铁碳相图原理及应用课件.ppt

1、l碳钢和铸铁都是铁碳合金，是应用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，它是清楚地表明了铁碳合金成分、温度、组织三者之间关系的一个“地图”，同一种成分不同温度，同一种温度不同成分，它们组织不同，以及室温组织随含碳量的变化，最终导致钢材力学性能的变化，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用、各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析都有很重要的指导意义l1.1.1合金相图:是表示合金系中合金状态（组织）、温度和成分之间的关系的图象，又称为状态图。因为相图上所表示的组织是在极其缓慢冷却下，即所谓平衡状态获得的，因而还称平衡图合金相图；利用相图可以知道各种成分的合金在不同温

2、度下存在哪些相、各个相的成分及其相对含量。l1.1.2合金相图的建立 l 最常用的方法是热分析法实验获得相图。以 二元合金系为例来介绍其建立的步骤。以下图为例:铜-镍合金的冷却曲线和相图(a)不同成分合金冷却曲线 （b）铜镍合金相图 l 固溶体的平衡结晶过程中，液、固两相相对量的变化关系，不仅取决于结晶的温度，而且还取决于平衡两相的成分，符合杠杆定律。在合金的结晶过程中,合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在不断地发生变化。为了了解相的成分及其相对含量，这就需要杠杆定律。l设K成分的CuNi合金，在t温度时处于L+两相区。作t温度的水平线，交固相线于b点，交液相线于a,固相相对量Q ，液相相

3、对量 QL l则l注：杠杆定理只适用于两相区 因为对单相区无此必要,在三相恒温线上,三个相可以任何比例相平衡l钢和铸铁的基本组成是铁和碳；5%以下的铁碳合金才有应用价值，通常铁碳合金按Fe-Fe3C(渗碳体)形式存在，但一定条件下Fe3C分解为铁的固溶体和石墨,故铁碳相图是双重相图。l 一、纯铁的晶体结构及同素异构转变一、纯铁的晶体结构及同素异构转变l铁具有多晶型性，从铁的冷却曲线中可铁具有多晶型性，从铁的冷却曲线中可以看出，如下图以看出，如下图l1.三种晶体结构l 1538-1394 Fe(体心立方)l 1394-912 Fe(面心立方)l 912-Fe(体心立方)l金属在固态下发生晶格形式

4、的转变称为同素异构转变.l纯铁从液态结晶为固态后，继续冷却至一定温度时，将先后发生两次同素异构转变。l 金属的同素异构转变对于加工及热处理都有重要的意义 l相：系统中均匀的、与其他部分有界面分开的部分，如：相,相。l组织：在结晶的各个阶段中形成的、有清晰轮廓的独立组成部分。l 如：初生、为单相组织 （+）共一种组织由两相构成l 铁碳合金的基本组成相有铁素体，奥氏体和渗碳体；这些相都是以铁为基的固溶体或铁的化合物，组织组成物有珠光体和莱氏体。l铁素体（F）：C 溶在 Fe中的一种间隙固溶体l 晶体结构：体心立方晶格l 溶碳能力：较小，常温下0.008%以下，在727时溶碳能力达到最大0.0218

5、%。l 组织形态：多边形等轴晶粒l 机械性能：与纯 Fe 性能相似，属软韧相，强度和 硬度不高，塑性、韧性好。l 表示方法：一般用 F 表示，也有用Fe、等l奥氏体（A）：C 溶在 Fe中的间隙固溶体（是一种高温相）l 晶体结构：面心立方晶格l 溶碳能力：比 Fe稍大，在727可溶C 0.77%，随温度升高，其溶解度增加，在1148时达最大溶C 量 2.11%。l 组织形态:多边形等轴晶粒l 机械性能:具有高温塑性,变形抗力小,易于锻造成型。l 表示方法:一般用 A,也用、Fe等 l渗碳体:是Fe和C的化合物,以Fe3C表示l 其含C量为6.69%,固定成分。l 熔点很高1227，固定熔点。l

6、 晶体结构相当复杂l 组织形态l a.从液相中直接结晶出来的一次渗碳体,一般呈粗大片状l b.从固相中析出的次生或三次渗碳体,一般呈网状分布l c.共析体中渗碳体一般呈薄片状l 实际热处理状态下的渗碳体还有球状、粒状、棒状l 一般性质l 硬而脆,硬度高约HB=800,而塑性很差,延伸率几乎为0,耐磨性好。Fe3C是一种亚稳定化合物,一定条件下分解,形成石墨l珠光体(P):铁素体和渗碳体的机械混合物(F+Fe3C)l 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层状形成 l 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间l 由成分为0.77%的A缓冷至727分解得到l莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物(A+Fe

7、3C)l 由成分为 4.3%的铁碳合金,在1148时从液相结晶得到 l 727 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示727 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld 表示l 性能接近于渗碳体,硬度 700HB,塑性很差.l符号 温度/含碳量100 特性说明 l A 1538 0 纯碳的熔点l B 1495 0.53 包晶反应时的液相浓度l C 1148 4.30 共晶反应点l D 1227 6.69 渗碳体的熔点l E 1148 2.11 碳在-Fe中的最大溶解度l F 1148 6.69 Fe3C l G 912 0 -FeD-Fe的异晶转变点 l H 1495 0.09 碳在-Fe中的最大溶解度

8、l J 1495 0.17 包晶反应点l K 727 6.69 Fe3Cl N 1394 0 -FeD-Fe的异晶转变点l P 727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度l S 727 0.77 共析反应点l Q 600 0.008 600时碳在-Fe中的溶解度lABCD线 液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。lAHJECF线 固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化lGS线A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A（F向A转变的终了线）lES线Acm线，C在A中溶解度曲线,当温度低于此曲线时，要从A中析出次生渗碳体Fe3C，所以这条线又是次生渗碳体开始析出

9、线 lECF线共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。lPSK线A1线(共析线)，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体(F片和Fe3C片相互交替重叠的机械混合物)lPQ线：这是一条C在F中的溶解度曲线，当温度低于此温度曲线时，要从F中析出Fe3C，所以这条线又是 Fe3C开始析出线。lCD线：这条线是L Fe3C I 的开始析出线lFe-Fe3C相图中单相区域有：液相区（L）ABCD线以上的区为液相区。相区相为碳在Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，在GPQ区内。相区相为碳在Fe中的固溶体，具有面心立方晶格，在GSEJN区内

10、。相区为碳在Fe中的固溶体，也是体心立方晶格，在AHN区内。Cm相区（渗碳体区）实际为代表Fe3C的纵轴DKL。l两个单相区间所夹的相区为相应的双相区，Fe-Fe3C相图中双相区域有：lL+lL+lL+Fe3Cl+l+l+Fe3Cl+Fe3Cl在室温下不同成分范围的双相区均为Cm。l 不同成分Fe-Fe3C合金的组织状态不同。C%0.0218%合金，为工业纯铁，其组织为FCmIII。0.0218%C%0.77%的合金为亚共析钢，组织为FP。lC%=0.77%的合金为共析钢,组织为P。0.77%C%2.11%的为过共析钢，其组织为PCmII。2.11%C%4.3%的合金为亚共晶铸铁，组织为PCm

11、II+Ld。C%=4.3%的合金为共晶铸铁，其组织为Ld。4.3%C%6.69%的合金为过共晶铸铁，组织为Ld+CmI。l工业纯铁的平衡凝固过程及组织l组织 F+（Fe3C）IIIl共析转变 l转变产物为珠光体,转变过程lL L+A A P(Fe3C+F)l珠光体中p和Fe3C的相对量可由杠杆定理求出ll l 共析钢的平衡组织 l利用杠杆定律可以分别计算出钢中的组织组成物-先共析铁素体和珠光体的含量l%=(0.77-0.40)/(0.77-0.0218)=49.5%lP%=1-49.5%=50.5%l同样,也可以算出相组成物的含量l%=(6.69-0.40)/(6.69-0.0218)=94.

12、3%l Fe3C%=1-94.3%=5.7%l利用杠杆定律可以分别计算出钢中的组织组成物-二次渗碳体和珠光体的含量lFe3C%=(1.2-0.77)/(6.69-0.77)=7.26%lP%=1-7.26%=92.74%l同样,也可以算出相组成物的含量l%=(6.69-1.2)/(6.69-0.0218)=82.3%l Fe3C%=1-82.3%=17.7%l根据铁碳合金平衡状态图和对各种铁碳合金平衡组织的分析可知，不同含C量的铁碳合金室温平衡组织都是由F和Fe3C这两个基本相组成。但含C量不同，铁碳合金中这两相的相对数量、形状和分布情况不同，因而各种成分的铁碳合金呈现出不同的组织形态，从而导

13、致它们之间在性能上的差异。l从相组成的角度来看,当含碳质量分数为零时,合金全部由铁素体组成,随着含碳量的增加,铁素体的含量呈直线下降,直到C%=6.69%时降为0.与此相反,渗碳体的含量则由0增到100%l从组织组成的角度来看,随着含碳质量分数的增加,铁碳合金的组织变化顺序为lFF+Fe3CF+PPP+Fe3C P+Fe3C+Ld,Ld,Ld,+Fe3ClF是软韧相，Fe3C是硬脆相，所以铁碳合金的力学性能决定于F和Fe3C相对量，以及相互的分布特征。l 1.HB取决于C%,C%,硬度高的Fe3C相，硬度低的F，故HB。l 2.与C%有关，还与C的分布、形状有关。l 晶粒呈片状的共析Fe3C与

14、F组成的P组织具有较高的硬度，且P组织越细，则强度越高，所以铁碳合金从l 亚共析钢到共析钢，随C%，钢中P，钢的强度。l 含C量超过共析成分后，合金中出现强度很低Fe3C，当含C量增加不多时，合金中 Fe3C量很少，且l 呈粒片断续包围P分布，由于相界面增多，所以合金强度还会略有升高，直到C%=0.9%时。l C%0.9%时，C%,P（P组织越细）。l C%0.9%时，Fe3C呈网状分布，包围P,割裂了P晶粒之间的结合，使合金,（随C%）。l 3.塑性（,）韧性（K）l C%,F,Fe3C,、，K。l相图给出了各种铁碳合金的温度与组织之间的关系，这对铸、锻、热处理工艺有直接指导意义。l 铸造方

15、面 可根据相图上液相线可以确定铸件的合理浇注温度。l 一般选在液相线之上50100，共晶成分合金结晶温区窄，合金流动性好，分散缩孔小。l 锻造方面 从相图上可知，当把钢加热到A3和Am线之上变成单相A.A状态的钢塑性好、l 强度较低，很适于大变形量的热变形加工。l 热处理方面 相图中的A1、A3、Acm三条相变线是确定碳素钢热处理工艺加热温度的依据。l 固溶强化：通常把溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。l热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多

16、数机械零件必须经过热处理。l1.3.1珠光体转变l1.3.2贝氏体转变l1.3.3马氏体转变l珠光体型组织是铁素体和渗碳体的机械混合物,渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小，可将珠光体型组织按层间距大小分为珠光体(P)、索氏体(S)和屈氏体(T),它们的本质相同。奥氏体向珠光体的转变为扩散型的生核.片状珠光体的机械性能主要决定于片间距和珠光体团的直径,片间距和珠光体团的直径越小,钢的强度和硬度越高,塑性越好.珠光体转变是高温转变 在A1550之间,过冷奥氏体的转变产物为珠光体型组织,此温区称珠光体转变区。l在550Ms之间,过冷奥氏体的转变产物为贝氏体型组织,此温区称贝氏

17、体转变区。贝氏体是渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。l过冷奥氏体在550350之间转变形成的产物称上贝氏体（上B)。上B呈羽毛状,小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。l过冷奥氏体在350Ms之间的转变产物称下贝氏体(下B)。下B在光学显微镜下为黑色针状,在电子显微镜下可看到在铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物(Fe2.4C)颗粒。l上贝氏体中铁素体片较宽，塑性变形抗力较低；同时渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断，因此强度和韧性都较差。下贝氏体中铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大，位错密度高，且碳化物分布均匀、弥散度大，所以硬度高，韧性好，具有较好的综合机械性能l过

18、冷A转变为马氏体是低温转变过程,转变温度在MsMf之间,该温区称马氏体转变区。l马氏体就是碳在-Fe中的过饱和固溶体。过饱和碳使-Fe 的晶格发生很大畸变,产生很强的固溶强化。l含碳量在0.25%以下时，基本上是板条马氏体（亦称低碳马氏体），板条马氏体在显微镜下为一束束平行排列的细板条。在高倍透射电镜下可看到板条马氏体内有大量位错缠结的亚结构，所以也称位错马氏体。l当碳含量大于1.0%时，则大多数是针状马氏体。针状马氏体在光学显微镜中呈竹叶状或凸透镜状，在空间形同铁饼。马氏体针之间形成一定角度(60)。l碳含量在0.251.0%之间时，为板条马氏体和针状马氏体的混和组织。la.硬度很高。lb.

19、马氏体的塑性和韧性与其碳含量（或形态）密切相关。高碳马氏体由于过饱和度大、内应力高和存在孪晶结构，所以硬而脆，塑性、韧性极差，但晶粒细化得到的隐晶马氏体却有一定的韧性。而低碳马氏体，由于过饱和度小，内应力低和存在位错亚结构，则不仅强度高，塑性、韧性也较好。lc.马氏体的比容比奥氏体大，当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。马氏体是铁磁相，而奥氏体为顺磁相。马氏体晶格畸变严重，因此电阻率高。l综上所述，钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温转变产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体等几种。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。