金属学与热处理第2版 教学课件 ppt 作者 崔忠圻 覃耀春 主编 第四章.ppt

第一节 铁碳合金的组元及基本相,第二节 Fe-Fe3C相图分析,第三节 铁碳合金的平衡结晶过程及 其组织,第四节 含碳量对铁碳合金平衡组织 和性能的影响,第四章 铁 碳 合 金,第五节 钢中的杂质元素及钢锭组织,第一节 铁碳合金的组元及基本相,铁是元素周期表上的第26个元素，相对原子质量为55.85，属于过渡族元素在一个大气压下，它于1538℃熔化，2738℃汽化在20℃时的密度为7.87g/cm3一、纯 铁,纯 铁,如前所述，铁具有多晶型性，图4-1是铁的冷却曲线由图可以看出，铁就具有三种同素异构状态，即δ-Fe、γ-Fe和α-Fe一）铁的同素异构转变,图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化,纯 铁,纯铁在凝固后的冷却过程中，经两次同素异构转变后晶粒得到细化，如图4-2所示铁的同素异构转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础一）铁的同素异构转变,图4-2 纯铁结晶后的组织 a）初生的δ-Fe晶粒 b）γ-Fe晶粒 c）室温组织——α-Fe晶粒,纯 铁,铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号F或α表示奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符号A或γ表示。

铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重要的基本相二）铁素体与奥氏体,纯 铁,工业纯铁的含铁量一般为wFe=99.8%～99.9%，含有w=0.1%～0.2%的杂质，其中主要是碳纯铁的力学性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大 纯铁的塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用作结构材料纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性工业上炼制的电工纯铁和工程纯铁具有高的磁导率，可用于要求软磁性的场合，如各种仪器仪表的铁心等三）纯铁的性能与应用,渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物Fe3C，含碳量wC为6.69%，可以用符号Cm表示，是铁碳相图中的重要基本相 渗碳体属于正交晶系，晶体结构十分复杂，三个晶格常数分别为a=0.452nm，b=0.509nm，c=0.674nm图4-3示出了渗碳体的晶体结构，晶胞中含有12个铁原子和4个碳原子，符合Fe：C=3：1的关系 渗碳体具有很高的硬度，约为800HBW，但塑性很差，伸长率接近于零渗碳体于低温下具有一定的铁磁性，但是在230℃以上，这种铁磁性就消失了，所以230℃是渗碳体的磁性转变温度，称为A0转变根据理论计算，渗碳体的熔点为1227℃二、渗 碳 体,渗 碳 体,图4-3 渗碳体晶胞中的原子配置,,第二节 Fe-Fe3C相图分析,图4-4是Fe-Fe3C相图，图中各特性点的温度，碳浓度及意义示于表4-1中。

各特性点的符号是国际通用的，不能随意更换一、相图中的点、线、区及其意义,相图中的点、线、区及其意义,图4-4 以相组成表示的铁碳相图,相图中的点、线、区及其意义,表4-1 铁碳合金相图中的特性点,相图中的点、线、区及其意义,相图的液相线是ABCD，固相线是AHJECF，相图中有五个单相区： ABCD以上——液相区 AHNA——δ固溶体区（δ） NJESGN——奥氏体区（ γ或A ） GPQG——铁素体区（ α或F ） DFKL——渗碳体区（ Fe3C或Cm ） 相图中有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间这些两相区分别是：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+α、γ+Fe3C及α+Fe3C相图中的点、线、区及其意义,此外，相图上有两条磁性转变线：MO为铁素体的磁性转变线，230℃虚线为渗碳体的磁性转变线 铁碳相图上有三条水平线，即HJB——包晶转变线；ECF——共晶转变线；PSK——共析转变线事实上，Fe-Fe3C相图即由包晶反应、共晶反应和共析反应三部分连接而成在1495℃的恒温下，wC=0.53%的液相与wC=0.09%的δ铁素体发生包晶反应，形成wC=0.17%的奥氏体。

进行包晶反应时，奥氏体沿δ相与液相的界面生核，并向δ相和液相两个方向长大包晶反应终了时，δ相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体含碳量wC在0.09%～0.17%之间的合金，由于δ铁素体的量较多，当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ铁素体这部分δ相在随后的冷却过程中，通过同素异构转变而变成奥氏体含碳量wC在0.17%～0.53%之间的合金，由于反应前的δ相较少，液相较多，所以在包晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在随后冷却过程中结晶成奥氏体二、包 晶 转 变（水平线HJB）,包 晶 转 变（水平线HJB）,wC＜0.09%的合金，在按匀晶转变结晶为δ固溶体之后，继续冷却时将在NH与NJ线之间发生固溶体的同素异构转变，变为单相奥氏体含碳量wC在0.53%～2.11%之间的合金，按匀晶转变凝固后，组织也是单相奥氏体 总之，含碳量wC＜2.11%的合金在冷却过程中，都可在一定的温度区间内得到单相的奥氏体组织 应当指出，对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较快，所以包晶偏析并不严重但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析Fe-Fe3C相图上的共晶转变是在1148℃的恒温下，由wC=4.3%的液相转变为wC=2.11%的奥氏体和渗碳体组成的混合物。

共晶转变所形成的奥氏体和渗碳体的混合物，称为莱氏体，以符号Ld表示凡是含碳量wC在2.11%～6.69%范围内的合金，都要进行共晶转变 在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体的基底上由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织三、共晶转变（水平线ECF）,Fe－Fe3C相图上的共析转变是在727℃恒温下，由wC=0.77%的奥氏体转变为wC=0.0218%的铁素体和渗碳体组成的混合物 共析转变的产物称为珠光体，用符号P表示共析转变的水平线PSK，称为共析线或共析温度，常用符号A1表示凡是含碳量wC＞0.0218%的铁碳合金都将发生共析转变四、共析转变（水平线PSK）,（一）GS线 GS线又称为A3线，它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线，或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线事实上，GS线是由G点（A3点）演变而来，随着含碳量的增加，奥氏体向铁素体的同素异构转变温度逐渐下降，使得A3点变成了A3线五、三条重要的特性曲线,三条重要的特性曲线,ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时，就要从奥氏体中析出次生渗碳体，通常称之为二次渗碳体，用Fe3CⅡ表示，因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线。

ES线也叫Acm线 由相图可以看出，E点表示奥氏体的最大溶碳量，即奥氏体的溶碳量在1148℃时为wC=2.11％，其摩尔比相当于9.1％这表明，此时铁与碳的摩尔比差不多是10：1，相当于2.5个奥氏体晶胞中才有一个碳原子二）ES线,三条重要的特性曲线,PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线铁素体中的最大溶碳量，于727℃时达到最大值wC=0.0218％随着温度的降低，铁素体中的溶碳量逐渐减少，在300℃以下，溶碳量wC小于0.001％因此，当铁素体从727℃冷却下来时，要从铁素体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示三）PQ线,,第三节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织,铁碳合金的组织是液态结晶及固态相变的综合结果，研究铁碳合金的结晶过程，目的在于分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响为了讨论方便起见，先将铁碳合金进行分类通常按有无共晶转变将其分为碳钢和铸铁两大类，即wC＜2.11％的为碳钢，wC＞2.11％的为铸铁wC＜0.0218％的为工业纯铁按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁一、wC=0.01％的工业纯铁,图4-7 wC=0.01%的工业纯铁结晶过程示意图,wC=0.01％的工业纯铁,图4-8 工业纯铁的室温组织,二、共 析 钢,图4-9 wC=0.77%的碳钢结晶过程示意图,三、亚 共 析 钢,图4-10 wC=0.40%的碳钢结晶过程示意图,亚 共 析 钢,图4-11 亚共析钢的室温组织 a）wC=0.20% b）wC=0.40% c）wC=0.60%,四、过 共 析 钢,图4-12 wC=1.2%的碳钢结晶过程示意图,过 共 析 钢,图4-13 wC=1.2%的过共析钢缓冷后的组织 a）硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体 b）苦味酸钠浸蚀，黑色为二次渗碳体，浅白色为珠光体,五、共晶白口铁,图4-14 wC=1.2%的白口铁结晶过程示意图,共晶白口铁,图4-15 共晶白口铁的室温组织,六、亚共晶白口铁,图4-16 wC=1.2%的白口铁结晶过程示意图,亚共晶白口铁,图4-17 亚共晶白口铁的室温组织,七、过共晶白口铁,图4-18 wC=5.0%的白口铁结晶过程示意图,过共晶白口铁,图4-19 过共晶白口铁的室温组织,,第四节 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响,根据运用杠杆定律进行计算的结果，可将铁碳合金的成分与平衡结晶后的组织组成物及相组成物之间的定量关系总结如图4-21所示。

一、对平衡组织的影响,图4-21 铁碳合金的成分与组织的关系,铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相珠光体由铁素体和渗碳体所组成，渗碳体以细片状分散地分布在铁素体基体上，起了强化作用因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差珠光体内的层片越细，则强度越高二、对力学性能的影响,对力学性能的影响,在白口铁中，由于含有大量渗碳体，故脆性很大，强度很低 渗碳体的硬度很高，且极脆，不能使合金的塑性提高，合金的塑性变形主要由铁素体来提供因此，合金中含碳量增加而使铁素体减少时，铁碳合金的塑性不断降低当组织中出现以渗碳体为基体的低温莱氏体时，塑性降低到接近于零值对力学性能的影响,冲击韧度对组织十分敏感含碳量增加时，脆性的渗碳体增多，当出现网状的二次渗碳体时，韧性急剧下降总地来看，韧性比塑性下降的趋势要大 硬度是对组织组成物或组成相的形态不十分敏感的性能，它的大小主要决定于组成相的数量和硬度因此，随着含碳量的增加，高硬度的渗碳体增多，低硬度的铁素体减少，铁碳合金的硬度呈直线升高一）切削加工性能 钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响低碳钢中的铁素体较多，塑性韧性好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗糙度，因此切削加工性能不好。

高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能也差中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性也比较适中，其切削加工性能较好一般认为，钢的硬度大致为250HBW时切削加工性能较好三、对工艺性能的影响,对工艺性能的影响,钢的导热性对切削加工性具有很大的意义具有奥氏体组织的钢导热性低，切削热很少为工件所吸收，而基本上集聚在切削刃附近，因而使刃具的切削刃变热，降低了刀具寿命因此，尽管奥氏体钢的硬度不高，但切削加工性能不好一）切削加工性能,对工艺性能的影响,钢的晶粒尺寸并不显著影响硬度，但粗晶粒钢的韧性较差，切屑易断，因而切削性能较好 珠光体的渗碳体形态同样影响切削加工性，亚共析钢的组织是铁素体+片状珠光体，具有较好的切削加工性，若过共析钢的组织为片状珠光体+二次渗碳体，则其加工性能很差，若其组织是由粒状珠光体组成的，即可改善切削加工性能一）切削加工性能,对工艺性能的影响,金属的可锻性是指金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能 钢的可锻性首先与含碳量有关低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差二）可锻性,对工艺性能的影响,1．流动性 流动性决定了液态金属充满铸型的能力。

流动性受很多因素的影响，其中最主要的是化学成分和浇注温度的影响三）铸造性,对工艺性能的影响,在化学成分中，碳对流动性影响最大随着含碳量的增加，钢的结晶温度间隔增大，流动性应该变差但是，随着含碳量的提高，液相线温度降低，因而，当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其钢液温度与液相线温度。