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

第一节纯铁、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α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α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γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ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

2．三相共存点：

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 ）

3．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

δH 0.09 L B 0.53 A J

0.17

+ 1495ºC L

δ A E 2.11 Fe 3C 6.69 + 1148ºC Lc 4.3 F P 0.0218 Fe 3C

6.69

+ 727ºC 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 → Fe 3C: 由液相中直接结晶出Fe 3C 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Fe 3C 。 • 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Fe 3C 的两相混合物，称为莱氏体，用L d 表示，其组织形态是以Fe 3C 为

基体，A 呈粒状或杆状分布在Fe 3C 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Fe 3C 相 • 合金范围： 0.0218 ～6.69%C ，合金成分线与PSK 线相交。

• 产物： F 和Fe 3C 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。

A s 0.77