铁碳合金状态图课件.ppt

1、 1）体心立方晶格体心立方晶格 在立方体的在立方体的8个顶角个顶角上各有一个原子，在立上各有一个原子，在立方体方体中心中心还有一个原子。还有一个原子。体心立方晶格体心立方晶格属于体心立方晶格的金属有属于体心立方晶格的金属有:钠钠 ( Na ) ; 钾钾 ( K ) ; 铬铬 ( Cr ) ;钼钼 ( Mo ) ; 钨钨 ( W ) ; 钒钒 ( V ) ;钽钽 ( Ta ) ; 铌铌 ( Nb ) ; -铁铁 ( -Fe ) 等等 。 2）面心立方晶格面心立方晶格 在立方体在立方体8个顶角个顶角上各有一个原子，在立方体上各有一个原子，在立方体 的的6个面个面的的中心中心还各有一个原子。还各有一

2、个原子。面心立方晶格面心立方晶格属于面心立方晶格的金属有属于面心立方晶格的金属有:金金 ( Au ) ; 银银 ( Ag ) ; 铜铜 ( Cu ) ;铝铝 ( Al ) ; 镍镍 ( Ni ) ; 铂铂 ( Pt ) ;铅铅 ( Pb ) ; -铁铁 ( -Fe ) 等。等。属于密排六方晶格的金属有属于密排六方晶格的金属有:镁镁 ( Mg ) ; 锌锌 ( Zn ) ; 镉镉 ( Cd ) ; 钛钛 ( Ti ) ; 铍铍 ( Be ) 等等 。三种晶格的对比三种晶格的对比体心立方晶格体心立方晶格Fe面心立方晶格面心立方晶格Fe 晶体有以下两种类型晶体有以下两种类型: : 单晶体单晶体 多晶

3、体多晶体 单晶体与多晶体的基本概念单晶体与多晶体的基本概念 1.单晶体单晶体( single crystal )的特征的特征: : * * 晶体由一个晶格晶体由一个晶格排列方位完全一排列方位完全一 致致的晶粒组成。的晶粒组成。 * * 晶体具有晶体具有各向异性各向异性( aeolotropy )。 例如例如: :单晶硅、单晶锗等。单晶硅、单晶锗等。 * *晶体是由许多颗晶格晶体是由许多颗晶格排列方位不排列方位不 相同相同的晶粒组成。的晶粒组成。 * *晶体具有晶体具有各向同性各向同性( isotropy )。 例如例如: : 常用的金属等。常用的金属等。 纯铁固态下纯铁固态下, 在不同温在不同

4、温度范围内将呈现出不同的度范围内将呈现出不同的晶格形态，这种现象称为晶格形态，这种现象称为同素同素异晶转变。异晶转变。 Fe FeFe L （液体）（液体） 1538 （体心）（体心） 1394 （面心）（面心） 912 （体心）（体心）2）用反应式表示用反应式表示1）用冷却曲线表示用冷却曲线表示 L3、 金属的结晶过程：金属的结晶过程： 金属由液态冷却变成固态，原子由金属由液态冷却变成固态，原子由不规则不规则排列排列有规则有规则的排列的排列 无序无序 有序有序 金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图 金属结晶过程金属结晶过程 形核长大形核长大晶粒晶粒晶晶核核晶晶核核长长大大一个一个晶核晶核长大

5、长大后形后形成一成一个晶个晶粒粒 金属和合金多为多晶体结构金属和合金多为多晶体结构 晶粒间的接触面（边界）称晶粒间的接触面（边界）称为晶界。为晶界。 一个一个晶粒晶粒晶界晶界 晶粒粗细对力学性能影响很晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律：大。一般规律：晶粒愈细，强度、硬度愈高，晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好。塑性、韧性愈好。晶粒大小对材料性能的影响晶粒大小对材料性能的影响 细化晶粒的方法细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数；）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理）（孕育或变质处理）（3）热处理和压力加工）热处理和压力加工 纯金

6、属结晶的纯金属结晶的 冷却曲线规律冷却曲线规律 2）纯金属结晶在纯金属结晶在恒温下恒温下进行，结晶冷却曲线出现进行，结晶冷却曲线出现 水平线段水平线段 1）金属实际结晶温度金属实际结晶温度低于低于理论结晶温度；理论结理论结晶温度；理论结 晶温度晶温度T0 与实际结晶温度与实际结晶温度Tm之差称为之差称为过冷度，过冷度， 即：即：T=T0-Tm合金：合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所形成的具有金属特性的物质。形成的具有金属特性的物质。组元：组元：组成合金的基本元素。组成合金的基本元素。 铁碳合金的组元是铁碳合金的组元是Fe和和C相相：在合金

7、组织中，凡是成分相同、晶体结构和物理性：在合金组织中，凡是成分相同、晶体结构和物理性能相同的均匀组成部分。能相同的均匀组成部分。例如：例如： 单一的液相；单一的液相； 单一的固相；单一的固相； 液相、固相两相共存；液相、固相两相共存；问题：问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？有关概念有关概念组织组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的材料内部的微观（图像）统称组织材料内部的微观（图像）统称组织组织组织是材料是材料性能性能的的决定因素决定因素。合金

8、的组织结构合金的组织结构机械混合物机械混合物固溶体固溶体金属化合物金属化合物溶质溶质原子溶入原子溶入溶剂溶剂晶格而仍保持晶格而仍保持溶剂溶剂晶格类型的金属晶体。晶格类型的金属晶体。据据溶质溶质原子在原子在溶剂溶剂晶格中所晶格中所占据位置占据位置的不同的不同固溶体固溶体固溶体的性能特点：固溶体的性能特点：具有良好的塑性和韧性，具有良好的塑性和韧性，强度、硬度较低。强度、硬度较低。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子溶剂原子溶质原子二、金属化合物二、金属化合物 合金各组成元素之间相互作用而生成的一种合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的新的具有具有金属特性金属特性的物质。的

9、物质。金属化合物各元素之间呈金属化合物各元素之间呈整数比整数比关系。关系。如：如： FeFe3 3C C、WCWC、TiC TiC 等等金属化合物的性能特点：金属化合物的性能特点：脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。 合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物，而是按一定的而是按一定的重量比混合而成的新物质重量比混合而成的新物质。 机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。各自的混合，也可以是它们之间的混合

10、。性能特点：性能特点：性能介于各组成物的性能之间。性能介于各组成物的性能之间。 部分部分碳碳溶于铁的晶格间隙，溶于铁的晶格间隙，铁铁的的晶格晶格类型类型不变不变。 奥氏体（奥氏体（A） 碳（碳（C）溶入）溶入-Fe中所形中所形成的固溶体成的固溶体 铁素体（铁素体（F） 碳（碳（C）溶入）溶入-Fe中所形中所形成的固溶体成的固溶体 1）固溶体固溶体铁素体（铁素体（F） 体心立方晶格体心立方晶格奥氏体（奥氏体（A）面心立方晶格面心立方晶格 铁素体组织铁素体组织奥氏体不锈钢组织奥氏体不锈钢组织 C3FeCFe3（石墨）（石墨） 铸铁生产中铸铁生产中 性能性能 800 HBW （用硬质合金头测定）（用

11、硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性近于零。硬而脆，但塑性、韧性近于零。2）金属化合物金属化合物各组元按一定各组元按一定整数比整数比结合而成，并结合而成，并 具有具有金属性质金属性质的均匀物质，属于的均匀物质，属于单相单相组织。组织。过共晶白口铸铁中过共晶白口铸铁中铁的一次渗碳体铁的一次渗碳体过共析钢退火组织中过共析钢退火组织中 的二次渗碳体的二次渗碳体3）机械混合物机械混合物结晶过程所形成的两相混合组织结晶过程所形成的两相混合组织 白色白色F基体中嵌入黑片状基体中嵌入黑片状Fe 3C 良好的力学性能：良好的力学性能： b 750MPa ； HBS=180 =20 %25% ； k = 30

12、-40（J/c） 成分：成分：C 0.77 %珠光体珠光体 P （F+Fe3C）莱氏体（莱氏体（Ld ） C=4.3%C 727以上为高温以上为高温Ld （A+ Fe3C）727以下为低温以下为低温Ld （P+ Fe3C） 力学性能与力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆相似，硬而脆由绿条状或粒状由绿条状或粒状P和黄色和黄色Fe3C 基体组成基体组成 珠光体珠光体 莱氏体莱氏体 三三 、铁碳合金状态图、铁碳合金状态图 铁碳合金状态图是用铁碳合金状态图是用实验方法实验方法作出的作出的温温度度成分成分坐标图坐标图图中横坐标仅标出了含碳图中横坐标仅标出了含碳量小于量小于6.69%的合金部分，因为含碳量大

13、于的合金部分，因为含碳量大于6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义。的铁碳合金，在工业上没有实用意义。当含碳量为当含碳量为6.69%时，铁和碳形成的时，铁和碳形成的Fe3C，可以看作是合金的一个组元，因此，这个状可以看作是合金的一个组元，因此，这个状态图实际上是态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。它是研究的状态图。它是研究钢和铁钢和铁的的成分、温度和组织结构成分、温度和组织结构之间关系的之间关系的重要工具重要工具。显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形下组织形态的热分析图形1）两条水平线）两条水平线 ECF（1148） PSK（72

14、7） AF2）4个基本相个基本相 液相液相(L)； 奥氏体奥氏体(A)； 铁素体铁素体(F)； 渗碳体相渗碳体相( Fe3C)。1）共晶线）共晶线ECF （C点点共晶点）共晶点）（）（CFeALd C3 . 4L3 说明：含说明：含2.11%6.69%C的的 Fe C合金合金(生铁生铁)都将在都将在1148时发生时发生莱氏体莱氏体转变，转变，即共晶转变。即共晶转变。1148AFPLeLe表示共晶反应表示共晶反应：2）共析线共析线PSK （S点共析点点共析点）（）（CFeFP C77. 0A3说明：各种成分的说明：各种成分的 Fe C合合金金(钢钢)都将在都将在727时发生时发生珠珠光体光体转变

15、，即转变，即共析转变共析转变。在。在热处理中，该线温度常以热处理中，该线温度常以A1表示，冷却时用表示，冷却时用Ar1，加热时，加热时用用Ac1。727AFP表示共析反应：表示共析反应：3）两条固溶线）两条固溶线GS、ESAF ES 自高碳奥氏体冷却过自高碳奥氏体冷却过程中析出程中析出 Fe3C的起始线。的起始线。温度常以温度常以 Acm表示。表示。（冷却：（冷却：Arm；加热：；加热：Acm） GS 自低碳奥氏体冷却自低碳奥氏体冷却过程中析出过程中析出铁素体铁素体晶粒的起始晶粒的起始线，该温度常以线，该温度常以 A3表示。表示。（冷却：（冷却：Ar3；加热：；加热：Ac3） 铁碳合金住状态图

16、中主要线的含义铁碳合金住状态图中主要线的含义 ACD线线液相线，液相线，液体合金冷却到此线时开始结晶。液体合金冷却到此线时开始结晶。 在在此线此线以上以上的区域是的区域是液相区液相区。 以以E点点（2.11% C）为界，为界，分为分为钢钢和和生铁生铁两类。生铁两类。生铁结晶时有结晶时有莱氏体莱氏体转变，组转变，组织中有织中有莱氏体。莱氏体。AFP 钢以钢以S点（点（0.77%C）为界，为界， 分为：分为： 亚共析钢亚共析钢 C 0.77%； 共析钢共析钢 C0.77%； 过共析钢过共析钢 C0.77%。 生铁以生铁以C点（点（4.3%C）为界，为界，分为：分为： 亚共晶生铁亚共晶生铁 2.11

17、%C4.3%； 共晶生铁共晶生铁 C4.3% ； 过共晶生铁过共晶生铁 C4.3%6.69。 铸铁：一般是指用来制造铸铁：一般是指用来制造 铸件的生铁，铸件的生铁，为亚共晶生为亚共晶生 铁。铁。C2.8 % 4.0 % 。AFP 随碳含量增大随碳含量增大, 组织按下列顺序变化：组织按下列顺序变化： F+P P P+Fe3CII、含碳量越高，硬度、含碳量越高，硬度、塑性和韧性越低。塑性和韧性越低。含碳量小于含碳量小于1%时，时，含碳量越高，强度越含碳量越高，强度越高；含碳量大于高；含碳量大于1%时时则相反。则相反。含碳量对钢力学性能的影响含碳量对钢力学性能的影响 中碳钢的切削加工性最好，含碳量过高或过低都会中碳钢的切削加工性最好，含碳量过高或过低都会降低切削加工性；降低切削加工性； 含碳量越高，可锻性、铸造性和焊接性越差；含碳量越高，可锻性、铸造性和焊接性越差；