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16.4二元相图典型实例二元相图典型实例Fe-Cbinaryphasediagram2铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢(steels)和铸铁和铸铁(cast irons)，是工业应用最，是工业应用最广的合金。广的合金。含碳量为含碳量为0.0218%2.11%的称钢，的称钢，含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称铸铁的称铸铁。一般用质量百一般用质量百分比！分比！3铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图是研是研究铁碳合金最基本究铁碳合金最基本的工具，是研究碳的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、钢和铸铁的成分、温度、组织及性能温度、组织及性能之间关系的理论基之间关系的理论基础础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和铸热处理、冶炼和铸造等工艺依据。造等工艺依据。4铁碳合金相图铁碳合金相图5铁和碳可形成一系列稳定化合物：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。，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于含碳量大于Fe3C成分成分(6.69%)时，合金太脆，已无实用时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。相图。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)6金相学史话金相学史话(1);材料科学与工程材料科学与工程 2001郭可信郭可信Widmanstatten在 19世纪初用硝酸水溶液腐刻铁陨石切片,观察到片状 Fe-Ni奥氏体的规则分布(魏氏组织),预告金相学即将诞生。Sorby在 1863年用反射式显微镜观察抛光腐刻的钢铁试样,不但看到珠光体中的渗碳体和铁素体的片状组织,还对钢的淬火和回火作了初步探讨,金相学已基本形成。到 19-2 0世纪之交,Martens(马氏)和 Osmond对金相学的发展和金相检验在厂矿中的推广做了重要贡献,同时 Roberts-Austen(奥氏)和 Roogzeboom初步绘制出 Fe-C平衡图,为金相学奠定了理论基础。到了二十世纪中叶,金相学已逐步发展成金属学、物理冶金和材料科学。7金相学史话金相学史话(16);材料科学与工程材料科学与工程 2001郭可信郭可信Aloys von Widmanstatten(以下简称魏氏)在1808 年首先将铁陨石(铁镍合金)切成试片,经抛光再用硝酸水溶液腐刻,得出图1 的组织。铁陨石在高温时是奥氏体,经过缓慢冷却在奥氏体的111面上析出粗大的铁素体片,无须放大,肉眼可见。8金相学史话金相学史话(1);材料科学与工程材料科学与工程 2001郭可信郭可信1863 年英国的H.C.Sorby(索氏体Sorbite即命名于此人）索氏是国际公认的金相学创建人，他以地质矿物学家的业余身份发现了：(1)自由铁(1890 年美国著名金相学家Howe命名为Ferrite,即铁素体);(2)碳含量高的极硬化合物(1881 年Apel 用电化学分离方法确定为Fe3C,1890 年Howe 命名为Cementite,即渗碳体);(3)由前两者组成的片层状珠状组织Pearly Constituent(Howe 命名为Pearlite,即珠光体);(4)石墨;(5)夹杂物9金相学史话金相学史话(1);材料科学与工程材料科学与工程 2001郭可信郭可信德国的A dolf Martens(以下简称马氏)和法国的Floris Osmond 分别在1878 及1885 年独立地用显微镜观察钢铁的显微组织,在德国及法国甚至有一些学者还认为他们也是金相学的创始人。马氏在东普鲁士铁路局工作十年,修建桥梁,在这期间他利用业余时间,进行钢铁的金相观察。Osmond 曾在法国的著名合金钢厂Creusot(邓小平当年曾在这家钢厂做工)工作十年,从1880 年起这个钢厂就开始了金相检验。Osmond 在1895 年建议用马氏命名钢的淬火组织Martensite,即马氏体。10金相学史话金相学史话(2);材料科学与工程材料科学与工程 2001郭可信郭可信自从Osmond在 1885年首次提出-Fe以来,直到1922年Westgren和Phragm用高温X射线衍射证明-Fe与 Fe有相同的体心立方结构为止,在很长时间内,冶金学家一直为钢为什么在淬火后变硬而争论不休。同素异构派(Allotropist)认为是 Fe Fe相变的结果,而碳派(Carbonist)认为是C的作用,各执一词。尽管 Fe的存在被否定了,同素异构相变(Fe Fe)还是存在的,它与四方畸变的 Fe中固溶C都是钢在淬火后变硬的必要条件。这场长达四十年的激烈争论不但阐明了钢的淬火原理,对钢的结构与性能的深入了解也是有益的。11金相学史话金相学史话(3);材料科学与工程材料科学与工程 2001郭可信郭可信18 6 8年首先指出钢的淬火温度应在临界点a以上,相当于Osmond后来给出的Ac1或Ac3。Roberts Austen(即奥氏)在 1896年绘制出Fe-C临界点图,接着又在 1897年给出第一个Fe-C平衡图,其中有碳在-Fe中的单相区(后来Howe称之为奥氏体)。两年后他又给出第二个Fe-C平衡图,根据相律,包晶、共晶、共析三相反应都发生在一固定温度。一年后(190 0),Bakhuis Roozeboom引入Fe3C并根据相律绘出Fe-Fe3C亚稳平衡图,与现今使用的Fe-C平衡图基本相同12奥氏Austen的功绩是首先正式提出钢中的固溶体。他在1897 年绘制了冶金史上第一个Fe-C 平衡图13两年后奥氏发表了一个改进了的Fe C 平衡图.这是奥氏一生从事冶金研究事业的顶峰,他在那时誉满全球,并当选为英国钢铁学会主席,不久之后(1902)逝世。为了纪念奥氏在固溶体及FeC 平衡图方面的贡献,Osmond 在1900 年命名固溶体为奥氏体。14Roozeboom在1900 年根据相律重新修订了奥氏在1899 年发表的Fe-C 平衡图。这是以相律为指南制定的第一个合金相图,它的意义不仅是提供了一个基本正确的FeC 平衡图,而且是为在合金相图中应用相律开了一个先例。151 铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体，称高温铁素体，用铁素体，称高温铁素体，用 表示。表示。都是都是BCC间隙固溶体。间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，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。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体铁素体 组元组元：Fe、Fe3C 相相 铁素体：铁素体：碳在碳在-Fe中的固溶体称铁素体中的固溶体称铁素体,用用F 或或 表示。表示。16 奥氏体奥氏体:碳在碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用中的固溶体称奥氏体。用A或或 表示。表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区进行区进行.碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体塑性好原因？塑性好原因？17Fe的同素异构转变的同素异构转变铁具有异构转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体铁具有异构转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异构转变如下：结构。纯铁的同素异构转变如下：由于由于Fe的晶体结构不同，的晶体结构不同，C在在Fe中的溶解度差别较大。中的溶解度差别较大。碳在碳在 FCC的的-Fe中的最大中的最大溶解度为溶解度为2.11%，而在，而在BCC的的-Fe和和-Fe中最大仅分别中最大仅分别为为0.0218%和和0.09%。-Fe -Fe -FeBCCBCCFCC912oC1394oC18 渗碳体：即渗碳体：即Fe3C,含碳含碳6.69%,用用Fe3C或或Cm表示。表示。Fe3C硬度高，但脆性大硬度高，但脆性大,塑性几乎为零塑性几乎为零Fe3C在钢和铸铁中的分布状在钢和铸铁中的分布状态对合金的性能影响很大。态对合金的性能影响很大。Fe3C是一个亚稳相，在一定是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨),该反应该反应对铸铁有重要意义。对铸铁有重要意义。由于碳在由于碳在-Fe中的溶解度很中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以中主要以Fe3C或石墨的形式或石墨的形式存在。存在。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体19铁碳合金的双重相图铁碳合金的双重相图由于由于Fe3C可可在一定条件下可以分解为在一定条件下可以分解为Fe和和C，C原子聚集到一原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和和Fe-石墨双重石墨双重相图（如图）。相图（如图）。Fe-Fe3C相图相图主要用于钢，而主要用于钢，而Fe-石墨石墨相图则主相图则主要用于铸铁的研究和生产。要用于铸铁的研究和生产。Fe-石墨相图与石墨相图与Fe-Fe3C相图类似，只是右侧的相图类似，只是右侧的单相是石墨而不是单相是石墨而不是Fe3C，虚线表示虚线表示Fe-石墨相图石墨相图，没有虚线的地方意味着没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。两个相图完全重合。202 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析A.特征点特征点 LJNG +Fe3C+Fe3CL+Fe3CL+21B.特征线特征线 液相线液相线ABCD，固相线固相线AHJECF 三条水平线：三条水平线：HJB：包晶线：包晶线LB+H J ECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3C共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械混的机械混合物，称作莱氏体合物，称作莱氏体ledeburite,用用Le表示。为蜂窝状表示。为蜂窝状,以以Fe3C为基，性能硬而脆。为基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体如何能够将高温存在的如何能够将高温存在的莱氏体保持到室温？莱氏体保持到室温？22PSK：共析线：共析线 S FP+Fe3C共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，的机械混合物，称作珠光体，用用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+L+Fe3C+Fe3C+F+Fe3C珠光体的组织特点是两相珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布呈片层相间分布,某些性某些性能介于两相之间。能介于两相之间。PSK线又称线又称A1线线。23 其它相线其它相线GS,GP 固溶体转固溶体转变线变线,GS又称又称A3 线。线。HN,JN 固溶体转变固溶体转变线，线，ES碳在碳在 -Fe中的固溶线。中的固溶线。又称又称Ac m线。线。PQ碳在碳在-Fe中的固溶线。中的固溶线。24PhasetransformationEutecticPeritectic +b+bPeritectoidBasicreactiontypesPhaseregion:single,doubleandtripleHowtoanalyzethephasediagrams?Leverrule5thL+b+bEutectoid+b b+Lb bCoolingcurveandmicrostructureevolution25 5thComponentsPhasesSpecial pointSpecial lines26GS线线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的（）开始线；或者说是加热过程中，铁开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化变，但其转变温度有变化）。）。GS又称又称A3线线。lES线线是碳在奥氏体中的是碳在奥氏体中的溶解度曲线（溶解度曲线（固溶线固溶线）。奥氏体的最大溶碳量是在奥氏体的最大溶碳量是在1148时，可以溶解时，可以溶解2.11%的碳。而在的碳。而在727时，溶碳量仅为时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于因此含碳量大于0.77%的合金，从的合金，从1148冷到冷到727的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为种渗碳体称为二次渗碳体二次渗碳体(Fe3CII)。ES线又称线又称Acm线线。PQ线线是碳在铁素体中的是碳在铁素体中的溶解度曲线（溶解度曲线（固溶线固溶线）。727时铁素体中溶解的碳最时铁素体中溶解的碳最多多(0.0218%)，而在，而在200仅为仅为0.0008%C。所以铁碳合金由。所以铁碳合金由727冷却到室温的过冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体三次渗碳体(Fe3CIII)。由于三次。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。27 三个三相区：即三个三相区：即HJB(L+)、ECF(L+Fe3C)、PSK(+Fe3C)三条水平线三条水平线 C.相区相区 五个单相区：五个单相区：L、Fe3C 七个两相区七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C 28铁碳相图中的恒温转变（铁碳相图中的恒温转变（1）包晶转变包晶转变peritectictransformation包晶转变包晶转变：发生在发生在1495（水（水平线平线HJB），反应式为），反应式为：L0.53+0.09 0.17L0.53含碳量为含碳量为0.53%的液相；的液相；0.09含碳量为含碳量为0.09%的的固溶体；固溶体；0.17含碳量为含碳量为0.17%的的固溶体，即固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在含碳量在0.090.53%之间合之间合金冷却到金冷却到1495时，均要发生时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。包晶反应，形成奥氏体。1495oCLJNG +Fe3C+Fe3CL+Fe3CL+29铁碳相图中的恒温转变（铁碳相图中的恒温转变（2）共晶转变共晶转变 eutectictransformation共晶转变共晶转变：发生在发生在1148（水（水平线平线ECF），反应式为：），反应式为：L4.3 2.11+Fe3C共共晶晶转转变变的的产产物物是是奥奥氏氏体体与与渗渗碳碳体体的的机机械械混混合合物物，称称为为莱莱氏氏体体，用用符符号号Ld表表示示。凡凡是是含含碳碳量量大大于于2.11%的的铁铁碳碳合合金金冷冷却却到到1148时时，都都会会发发生生共共晶晶反反应，形成莱氏体。应，形成莱氏体。1148oCLJNG +Fe3C+Fe3CL+Fe3CL+30铁碳相图中的恒温转变（铁碳相图中的恒温转变（3）共析转变共析转变 eutectoidtransformation共共析析转转变变：发发生生727（水水平平线线PSKPSK），反应式为：），反应式为：0.77 0.0218+Fe3C共共析析转转变变的的产产物物是是铁铁素素体体与与渗渗碳碳体体的的机机械械混混合合物物，称称为为珠珠光光体体，用用P P 表表示示。含含碳碳量量大大于于0.0218%的的铁铁碳碳合合金金，冷冷却却至至727 时时，其其中中的的奥奥氏氏体体必必将将发发生生共共析析转转变变，形形成成P P。727oCLJNG +Fe3C+Fe3CL+Fe3CL+313 典型铁碳合金的平衡结晶过程典型铁碳合金的平衡结晶过程 钢钢(0.02182.11%C)高高温温组组织织为为单相单相 亚共析钢亚共析钢(0.02180.77%C)共析钢共析钢(0.77%C)过共析钢过共析钢(0.772.11%C)铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁工业纯铁(0.0218%C)组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚亚共共析析钢钢共共析析钢钢过过共共析析钢钢共共晶晶白白口口铁铁过过共共晶晶白白口口铁铁亚亚共共晶晶白白口口铁铁工工业业纯纯铁铁 白口铸铁白口铸铁(2.116.69%C)铸造性能好铸造性能好,硬而脆硬而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁(2.114.3%C)共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%C)过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁(4.36.69%C)321-2：转变为：转变为，2-3：冷却冷却长大，长大，3-4：，4-5：冷却长大，冷却长大，5-6：，6-7：长大，长大，7-室室 温温：从从 中中 析析 出出Fe3CIII。NSJBH L+1.工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程33工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 34 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，合金的增加，合金的室温下组织为室温下组织为F+Fe3C。l从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C表示。表示。Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。35 求求 室室 温温 下下Fe3C最大量最大量362.共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程l合合金金液液体体在在1-2点点间间转转变变为为。到到S点点发发生生共共析转变：析转变：S P+Fe3C,全全部部转转变变为为珠光体。珠光体。37共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程38珠光体在光镜下呈指纹状珠光体在光镜下呈指纹状.l珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析与共析Fe3C结合不易分辨。室温组结合不易分辨。室温组织为织为P.珠光体珠光体Q39 相变结束时，珠光体中相相变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：的相对重量百分比为：室温下，珠光体中两相的相对重室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？量百分比是多少？403.亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程0.090.53%C亚共析钢冷却时亚共析钢冷却时发生包晶反应发生包晶反应.以以0.45%C的钢为例的钢为例合金在合金在4点以前通过匀晶点以前通过匀晶包晶包晶匀晶反应全部转变为匀晶反应全部转变为。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点,成成分沿分沿GS线变到线变到S点，点，发生共发生共析反应转变为珠光体。温度继析反应转变为珠光体。温度继续下降，续下降，中析出中析出Fe3C，由，由于与共析于与共析Fe3C结合结合,且量少且量少,忽略不计忽略不计.+Fe3CGSPABJH亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。在在0.02180.77%C 范范围内珠光体的量随含碳围内珠光体的量随含碳量增加而增加。量增加而增加。41亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程42共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为：组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为：S室温下相的相对重量百分比为：室温下相的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：43利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似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估算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77%(忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)444.过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程45合金在合金在12点转变为点转变为 ,到到3点点,开始析出开始析出Fe3C。从奥氏体中。从奥氏体中析出的析出的Fe3C称二次渗碳体称二次渗碳体,用用Fe3C表示表示,其沿晶界呈网状其沿晶界呈网状分布分布.温度下降温度下降,Fe3C量增加。到量增加。到4点，点，成分沿成分沿ES线变线变化到化到S点，余下的点，余下的 转变为转变为P。过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程46过共析钢室温组织为过共析钢室温组织为P+Fe3C。Fe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加,含碳量为含碳量为2.11%时时,Fe3C量最大：量最大：47过共析钢室温组织为过共析钢室温组织为P+Fe3C。含含1.4%C钢的组织钢的组织48室温下两相的相对重量室温下两相的相对重量百分比：百分比：室温下两组织组成物的相室温下两组织组成物的相对重量百分比：对重量百分比：12345S495.共晶白口铸铁的结晶过程共晶白口铸铁的结晶过程505.共晶铸铁的结晶过程共晶铸铁的结晶过程合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是莱氏体是共晶共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物,呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C 51共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:C点以下点以下,成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨。结合，不易分辨。52温度降到温度降到2点点,成分达到成分达到0.77%,此时此时,相的相对重量相的相对重量:在在2点点,共晶共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体组成的共晶体称低温莱氏体,用用Le表示表示.2 点以下，共晶体中点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。的变化同共析钢。S53共晶白口铁室温共晶白口铁室温组织为组织为Le(P+Fe3C),它保留了它保留了共晶转变产物的共晶转变产物的形态特征。形态特征。室温下两相的相室温下两相的相对重量百分比为：对重量百分比为：546.亚共晶铸铁的结晶过程亚共晶铸铁的结晶过程合合金金在在12点点间间析析出出 。到到2点点，液液相相成成分分变变到到C点点,并并转转变变为为Le。23点点间间从从 中中析析出出Fe3C，一一次次 的的Fe3C被被共共晶晶 衬衬托出来。到托出来。到3点，点，转变为转变为P。55亚亚共共晶晶白白口口铁铁室室温温组组织织为为P+Fe3C+Le。室室温温下下组组织织组组成成物物相相对对重重量量百分比为百分比为：ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比?566.亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程P+Fe3C+Le577.过共晶铸铁的结晶过程过共晶铸铁的结晶过程DFK3Fe3C124582点以下点以下,Fe3C成分重量不再发生变化成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金变化同共晶合金,其其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。12点间从液相中析出点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。到表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到点，余下的液相成分变到C点点并转变为并转变为Le。DFK3Fe3C124598.组织组成物在铁碳合金相图上标注组织组成物在铁碳合金相图上标注组织组成物与相组成组织组成物与相组成物标注区别主要在物标注区别主要在+Fe3C和和+Fe3C两个两个相区相区.+Fe3C相区中相区中有四个组织组成物区，有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七相区中有七个组织组成物区。个组织组成物区。+Fe3C+Fe3C 60FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+LeP+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温温度度619.含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响A.含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白口口铸铸铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢铁铁分分类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体62B.含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。性、韧性下降。0.77%C时，组织为时，组织为100%P,钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。0.9%C，Fe3C为晶界连续为晶界连续网状，强度下降网状，强度下降,但硬度仍上但硬度仍上升。升。2.11%C，组织中有以，组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合金太脆合金太脆.63C.含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 切削性能切削性能:中碳钢合适中碳钢合适 可锻性能可锻性能:低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能:低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能:共晶合金好共晶合金好 热处理性能热处理性能:铸铸造造焊焊缝缝组组织织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨646thHow much do you know about the binary Fe-Fe3C phase diagram?FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CF+Fe3CC%温温度度65FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+F ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C+LeLeLe+Fe3CLe+Fe3CLeP+Fe3C+LeP+Fe3CP+FPF+Fe3CC%温温度度66其它元素对钢的影响其它元素对钢的影响碳碳(C)、硅、硅(Si)、锰、锰(Mn)、磷磷(P)、硫、硫(S)通常被称为钢铁通常被称为钢铁材料的材料的五大元素五大元素。C,Si,Mn对钢铁材料是有益的，称对钢铁材料是有益的，称为为合金元素合金元素；P和和S则是有害元素，称为则是有害元素，称为杂质元素杂质元素。锰锰在在碳碳钢钢中中是是作作为为脱脱氧氧、去去硫硫的的元元素素加加入入的的，一一般般碳碳钢钢的的含含锰锰量量为为0.25%0.8%。钢钢中中的的锰锰一一部部分分形形成成MnS和和MnO夹夹杂杂物物，其其余余的的锰锰溶溶入入铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体中中。锰锰溶溶入入铁铁素素体体可可以以起起到到固固溶溶强化强化的作用，从而提高钢的强度，但是也会的作用，从而提高钢的强度，但是也会降低钢的塑性降低钢的塑性。硅硅在在碳碳钢钢中中的的含含量量小小于于0.50%，硅硅具具有有较较强强的的脱脱氧氧作作用用。硅硅溶溶入入铁铁素素体体可可以以提提高高钢钢的的强强度度，且且塑塑性性、韧韧性性降降低低不不明明显显。但但是，硅的含量大于是，硅的含量大于0.8%时，钢的时，钢的塑性、韧性显著下降塑性、韧性显著下降。67硫硫是是钢钢中中有有害害的的杂杂质质元元素素（硫硫可可以以提提高高钢钢对对切切削削性性能能，所所以以在在易易切切削削钢钢中中硫硫是是作作为为合合金金元元素素加加入入的的），它它是是炼炼钢钢过过程程中中难难以以除除尽尽的的杂杂质质。硫硫的的有有害害作作用用主主要要是是增增大大钢钢的的热热脆脆性性，引引起起铸铸件件产产生生热热裂裂纹纹。因因此此,工工业业上上规规定定优优质质钢钢中中的的硫硫不不得得超超过过0.04%。钢钢中中的的磷磷来来源源于于炼炼钢钢原原料料。磷磷对对钢钢的的有有害害作作用用表表现现在在提提高高钢钢的的冷冷脆脆性性，明明显显降降低低钢钢的的塑塑性性和和韧韧性。因此，优质碳素钢含性。因此，优质碳素钢含磷量不能大于磷量不能大于0.04%68本章小结本章小结熟悉最基本的反应类型熟悉最基本的反应类型熟练杠杆定律熟练杠杆定律熟练掌握铁碳合金相图，应用杠杆定律熟练掌握铁碳合金相图，应用杠杆定律691.常见二元合金相图的基本类型常见二元合金相图的基本类型702.FeC合金相图：合金相图：是二元合金相图的综合应用是二元合金相图的综合应用点点：符号、成分、温度：符号、成分、温度相区相区：5个单相区，个单相区，7个个两相区，和两相区，和3个三相个三相区（三条水平线）区（三条水平线）组织组成物组织组成物：标注：标注713.杠杆定律：杠杆定律：只适用于两相区只适用于两相区杠杆的杠杆的支点支点是合金的成分，杠是合金的成分，杠杆的杆的端点端点是所求的两平衡相是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。（或两组织组成物）的成分。724.杠杆定律在杠杆定律在FeC相图中的应用相图中的应用731.分别计算在共析温度下和室温时珠光体中相的相对重量百分比。分别计算在共析温度下和室温时珠光体中相的相对重量百分比。2.计算计算45钢钢(含碳量为含碳量为0.45)在室温下相和组织组成物的相对重量百分比。在室温下相和组织组成物的相对重量百分比。2133.计算含碳量为计算含碳量为1.0的过共析钢在室温下组织组成物的相对重量百分比，的过共析钢在室温下组织组成物的相对重量百分比，以及在过共析钢区域范围内能够析出的以及在过共析钢区域范围内能够析出的Fe3CII的最大百分比。的最大百分比。课堂练习课堂练习K4.计算含碳量为计算含碳量为3.0的亚共晶白口铸铁在室温下的组织组成物的相对重的亚共晶白口铸铁在室温下的组织组成物的相对重量百分比。量百分比。45.画出画出2合金冷却时的冷却曲线和曲线上的组织示意图合金冷却时的冷却曲线和曲线上的组织示意图741.分别计算在共析温度下和室温时珠光体中相的相对重量百分比。分别计算在共析温度下和室温时珠光体中相的相对重量百分比。1共析温度下：共析温度下：Q=SK/PK=(6.69-0.77)/(6.69-0.0218)*100%=88.8%QFe3C=100%-88.8%=11.2%K室温下：室温下：Q=SK/QK=(6.69-0.77)/(6.69-0.0008)*100%=88.5%QFe3C=100%-88.5%=11.5%752.计算计算45钢钢(含碳量为含碳量为0.45)在室温下相和组织组成物的相对重量百分比。在室温下相和组织组成物的相对重量百分比。2相组成：相组成：Q=2K/QK=(6.69-0.45)/(6.69-0.0008)*100%=93.3%QFe3C=100%-93.3%=6.7%K组织组成：组织组成：Q=2S/QS=(0.77-0.45)/(0.77-0.0008)*100%=41.6%QP=100%-41.6%=58.4%7633.计算含碳量为计算含碳量为1.0的过共析钢在室温下组织组成物的相对重量百分比，以及的过共析钢在室温下组织组成物的相对重量百分比，以及在过共析钢区域范围内能够析出的在过共析钢区域范围内能够析出的Fe3CII的最大百分比。的最大百分比。K组织组成：组织组成：QFe3CII=3S/SK=(1-0.77)/(6.69-0.77)*100%=3.9%QP=100%-3.9%=96.1%Fe3CII最大百分比：最大百分比：QFe3CII=ES/SK=(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=22.6%7744.计算含碳量为计算含碳量为3.0的亚共晶白口铸铁在室温下的组织组成物的相对重量的亚共晶白口铸铁在室温下的组织组成物的相对重量百分比。百分比。K组织组成：组织组成：QLe=QLe=E4/EC=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)*100%=40.6%QFe3CII=(4C/EC)*(ES/KS)=(4.3-3.0)/(4.3-2.11)*(2.11-0.77)/(6.69-0.77)*100%=13.4%QP=100%-QLe-QFe3CII=46%781.合金系统的自由度合金系统的自由度F的含义是：的含义是：（单选）（单选）A、可以使合金状态改变的因素数；、可以使合金状态改变的因素数；B、保持合金平衡状态不变的前提下，可以独立改变的因素数；、保持合金平衡状态不变的前提下，可以独立改变的因素数；C、够使系统发生变化的最大因素数。、够使系统发生变化的最大因素数。2.自由度自由度F=0的含义是：的含义是：（单选）（单选）A、任何因素的变化都会造成系统平衡状态的变化；、任何因素的变化都会造成系统平衡状态的变化；B、没有任何因素可以引起系统状态变化；、没有任何因素可以引起系统状态变化；C、这样的系统状态不存在。、这样的系统状态不存在。3.纯金属凝固时，纯金属凝固时，(多选多选)A、冷却曲线、冷却曲线(温度温度-时间时间)是水平的；是水平的；B、系统自由度、系统自由度F=0；C、纯金属凝固是在恒温下进行的。、纯金属凝固是在恒温下进行的。4.在平衡条件下，在平衡条件下，100C的纯水处于的纯水处于（单选）（单选）A、液态；、液态；B、气态；、气态；C、气、液二相共存状态。、气、液二相共存状态。思思 考考 题题 一一795、下列说法哪些是正确的？、下列说法哪些是正确的？(多选多选)A、温度高于液相线的合金为液态；、温度高于液相线的合金为液态；B、温度低于液相线的合金为固态；、温度低于液相线的合金为固态；C、温度低于固相线的合金为固态、温度低于固相线的合金为固态;D、温度高于固相线的合金为液态。、温度高于固相线的合金为液态。6、非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象？。、非平衡凝固的匀晶合金一般会出现什么现象？。（单选）（单选）A、组织、成分均匀化；、组织、成分均匀化；B、成分不均匀，出现树枝状偏析；、成分不均匀，出现树枝状偏析；C、与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。、与平衡凝固的合金组织、成分一样，没有区别。7、在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能发生共晶转变。、在共晶合金系中，只有共晶成分的合金才能发生共晶转变。（单选）（单选）A是是B否否8、发生共晶转变的液相，其成分一定是共晶成分。、发生共晶转变的液相，其成分一定是共晶成分。（单选）（单选）A是是B否否9、根据、根据Pb-Sn相图，应用杠杆定律计算共晶温度下相图，应用杠杆定律计算共晶温度下40%Sn合金的共晶合金的共晶组织中的组织中的a相占全部合金的相对量。相占全部合金的相对量。（单选）（单选）A、18.9%；B、45.5%；C、41.6%提示：提示：40%Sn合金由初生的合金由初生的a相（先析相（先析a）和共晶体组成，共晶体又由）和共晶体组成，共晶体又由a相相和和b相组成（见示意图）。相组成（见示意图）。先析先析a8010、匀晶、共晶和包晶转变有何共同特点？、匀晶、共晶和包晶转变有何共同特点？（单选）（单选）A、这三个转变都是在恒温下进行的；、这三个转变都是在恒温下进行的；B、这三个转变的反应相中都有液相，而生成相都是固相；、这三个转变的反应相中都有液相，而生成相都是固相；C、这三个转变都不是恒温转变。、这三个转变都不是恒温转变。11、共晶和共析转变有何共同特点？、共晶和共析转变有何共同特点？（多选）（多选）A、都是由一个相同时转变成二个相；、都是由一个相同时转变成二个相；B、都是恒温转变；、都是恒温转变；C、生成相都是固相。、生成相都是固相。12、共析与包析转变有何不同？、共析与包析转变有何不同？（单选）（单选）A、都是固态转变；、都是固态转变；B、都是恒温转变；、都是恒温转变；C、共析转变是由一个固相转变成二个固相，包析转变则相反、共析转变是由一个固相转变成二个固相，包析转变则相反13、熔晶与偏晶转变都是恒温转变吗？、熔晶与偏晶转变都是恒温转变吗？（单选）（单选）A是是B否否14、在在分分析析相相图图时时可可以以将将稳稳定定化化合合物物看看作作一一个个组组元元，从从而而将将复复杂杂相相图图分分成成若若干干个个简简单单相相图图。你你认认为为分分析析复复杂杂相相图图时时这这是是必必须须的的吗吗？（单单选选）A是是B否否811、说明下列基本概念、说明下列基本概念 工业纯铁、碳钢、铸铁、工业纯铁、碳钢、铸铁、包晶转变、共晶转变、共析转变、包晶转变、共晶转变、共析转变、-Fe、铁素铁素体、体、-Fe、奥氏体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、奥氏体、一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、珠光体、珠光体、莱氏体。莱氏体。2 2、下列说法正确的是：下列说法正确的是：（多选）（多选）A、铁素体是碳溶解于、铁素体是碳溶解于-Fe中形成的固溶体，具有体心立方晶体结构；中形成的固溶体，具有体心立方晶体结构；B、渗碳体是碳溶解于渗碳体是碳溶解于-Fe中形成的固溶体，具有体心立方晶体结构；中形成的固溶体，具有体心立方晶体结构；C、奥氏体是碳溶解于、奥氏体是碳溶解于-Fe中形成的固溶，具有面心立方晶体结构。中形成的固溶，具有面心立方晶体结构。3、亚共析钢的含碳量范围是：亚共析钢的含碳量范围是：（单选）（单选）A、0.0218%0.77%C；B、0.77%2.11%C；C、2.11%4.3%C。4、共析钢的室温组织是：共析钢的室温组织是：（单选）（单选）A、珠光体珠光体P+二次渗碳体二次渗碳体Fe3CII；B、珠光体珠光体P（100%）；）；C莱氏体莱氏体Ld(100%)。思思 考考 题题 二二825、计算、计算1148共晶转变刚结束时莱氏体中渗碳体共晶转变刚结束时莱氏体中渗碳体Fe3C的相对量。的相对量。（单选）（单选）A、52%；B、60%；C、48%。6、计算室温时莱氏体中渗碳体计算室温时莱氏体中渗碳体Fe3C的相对量。的相对量。（单选）（单选）A、48.23%C；B、52.77%C；C、64.27%。7、随着含碳量的增高，亚共析钢的随着含碳量的增高，亚共析钢的（单选）（单选）A强度、硬度升高，塑性下降；强度、硬度升高，塑性下降；B塑性升高，强度、硬度下降；塑性升高，强度、硬度下降；C强度、硬度和塑性都升高。强度、硬度和塑性都升高。8、对于过共析钢，含碳量越高，对于过共析钢，含碳量越高，（单选）（单选）A钢的强度、硬度越高，塑性越低；钢的强度、硬度越高，塑性越低；B钢的强度、硬度越低，塑性越高；钢的强度、硬度越低，塑性越高；C钢的硬度越高，强度和塑性越低。钢的硬度越高，强度和塑性越低。
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