机械工程材料—第3章 铁碳合金和铁碳相图

机 械 工 程 材 料主讲人：杨拓宇主讲人：杨拓宇3.1 Fe-Fe3.1 Fe-Fe3 3C C系合金的组元与基本相系合金的组元与基本相 3.2 Fe-Fe 3.2 Fe-Fe3 3C C相图相图 3.3 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶 3.4 3.4 含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响 3.5 3.5 钢中的杂质元素钢中的杂质元素第第3 3章章 铁碳合金和铁碳相图铁碳合金和铁碳相图 第一节第一节 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相系合金的组元与基本相第第3 3章章 铁碳合金和铁碳相图铁碳合金和铁碳相图v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。v含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。v实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) 一、铁碳合金的组元一、铁碳合金的组元Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的组元相图的组元 Fe Fe FeFe、 -Fe ( -Fe (fccfcc) ) 和和-Fe (bcc) -Fe (bcc) （912） （1394 ） - 强度、硬度低，韧性、塑性好。强度、硬度低，韧性、塑性好。 FeFe3 3C C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零二、铁碳合金的基本相二、铁碳合金的基本相v碳在碳在-Fe中的固溶体中的固溶体称称 -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。 v都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。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%。v铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯铁相似。铁素体铁素体l1 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素铁素体体, 用用F 或或 表示。表示。 v2 奥氏体奥氏体:v碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。v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%。l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。晶界较直。强度低、塑性强度低、塑性好，好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区区进行进行.l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v3 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。vFe3C硬度高、强度低硬度高、强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C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。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很中的溶解度很小，因而小，因而常温下碳在铁碳合常温下碳在铁碳合金中主要以金中主要以Fe3C或或石墨石墨的形的形式存在式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体(2) (2) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的相相图的相 FeFe3 3 C C （ CemCem， Cm Cm，渗碳体）渗碳体） 复杂晶体结构复杂晶体结构 液相液相 L L 相相 （高温铁素体（高温铁素体 ） FeFe（C C）固溶体固溶体 相（相（A A ，奥氏体）奥氏体） -Fe-Fe（C C）固溶体固溶体 相相 （F F，铁素体）铁素体） -Fe-Fe（C C）固溶体固溶体第二节第二节 铁碳合金相图铁碳合金相图(3) (3) 相图中重要的点和线相图中重要的点和线液相线液相线 ABCD固相线固相线 AHJECF包晶线包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线共晶线 ECF， ( (A A2.112.11+ +FeFe3 3C)C)高温莱氏体高温莱氏体共晶点共晶点CL L4.34.3, ,LeLe或或LdLd共析线共析线 PSK，共析点共析点SA A0.770.77( (F F0.020.02+ +FeFe3 3C C) )珠光体珠光体, , P PESES线线：C C在在A A中的固溶线中的固溶线PQPQ线线：C C在在F F中的固溶线中的固溶线GSGS线线：A3A3线线第三节铁碳合金的平衡结晶过程第三节铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C 合金分类合金分类工业纯铁工业纯铁 C % 0.0218 %C % 0.0218 %钢钢 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 %亚共析钢亚共析钢 0.77 % 0.77 %共析钢共析钢 0.77 % 0.77 % 过共析钢过共析钢 0.77 % 0.77 %白口铸铁白口铸铁 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 % 6.69 %亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3 % 4.3 % 共晶白口铁共晶白口铁 4.3 % 4.3 % 过共晶白口铁过共晶白口铁 4.3 % 4.3 %类型类型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数0.200.450.600.801.001.20几种几种常见常见碳钢碳钢(1)(1)工业纯铁工业纯铁 ( ( C % 0.0218 % )C % 0.0218 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织F F + + FeFe3 3C C (微量)500500(2)(2)共析钢共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : 层片状层片状 P P ( ( F F + + 共析共析 FeFe3 3C C ) )500500 P中各相的相对量：Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光体珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。(3)(3)亚共析钢亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : F F + + P P，500500各组织组成物的相对量：P % = ( 0.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相对量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %(4)(4)过共析钢过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :P P + + FeFe3C CII 4 40000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：Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %(5)(5)共晶白口铁共晶白口铁 ( ( C % C % = = 4.3 % 4.3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : （低温）（低温）莱氏体莱氏体 LeLe （P P + + FeFe3C CII + + 共晶共晶 FeFe3C C ）, , 5 50000莱氏体莱氏体 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆( () )亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( ( C % C % = = 3 % 3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :LeLe+ + P P + + FeFe3C CII 2 20000( (7)7)过共晶白口铁过共晶白口铁 ( ( C % C % = = 3 % 3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :LeLe+ + FeFe3C CI 5 50000标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度第四节铁碳合金的第四节铁碳合金的成分成分- -组织组织- -性能关系性能关系含碳量与相的相对量关系：含碳量与相的相对量关系：C C %F%F %，FeFe3 3C C %含碳量与组织关系：含碳量与组织关系：图（图（a a）和（和（b b）含碳量与性能关系含碳量与性能关系HBHB：取决于相及相对量取决于相及相对量强度：强度：C%=0.9% C%=0.9% 时最大时最大塑性、韧性：随塑性、韧性：随C%C%而而v 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响v亚共析钢亚共析钢随含碳量增加随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强度、硬度升高，塑钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界连续为晶界连续网状，网状，强度下降强度下降, 但硬度仍上但硬度仍上升。升。l2.11%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.第五节第五节 钢中的杂质元素钢中的杂质元素 Mn 脱氧、去硫脱氧、去硫, ,提高钢的强度和硬度。提高钢的强度和硬度。 Si 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,能脱氧。能脱氧。1.有益元素有益元素2.有害元素有害元素: : P 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,低温低温 韧性差韧性差 ( ( 冷脆冷脆 ) )。 S 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( ( 热裂热裂 ) )。3.气体元素气体元素: N：钢中过饱和钢中过饱和N在常温放置过程中会在常温放置过程中会发生发生时效脆化时效脆化。加加Ti、V、Al等元素可等元素可消除时效倾向。消除时效倾向。 O：钢中的氧化物易成为钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源疲劳裂纹源。 H：原子态的过饱和氢时将降低韧性原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起引起氢脆氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为内壁为白色白色，称，称白点白点或或发裂发裂。钢中钢中白点白点第六节、铸锭第六节、铸锭( (件件) )的宏观组织（自学）的宏观组织（自学）v铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区组成的宏观组织通常由三个区组成:v 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，由浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区一层很细的等轴晶粒区。v 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。v中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。多尺寸较大的等轴晶粒。v 缩孔：缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除钢锭出现缩孔在锻轧前应切除.l2、铸造缺陷、铸造缺陷l铸造缺陷的类型较铸造缺陷的类型较多，常见的有多，常见的有缩孔、缩孔、气孔、偏析气孔、偏析等，它等，它们对性能是有害的们对性能是有害的.缩孔缩孔v偏析：偏析：合金中各部分化学成合金中各部分化学成分不均匀的现象称为分不均匀的现象称为偏析偏析。铸。铸锭锭(件件)在结晶时在结晶时,由于各部位结由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，熔点元素偏聚于最终结晶区，造成造成宏观上的成分不均匀，称宏观上的成分不均匀，称宏观偏析宏观偏析。适当控制浇注温度。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。和结晶速度可减轻宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果v气孔气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭在结晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中的气泡中的气泡.铸锭中的封闭的铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除。铸件中出现孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。气孔则只能报废。铸件中的气孔铸件中的气孔缩松缩松