金属材料与热处理 教学课件 作者 李炜新第五章 铁碳合金.ppt

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1、第五章铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两个元素，故统称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织及性能之间的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。第一节铁碳合金的基本相一、铁素体碳溶于α–Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体仍然保持α–Fe的体心立方晶格。由于体心立方晶格的晶格空隙很小，所以α–Fe的溶碳能力很低，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218%。随着温度的下降，溶碳量逐渐减小，在600℃时约为0.0057%，室温时几乎等于零。因此，铁素

2、体的性能几乎和纯铁的相同，即强度、硬度低，塑性、韧性好（σb=180~280MPa，50~80HBS，δ=30%~50%）。铁素体的显微组织与纯铁相同，在显微镜下观察，呈明亮的多边形晶粒组织，如图5–3所示。二、奥氏体碳溶于γ–Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍然保持γ–Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格的晶格空隙比体心立方晶格的大，所以γ–Fe的溶碳能力也就大一些。在1148℃时溶碳量最大，可达2.11%。随温度下降溶碳量逐渐降低，727℃时溶碳量为0.77%。奥氏体的力学性能与

3、其溶碳量和晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为170~220HBS，伸长率为40%~50%，因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成形。奥氏体存在于727℃以上的高温范围内，高温下奥氏体的显微组织也是由多边形晶粒构成的，但一般情况下，晶粒较粗大，晶界较平直，如图5–4所示。三、渗碳体渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶体结构的金属化合物，其晶体结构如图5–5所示。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点约为1227℃，硬度很高（800HBW），但塑性和韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体不发生同素异构转变，

4、却有磁性转变，在230℃以下具有弱的铁磁性。渗碳体的组织形态很多，在铁碳合金中与其他相共存时，可以呈片状、粒状、网状或板条状。渗碳体是碳钢中的主要强化相，它的数量、形态、大小与分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下可以发生分解，形成石墨。第二节铁碳相图Fe–Fe3C相图是指在极其缓慢的冷却条件下，不同成分的铁碳合金的组织状态随温度变化的图解。简化后的Fe–Fe3C相图如图5–6所示。表5–1Fe–Fe3C相图中的特性点特性点温度/℃碳的质量分数（%）含义A15380纯铁的熔点C114

5、84.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120纯铁的同素异构转变温度P7270.0218碳在铁素体中的最大溶解度S7270.77共析点Q室温0.0008碳在铁素体中的溶解度一、铁碳相图分析1．相图中各点分析Fe–Fe3C相图中各个特性点的温度、碳的质量分数及含义见表5–1。表5–2Fe–Fe3C相图中的特性线特性线含义AC液相线，液态合金冷却到该线时开始结晶出奥氏体DC液相线，液态合金冷却到该线时开始结晶出一次渗碳体AE固相线，奥氏体结晶终了线ECF共晶线，

6、液态合金冷却到该线时发生共晶转变ES碳在奥氏体中的溶解度线，常称Acm线GS奥氏体转变为铁素体的开始线，常称A3线GP奥氏体转变为铁素体的终了线PSK共析线，常称A1线，奥氏体冷却到该线时发生共析转变PQ碳在铁素体中的溶解度线2．相图中各线分析现将Fe–Fe3C相图中的相界线及其含义归纳于表5–2。表5–3Fe–Fe3C相图各相区的相组分相区范围相组分ACD线以上LAESGAAGPQGFAECAL+ADCFDL+Fe3CGSPGA+FESKFEA+Fe3CPSK线以下F+Fe3CECF线L+A+Fe3CPS

7、K线A+F+Fe3C3．相图中各相区分析Fe–Fe3C相图中各相区的相组分见表5–3。通过对铁碳相图的分析，结合所学相图的基本知识，能够很容易看出铁碳相图中各区域的组织组分，如图5–7所示。二、铁碳合金的分类在Fe–Fe3C相图中，按碳的质量分数和室温平衡组织的不同，铁碳合金可分为工业纯铁、钢和白口铸铁三类，见表5–4。表5–4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碳的质量分数（%）≤0.02180.0218~0.770.770.77~2.11

8、2.11~4.34.34.3~6.69室温组织FF+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+LdˊLdˊLdˊ+Fe3CⅠ三、铁碳合金的组织随温度变化的规律1．工业纯铁工业纯铁从液态缓慢冷却的过程中，经液相线AC和固相线AE转变为奥氏体；经A3线奥氏体开始向铁素体转变，形成A+F组织，经GP线后转变为单相铁素体组织；经溶解度线PQ时析出Fe3CⅢ。因此，工业纯铁的室温平衡组织为F+Fe3CⅢ，如图5–8所示。2．钢3．