金属工艺学（第2版）教学课件作者张兆隆第3章.ppt

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1、第三章　铁碳合金第一节　铁碳合金的基本组织第二节　铁碳合金相图第三节　碳素钢返回第一节　铁碳合金的基本组织铁碳合金中的铁和碳在液态时可以互相溶解，在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成均匀的固相，称为间隙固溶体。当含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳和铁会形成金属化合物Ｆｅ３Ｃ。另外，这些固溶体和化合物在一定条件下还可以形成混合物。因此，铁碳合金中一般有以下几种基本组织。１.铁素体碳溶解在α－Ｆｅ中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号Ｆ表示。它仍保持α－Ｆｅ的体心立方晶格，其原子排列如图３－１所示。碳在α－Ｆｅ中的溶解度很小，在７

2、２７℃时，为０.０２１８％，随着温度的降低，α－Ｆｅ中的溶碳量逐渐减小，在室温时，碳在α－Ｆｅ中的溶解度为０.０００８％。下一页返回第一节　铁碳合金的基本组织由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相似（Ｒｍ≈１８０～２８０ＭＰａ，Ａ≈３０％～５０％，５０～８０ＨＢＷ），具有良好的塑性，低的强度和硬度。在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒，其显微组织如图３－２所示。２.奥氏体碳溶解在γ－Ｆｅ中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号Ａ表示。由于γ－Ｆｅ是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能力比铁素体强。奥氏

3、体原子排列如图３－３所示。在１１４８℃时奥氏体的溶碳量可达２.１１％，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在７２７℃时溶碳量为０.７７％。上一页下一页返回第一节　铁碳合金的基本组织奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性（Ａ≈４０％～６０％，１２０～２２０ＨＢＷ），是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体是一种高温组织，冷却至一定温度时将发生组织转变；奥氏体没有磁性。其显微组织如图３－４所示。３.渗碳体渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂斜方晶体结构的金属化合物，常用分子式Ｆｅ３Ｃ表示。渗碳体中碳的质量分

4、数为６.６９％，熔点为１２２７℃，硬度很高（８００ＨＢＷ），塑性和韧性极低，硬而脆。渗碳体分布在钢中主要起强化作用，它以多种晶粒形态存在于钢中，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。上一页下一页返回第一节　铁碳合金的基本组织４.珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号Ｐ表示。在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为０.７７％，组织形态为渗碳体与铁素体呈片层相间、交替排列的混合物，如图３－５所示。其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上是两者性能的平均值（Ｒｍ≈８００ＭＰａ，Ａ≈２０％～３５％，１８０ＨＢＷ）。

5、５.莱氏体莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体。高温莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，含碳量为４.３％的液态铁碳合金冷却到１１４８℃时，从液相中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物称为高温莱氏体，用符号Ｌｄ来表示。上一页下一页返回第一节　铁碳合金的基本组织由于奥氏体在７２７℃时还将转变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，这种混合物叫低温莱氏体，用符号Ｌ′ｄ来表示，其显微组织如图３－６所示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度（＞７００ＨＢＷ）很高，塑性很差。上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为

6、铁碳合金的基本相；珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。上一页返回第二节　铁碳合金相图铁碳合金相图是表示在平衡（缓慢冷却或缓慢加热）条件下，不同成分的铁碳合金的组织或状态随温度变化的图形。它是研究铁碳合金成分、组织和性能变化规律的基本工具，是合理选用钢铁材料、制定热加工工艺（热处理、锻造、铸造）的依据。一、铁碳合金相图的组成在生产中，由于碳的质量分数超过６.６９％的铁碳合金脆性很大，没有实用价值，所以，对铁碳合金相图一般只研究Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ部分。为便于研究分析，可将相图上对常温组织和性能影响很小且实用意义不大的左

7、上角很小部分以及左下角左边部分予以省略，只研究含碳量小于６.６９％的铁碳合金。上一页下一页返回第二节　铁碳合金相图简化后的铁碳合金相图如图３－７所示。图３－７中纵坐标表示温度，横坐标表示含碳量的质量百分数，左端原点表示纯铁（即含碳量为０％），右端点为Ｆｅ３Ｃ（含碳量为６.６９％）。横坐标上，任意一个固定成分均代表一种铁碳合金。图３－７中的点都有一定的物理意义，图中的线是由各铁碳合金的临界点（金属结构发生转变的温度称为临界点）连接而成。这些点和线把相图分割成多个区域，它们表示了平衡条件下铁碳合金在对应的成分和温度下所具有的

8、相或组织状态，分别用不同的符号表示。铁碳合金相图也可认为是Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图。上一页下一页返回第二节　铁碳合金相图二、铁碳合金的分类由铁碳合金相图可知，不同成分的铁碳合金在室温下具有不同的组织。根据含碳量和室温平衡组织，铁碳合金的分类见表３－４。三、典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图，可以分析任意成分的