铁碳相图及其合金课件

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,*,*,*,电厂金属材料,铁碳相图及其合金,11/17/2024,1,铁碳相图及其合金10/9/20231,第一节 铁碳合金的相结构,纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe,随后又有两次同素异构转变，即面心立方格的-Fe和体心立方格的-Fe。,碳溶入-Fe和-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe,3,C，称做渗碳体。,碳原子溶入-fe 中所形成的固溶体称做,高温铁素体,。它在1400以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。,11/17/2024,2,第一节 铁碳合金的相结构纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的,一、铁素体,碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。,由于体心立方格的-Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁素体对碳的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：,抗拉强度R,m,250Mpa，,屈服强度R,E,140Mpa,断后延伸率A,11.3,40%-50%,冲击韧性,K,200 J/cm2,布氏硬度HBS 80,由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是912以下的平衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号F表示。,11/17/2024,3,一、铁素体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。,二、奥氏体,碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体,。具有面心立方格的-Fe的间隙半径为0.052nm，比-Fe的间隙稍大，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在727时是0.77%。,奥氏体是727以上的平衡相，也称高温相,。在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号A表示。,11/17/2024,4,二、奥氏体碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。,三、渗碳体,渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。,它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为Fe,3,C，含碳量6.69%。,渗碳体的硬度很高，HV800，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。,在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。,Fe,3,C 3Fe+C（石墨）,11/17/2024,5,三、渗碳体渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙,一、相图图形介绍,在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金性能极脆，没有使用价值。因此只研究FeFe,3,C，即含碳量小于6.69%这一部分，通常称为FeFe,3,C相图，也称,铁碳合金相图,。,在FeFe3C相图中，较稳定的化合物Fe,3,C与Fe是组成二元合金的两个组元。,相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。,包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但它是在1400以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。,FeFe,3,C相图可简化为图2-2的形式。,第二节 铁 碳 合 金 相 图,11/17/2024,6,一、相图图形介绍在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合,L,4.3,A,2.11,+Fe,3,C,恒温,1148,恒温,727,相图的右上部为共晶相图,，在1148时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：,A,0.77,F,0.02,+Fe,3,C,反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号P表示。,以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号Ld表示。,相图的下部为共析相图。,共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在727时发生共析反应：,11/17/2024,7,L4.3 A2.11,珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：,布氏硬度 HBS 180,断后延伸率 A,11.3,20%25%,冲击韧性 a,K,3040J/cm,强度极限R,m,750Mpa,二、相图中点、线和相区的意义,铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。,特性点,温度（）,含碳量（）,特性点含义,A,1538,0,纯铁的熔点,C,1148,4.3,共晶点,D,1227,6.69,渗碳体的熔点,B,1148,2.11,碳在奥氏体中的最大溶解度,G,912,0,-Fe -Fe的同素异构转变点,S,727,0.77,共析点,11/17/2024,8,珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下,11/17/2024,9,10/9/20239,铁碳合金下图中各主要线的意义是：,AECF为固相线。,若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。,ECF为共晶线。,若含碳量在ECF线投影范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在1148时必然发生共晶反映，形成莱氏体。,ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。,从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中的最大溶解度是在1148时，可溶解碳2.11%，布在727时，由于碳在奥氏体中的溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe,3,C,II,）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe,3,C,I,)。,GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称A3线.,GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线.,PSK为共析线,简称A,1,线.,合金含碳量在PSK线投影范围（0.02%6.69%）内时，奥氏体在727时必然发生共析反应，形成珠光体。,11/17/2024,10,铁碳合金下图中各主要线的意义是：AECF为固相线。若温度低于,PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。,从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在727时，可溶解碳0.0218%，在室温仅能溶解碳0.008%。故一般铁碳合金凡是从727缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe,3,C,III,）。,因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。所谓一次二次，三次渗碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。,简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即L，A，F及Fe,3,C;渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图上它的相区仅是一条竖直线。,相图中有五个相区，即L+A、L+Fe,3,C、A+F及F+Fe,3,C。,相图中的两条水平线是三相平衡线上有三个点,分别与三个单相区以点相连接,当发生三相平衡反应时,三个平衡相的成分即这三个点的成分,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的.,从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe,3,C相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化。,11/17/2024,11,PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出，碳在铁素体中最,三、典型合金结晶过程及室温组织,工程上使用的,铁碳合金分为钢和铸铁两大类,，它们的区别在于所含碳量不同。,含量碳量小于2.11%的，称为铸铁。,在分析铁碳合金的平衡组织时，,按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁等六种典型合金,，如图23所示。,11/17/2024,12,三、典型合金结晶过程及室温组织工程上使用的铁碳合金分为钢和铸,（一）共析钢,图23中合金称为共析钢，其含碳量为0.77%。,当温度在,1点以上,时，合金为液相；,温度,降至1点时,，开始从液相中析出奥氏体；,温度,降至12点之间,时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC 变化，奥氏体的成分 沿AE线变化。,当温度,降至2点,时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至23点之间时，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。,温度,降至3点,，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe,3,C的共析组织，即珠光体P。,11/17/2024,13,（一）共析钢图23中合金称为共析钢，其含碳量为0.77%,珠光体是在727恒温下生成的,，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含量碳量从0.025降至几乎为零，碳则以微量三次渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。,恒温,727,共析钢的结晶过程如图24所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：,LL+A P,11/17/2024,14,珠光体是在727恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生,(二)亚共析钢,含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。,以图23中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如,图26,所示。,合金从液相冷却到1.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织；,温度继续降至22点之间时，奥氏体组织不变；,当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；,温度降至4点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为4S/（PS），其成分沿着GP线变化至P点（含碳0.02%），称作初生铁素体；剩下的奥氏体相的量为P4/（PS），其成分沿着GS线变化至S点（含碳0.77%）。这时剩下奥氏体的成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为初生铁素体（图27中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织（图27黑色部分）。温度将继续降至室温时，显微组织基本不变（三次渗碳体忽略不计）为铁素体+珠光体（F+P）。,11/17/2024,15,(二)亚共析钢含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。10/,图27 亚共析钢的显微组织,11/17/2024,16,图27 亚共析,铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区（P+F）的PS线上计算出，称作组织相对量。,合金（2）中，珠光体量为：Qp=P4/PS100%,铁素体量为：Q,F,=1Q,p,或 Q,F,=4SPS100%,随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当含碳量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。,珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体,。室温时，铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe,3,C的两相区中计算出亚共析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量：,Q,F,=（6.69）/（6.690.02）100%,Q,Fe3C,=1Q,F,式中亚共析钢的含碳量。,计算出的Q,F,为初生铁素体与共析铁素体之和。,亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：,L L+A A FA F+P,11/17/2024,17,铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区（P+F）的P,含碳量在0.772.11%的钢,均统称为过共析钢,.,以图2-3中合金3为例,过共析钢的结晶过程如