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1、铁碳合金相图与共析钢结晶过程,1、铁碳合金的基本相与性能 2、铁碳合金相图与共析钢结晶过程 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
2、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
3、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(b35MPa), 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：Fe3C3Fe+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
4、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
5、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 GSA F 固溶体转变线, GS又称A3 线。 ES碳在 -Fe中的固溶线。又称Ac m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(0.02182.11%C)高温组织为单相A 亚共析钢 (0.02180.77%C) 共析钢 (0.77%C) 过共析钢
6、 (0.772.11%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 (2.116.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C) 共晶白口铸铁(4.3%C) 过共晶白口铸铁 (4.36.69%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： ASFP+Fe3C, A 全部转变为珠光体。,1点以上：L,12点：LA,23点：A,33点： AP,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
7、。 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,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,LL+A A A+F P+F 相组成物：F，Fe3C,LL+AAA+Fe3CIIP+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+
8、 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80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。,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
9、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20 MPa30 MPa)。,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。,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
10、、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。,
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