04 铁碳合金相图及应用

3. 渗碳体 ( Fe3C ) 铁与碳形成的金
属化合物。
渗碳体组织金相图
4.珠光体 ( P )
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
5.莱氏体 ( Ld )
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
Fe - Fe3C 相图的建立
T°
Fe
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
(1) Fe-Fe3 C相图的组元
● Fe —— α –Fe、δ -Fe (bcc) 和γ -Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。 ● Fe3 C —— 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 0.4 / 6.69 = 6 % F % ≈ 1 – 6 % = 94 %
室温组织: F + P，500×
(4)过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
Fe3CII % = ( 1.2 – 0.77 ) / ( 6.69 – 0.77 ) ≈7% P % ≈ 1 – 7 % = 93 %
各相的相对量：
Fe3C % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织:
P + Fe3CII 400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织: （低温）莱氏体 Le′ （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ）, 500×
(1)工业纯铁 ( C % ≤ 0.0218 % )结晶过程
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF ) ≈ 0.77 / 6.69 = 12 % F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
发生变化的现象。
Fe- C相图说明
温 度
Fe
Fe3C Fe2C (6.69%C)
FeC
C
形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性能
一.组元
* 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
二.基本组织
1.铁素体 ( F )
碳溶于α–Fe中的间 隙固 溶体。
2.奥氏体 ( A ) 碳溶于γ-Fe中形成 的间隙固溶体。
0.02
0.4 5
0.45-0.02 P=
0.77
100% = 57%
P = 1 – WF = 57%
6.69
0.77-0.02 相组成物: F ; Fe3C 6.69-0.45 F= 100% = 94% Fe3C = 1 - WF = 6% 6.69-0.02
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
(2) Fe-Fe3 C相图的相
● 液相 L
● δ 相 （高温铁素体 ）—— δ –Fe（C）固溶体
● γ 相（A ，奥氏体）—— γ -Fe（C）固溶体 ● α 相 （F，铁素体） —— α -Fe（C）固溶体 ● Fe3 C （ Cem， Cm，渗碳体）—— 复杂晶体结构
相图中重要的点和线
液相线ABCD 固相线AHJECF 包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点C
1.包晶转变反应式:
LB + H
1495℃
AJ
2.共晶转变反应式:
LC
1148℃
( AE + Fe3C )
Le
3.共析转变反应式:
AS
727℃
( FP + Fe3C )
P
简化 Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
L
1148℃ C
共晶相图
D
L+ Fe3CⅠ F
G 共析相图
A
E A+ Fe3CⅡ
A T°
L L+A
G E A+ Fe3CⅡ 1148℃ C ( A+Fe3C )
D
L+ Fe3CⅠ F
A
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
典型铁碳合金的平衡结晶过程分析
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 % 钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 % 白口铸铁 —— 2.11 亚共晶白口铁 ＜ 共晶白口铁 ＝ 过共晶白口铁 ＞ % ＜ C % ＜ 6.69 % 4.3 % 4.3 % 4.3 %
L4.3(A2.11+Fe3C)
高温莱氏体,Le或Ld
共析线 PSK，共析点S
A0.77(F0.02+Fe3C)
珠光体, P
ES线：C在A中的固溶线 PQ线：C在F中的固溶线
Fe - Fe3C 相图的分析
• • • • 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式。 三个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
含碳量与相的相对量关系：
C %↑→F %↓，Fe3C %↑
含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与力学性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
碳的质量分数对 力学性能的影响
碳的质量分数对工艺性能的影响
• • • • 对铸造性能的影响。 对锻造性能的影响。 对焊接性能的影响。 对切削加工性能的影响。
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
(６)亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ P + Fe3CII
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 5 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
组织组成物: F ; P 0.77-0.45 F= 100%=43% 0.77-0.02
第四讲
铁碳合金相图
第四章 铁碳合金相图及应用
1．铁碳相图
2．结晶过程
3．成分-组织-性能关系 4．Fe-Fe3 C相图的应用
金属的同素异晶转变
• 纯铁的同素异晶转变反应式:
δ- Fe
bcc
1394 °C
γ- Fe
fcc
912 °C
α - Fe
bcc
同素异晶转变：金属在固态下晶体结构随温度的改变而
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
简化 Fe - Fe3C 相图
2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化 规律 , 确定选定材料的工作范围。
二.制定热加工工艺方面的应用
复习 —— 相与组织
相：有一定的化学成分和晶体结构的均匀组成部分。 合金中有两类基本相 —— 固溶体 和 化合物 组织：材料内部的微观形貌，体现相的形态、数量、大小和分布。
金属材料性能由组织决定， 而组织由化学成分和工艺过程决定。
几种 常见 碳钢
类型
钢号 碳质量分数／％
亚共析钢 20 45 60
0.20 0.45 0.60
共析钢 T8
0.80
过共析钢 T10 T12
1.00 1.20
典型铁碳合金的结晶过程分析 • • • • • • • 工业纯铁 ( ingot iron ) 共析钢 ( eutectoid steel ) 亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 过共析钢 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
铁碳相图的应用
钢铁选材：相图性能用途
铸件选材和确定浇注温度 确定锻造温度( 在 A 区） 制定热处理工艺
1、选择材料方面的应用
2、制定热加工工艺方面的应用
局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。
一.选择材料方面的应用
1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金成分、 组织、性能之间的变化规律进行选择材料。
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
过共析钢 x400
Baidu Nhomakorabea
小结：重点要求
1. 2. F、A、Cm、P、 Le′的组织和性能特点。 Fe-Fe3C相图中共析、共晶区域的相、组织分析与计算。
3.
铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。