4铁碳合金相图及碳素钢

Ｐ
亚共析钢组织金相图
1.3.4 铁碳合金的结晶
共析温度下相的相对重量为：
组织组成物的相对重量为：
S’
• 利用平衡组织中珠光体所占的面 积百分比，可以近似估算亚共析 钢的含碳量:
C%=P面积%×0.77% (忽略 中含
碳量，P面积%=QP)
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 室温下相的相对重量百分比 为：
组织为不规则多面体晶粒， 晶界较直。强度低、塑性
好，钢材热加工都在 区
进行. 碳钢室温组织中无奥氏体。
奥氏体
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 • Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), • 脆性大, 塑性几乎为零。
Fe3C是一个亚稳相，在一定条 件下可发生分解：
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈠工业纯铁的结晶 过程
• 合 金 液 体 在 1-2 点
间转变为，3-4点 间 → ， 5-6 点间 →。到7点，从 中析出Fe3C。
L+ H B
J
N +
+ S
1.3.4 铁碳合金的结晶
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。 Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
• 纯 铁：L
δ-Fe
γ-Fe
α-Fe
1538℃
1394℃
912℃
(铁的同素异构转变)
δ-相、 奥氏体（A）、 铁素体（F） 均是碳在Fe中的 间隙固溶体
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ⑵ 奥氏体:
• 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。
• 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大， 1148℃时最大为2.11%。
D
1
2
F 3K
4
Fe3C
Fe3CⅠ P
Fe3C+Fe3CⅡ
过共晶白口铁组织金相图
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 2点以下, Fe3CⅠ成分重量不再发 生变化, Le变化同共晶合金,其室 温组织为Fe3CⅠ+Le’。
D
1 2
F 3K
4
Fe3C
1.3.4 铁碳合金的结晶
㈧ 组织组成物在铁碳合金相图上的标注
1.3.4 铁碳合金的结晶
• （2）特征线 • a、 液相线—ABCD，
•
固相线—AHJECF
• b、 三条水平线：
• HJB：包晶线LB+δH⇄ J • ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C • 共晶产物是 与Fe3C的机械混合
物，称作莱氏体, 用Le表示。为 蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而 脆。
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：
⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
• ⑵ 钢(0.0218~2.11%C)高温
组织为单相
• ① 亚共析钢
•
(0.0218~0.77%C)
• ② 共析钢 (0.77%C)
• ③ 过共析钢
•
(0.77~2.11%C)
亚共 过 共析 共 析钢 析 钢钢 工 业 纯 铁
对重量百分比为：
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
S点以下，共析 中析出Fe3CⅢ，
与共析Fe3C结合不易分辨。室温 Q
组织为P。
珠光体
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 室温下，珠光体中两
1
2
相的相对重量百分比
是多少？
3
Q4
9
共析钢金相组织图
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈢ 亚共析钢的结晶过程 • 0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、+Fe3C
• ③ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、PSK(++
Fe3C)三条水平线
A T°
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
A
G 共析相图
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
1148℃
生包晶反应。
Ⅲ
A
H
B
J
• 以0.45%C的钢为例 • 合金在4点以前通过匀晶—包
• 晶—匀晶反应全部转变为。
G S
P
+Fe3C
• 到4点，由
中析出 。到5点, 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应 转变为珠光体。温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，由于与共
析Fe3C结合, 且量少, 忽略不计。
α
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
1.3.4 铁碳合金的结晶
1、铁碳相图
铁碳合金相图是研究 铁碳合金最基本的工 具，是研究碳钢和铸 铁的成分、温度、组 织及性能之间关系的 理论基础,是制定热 加工、热处理、冶炼 和铸造等工艺依据.
1.3.4 铁碳合金的结晶
1）铁碳合金相图的组成
Fe、 Fe3C
2）铁碳合金中的 相
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素 体, 用F 或 表示。
铁素体
• 碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。
• 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃ 时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
• 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
F
A+F S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le
P
P
F+ Fe3C
Le+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
P+ Fe3CⅡ
Le’
P+ Fe3CⅡ+Le’
Le’+ Fe3CⅠ
Fe F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 3、铁碳合金的成分-组织-性能关系
• 1） 含碳量对室温平衡组织的影响
• 钢含碳铁量工 业与缓冷共析后钢钢相及组织组成物之白共间晶口白的口铸铸定铁铁量关系为：
C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ与
共晶Fe3C 结合，不易分辨。
1’
Fe3C
2
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 温度降到2点, 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量:
Q
6.69 4.3 6.69 0.77
100%
40.4%，QFe3C
59.6%
在2点, 共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由
1.3.4 铁碳合金的结晶
• c、其它相线
• GS,GP— ⇄ 固溶体转
变线, GS又称A3 线。
• HN,JN—δ⇄ 固溶体转变
线，
• ES—碳在 -Fe中的固溶线。
又称Ac m线。
• PQ—碳在-Fe中的固溶线。
1.3.4 铁碳合金的结晶
(3)相区 ① 五个单相区：
L、、、、Fe3C ②七个两相区: L+、
S’
室温下组织组成物的相对重量百分比为：
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量
含0.20%C钢的组织
增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈣ 过共析钢的结晶过程
• 合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中析出
亚 共过
共 晶共
晶 白晶
白 口白
口 铁口
铁
铁
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ⑶ 白口铸铁 • (2.11~6.69%C) • 铸造性能好, 硬而脆 • ① 亚共晶白口铸铁 • (2.11~4.3%C) • ② 共晶白口铸铁
(4.3%C) • ③ 过共晶白口铸铁 • (4.3~6.69%C)
铁碳合金的分类
• 组织组成物与相组 成物标注区别主要
在+ Fe3C和 +Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物区，
+Fe3C相区中有七
个组织组成物区。
+ Fe3C + Fe3C
A
L+
H
B
温N J
度 A+
1.3.4 铁碳合金的结晶
L
D
L+A
A
E
C
L+ Fe3C F
A+ Fe3C
G
A+
Le
C
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’
( P+Fe3C )
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
1.3.4 铁碳合金的结晶
2、典型铁碳合金的平衡结晶过程
纯
分 类 铁 亚共析钢 过共析钢
亚共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
含碳量% 0 0.0218 0.77
2.11
4.3
6.69
组织组
100
铁素体
成物相
对量% 0
三次渗碳体
相组成 100 物相对 量% 0
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500× 图4-11
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈤ 共晶白口铁的结晶过程 • 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是
共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状。
Fe3C
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
工业纯铁 ——Wc< 0.02%
铁 碳
碳 亚共析钢 ——0.0218% < Wc <0.77%
合 钢 共 析 钢 ——Wc= 0.77%
金 分
过共析钢 ——0.Hale Waihona Puke Baidu7% < Wc < 2.11%
类
白 口
亚共晶白口铸铁
——2.11% < Wc < 4.3%
铸 铁
共晶白口铸铁
——Wc=4.3%
过共晶白口铸铁 ——4.3% < Wc < 6.69%
P与 Fe3C组成的共晶 体称低温莱氏体, 用Le’ 表示。 2 点以下，共晶体中P S 的变化同共析钢。
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 共晶白口铁室 温组织为Le’ (P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态 特征。
• 室温下两相的 相对重量百分 比为：
Q
6.69 4.3 100% 35.7% 6.69 0.0008
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 铁碳合金—碳钢和 铸铁，是工业应用 最广的合金。
• 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢
• 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它 们都可以作为纯组元看待。
• 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
QFe C 100% 35.7% 64.3% 3
共晶白口铁组织金相图
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈥ 亚共晶白口铁的结晶过程
• 合金在1~2点间析出 。到2点，液相成分变到C点,并转变为 Le。2~3点间从中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶 衬 托出来。到3点， 转变为P。
1.3.4 铁碳合金的结晶
Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反应对 铸铁有重要意义。
钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度小，
因而常温下碳在铁碳合金中主 要以Fe3C或石墨的形式存在。
铸铁中的石墨
1.3.4 铁碳合金的结晶
3）铁碳合金相图的分析
• （1） 特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
J
N
L+
G
+
L
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
含1.4%C钢的组织
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 室温下两相的相对重量百分比： 1 2
3 4
S’ 5
室温下两组织组成物的相对重量百分比：
亚共析钢与过共析钢组织比较
铁碳合金组织特征
(a) 0.01%C铁素体 500×
(b) 0.45%C铁素体+珠光体 500×
(c).0.77%C珠光体 500×
• 亚共晶白口铁室温组织为 P+Fe3CⅡ+Le’。
• 室温下组织组成物相对重量 百分比为 ：
N
1
D
E
2C
F
3
4
试问室温下相的相对重量百分比?
Ld’
Fe3CⅡ
P
亚共晶白口铁组织金相图
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈦ 过共晶白口铁的结晶过程
• 1~2点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点 并转变为Le。
• 随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的 室温下组织为F+ Fe3CⅢ。
• 室温下Fe3CⅢ最大量为:
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈡ 共析钢的结晶过程
合 金 液 体 在 1-2
点间转变为。
到S点发生共析 转变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变为珠
光体。
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 珠光体在光镜下呈指纹状。 • 相变结束时，珠光体中相的相
莱氏体
1.3.4 铁碳合金的结晶
• PSK：共析线
• S ⇄FP+ Fe3C • 共析转变的产物是 与
Fe3C的机械混合物，称作 珠光体，用P表示。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布, 性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。
的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶界呈网状分布.
温度下降, Fe3CⅡ 量增加。到4点，
成分沿ES线变化 到S点，余下的
转变为P。
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ。 • Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：