机械制造基础-第3章-铁碳合金状态图

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3.2 铁碳合金状态图分析
4、铁碳合金的分类
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3.2 铁碳合金状态图分析
5、典型铁碳合金的结晶过程分析 1）共析钢的结晶过程 1点温度以上，合金处于液态； 缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继 续下降，奥氏体量逐渐增加； 直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体； 2点至3点间为单一奥氏体的冷却； 当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变， 转变为珠光体； S点以下，珠光体冷却至室温。
2）含碳量与力学性能间的关系 强度：当Wc<0.9％时，随 着Wc增加，不断提高；当 Wc>0.9％时，由于渗碳体 在晶界呈网状分布，使钢 的强度下降。 硬度：随Wc的增加而提高。 塑性：随Wc的增加而迅速降低。 冲击韧性：随Wc的增加而迅 速降低。
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课堂作业1 同样形状和大小的两块铁碳合金，一块是 低碳钢，一块是白口铁，用什么简便方法 可将它们迅速区别开来？
第3章 铁碳合金状态图
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3.1 铁碳合金的基本组织
1、铁素体（F或α） 铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立 方晶格。碳在α-Fe中的溶解度很小，727℃时0.0218%；室 温时为0.0008%,几乎为零。其强度和硬度很低，塑性、韧 性好。显微组织是明亮的多边形晶粒。
2、奥氏体（A或γ） 奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方 晶格。碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%； 727℃时 为0.77%。其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。其 晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。
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图1-15是简化了的状态图，纵坐标是温度，横坐标是含 碳量（Wc％），含碳量到6.69％，超过6.69％，在工业 上无实用价值。因Fe3C是稳定的化合物，故可作为合金 的一个组元，因此，这个状态图实际上是Fe—Fe3C图。 图1—15 铁碳合金状态图
铁碳合金状态图的建立 1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢地冷却， 记录数据，绘制它们的冷却曲线（时间、温度）。如表1-2
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2）亚共析钢的结晶过程
F
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亚共析钢显微组织
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3.2 铁碳合金状态图分析
3）过共析钢的结晶过程 过共析钢在3点以前与共析钢类似； 当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的下降 而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗碳体； 随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出，而剩余奥 氏体的碳含量沿ES线逐渐减少； 温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生共析 转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳体， 直至室温。 所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二次 滲碳体。但随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量 减少，网状二次滲碳体的数量增加，并变得更粗大。
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3.1 铁碳合金的基本组织
3、渗碳体（Fe3C） 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％， 具有复杂的晶体结构。其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、 Ak接近于零，脆性很大。渗碳体在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C石墨 4、珠光体（P） 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是奥氏 体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织 是铁素体与渗碳体片层状交替排列。性能介于铁素体和渗 碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。 5、莱氏体（Ld或Ld'） 莱氏体是由奥氏体（或珠光体727℃以下）和渗碳体组成的机 械混合物。是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含 量4.3%。
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显微组织
P
Ld
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3.2 铁碳合金状态图分析
目前应用的铁碳 合金状态图是含碳 量为0～6.69%的铁 碳合金部分（即Fe －Fe3C部分），因 为含碳量大于6.69％ 的铁碳合金在工业 上无使用价值。右 图为简化后的Fe－ Fe3C状态图。
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3.2 铁碳合金状态图分析
1、主要特性点 1）A点 纯铁的熔点，温度1538℃,Wc=0
8）P点 碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃，Wc=0.0218%
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3.2 铁碳合金状态图分析
2、特性线 1）ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳 合金在此线以上处于液相。 2）AECF线 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在 此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。 3）ECF水平线 共晶线，Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148℃） 时，均发生共晶转变，生成莱氏体。
以上各特性线的含义，均是指合金缓慢冷却 过程中的相变。若是加热过程，则相反。
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3.2 铁碳合金状态图分析
三条重要的特性线
ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。 GS线 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。 PSK水平线 共析线，通常称为A1线。
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铁碳合金状态图
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2.从冷却曲线上找出临界点，并画到图1-16的 成分—温度坐标中。 图1—16 铁碳合金状态图的建立 3.相同意义的点连接起来。
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3.2 铁碳合金状态图分析
3、相区 1）单相区 有F、A、L和Fe3C四个单相区 2）两相区 五个两相区：L＋A两相区、L+ Fe3CⅠ两相区、A+ Fe3CⅡ两相区、A＋F两相区、F+Fe3Cш两相区 3）三相区 ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线 （L、A、Fe3C） PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存 线（A、F、Fe3C）
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亚共晶白口铁显微组织
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6）过共晶白口铁的结晶过程
过共晶白口缓慢冷却的相变过程可以简单地
示意为：L→ L十Fe3CⅠ → Fe3CⅠ十Ld →Fe3CⅠ十Ld` 过共晶白口室温时显微组织的相组成物是F和 Fe3C ，组织组成物是Fe3CⅠ 和Ld` 。
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6）过共晶白口铁的结晶过程
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5、典型铁碳合金的结晶过程分析 1）共析钢的结晶过程
上
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共析钢显微组织
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3.2 铁碳合金状态图分析
2）亚共析钢的结晶过程 亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似； 当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体； 温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减 少，尚未转变的奥氏体的碳含量沿GS线逐渐增加； 当缓冷到4点(727℃)时，剩余的奥氏体的Wc=0.77%， 发生共析转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成， 冷却到4点以下，组织不再产生改变。 所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体， 随着碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。
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3.2 铁碳合金状态图分析
4）ES线 碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏 体中最大溶解度是E点（wC＝2.11％），随着温度的降低， 碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳 体Fe3CⅡ。 5）GS线 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。 6）PSK水平线 共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727℃） 时，将发生共析转变生成珠光体（P），wC＞0.0218%的铁 碳合金均会发生共析转变。
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过共晶白口铸铁显微组织
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6、Fe- Fe3C相图在工业生产中的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用。 相图对指导铸、锻、焊和热处理工艺有直接意义。 1.在铸造方面的应用 根据相图上的液相线可以确定铸件的合理 浇注温度。一般选在液相线之上 150℃左右。共晶成分铸铁铸 造性能好。 2.在锻造方面的应用 从Fe-Fe3C相图上可知，当把钢加热到 A3 和Acm线之上都会变成单相奥氏体。锻造和热轧的开始温度一 般选在固相线以下 100℃ -200℃。终锻和终轧温度亚共析钢选 在稍高于GS线（A3)，过共析钢选在稍高于PSK线（A1) 3.在焊接方面的应用 可根据Fe-Fe3C相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊接应力。 4.在热处理方面的应用 Fe-Fe3C相图中的A1、A3、Acm三条相 变线，是确定碳素钢热处理工艺加热温度的依据。
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共晶白口铁显微组织
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5） 亚共晶白口铁的结晶过程
亚共晶白口铁缓慢冷却的相变过程可以简单
地示意为： L→ L十A→ A十Ld +Fe3CⅡ → P十Ld` +Fe3CⅡ 。 亚共晶白口铁室温时显微组织的相组成物是 F和Fe3C ，组织组成物是P 、Ld`和Fe3CⅡ 。
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5） 亚共晶白口铁的结晶过程
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3.2 铁碳合金状态图分析
7）GP线 0＜Wc＜0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出 铁素体的终了线。 8）PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，Wc=0.0218%， 溶碳量最大，在600℃时，Wc=0.0057%。 在727℃缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少， 铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3CⅢ）的形 式析出。一般情况下，忽略Fe3CⅢ的存在。
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3.2 铁碳合金状态图分析
7、铁碳合金的成分、组织与性能的关系 1）含碳量与铁碳合金平衡组织间的关系
铁碳合金的室温组织都是由铁素体和滲碳体两相组成。 随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，滲碳体量逐渐 增多，且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的 组织。
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3.2 铁碳合金状态图分析
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课堂作业2 根据Fe-Fe3C相图，说明下列现 象或做法的原因 （1）含碳量1.0%的钢比0.5%的硬度高； （2）含碳0.8%的钢比1.2%的强度大； （3）在1100℃下含0.4%的钢容易锻造,含碳 4.0%的生铁不能锻造； （4）钢铆钉一般用低碳钢制造； （5）钢适于用压力加工成形，而铸铁适宜于 用浇注成形。