Fe-Fe3C合金相圖

1、第三章 鐵碳合金及合金鋼概述,鋼鐵是鐵基合金（黑色金屬）的總稱。鐵和碳是鋼鐵材料兩個(gè)最基本的組元。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0218%Wc2.11%稱為鋼，2.11%Wc 6.69%稱為鐵或鑄鐵。不特意加入合金元素的鋼稱為碳素鋼（簡稱碳鋼），而特意加入一種或數(shù)種一定量合金元素的鋼稱為合金鋼。,鋼鐵材料是目前乃至今后很長一段時(shí)間內(nèi)人類社會(huì)中最為重要的金屬材料。為了熟悉并合理利用鋼鐵材料，應(yīng)了解鐵與碳的相互作用，認(rèn)識(shí)鐵碳合金的本質(zhì)及其成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。,3.1 Fe-Fe3C合金相圖,3.3 合金鋼概述,3.2 碳鋼,3.1 Fe-Fe3C合金相圖,一、鐵碳合金相圖,二、鐵碳合金中的組織及其性

2、能,六、鐵碳相圖的應(yīng)用,五、含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系,三、Fe-C合金的分類,四、組織組成物與含碳量關(guān)系,一、鐵碳合金相圖,1.鐵碳合金的組元,2.鐵碳合金中的相,3.鐵碳合金相圖分析,所研究的Fe-Fe3C相圖的位置,一、鐵碳合金相圖,1.鐵碳合金的組元, Fe 鐵是過渡族元素， 熔點(diǎn)為1538，密度是 7.87g/cm3。, Fe3C 是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，通常稱為滲碳體。 含碳量6.69%，硬度很高，強(qiáng)度低，塑性韌性很差。理論熔化溫度1227。是介穩(wěn)定化合物，條件適當(dāng)時(shí)，會(huì)分解成單質(zhì)狀態(tài)的石墨C 。,碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過 6.69%的鐵碳合金 脆性很大，沒有使 用價(jià)值,所以有使用 意義

3、并被深入研究 的只有Fe-Fe3C這一 部分。,固態(tài)鐵隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。該特性是鋼鐵材料通過熱處理獲得多種組織結(jié)構(gòu)與性能的理論依據(jù)。,固態(tài)鐵的特性同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,2. 鐵碳合金中的相,液相L 鐵與碳的液溶體。 相 是碳在Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格，在1394以上存在，1495時(shí)溶碳量為0.09%。 相 是碳在Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。其中碳的固溶度室溫時(shí)約為0.0008%，600時(shí)為0.0057%，在727時(shí)為0.0218%。其性能特點(diǎn)是強(qiáng)度低、硬度低、塑性好 相 是碳在Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148

4、時(shí)為2.11%。其性能特點(diǎn)是強(qiáng)度較低，硬度不高，易于塑性變形 Fe3C相 是一個(gè)金屬化合物（又稱滲碳體），根據(jù)其生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，對(duì)鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。,+L,+Fe3C,+Fe3C,L,3. 鐵碳合金平衡狀態(tài)圖分析,（1）鐵碳相圖中三種基本的轉(zhuǎn)變,共析轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的固相同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩種成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。 共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，一定成分的液相同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩種成分和晶體結(jié)構(gòu)完全不同的新固相的過程。,注意：共析轉(zhuǎn)變與共晶轉(zhuǎn)變的區(qū)別,（2）鐵碳相圖中主要的點(diǎn)、線、區(qū) 含義 (P68圖4-3),(1) 點(diǎn) (見P69),(2) 線

5、液相線 固相線 三條水平線 三條特征線,(3) 區(qū) 4個(gè)單相區(qū) 1條垂直線 7個(gè)雙相區(qū),L,L + ,L+ , + Fe3C, + Fe3C, + ,以組織組成物表示的Fe-Fe3C相圖 (P68圖4-3),以組織組成物和相組成物表示的Fe-Fe3C相圖,L+ ,L, + Fe3C, + Fe3C,二、鐵碳合金中的組織及其性能（P66）,（一）奧氏體（A）,（二）鐵素體（F）,（三）珠光體（P）,（四）萊氏體（Ld）,（五）滲碳體（Fe3C、Fe3C、Fe3C ）,相：面心立方，C處在八面體間隙位置，用符號(hào)表示。 組織：稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。,含碳量：02.11% 溫度范圍：727 149

6、5 ,力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低； 塑性好。,鋼材加熱到奧氏體區(qū)后進(jìn)行鍛造和軋制。,奧氏體不銹鋼（188型不銹鋼）,（一）奧氏體（A） C溶于-Fe形成的固溶體,相：體心立方，C處在八面體間隙位置，用符號(hào)表示。 組織：稱為鐵素體，用符號(hào)F表示。,含碳量：00.0218%(727 ) 00.0008%(室溫) 溫度范圍：912,力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度低；塑性好。,（二）鐵素體（F）C溶于-Fe形成的固溶體,工業(yè)純鐵0.02%C， 冷軋?zhí)岣邚?qiáng)度，得到冷軋板。,工業(yè)純鐵室溫組織 F,相：+ Fe3C兩種相組成 組織：珠光體，用符號(hào)P表示,含碳量：0.77% (稱為共析鋼) 溫度范圍：727,力學(xué)性能：強(qiáng)度

7、、硬度較高；塑性較好。 鋼絲繩,（三）珠光體（P）和Fe3C形成的機(jī)械混合物,共析鋼室溫組織珠光體（P）,相：+ Fe3C兩種相。 組織：萊氏體或室溫萊氏體，用符號(hào)Ld表示。,含碳量：4.3%(稱共晶白口鑄鐵) 溫度范圍：727,（四）萊氏體（Ld）P和Fe3C形成的機(jī)械混合物,Ld,Ld,室溫組織: Ld(P + Fe3C +Fe3C）,Ld (P+Fe3C)+Fe3C,共晶白口鑄鐵的室溫組織,（五）滲碳體,1. C% 4.3%,L,LFe3C,L +Fe3C 即Ld, Fe3C, +Fe3C即P,室溫組織: Fe3C+Ld 即Fe3C+(P+ Fe3C)+Fe3C,有關(guān)三種滲碳體的結(jié)晶過程

8、的簡單分析,2. 2.11%C%4.3%,L,L 初,L 共晶+Fe3C即Ld,初Fe3C,初+Fe3C即P,共晶Fe3C,室溫組織 ：P +Fe3C+Ld,共+Fe3C即P,3. 0 .77%C2.11%,L,L ,Fe3C,+Fe3C即P,室溫組織 : P +Fe3C,4. 0.0008C0.0218%, Fe3C,室溫組織 : F+ Fe3C,三、鐵碳合金的分類（P69）,按其含碳量和在相圖上的位置可分為:,Wc 0.02%,亞共析鋼,過共析鋼,過共晶白口鐵,亞共晶白口鐵,（一）工業(yè)純鐵Wc 0.02%的鐵碳合金,組織：F或F+ Fe3C ，F(xiàn)e3C 通常沿晶界析出。,工業(yè)純鐵室溫組織,

9、性能：b 、HBS 、Ak,（二）亞共析鋼 （0.0218% Wc 0.77%）,組織：PF,組織特征：隨WC% ，P% ，F(xiàn)% ； F形態(tài)由塊狀斷續(xù)網(wǎng)狀。,性能特點(diǎn)：隨WC% ， P% ， b 、HBS ， 、Ak ,15鋼,45鋼,65鋼,鋼中含碳量%Vp0.77%VF0.0008%,在顯微分析中常以P與F的面積數(shù)量比來估計(jì)亞共析鋼的含碳量。,即：C50P0.8C0.40 此鋼含碳量約為0.40，即40鋼。,磨制好的金相試樣，在顯微鏡下觀察其組織發(fā)現(xiàn)：組織中含有50P和50F，,例如，一種未知鋼號(hào)的碳鋼(退火態(tài))，利用金相法估算此鋼的碳含量。,共析鋼室溫組織,（三）共析鋼（WC=0.77%

10、）,組織：P,性能：良好的綜合力學(xué)性能（具有強(qiáng)度較高和一定的塑、韌性）,組織特征：Fe3C片狀分布于F基體上，呈貝殼狀,T12鋼退火組織 （4%硝酸酒精浸蝕）,（四）過共析鋼（0.77% WC2.11%）,組織：P+ Fe3C,性能特點(diǎn)：硬度高，塑、韌性低,組織特征：Fe3C呈網(wǎng)狀分布于層片狀P周圍,T12鋼退火組織（堿性苦味酸鈉水溶液浸蝕）,（五） 亞共晶白口鑄鐵（2.11% Wc 4.3%）,組織：P+ Fe3C +Ld （Ld P+Fe3C +Fe3C ）,性能：硬而脆。,共晶白口鑄鐵的室溫組織,（六）共晶白口鑄鐵（Wc =4.3%）,室溫組織：低溫萊氏體（Ld P+Fe3C +Fe3C

11、 ） 高溫組織：高溫萊氏體（Ld A+Fe3C ）,性能：硬而脆,過共晶白口鑄鐵室溫組織,（七）過共晶白口鑄鐵（4.3% Wc 6.69%）,組織：Ld+ Fe3C （Ld P+Fe3C +Fe3C ）,性能：硬而脆。,四、組織組成物與含碳量關(guān)系（P77）,工業(yè)純鐵 Wc 0.02 F+Fe3C ,亞共析鋼 0.0218 Wc 0.77 F+P,共析鋼 Wc= 0.77 P,過共析鋼 0.77 Wc 2.11 P+Fe3C,亞共晶白口鑄鐵 2.11 Wc 4.3 P+ Fe3C+Ld,共晶白口鑄鐵 Wc =4.3 Ld,過共晶白口鑄鐵 4.3 Wc 6.69 Fe3C +Ld,15鋼,45鋼,

12、65鋼,T12,Wc，則Fe3C，且其形態(tài)由點(diǎn)狀層片狀網(wǎng)狀 基體 粗大板片狀，而 F且其形態(tài)由大塊 狀斷續(xù)網(wǎng)狀層片狀。,L+ A,L,P+Fe3C+Ld, + A,L+ Fe3C,A,F, + L,F+A,F+Fe3C,A+Fe3C,Fe3C+Ld,A+Fe3C+Ld,Fe3C+Ld,P+Fe3C,F+P,Fe3C,隨著含碳量的變化，鐵碳合金的組織變化順序?yàn)椋?F,FFe3C,FP,P,P+Fe3C,P+ Fe3CLd,Ld,Ld Fe3C,由圖可知： Wc1.0%時(shí)：隨鋼中Wc，則其HB、b，、Ak；,為保證工業(yè)用鋼應(yīng)具有 足夠的b 和一定的 、Ak ， 故其碳含量一般都不超過 Wc1.3%

13、 1.4%。,五、含碳量與力學(xué)性能的關(guān)系（P79）,因鋼中出現(xiàn)Fe3C網(wǎng)而導(dǎo)致鋼的b ，但HB ,當(dāng) Wc1.0%時(shí)：b而HB。 為什么？,1.硬度 主要決定于組織中組成相或組織組成物的硬度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨碳含量的增加，合金的硬度呈直線關(guān)系增大。,2.強(qiáng)度 對(duì)組織形態(tài)很敏感。隨碳含量的增加，亞共析鋼中 P 增多而 F 減少。P的強(qiáng)度比較高，所以亞共析鋼的強(qiáng)度隨碳含量的增大而增大。到約wc=0.9時(shí)，F(xiàn)e3C沿晶界形成完整的網(wǎng)，強(qiáng)度迅速降低。,3.隨碳含量的增大，F(xiàn)量不斷減少，合金的塑性、韌性連續(xù)下降。,工業(yè)上廣泛使用的鋼含碳量1.31.4。,硬度80F%+180P% (HB),對(duì)于應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)

14、材料亞共析鋼，合金的硬度、強(qiáng)度和塑性可根據(jù)成分或組織作如下估算：,或硬度80F%+800Fe3C% (HB),強(qiáng)度230F%+770P% (MPa),延伸率()50F%+20P% (%),六、鐵碳相圖的應(yīng)用,1.在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用,建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材。 各種機(jī)械零件需用強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的材料。應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。各種工具需用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高的鋼種。 純鐵磁導(dǎo)率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵心等。 白口鑄鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機(jī)的磨球等。,2. 在鑄造工藝方面的應(yīng)用 根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50100。,3. 在熱緞、熱軋工藝方面的應(yīng)用 鍛造或軋制選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進(jìn)行。一般始緞、始軋溫度控制在固相線以下100200范圍內(nèi)，終緞、終軋溫度不能過低。亞共析鋼熱加工終止溫度多控制在GS線以上一點(diǎn)，過共析鋼變形終止溫度應(yīng)控制在PSK線以上一點(diǎn)，一