Fe-Fe3C合金相图.ppt

第三章铁碳合金及合金钢概述 钢铁是铁基合金 黑色金属 的总称 铁和碳是钢铁材料两个最基本的组元 碳的质量分数0 0218 Wc 2 11 称为钢 2 11 Wc 6 69 称为铁或铸铁 不特意加入合金元素的钢称为碳素钢 简称碳钢 而特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为合金钢 钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会中最为重要的金属材料 为了熟悉并合理利用钢铁材料 应了解铁与碳的相互作用 认识铁碳合金的本质及其成分 组织结构与性能之间的关系 3 1Fe Fe3C合金相图 3 3合金钢概述 3 2碳钢 3 1Fe Fe3C合金相图 一 铁碳合金相图 二 铁 碳合金中的组织及其性能 六 铁碳相图的应用 五 含碳量与力学性能的关系 三 Fe C合金的分类 四 组织组成物与含碳量关系 一 铁碳合金相图 1 铁碳合金的组元 2 铁碳合金中的相 3 铁碳合金相图分析 所研究的Fe Fe3C相图的位置 一 铁碳合金相图 1 铁碳合金的组元 Fe铁是过渡族元素 熔点为1538 密度是7 87g cm3 Fe3C是一种具有复杂结构的间隙化合物 通常称为渗碳体 含碳量6 69 硬度很高 强度低 塑性韧性很差 理论熔化温度1227 是介稳定化合物 条件适当时 会分解成单质状态的石墨C 碳质量分数超过6 69 的铁碳合金脆性很大 没有使用价值 所以有使用意义并被深入研究的只有Fe Fe3C这一部分 固态铁随温度的改变 由一种晶格转变为另一种晶格的现象 称为同素异构转变 该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据 固态铁的特性 同素异构转变 2 铁碳合金中的相 液相L铁与碳的液溶体 相是碳在 Fe中的间隙固溶体 呈体心立方晶格 在1394 以上存在 1495 时溶碳量为0 09 相是碳在 Fe中的间隙固溶体 呈体心立方晶格 其中碳的固溶度室温时约为0 0008 600 时为0 0057 在727 时为0 0218 其性能特点是强度低 硬度低 塑性好 相是碳在 Fe中的间隙固溶体 呈面心立方晶格 其中碳的固溶度在1148 时为2 11 其性能特点是强度较低 硬度不高 易于塑性变形 Fe3C相是一个金属化合物 又称渗碳体 根据其生成条件不同有条状 网状 片状 粒状等形态 对铁碳合金的力学性能有很大影响 L Fe3C Fe3C L 3 铁碳合金平衡状态图分析 1 铁碳相图中三种基本的转变 共析转变 在一定温度下 一定成分的固相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程 共晶转变 在一定温度下 一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程 注意 共析转变与共晶转变的区别 2 铁碳相图中主要的点 线 区含义 P68图4 3 1 点 见P69 2 线液相线固相线三条水平线三条特征线 3 区4个单相区1条垂直线7个双相区 L L L Fe3C Fe3C 以组织组成物表示的Fe Fe3C相图 P68图4 3 以组织组成物和相组成物表示的Fe Fe3C相图 L L Fe3C Fe3C 二 铁 碳合金中的组织及其性能 P66 一 奥氏体 A 二 铁素体 F 三 珠光体 P 四 莱氏体 L d 五 渗碳体 Fe3C Fe3C Fe3C 相 面心立方 C处在八面体间隙位置 用符号 表示 组织 称为奥氏体 用符号A表示 含碳量 0 2 11 温度范围 727 1495 力学性能 强度 硬度低 塑性好 钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制 奥氏体不锈钢 18 8型不锈钢 一 奥氏体 A C溶于 Fe形成的固溶体 相 体心立方 C处在八面体间隙位置 用符号 表示 组织 称为铁素体 用符号F表示 含碳量 0 0 0218 727 0 0 0008 室温 温度范围 912 力学性能 强度 硬度低 塑性好 二 铁素体 F C溶于 Fe形成的固溶体 工业纯铁 0 02 C 冷轧提高强度 得到冷轧板 工业纯铁室温组织F 相 Fe3C两种相组成组织 珠光体 用符号P表示 含碳量 0 77 称为共析钢 温度范围 727 力学性能 强度 硬度较高 塑性较好 钢丝绳 三 珠光体 P 和Fe3C形成的机械混合物 共析钢室温组织珠光体 P 相 Fe3C两种相 组织 莱氏体或室温莱氏体 用符号L d表示 含碳量 4 3 称共晶白口铸铁 温度范围 727 四 莱氏体 L d P和Fe3C形成的机械混合物 Ld L d 室温组织 L d P Fe3C Fe3C L d P Fe3C Fe3C 共晶白口铸铁的室温组织 五 渗碳体 1 C 4 3 L L Fe3C L Fe3C即Ld Fe3C Fe3C即P 室温组织 Fe3C L d即Fe3C P Fe3C Fe3C 有关三种渗碳体的结晶过程的简单分析 2 2 11 C 4 3 L L 初 L 共晶 Fe3C即Ld 初 Fe3C 初 Fe3C即P 共晶 Fe3C 室温组织 P Fe3C L d 共 Fe3C即P 3 0 77 C 2 11 L L Fe3C Fe3C即P 室温组织 P Fe3C 4 0 0008 C 0 0218 Fe3C 室温组织 F Fe3C 三 铁碳合金的分类 P69 按其含碳量和在相图上的位置可分为 Wc 0 02 亚共析钢 过共析钢 过共晶白口铁 亚共晶白口铁 一 工业纯铁 Wc 0 02 的铁碳合金 组织 F或F Fe3C Fe3C 通常沿晶界析出 工业纯铁室温组织 性能 b HBS Ak 二 亚共析钢 0 0218 Wc 0 77 组织 P F 组织特征 随WC P F F形态由块状 断续网状 性能特点 随WC P b HBS Ak 15钢 45钢 65钢 钢中含碳量 Vp 0 77 VF 0 0008 在显微分析中常以P与F的面积数量比来估计亚共析钢的含碳量 即 C 50 P 0 8 C 0 40 此钢含碳量约为0 40 即40钢 磨制好的金相试样 在显微镜下观察其组织发现 组织中含有50 P和50 F 例如 一种未知钢号的碳钢 退火态 利用金相法估算此钢的碳含量 共析钢室温组织 三 共析钢 WC 0 77 组织 P 性能 良好的综合力学性能 具有强度较高和一定的塑 韧性 组织特征 Fe3C片状分布于F基体上 呈贝壳状 T12钢退火组织 4 硝酸酒精浸蚀 四 过共析钢 0 77 WC 2 11 组织 P Fe3C 性能特点 硬度高 塑 韧性低 组织特征 Fe3C 呈网状分布于层片状P周围 T12钢退火组织 碱性苦味酸钠水溶液浸蚀 五 亚共晶白口铸铁 2 11 Wc 4 3 组织 P Fe3C L d L d P Fe3C Fe3C 性能 硬而脆 共晶白口铸铁的室温组织 六 共晶白口铸铁 Wc 4 3 室温组织 低温莱氏体 L d P Fe3C Fe3C 高温组织 高温莱氏体 Ld A Fe3C 性能 硬而脆 过共晶白口铸铁室温组织 七 过共晶白口铸铁 4 3 Wc 6 69 组织 L d Fe3C L d P Fe3C Fe3C 性能 硬而脆 四 组织组成物与含碳量关系 P77 工业纯铁Wc 0 02F Fe3C 亚共析钢0 0218 Wc 0 77F P 共析钢Wc 0 77P 过共析钢0 77 Wc 2 11P Fe3C 亚共晶白口铸铁2 11 Wc 4 3P Fe3C L d 共晶白口铸铁Wc 4 3L d 过共晶白口铸铁4 3 Wc 6 69Fe3C L d 15钢 45钢 65钢 T12 Wc 则Fe3C 且其形态由点状 层片状 网状 基体 粗大板片状 而F 且其形态由大块状 断续网状 层片状 L A L P Fe3C L d A L Fe3C A F L F A F Fe3C A Fe3C Fe3C Ld A Fe3C Ld Fe3C L d P Fe3C F P Fe3C 随着含碳量的变化 铁碳合金的组织变化顺序为 F F Fe3C F P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C 由图可知 Wc 1 0 时 随钢中Wc 则其HB b Ak 为保证工业用钢应具有足够的 b和一定的 Ak 故其碳含量一般都不超过Wc1 3 1 4 五 含碳量与力学性能的关系 P79 因钢中出现Fe3C 网而导致钢的 b 但HB 当Wc 1 0 时 b 而HB 为什么 1 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 合金的硬度呈直线关系增大 2 强度对组织形态很敏感 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 所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大 到约wc 0 9 时 Fe3C 沿晶界形成完整的网 强度迅速降低 3 随碳含量的增大 F量不断减少 合金的塑性 韧性连续下降 工业上广泛使用的钢含碳量 1 3 1 4 硬度 80 F 180 P HB 对于应用最广的结构材料亚共析钢 合金的硬度 强度和塑性可根据成分或组织作如下估算 或硬度 80 F 800 Fe3C HB 强度 230 F 770 P MPa 延伸率 50 F 20 P 六 铁碳相图的应用 1 在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构和各种型钢需用塑性 韧性好的材料 因此选用碳含量较低的钢材 各种机械零件需用强度 塑性及韧性都较好的材料 应选用碳含量适中的中碳钢 各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料 则选碳含量高的钢种 纯铁磁导率高 矫顽力低 可作软磁材料使用 例如做电磁铁的铁心等 白口铸铁硬度高 脆性大 不能切削加工 也不能锻造 但其耐磨性好 铸造性能优良 适用于作要求耐磨 不受冲击 形状复杂的铸件 例如拔丝模 冷轧辊 货车轮 犁铧 球磨机的磨球等 2 在铸造工艺方面的应用根据Fe Fe3C相图可以确定合金的浇注温度 浇注温度一般在液相线以上50 100 3 在热缎 热轧工艺方面的应用锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行 一般始缎 始轧温度控制在固相线以下100 200 范围内 终缎 终轧温度不能过低 亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点 过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点 一般始缎温度为1150 1250 终缎温度为800 850 4 在热处理工艺方面的应用Fe Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义 一些热处理工艺如退火 正火 淬火的加热温度都是依据Fe Fe3C相图确定的 在运用Fe Fe3C相图时应注意以下两点 Fe Fe3C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 Fe3C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