1、第第4章章 铁碳合金铁碳合金n知识目标：知识目标：n了解合金的组织对合金性能的影响n铁碳合金的基本组织、符号及性能n技能目标：技能目标：n能运用铁碳合金相图分析铁碳合金的组织和性能n能根据铁碳合金相图选择工件材料 铁碳合金铁碳合金是以铁和碳为组元的二元合金，是工业上应用最广泛的合金。在液态时，铁和碳可以无限互溶。在固态时，碳溶于铁中形成固溶体。当含碳量超过碳在铁中的固态溶解度时，则出现金属化合物。第第4章章 铁碳合金铁碳合金4.2 二元合金相图二元合金相图4.1 合金的基本组织合金的基本组织4.3 铁碳合金相图铁碳合金相图4.4 铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用第第4章章 铁碳合金铁碳合金
2、4.1 合金的基本组织合金的基本组织n4.1.1 合金概述n4.1.2 固溶体 n4.1.3 金属化合物 n4.1.4 混合物 4.1.1 合金概述n合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素经一定方法合成的具有金属特性的物质称为合金。n组元：组成合金的最基本的独立物质称为组元，简称元。组元通常是组成合金的元素，有时也可将稳定的化合物作为组元。n相：合金中化学成分、结构相同的组成部分称为相，相与相之间具有明显的界限。n合金的组织是指合金中不同相之间相互组合而成的综合体。各相的数量、形状、大小及分布方式的不同形成了合金组织。4.1.2 固溶体n 固溶体：一种组元的原子溶入另一组元的晶
3、格中所形成的均匀固相，称为固溶体。溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体保持溶剂的晶格类型，溶质原子则分布在溶剂晶格之中。n 置换固溶体：溶质原子替代溶剂晶格节点上的某些原子形成的固溶体成为置换固溶体。如图a所示。间隙固溶体：溶质原子嵌入溶质晶格各节点之间的间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。如图b所示。a)置换固溶体 b)间隙固溶体 固溶体结构示意图晶格畸变n 固溶体中，溶质原子的溶入溶剂晶格后，将使溶剂晶格常数增大，导致晶格发生畸变。如图：a)间隙固溶体 b)置换固溶体 溶质原子对晶格畸变影响示意图4.1.3 金属化合物n 合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化
4、合物。n 金属化合物可用化学分子式来表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构，其性能具有“三高一稳定”的特点，即高熔点、高硬度、高脆性和良好的化学稳定性。n 合金中出现化合物时，通常能显著地提高合金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性也会明显的降低。金属化合物是各种合金钢、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。4.1.4混合物n 两种或两种以上的相按一定的质量百分数组成的物质称为混合物。n 在混合物中各组成相仍保持着它原有的晶格类型和性能，而整个混合物的性能介于各组成相性能之间，与各组成相的性能及相的数量、形状、大小和分布情况等密切相关。4.2 二元合金相图n4.2.1 二
5、元合金相图的表示方法 n4.2.2 二元合金匀晶相图分析n4.2.3 二元合金共晶相图分析4.2.1 二元合金相图的表示方法 n 合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系，简称相图或状态图。n 它是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工具，是合金在极缓慢冷却、接近平衡条件下测绘的，又称平衡图。n 合金相图一般采用热分析法、热膨胀法、电阻法等实验方法测定，测定的关键是准确地找到合金的熔点和固态转变温度临界点。4.2.1 二元合金相图的表示方法n 对二元合金系来说，通常用横坐标表示合金成分，纵坐标表示温度。图4-3为铜镍二元合金相图，它是一种最简单的基本相图。n 横坐标
6、表示合金成分（一般为溶质的质量百分数），左右端点分别表示纯组元（纯金属）Cu和Ni，其余的为合金系的每一种合金成分，坐标平面上的任一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。例如，A点表示，含30%Ni的铜镍合金在1200时处于液相（L）+固相（）的两相状态。图4-3 Cu-Ni合金相图4.2.2 二元合金匀晶相图分析 Cu-Ni合金相图及20%Ni合金的平衡结晶过程n 右图为Cu-Ni合金相图及20%Ni合金的平衡结晶过程。n 相图上面一条曲线为液相线，下面一条曲线为固相线。两条曲线将相图分成三个相区，即液相区L、固相区以及两相区L+。4.2.3 二元合金共晶相图分析 下图为Pb-Sn二
7、元共晶相图，图中AE、BE为液相线，AMNB为固相线，MF为Sn在Pb中的溶解度曲线，也称为固溶度曲线，NG为Pb在Sn中的溶解度曲线。M点是Sn在Pb中的最大溶解度点，N点是Pb在Sn中得最大溶解度点，E点称为共晶点。4.3 铁碳合金相图 n4.3.1 铁碳合金的相及组织n4.3.2 铁碳合金相图n4.3.3 典型铁碳合金的结晶过程分析n4.3.4 铁碳合金的成分、组织与性能的关系4.3.1 铁碳合金的相及组织n钢铁材料是现代工业中应用最为广泛的金属材料，碳钢和铸铁都是铁和碳的合金。n在铁碳合金中，碳与铁可以形成固溶体，也可以形成化合物，还可以形成混合物。在铁碳合金中有以下几种基本组织。1.
8、铁素体n 碳溶解于体心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，强度和硬度较低。铁素体的模型 铁素体的显微组织2.奥氏体n 碳溶解于面心立方晶格的-Fe中形成的间隙固溶体为奥氏体，用符号A表示。727时，奥氏体中碳的溶解度为0.77%；随着温度的升高，溶解度逐渐增大，在1148时达到2.11%。奥氏体的模型奥氏体的显微组织3.渗碳体n 渗碳体是一种具有复杂晶体结构的金属化合物，化学式为Fe3C。渗碳体具有复杂的斜方晶体结构，与铁和碳的晶体结构完全不同。渗碳体的性能特点是高熔点（1227）、高硬度（9501050HV），伸长率和冲击
9、韧性几乎为零。4.珠光体n珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变，形成渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物，其平均含碳量为0.77%，如图所示。珠光体显微组织5.莱氏体n 莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。由含碳量为4.3%的液态铁碳合金在凝固过程中发生共晶转变形成。当温度降到727时，奥氏体将转变为珠光体，所以在室温时莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体用符号Ld表示。低温莱氏体显微组织表4-1 铁碳合金的基本组织和性能组织名称符号含碳量/%存在温度区间/力 学 性 能Rm/MpaA/%HBW铁素体F0.0218室温912
10、18028030505080奥氏体A2.11727以上4060120220渗碳体Fe3C6.69室温1148300800珠光体P0.77室温7278002035180莱氏体Ld4.30室温7270700Ld72711484.3.2 铁碳合金相图n铁碳合金相图是铁碳合金在极缓慢冷却（或极缓慢加热）条件下，不同化学成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的组织状态的图形。含碳量超过6.69%的铁碳合金脆性很大，没有使用价值，工业上使用的铁碳合金中含碳量一般不超过5%。因此，在铁碳合金相图中，仅研究含碳量为0%6.69%的部分，即Fe-Fe3C部分，故铁碳合金相图也可以认为是Fe-Fe3C相图，如下图所示
11、。经简化后的Fe-Fe3C相图 1.Fe-Fe3C相图中的特性点点的符号温度/含碳量/%含 义A15380纯铁的熔点或结晶温度C11484.3共晶点，发生共晶转变L4.3 A2.1+Fe3CD12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶渗碳体的化学成分点G9120纯铁的同素异构转变点S7270.77共析点，发生共析转变A0.77 F0.0218+Fe3CP7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度2.Fe-Fe3C相图中的特性线特性线含 义ACD 液相线AECF 固相线GS 常称为A3线。冷却时，从不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的开始线ES 常称
12、为Acm线。碳在奥氏体中的饱和溶解度曲线ECF 1148 共晶线 LC (A+Fe3C)PSK 727 共析线，常称为A1线。As (F+Fe3C)3.铁碳合金的分类 合金类别工业纯铁钢白 口 铸 铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁含碳量/%0.02180.0218c2.112.11c6.690.770.770.774.34.34.3室温组织FF+PPP+Fe3CLd+P+Fe3CLdLd+Fe3C根据含碳量和室温平衡组织的不同，铁碳合金一般分为工业纯铁、钢、白口铸铁。表表4-4 铁碳合金的分类铁碳合金的分类4.3.3 典型铁碳合金的结晶过程分析典型铁碳合金在Fe
13、-Fe3C相图中的位置 1.共析钢的结晶过程分析n 共析钢（含碳量为0.77%）的冷却过程如图中线所示。液态合金在1点温度以上全部为液相（L）；缓冷至1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体；随着温度的降低，奥氏体增多，液相减少。缓冷至2点温度时，液相全部结晶为奥氏体。在2点至3点温度范围内为单相奥氏体的冷却。当冷却到3点时奥氏体发生共析转变：A0.77%（F+Fe3C），奥氏体转变为珠光体。共析钢室温组织为珠光体。1点以上点以上 12点点 23点点 3点以下点以下共析钢结晶示意图共析钢结晶示意图珠光体显微组织2.亚共析钢的结晶过程分析n亚共析钢（含碳量0.0218%C0.77%）的冷却过程如图4
14、-15结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕。在2点到3点之间，奥氏体组织不发生转变；冷却到与GS线相交的3点时，从奥氏体中开始析出铁素体。当温度降至与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77%，此时奥氏体发生共析转变，转变为珠光体。亚共析钢室温组织由珠光体P和铁素体F组成。1点以上 12点 23点 34点 4点以下亚共析钢结晶过程示意图亚共析钢的显微组织 3.过共析钢的结晶过程分析n 过共析钢（含碳量0.77%C2.11%）的冷却过程如图中线所示。液态合金冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点时奥氏体结晶完毕。2点到3点间为单相奥氏体。随着温度的下降奥氏体的溶碳能力降低，当合金冷却到与E
15、S线相交的3点时，奥氏体中的含碳量达到饱和，继续冷却，碳以渗碳体的形式从奥氏体中析出，称为二次渗碳体。当温度降至于PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中的含碳量达到0.77%，发生共析转变，奥氏体转变为珠光体。4点以下至室温，合金组织基本不发生变化。过共析钢室温组织为二次渗碳体Fe3C和珠光体P。1点以上 12点 23点 34点 4点以下过共析钢结晶过程示意图C1.2%的过共析钢的显微组织(500)4.共晶白口铸铁的结晶过程分析n 共晶白口铸铁（含碳量为4.3%）的冷却过程如图4-15中线所示。当液态合金冷却至1点温度时，将发生共晶转变，生成莱氏体即奥氏体和渗碳体的混合物。由1点温度继续冷却，奥氏
16、体中溶碳能力逐渐降低，莱氏体中的奥氏体不断析出二次渗碳体。当温度降到2点（727）时，剩余奥氏体中含碳量降到0.77%，发生共析转变生成珠光体。随着温度降到室温，莱氏体转变为低温莱氏体。共晶白口铸铁室温组织是珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成(低温莱氏体)。1点以上 1点时 12点 3点以下共晶白口铸铁结晶过程示意图低温莱氏体显微组织5.亚共晶白口铸铁的结晶过程分析n亚共晶白口铸铁（含碳量2.11%C4.3%）的结晶过程如图中线所示。当液态合金冷却至1点温度时，开始结晶出奥氏体。随温度的下降，结晶出的奥氏体不断增多，因为奥氏体最大含碳量为2.11%，剩余液相中含碳量逐渐增大。当冷却至2点温度（
17、1148）时，剩余液相中含碳量达到4.3%，发生共晶转变，生成莱氏体。在随后的冷却过程中，奥氏体中析出二次渗碳体。当温度降至3点时（727）时，奥氏体的含碳量降为0.77%，发生共析转变而生成珠光体。亚共晶白口铸铁室温组织为珠光体P、二次渗碳体Fe3C和低温莱氏体Ld。1点以上 12点 在2点时 23点 3点以下亚共晶白口铸铁结晶过程示意图亚共晶白口铸铁显微组织6.过共晶白口铸铁的结晶过程分析n 过共晶白口铸铁（含碳量4.3%C6.69%）的结晶过程如图4-15中线所示。其结晶过程与亚共晶白口铸铁相似，不同的是在共晶转变前液相先结晶出一次渗碳体。当液态合金冷却到2点（1148）时，剩余液相中含
18、碳量达到4.3%而发生共晶转变。室温下过共晶白口铸铁的组织为一次渗碳体Fe3C和低温莱氏体Ld。1点以上 12点 23点 3点以下过共晶白口铸铁结晶过程示意图过共晶白口铸铁的显微组织4.3.4 铁碳合金的成分、组织与性能的关系n铁碳合金随含碳量不同，其室温组织顺序为FF+PPP+Fe3CP+Fe3C+LdLdLd+Fe3C。其中的珠光体（P）和低温莱氏体（Ld）由铁素体和渗碳体组成，因此可认为铁碳合金的室温组织都是由铁素体和渗碳体组成的。由于铁素体在室温时含碳量很低，因此在铁碳合金中碳主要以渗碳体的形式存在。4.4 铁碳合金相图的应用n4.4.1 在选材方面的应用n4.4.2 在铸造方面的应用
19、n4.4.3 在压力加工方面的应用n4.4.4 在焊接方面的应用n4.4.5 在热处理方面的应用n 铁碳合金相图对生产实践具有重要意义。除了在材料选用时参考外，还可作为制定铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的重要依据。4.4.1 在选材方面的应用n 铁碳合金相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。这样，就可以根据零件的工作条件和性能要求，来选择合适的材料。例如，若需要塑性好、韧性高的材料，可选用低碳钢；若需要强度、硬度、塑性等都好的材料，可选用中碳钢；若需要硬度高、耐磨性好的材料可选用高碳钢；若需要耐磨性高，不受冲击的工件材料，可选用白口铸铁。4.4.2 在铸造方面的应用n 由相图可见
20、，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。因此，在铸造生产中，经常选用接近共晶成分的铸铁。n 根据相图中液相线的位置，可确定各种铸钢和铸铁的浇注温度，为制定铸造工艺提供依据。与铸铁相比，钢的熔化温度和浇注温度要高的多，其铸造性能较差，易产生收缩，因而钢的铸造工艺比较复杂。4.4.3 在压力加工方面的应用n 奥氏体的强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此，钢材的锻造、轧制均选择在单相奥氏体区适当温度范围进行。一般始锻（轧）温度控制在固相线以下100200。温度过高，钢材易发生严重氧化或晶界熔化。终锻（轧）温度的选择可根据钢种和加工目的不同而异。对亚共析钢，一般控制在GS
21、线以上，避免在加工时铁素体呈带状组织而使钢材韧性降低。4.4.4 在焊接方面的应用n 焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由铁碳合金相图可知，受不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能会出现不同的组织与性能。这就需要在焊接后采用热处理方法加以改善。445 在热处理方面的应用在热处理方面的应用n 铁碳合金相图对制定热处理工艺有着特别重要的意义。这将在后续章节中详细介绍。本章小结：n合金的基本组织合金的基本组织 固溶体、金属化合物、混合物n二元合金相图二元合金相图 二元合金相图的表示方法、二元合金匀晶相图分析、二元合金共晶相图分析n铁碳合金相图铁碳合金相图 铁素体F、奥氏体A、渗碳体Fe3C、珠光体P、莱氏体Ld。典型铁碳合金的结晶过程n铁碳合金相图的应用铁碳合金相图的应用 是材料选用、制定铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的重要依据
