铁碳相图ppt课件.ppt

第四章 Fe-Fe3C相图14.1 铁碳合金的组元及基本相4.2 Fe-Fe3C相图分析★ ★ ★ ★4.3 铁碳合金平衡结晶过程★ ★ ★ ★4.4 含C量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 ★ ★4.5 钢中的杂质元素及钢锭组织★ 2Fe3C Fe2CFeC温度FeC(6.69%C)34 渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在 因此，铁碳相图有两类： Ⅰ 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％ Ⅱ 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％ 5123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃℃1394℃℃1154℃℃1148℃℃910℃℃770℃℃738℃℃727℃℃230℃℃1493℃℃Lγαγ＋＋Cm L+Cm α ＋＋CmFeFe3Cγ+ L64.1 铁碳合金中的组元及基本相 4.1.1 纯铁（iron）1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ - Fe α - Feγ - Fe7力学性能力学性能：：σb＝176～274MPa σ0.2＝98～166MPa δ＝30～50％，ψ＝70～80％ HB＝50～80 aK＝1.5～2MNm/m2应应 用用：：主要应用于电子材料，作为铁芯。

8碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为铁 素 体 (Ｆ )； 最 大 溶 碳 量 为 727℃时 的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能 为 ： σb180~280MPa、 σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2 、硬度~80HB 碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％铁素体（Ferrite）9n碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学 性 能 为 ： σb400MPa、 δ40%~50%、170~220HBn奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形奥氏体（Austenite）104.1.2 渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。

1112珠光体（Pearlite）nF＋Fe3C的一种机械混合物，用符号P表示，其组织为层片状结构，综合了铁素体和渗碳体优点，其综合力学性能好13莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆144.2 Fe - Fe3C 相图分析FeT°Fe3C1516符 号温 度/℃ ω（C）/%说 明A1538℃0纯铁的熔点B1495℃0.53包晶转变时液态合金的成分C1148℃4.30共晶点D1227℃6.69渗碳体的熔点E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反应生成的渗碳体G912℃0α-Fe向γ-Fe转变温度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度17J1495℃0.17包晶点K727℃6.69共析反应生成的渗碳体M770℃0纯铁的磁性转变点N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析点（A1）Q600℃0.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度1819液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C七个两相区：L＋ δ，L＋ γ，L＋ Fe3C， δ＋ γ ， α＋ γ，α＋ Fe3C， γ ＋ Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB——包晶转变线 ECF——共晶转变线 PSK——共析转变线201.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB +  H AJ1495℃3.共析转变反应式共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P 727℃2.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC ( AE + Fe3C ) Ld 1148℃214.2.5 三条重要的特性曲线GS线：A3线——冷却过程中奥氏体析出铁素体的开始线。

ES线：Acm线——C在奥氏体中的溶解度曲线PQ线——C在铁素体中的溶解度曲线22共晶反应析出的Fe3C为一次渗碳体奥氏体中析出的Fe3C为二次渗碳体铁素体中析出的Fe3C为三次渗碳体234.3 铁碳合金的平衡结晶过程及组织24工业纯铁(iron)：C%<0.0218%钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为：共析钢(eutectoid steel)： C%： 0.77%亚共析钢(hypeutectoid steel) ： C%： 0.0218～0.77%过共析钢(hypereutectoid steel) ： C%： 0.77～2.11%铸铁(cast iron)： C%： 2.11～6.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造又分为：共晶铸铁(eutectic cast iron)： C%： 4.30%亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.11～4.30%过共晶铸铁(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.30～6.69%254.3.1 工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )26纯铁组织金相图274.3.2 共析钢 ( Wc = 0.77% )28共析钢组织金相图29相组成：α+Fe3C组织组成：P 共析钢 ( Wc = 0.77% )304.3.3 亚共析钢 ( Wc = 0.45% )31 亚共析钢组织金相图32组织组成： α +P亚共析钢 ( Wc = 0.45% )相组成： α +Fe3C33n a)含碳量0.20％ b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc344.3.4 过共析钢 ( Wc = 1.2% )35 过共析钢组织金相图36组织组成： Fe3C+P过共析钢 ( Wc = 1.2% )相组成： α +Fe3C37a) 硝酸酒精浸蚀 b) 苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体 黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体 浅白色为殊光体384.3.5 共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )39 共晶白口铸铁组织金相图40组织组成： Fe3C+P——Ld‘共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )相组成： α +Fe3C41424.3.6 亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )43 亚共晶白口铸铁组织金相图44组织组成： Fe3C+P+Ld’——？亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )相组成： α +Fe3C45464.3.7 过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )47 过共晶白口铸铁组织金相图48组织组成： Fe3C+Ld‘过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )相组成： α +Fe3C4950 总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。

而室温组织组成物却有α、Fe3CⅢ、P、 Fe3CⅡ、Fe3CⅠ 和Ld’51 Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+ Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T°( A+Fe3C )LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+ Fe3CⅡ( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )52535455碳含量相组成组织组成工业纯铁<0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77% F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3C Fe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’565758596061626364654.4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响4.4.1 碳对平衡组织的影响00.02180.772.114.350%100%FCmⅡⅡCmⅠⅠC%P室温组织组成相对 量图表660.02180.772.114.3050%100%FCmC%相组成相对量图表674.4.2 碳对力学性能的影响68纯铁与珠光体性能对比纯铁σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％ HB＝50～80 珠光体σb＝1000MPaσ0.2＝600MPaδ＝10％，ψ＝12～15％ HB＝241 694.4.3 碳对工艺性能的影响1. 切削加工性能707172732. 可锻性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，可锻性逐渐变差奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区终锻温度不能过低，以免塑性变差743. 铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向1）流动性：C量增加，结晶温度间隔增大，流动性应该变差但是，随C量增加，液相线温度降低因此，同样浇铸温度下，含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利铸铁液相线较低，流动性比钢好共晶成分铸铁流动性最好75（2）收缩性：两个主要影响因素：化学成分和浇注温度化学成分一定，浇注温度越高，液态收缩越大；浇注温度一定，碳含量增加，体积收缩增大；固态收缩减小76（3）偏析倾向：固液相线的水平距离和垂直距离越大，偏析越严重铸铁成分越靠近共晶点，偏析越小77炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO降低钢种脆性，提高强度和硬度Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为 非金属夹杂物1. Mn的影响4.5 4.5.1 钢中常见杂质元素78残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。

是钢中的有益元素79钢中Si含量通常小于0.5%，脱氧时进入，形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用含量不超过1％时，不降低钢的塑性和韧性所以，认为认为Si是钢中的有益元素是钢中的有益元素2. Si的影响80冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾钢81硅钢中的Si提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效82S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeSFeS与γ铁形成熔点为989℃的（Fe＋FeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间Fe＋FeS）共晶体的量很少，几乎都是离异共晶网状FeS对钢的力学性能损害极大3. S的影响83如果钢中存在（Fe＋FeS）共晶体，在加热到1150～1200℃之间时，会成为液体 变形过程中会开裂，称这种现象为热脆或红热脆或红脆脆如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（Fe＋FeO＋FeS)三相共晶体，其危害更大。

可以加Mn防止——MnS84 所以，S是一种有害元素是一种有害元素普通质量钢中其含量≤0.055％；优质钢中其含量在0.040％以下；高级优质钢则≤0.030％；要求更高时，甚至限制其含量≤0.020％85 高硫钢又称高硫合金钢（HS），与传统的纯净钢概念相对应，在传统钢材中，一般钢的含硫量必须低于0.004，优质钢不得高于0.003；而在高硫钢中，含硫量在0.5-11%之间 以含硫30～32%的硫铁为主要原料，用电弧炉，加入废钢和所需合金元素，1600～1650℃时加入硫铁，最后加入脱氧剂，镇静后出钢钢中含硫量0.5～11%，耐磨性提高可取代钢、铁、铜及其铜合金（各种机器的轴瓦、蜗轮、滑块等）的耐磨制品、延长使用寿命 高硫钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗粘结（咬和）的优良性能，它可以广泛应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件，高硫合金钢取代低硫合金钢，并具有长的使用寿命 864. P的影响 由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大，因此P在Fe中具有很强的偏析倾向 在铁基合金中，P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力，但在P含量较高时，它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。

87 P会降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度，提高钢的冷脆 P还会使钢发生蓝脆现象蓝脆就是指钢在加热到150～300℃时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象这是因为在空气中加热到150～300℃时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色蓝脆一般是有害的 因此，在含量较高时，在含量较高时，P是一种有害元素是一种有害元素一般情况下，普通钢的P含量限制在0.045％以下；优质钢在0.04％以下；高级优质钢在0.035％以下88高P钢也可被利用： 1）在炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片，杀伤更多的敌人； 2）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的表面光洁度； 3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性892024/8/1/16:09:35高强深冲钢及P的作用 随着汽车工业的快速发展和节约能源、减轻汽车自重的需要，高强度深冲钢成为研发热点 目前日本开发的含P深冲钢： 屈服强度：235MPa 抗拉强度：390MPa90平炉钢：0.001～0.008％纯氧顶吹转炉钢：0.003～0.006％电炉钢：0.008～0.03％。

5. N的影响 将含N较高的钢从高温快速冷却（淬火），就会得到N的过饱和固溶体，室温下长期放置或稍微加热，N就会以FeN的形式析出，使钢的强度、硬度增高，塑性、韧性降低这种现象叫做淬火时效淬火时效91可以加入足量的Al，与N形成AlN，固定N，从而减弱或消除时效现象AlN还可以细化晶粒 含有N的低碳钢在冷塑性变形后，性能将随时间变化，即强度、硬度增高，塑性、韧性降低这种现象叫做应变时效应变时效92H溶入钢中使钢的塑性和韧性降低——氢脆H由原子态变为分子态，体积膨胀形成裂纹——白点6. H的影响白点对钢的性能影响：使钢的力学性能大大下降，造成工件开裂、破坏或使用中严重失效，故在任何情况下，凡有白点的钢材或工件都被禁止使用9394平炉钢：0.02～0.03％电炉钢：0.01～0.02％侧吹碱性转炉钢：0.04～0.07％700℃时，α铁能溶氧0.008％500 ℃ 以下降至<0.001％常见的氧化物有Al2O3、MnO、SiO2、 FeO等，往往还会形成复合氧化物或硅酸盐7. O的影响95 SpectrumO (at%)Mg (at%)Al (at%)Ca (at%)Fe (at%)TotalSpectrum 165.461.8522.363.996.34100.00Spectrum 264.6427.356.641.36100.00964.5.2 钢锭的组织及其宏观缺陷按浇注前钢液的脱氧程度钢锭分为：镇静钢：钢液浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，浇注时钢液不发生碳-氧反应，处于镇静状态。

沸腾钢：冶炼过程中仅用少量锰铁轻度脱氧，钢液含氧量高，浇注时发生碳-氧反应，析出大量CO气体，引起钢液沸腾半镇静钢：介于镇静钢与沸腾钢之间97镇静钢 半沸腾钢 沸腾钢98通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀优质钢和合金钢一般都是镇静钢1. 镇静钢99镇静钢锭上部硫磷杂质较多，而下部的硅酸盐夹杂较多，中间部分质量最好常见缺陷：缩孔和疏松、气泡、偏析与合金凝固过程中的缺陷及形成原因相同100①外壳层凝固速率很大，成分和钢的平均成分相同②在柱状晶形成和成长期间，杂质和合金元素富集在柱状晶间的隧道中同时在钢锭中液相发生扩散以及钢液的循环流动，把柱状晶前沿富集杂质和合金元素的钢液带到锭子的心部，形成正偏析101③在中心等轴晶形成期间，发生游离晶体下沉，游离晶体含杂质及合金元素少，它的下沉引起钢锭下部的负偏析④锭子的上部最后凝固，浓集了杂质和溶质，发生正偏析102⑤钢锭心部大小不同枝晶的沉积，沉积层发生凝固收缩时，枝晶的沉积层妨碍钢液穿过，于是形成∨形偏析带。

⑥中心等轴晶带结晶初期晶体下沉时，被排挤的一部分钢液上升，这部分富集杂质及合金元素的钢液被仍在生长的柱晶带留住，形成了∧形偏析带103一般皆为低碳钢它是脱氧不完全的钢，浇注时钢水在锭模中放出大量一氧化碳气体，造成沸腾现象与镇静钢比较，这种钢的收率大，成本低，表面质量好；但其内部质量不均匀 2. 沸腾钢104坚壳带：致密细小的等轴晶粒所组成蜂窝气泡带：分布在柱状晶内的长形气泡，常分布在钢锭下半部中心坚固带：没有气泡的柱状晶组成的区域105二次气泡带：碳氧反应在柱状晶间的小孔隙处反复发生，呈圆形气泡留在钢锭中锭心带：粗大等轴晶液态完全混合，成分偏析大，头部硫化物多，尾部氧化物多106连铸坯107本章小结铁碳相图碳及元素对碳钢性能的影响平衡凝固过程（纯铁、亚共析碳钢、共析碳钢、过共析碳钢、亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁）碳钢中主要的组元与相钢锭组织及宏观缺陷108章节要点随碳含量变化，碳钢性能的变化碳钢平衡凝固后的组织和相组成及百分含量铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体、莱氏体钢中的元素：冷脆、热脆、蓝脆、氢脆109。