铁碳合金相图与共析钢结晶过

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,铁碳合金相图与共析钢结晶过程,1、,铁碳合金的基本相与性能,2,、铁碳合金相图与共析钢结晶过程,3,、含碳量对铁碳合金组织性能的影响,4,、铁碳合金相图的应用,铁碳合金,碳钢,和,铸铁,，是工业应用最广的金属材料。,含碳量为,0.0218%2.11%,的称,钢。,含碳量为,2.11%6.69%,的称,铸铁,。,铁和碳可形成一系列稳定化合物：,Fe,3,C,、,Fe,2,C,、,FeC,，它们都可以作为相图的组元看待。,含碳量大于,Fe,3,C,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-Fe,3,C,相图,。,Fe,Fe,3,C,Fe,2,C,FeC,C,C%(at%),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,.,一、铁碳合金的基本相和性能,碳在,-Fe,中的固溶体称,-,铁素体,，用,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,。,铁素体,铁素体：,碳在,-Fe,中的固溶体称,铁素体,用,F,或,表示。,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%,。,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,A,区进行,.,碳钢室温组织中无奥氏体。,奥氏体,构转变,。,同素异构转变属于相变之一,固态相变,。,铁的同素异构转变,铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称,同素异,纯铁的同素异构转变,渗碳体：,即,Fe,3,C,含碳,6.69%,用,Fe,3,C,或,C,m,表示。,Fe,3,C,硬度高,、,强度低,(,b,35MPa,),脆性大,塑性几乎为,零,Fe,3,C,是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：,Fe,3,C3Fe+C,(,石墨,),该反应对铸铁有重要意义。,由于碳在,-Fe,中的溶解度很小，因而,常温下碳在铁碳合金中主要以,Fe,3,C,或,石墨,的形式存在,。,铸铁中的石墨,钢中的渗碳体,三个基本相,：,铁素体、奥氏体和渗碳体,。但奥氏体一般仅存在于,高温,下，所以,室温,下所有的铁碳合金,平衡组织,中只有,两个相,，就是,铁素体,和,渗碳体,。,五种组织组成物：,是构成显微组织的独立部分，可以是,单相,，也可以是,两相,或者,多相混合物,。,铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体,珠光体,：,共析反应,的产物，是,F,与,Fe,3,C,片层相间的,两相混合物,莱氏体,：,共晶反应,的产物，,高温莱氏体,是,A,与,Fe,3,C,两相混合物,室温莱氏体,是,珠光体,与,Fe,3,C,的两相混合物,二、铁碳合金相图的分析,相图的简化,特征点,L,+Fe,3,C,特征线,液相线,ACD,，,固相线,AECF,两条水平线：,ECF,：共晶线,L,C,E,+Fe,3,C,共晶产物是,A,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作,莱氏体,用,Le,表示。,为蜂窝状,以,Fe,3,C,为基，性能硬而脆。,莱氏体,PSK,：共析线,S,F,P,+Fe,3,C,共析转变的产物是,F,与,Fe,3,C,的机械混合物，称作,珠光体,，用,P,表示。,珠光体,L+Fe,3,C,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,A,1,线。,其它相线,GS,A,F,固溶体转变线,GS,又称,A,3,线。,ES,碳在,-Fe,中的固溶线。,又称,A,c m,线。,PQ,碳在,-Fe,中的固溶线。,两个三相区：,即,ECF,(,L+,A,+Fe,3,C,),、,PSK,(,A,+,F,+Fe,3,C,),两,条水平线,相区,单相区：,L,、,A,、,F,、,Fe,3,C,两相区,:,L+,A,、,L+Fe,3,C,、,A,+Fe,3,C,、,A,+,F,、,F,+Fe,3,C,钢,(0.02182.11%C),高温组织为单相,A,亚共析钢,(,0.02180.77%C,),共析钢,(,0.77%C,),过共析钢,(,0.772.11%C,),铁碳合金按,成分,可分为,三类,：,工业纯铁,(0.0218%C),组织为单相铁素体。,三、典型铁碳合金的平衡结晶过程,白口铸铁,(2.116.69%C),铸造性能好,硬而脆,亚共晶白口铸铁,(,2.114.3%C,),共晶白口铸铁,(,4.3%C,),过共晶白口铸铁,(,4.36.69%C,),(,一,),共析钢的结晶过程,合金液体在,1-2,点间转变为,A,。到,S,点发生共析转变：,A,S,F,P,+Fe,3,C,A,全部转变为,珠光体。,1点以上：,L,12点：,L,A,23点：,A,33点：,A,P,3,点以下：,P,珠光体,在光镜下呈指纹状,.,转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：,珠光体中的渗碳体称,共析渗碳体,。,S,点以下，共析,F,中析出,Fe,3,C,，与共析,Fe,3,C,结合不易分辨。,室温组织为,P,。,珠光体,室温下，珠光体中,两相的相对重量百分比是多少？,Q,4,3,2,1,9,共析钢的结晶过程,总结：,钢的结晶过程,1,、共析钢的结晶过程,3,、过共析钢的结晶过程,2,、亚共析钢的结晶过程,L L+A A P,相组成物,：,F,，,Fe,3,C,LL+A A A+F P+F,相组成物,：,F，Fe,3,C,LL+AAA+Fe,3,C,II,P+Fe,3,C,II,相组成物,：,F，Fe,3,C,四、,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响,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：,钢,铁素体,亚共析钢,过共析钢,亚共晶白口铸铁,过共晶白口铸铁,共晶白口铸铁,共析钢,白 口 铸 铁,二次渗碳体,工,业,纯,铁,珠光体,莱氏体,一次渗碳体,Fe,3,C,钢 铁,分 类,组织组,成物相,对量,%,相组成,物相对,量,%,含碳量,%,0,0.0218,0.77,2.11,4.3,6.69,100,100,0,0,三次渗碳体,F F+P P P+Fe,3,C,II,P+Fe,3,C,II,+L,L,L,+Fe,3,C,I,含碳量对力学性能的影响,硬度,主要决定于组织中,组成相,或,组织组成物,的,硬度,和,质量分数,随碳含量的增加,由于硬度,高,的,Fe,3,C,增多,硬度,低,的,F,减少,合金的硬度呈直线关系增大,由全部为,F,的,硬度,约,80 HB,增大到全部为,Fe,3,C,时的约,800 HB,。,强度,是一个对,组织形态,很,敏感,的性能。随碳含量的增加,亚共析钢中,P,增多而,F,减少。,P,的,强度,比较,高,其大小与,细密程度,有关。组织越,细密,则强度值,越高,。,F,的,强度,较,低,。所以亚共析钢的,强度,随碳含量的,增大,而,增大,。,但当碳质量分数超过,共析成分,之后,由于,强度很低,的,Fe,3,C,II,沿,晶界,出现,合金强度的增高变慢,到约,0.9%C,时,Fe,3,C,II,沿晶界形成,完整的网,强度迅速,降低,随着碳质量分数的进一步增加,强度不断下降,到,2.11%C,后,合金中出现,Le,时,强度,已降到,很低,的值。再增加,碳含量,时,由于合金,基体,都为脆性很高的,Fe,3,C,强度变化不大且值很低,趋于,Fe,3,C,的,强度,(,约,20 MPa,30 MPa),。,塑性,铁碳合金中,Fe,3,C,是极脆的相,没有,塑性,。合金的,塑性变形,全部由,F,提供。所以随碳含量的增大,F,量不断减少时,合金的,塑性,连续下降。到合金成为,白口铸铁,时,塑性就降到近于零值了。,五、铁碳相图的应用,(1),钢铁选材,1,、需要,韧性、塑性好,的（起重机构架、输电铁塔）可选用含碳,小于,0.25%,的碳钢,2,、需要,强度、韧性,都较好（重要的地脚螺栓、轴、齿轮等）可选用含碳,0.3%0.5,%,的钢；各类,弹簧、板簧,需要含碳,0.5%0.75%,的钢；,3,、需要,耐磨,的（工具、模具、轴承类）可选用含碳,0.8%1.3%,的钢。,(2),在铸造工艺方面的应用,1,、根据相图可确定合金的,浇注温度,。从图中看出，,铸铁,的浇注温度比钢,低,，所以铸铁的铸造性能大大,优,于铸钢。,2,、,共晶点,C,的铁碳合金,铸造性能最好,。越是,接近,共晶点,C,的铁碳合金结晶温度越低，合金的,流动性好,。,3,、固液线距离,近,，,偏析,倾向,小,。,(3),在压力加工方面的应用,相图中有很广阔的,奥氏体区,，,面心立方晶格,的高温奥氏体有优良的,塑性,和较好的,强度,，塑性变形,抗力,很,低,，是热锻、热轧极好的组织，轧、锻温度一般选在图中影线部分。,（,4),在焊接方面的应用,含碳量越低的钢焊接性越好，含碳量增加时，随着焊件壁厚的增加，需要,预热,和,焊后回火,处理。,在运用,Fe-Fe,3,C,相图时应,注意,以下两点：,Fe-Fe,3,C,相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态,如含有其它元素,相图将发生变化。,Fe-Fe,3,C,相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状态,若冷却或加热速度较快时,其组织转变就不能只用相图来分析了。,