铁碳相图对共析钢-亚共析钢和过共析钢的详细分析.ppt

第四节铁碳合金相图 1 铁碳合金的基本相与性能2 铁碳合金相图与结晶过程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 Fe3C Fe2C FeC 它们都可以作为相图的组元看待 含碳量大于Fe3C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 Fe3C相图 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 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Fe3C 含碳6 69 用Fe3C或Cm表示 Fe3C硬度高 强度低 b 35MPa 脆性大 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相 在一定条件下可发生分解 Fe3C 3Fe 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Fe3C或石墨的形式存在 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Fe3C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Fe3C两相混合物 室温莱氏体是珠光体与Fe3C的两相混合物 二 铁碳合金相图的分析 相图的简化 特征点 特征线 液相线 ACD 固相线 AECF 两条水平线 ECF 共晶线LC E Fe3C共晶产物是A与Fe3C的机械混合物 称作莱氏体 用Le表示 为蜂窝状 以Fe3C为基 性能硬而脆 莱氏体 PSK 共析线 S FP Fe3C共析转变的产物是F与Fe3C的机械混合物 称作珠光体 用P表示 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A1线 其它相线GS A F固溶体转变线 GS又称A3线 ES 碳在 Fe中的固溶线 又称Acm线 PQ 碳在 Fe中的固溶线 两个三相区 即ECF L A Fe3C PSK A F Fe3C 两条水平线 相区 单相区 L A F Fe3C 两相区 L A L Fe3C A Fe3C A F F Fe3C 钢 0 0218 2 11 C 高温组织为单相A 亚共析钢 0 0218 0 77 C 共析钢 0 77 C 过共析钢 0 77 2 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 11 6 69 C 铸造性能好 硬而脆 亚共晶白口铸铁 2 11 4 3 C 共晶白口铸铁 4 3 C 过共晶白口铸铁 4 3 6 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 AS FP Fe3C A全部转变为珠光体 1点以上 L 1 2点 L A 2 3点 A 3 3 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Fe3C 与共析Fe3C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 共析钢的结晶过程 二 亚共析钢的结晶过程以0 40 C的钢为例合金在3点以前通过匀晶 包晶 匀晶反应全部转变为A 到4点 由A 中析出F 到5点 A成分沿GS线变到S点 A发生共析反应转变为珠光体 温度继续下降 F中析出Fe3C 由于与共析Fe3C结合 且量少 忽略不计 1点以上 L 1 2点 L A 2 3点 A 3 4 A F 4 4 A P 4 点以下 P F 共析温度下相的相对重量为 组织组成物的相对重量为 温度继续下降 中析出Fe3C 由于与共析Fe3C结合 且量少 忽略不计 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 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 C P面积 0 77 忽略F中含碳量 P面积 QP 亚共析钢室温下的组织为F P 在0 0218 0 77 C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加 亚共析钢的结晶过程 三 过共析钢的结晶过程合金在1 2点转变为A 到3点 开始析出Fe3C 从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体 用Fe3C 表示 其沿晶界呈网状分布 温度下降 Fe3C 量增加 到4点 A成分沿ES线变化到S点 余下的A转变为P 1点以上 L 1 2点 L A 2 3点 A 3 4 A Fe3C 4 4 A P 4 点以下 P Fe3C 室温组织 P Fe3C 400 室温下两相的相对重量百分比 过共析钢室温组织为P Fe3C 两组织组成物的相对重量百分比 Fe3C 量随含碳量而增加 含碳量为2 11 时 Fe3C 量最大 过共析钢的结晶过程 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 Fe3C L L A A A F P F相组成物 F Fe3C L L A A A Fe3CII P Fe3CII相组成物 F Fe3C 莱氏体 Ld 是共晶A与共晶Fe3C的机械混合物 1点以上 L 1 1 L Ld 四 共晶白口铁的结晶过程 共晶转变结束时 两相的相对重量百分比为 1 2 Ld C点以下 共晶A将析出Fe3C A成分沿ES线变化 Fe3C 与共晶Fe3C结合 不易分辨 温度降到2点 A成分达到0 77 此时 相的相对重量 在2点 共晶A发生共析反应 转变为珠光体 这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体 用Ld 表示 2 2 Ld Ld A P 2 点以下 Ld P Fe3CII 共晶Fe3C 室温组织 低温 莱氏体Ld 500 Ld 的性能 硬而脆 室温下两相的相对重量百分比为 共晶白口铁的结晶过程 L L A Fe3C共晶 L A Fe3C共晶 Fe3CII L P Fe3C共晶 Fe3CII 相组成物 F Fe3C 五 亚共晶白口铁的结晶过程合金在1 2点间析出A 到2点 液相成分变到C点 并转变为Le 2 3点间从A中析出Fe3C 一次A的Fe3C 被共晶A衬托出来 到3点 A转变为P 亚共晶白口铁室温组织为P Fe3C Le 室温下组织组成物相对重量百分比为 室温下相的相对重量百分比 亚共晶白口铁的结晶过程 六 过共晶白口铁的结晶过程1 2点间从液相中析出Fe3C 这种渗碳体称一次渗碳体 用Fe3C 表示 呈粗条片状 到2点 余下的液相成分变到C点并转变为Le 2点以下 Fe3C 成分重量不再发生变化 Le变化同共晶合金 其室温组织为Fe3C Le 总结 白口铸铁的结晶过程 1 共晶白口铁的结晶过程 3 过共晶白口铁的结晶过程 2 亚共晶白口铁的结晶过程 L L A Fe3C共晶 L A Fe3C共晶 Fe3CII L P Fe3C共晶 Fe3CII 相组成物 F Fe3C L L A A L 共晶A Fe3C共晶 A L A Fe3C共晶 Fe3CII Fe3CII P L P Fe3C共晶 Fe3CII Fe3CII相组成物 F Fe3C L L Fe3CI Fe3CI L 共晶A Fe3C共晶 Fe3CI L A Fe3C共晶 Fe3CII Fe3CI L P Fe3C共晶 Fe3CII 相组成物 F Fe3C 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 F F P P P Fe3CII P Fe3CII L L L Fe3CI 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Fe3C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80HB增大到全部为Fe3C时的约800HB 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Fe3CII沿晶界出现 合金强度的增高变慢 到约0 9 C时 Fe3CII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Fe3C 强度变化不大且值很低 趋于Fe3C的强度 约20MPa 30MPa 塑性铁碳合金中Fe3C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 亚共析钢的硬度 强度和塑性可根据成分或组织作如下的估算 硬度 80 w F 180 w P HB 或硬度 80 w F 800 w Fe3C HB 强度 b 230 w F 770 w P MPa 延伸率 50 w F 20 w P 式中的数字相应为F P或Fe3C的大概硬度 强度和延伸率 w F w P w Fe3C 相应表示组织中F P或Fe3C的质量分数 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 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 本章小结 三种常见晶格及其致密度 单晶体 多晶体结构 晶格缺陷及其对金属性能的影响 掌握纯金属结晶的条件和结晶过程 影响结晶过程的因素 过冷度 细化晶粒的措施 同素异晶 构 转变 相 组织 固溶体 化合物的概念 二元相图 匀晶 共晶 共析 匀晶反应的合金的结晶过程 枝晶偏析 杠杆定律应用 相图与性能的关系 Fe C合金的基本相 组织 F A Fe3C P Ld 的结构 成分 性能 铁碳相图 典型铁碳合金的平衡结晶过程 各类碳钢室温平衡组织 铁碳合金的成分 组织 性能关系 用杠杆定律计算各相 组织组分的相对含量