相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 热锻、 应用
钢处于奥氏体状态时 强度较低, 塑性较好, 强度较低 , 塑性较好 , 因 此锻造或轧制选在单相奥 氏体区进行。 一般始锻 、 氏体区进行 。 一般始锻、 始轧温度控制在固相线以 100℃ 200℃ 范围内。 下 100 ℃ ～ 200 ℃ 范围内 。 一般始锻温度为1150 ℃ 一般始锻温度为 1150℃ ～ 1150 1250℃, 终锻温度为 750℃ 850℃ 750℃～850℃。
相图的应用
机械零件需要强度、 机械零件需要强度 、 塑性及韧性都较好的 材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。 材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。
相图的应用
工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选 碳含量高的钢钟。 碳含量高的钢钟。
相图的应用
纯铁的强度低, 纯铁的强度低, 不宜用做结构材 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 料 , 但由于其导磁率高 , 矫顽力低 , 可作软磁材料使用, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的 铁芯等。 铁芯等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能 白口铸铁硬度高、脆性大， 切削加工，也不能锻造， 切削加工，也不能锻造，但其耐磨性 铸造性能优良， 好，铸造性能优良，适用于作要求耐 不受冲击、形状复杂的铸件， 磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例 如拔丝模、冷轧辊、犁铧、 如拔丝模、冷轧辊、犁铧、球磨机的 磨球等。 磨球等。
珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗 珠光体的强度较高, 塑性、 碳体和铁素体之间, 其机械性能如下： 碳体和铁素体之间, 其机械性能如下： 抗拉强度极限σb 770MPa 抗拉强度极限 b ≈770MPa 冲击韧性ak≈3 冲击韧性ak≈3×105 J/m2～4×105J/m2 ak≈ 延伸率δ≈20% 35% 延伸率δ≈20%～35% δ≈20 硬度：180HB 硬度：180HB
点成分的A （3）共析转变线PSK，S点为共析点。在727℃, S点成分的A发 共析转变线PSK， 点为共析点。 727℃ PSK 生共析反应： 生共析反应： A → F + Fe3C 69% 共析渗碳体） （0.0218%C） （6.69%C共析渗碳体） 0218% 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。 以符号P表示。
2．液固相线 液相线ABCD 液相线ABCD 固相线AECF 固相线AECF
二、Fe-C合金平衡结晶过程 Fe7种典型Fe-C合金的平衡结晶过程： 种典型Fe- 合金的平衡结晶过程： Fe （看动画：Fe-C合金平衡结晶过程 3种） 看动画：Fe1.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
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77% 0.0218%＜C%＜
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77% 0.0218%＜C%＜
L → L+A → A → A+F → A+P+F → P+F
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77% 0.0218%＜C%＜
相组成物： 相组成物：F，Fe3C 相相对量： 相相对量：F%= 组织组成物： 组织组成物：F、P P%= F%= Fe3C%=
相图的应用——铸造工艺方面的应用 相图的应用——铸造工艺方面的应用
Fe相图 根 据 Fe- Fe3C 相 图 确 定合 金 的浇注温度。 的浇注温度。浇注温度一般在液相 线以上50 ℃ 100℃ 线以上 50℃ ～ 100 ℃ 。 纯铁和共晶 50 白口铸铁的铸造性能最好, 它们的 白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 因而流动性好, 凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以选在共晶成分附近。在铸钢生 所以选在共晶成分附近。 产中, 碳含量规定在0 15产中 , 碳含量规定在 0 . 15 - 0 . 6 % 之 间, 因为这个范围内钢的结晶温度 区间较小, 铸造性能较好。 区间较小, 铸造性能较好。
Fe相图在生产中具有巨大的实际意义, Fe- Fe3C相图在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用 在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。 在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 含量较低的钢材。 含量较低的钢材。
Fe第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的点、线、面：三条水平线和三个重要点 相图中的点、 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 包晶转变线HJB， 为包晶点 1495摄氏度， 1495摄氏度，C%=0.09-0.53% 摄氏度 09- 53% L+δ L+ → A
共晶转变线ECF, 点为共晶点。 1148℃ 点成分的L （2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。在1148℃, C点成分的L 发生共晶反应： 11% 69% 发生共晶反应 ： L → A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C， 共晶渗 碳体） 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 碳体）。 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, Le表示 表示。 称莱氏体, 以符号 Le表示。
第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 高温铁素体： 固溶到δ Fe中 形成δ 1．δ相 高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。 铁素体（ 表示） Fe中 形成α 2．α相 铁素体（用F表示）： C固溶到 α-Fe中，形成α相。 0008% F 强 度 、 硬 度 低 、 塑 性 好 （ 室 温 ： C%=0.0008%,727 度 ： 0218% C%=0.0218%） 表示） 固溶到γ Fe中形成 中形成γ 二、奥氏体 （用A 表示）：C 固溶到γ-Fe中形成γ 相）强度 低，易塑性变形 Fe与 三、渗碳体 Fe3C相，由Fe与C组成一种复杂结构的间隙化合 渗碳体的熔点高， 性能： 硬而脆，塑性、 物 , 渗碳体的熔点高 ， 性能 ： 硬而脆 ， 塑性 、 韧性几乎为 按不同生成条件形状有：条状、网状、片状、 零。按不同生成条件形状有：条状、网状、片状、粒状等 形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
本章结束
铁碳合金相图及应用
[重点掌握] 重点掌握] 1、铁碳合金的基本组织和性能特点； 铁碳合金的基本组织和性能特点； 2、根据铁碳相图，分析典型成份的结晶过程； 根据铁碳相图，分析典型成份的结晶过程； 3、成份、组织与性能之间的关系。 、成份、组织与性能之间的关系。
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础， 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础 ， 对于 钢铁材料的应用、 钢铁材料的应用 、 热加工及热处理工艺的制 定都具有重要的指导意义。 定都具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物， 如 铁和碳可以形成一系列化合物 ， FeC等 Fe3C、Fe2C、FeC 等 , 有实用意义并被深入研 究的只是Fe部分，Fe究的只是 Fe-Fe3C部分，Fe-Fe3C相图中的组元 Fe 只有Fe和 只有Fe和Fe3C。 Fe
1．工业纯铁（C%≤0.0218%） 工业纯铁（C%≤0.0218%）
L → L+A → A → A+F → F → F + Fe3CIII 相组成物： (C% 0008% 0008% 相组成物：F+Fe3C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%） 相相对量： 相相对量：F%= 组织组成物： 组织组成物：F 和 Fe3CIII Fe3C%=
小结： 小结：标注组织的铁碳相图
第三节、Fe- 合金的成分-组织第三节、Fe-C合金的成分-组织-性能关系
含碳量——铁碳合金在室温下的组织都由 F 和 含碳量 铁碳合金在室温下的组织都由F 铁碳合金在室温下的组织都由 两相组成, Fe3C两相组成, 两相的质量分数由杠杆定律确 ↑→F% 定。随C%↑→F%↓，Fe3C%↑
1．工业纯铁（C%≤0.0218%） 工业纯铁（C%≤0.0218%）
铁熔点或凝固点为1538℃, 铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。 纯铁 相对密度是7.87g/cm 7.87 从液态结晶为固态后, 从液态结晶为固态后, 继续冷 却到1394℃及912℃时 却到1394℃及912℃时, 先后发 1394℃ 生两次同素异构转变。 生两次同素异构转变。