机械工程材料 教学课件 作者 倪兆荣 张海筹 主编第4章 金属的塑性变形与结晶.ppt

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1、机械工程材料倪兆荣张海筹/主编张帆朱成华/副主编王宏启/主审第4章铁碳合金相图和碳钢纯铁铁是元素周期表上的第26个元素，相对原子质量为55.85，属于过渡元素。在一个大气压下，它的熔点是1538℃，在2738℃下气化。在20℃时的密度为7.87g/cm3。1.铁的同素异晶转变铁具有多晶型性，图4.1是铁的冷却曲线。由图可看出，纯铁在1538℃结晶为-Fe，X射线结构分析表明，它具有体心立方晶格。固态下的同素异晶转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程，为了与液态结晶相区别，将这种固态下的相变结晶过程称为重结晶。图4.2为纯铁重结晶后所得到的组织示意图

2、。其中图4.2（a）为结晶后形成的-Fe晶粒，图4.2（b）表示通过重结晶后（A4转变），由-Fe晶粒转变成的-Fe晶粒，4.2（c）为最后又经过一次重结晶（A3转变）后的-Fe晶粒。2.纯铁的性能与应用工业纯铁的含铁量一般为wFe=99.8%～99.9%，含有0.1%～0.2%的杂质，其中主要是碳。纯铁的机械性能因其纯度和晶粒大小的不同而差别很大，其大致范围如下：抗拉强度σb176～274MN/m2屈服强度σ0.298～166MN/m2延伸率30%～50%断面收缩率ψ70%～80%硬度HB50～80纯铁的塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用做结构材

3、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芯等。纯铁、铁碳合金的相结构及其性能铁碳合金在液态时，铁与碳可以无限互溶。在固态时，铁与碳的结合方式是：当碳含量较少时，碳溶入铁的晶格形成固溶体；当碳含量较多时，碳可以与铁形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。Fe3C中碳的质量分数wC为6.69%，碳的质量分数超过6.69%的Fe2C、FeC，因此性能太脆无实用价值，故铁碳合金通常仅研究wC≤6.69%的那部分合金，又称为Fe-Fe3C合金。第4章铁碳合金相图和碳

4、钢铁碳合金的相结构、基本组织及其性能1.铁素体与奥氏体铁素体是碳溶于铁中的间隙固溶体，为体心立方晶格，常用符号F或来表示。奥氏体是碳溶入-Fe中的间隙固溶体，用A或表示。它仍保持-Fe的面心立方晶格。奥氏体的显微组织2.渗碳体（Fe3C）铁与碳组成的金属化合物称为渗碳体，用Fe3C表示。渗碳体的wC=6.69%，熔点为1227℃，它具有复杂的晶体结构。3.珠光体珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P来表示。它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列而成的混合物。珠光体的显微组织4.莱氏体莱氏体是含碳量为4.3%的合金，在1148℃时从液相中同时结晶出奥氏

5、体和渗碳体的混合物。用符号Ld来表示。Fe-Fe3C相图是表示在缓慢冷却（加热）条件下（即平衡状态）不同成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的组织或状态的一种图形。第4章铁碳合金相图和碳钢Fe-Fe3C相图分析1.主要特性点A点为纯铁的熔点。D点为渗碳体的熔点。E点为在1148℃时碳在-Fe中的最大溶解度，也是铬镍钢和铁的分界点，wC<2.11%的铁碳合金属于钢，wC>2.11%的铁碳合金属于生铁。C点为共晶点。具有C点成分（wC=4.3%）的液态合金在恒温下（1148℃）将发生。共晶转变，即从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体组成的机械混合物（共晶体），称

6、为莱氏体（Ld）。其反应式为LCAE+Fe3C第4章铁碳合金相图和碳钢Fe-Fe3C相图分析G点为-Fe-Fe的同素异晶转变点。S点为共析点。具有S点成分（wC=0.77%）的奥氏体在恒温下（727℃）将发生共析转变，即奥氏体同时生成铁素体和渗碳体片层相间的机械混合物（共析体），称为珠光体（P）。其反应式为ASFP+Fe3C简化Fe-Fe3C图珠光体的性能介于两组成相性能之间。一般为σb=750～900MPa=20%～25%Αk=30～40J硬度：180～280HBS表4.2为Fe-Fe3C相图中的主要特性点及其含义。3.Fe-Fe3C相图的区域Fe

7、-Fe3C相图的区域中，根据特点和线的分析，Fe-Fe3C相图有四个单相区，即：ACD以上——液相区（L）；AESG——奥氏体区（A）；GPQ——铁素体区（F）；DFK——渗碳体区。Fe-Fe3C相图中,不同成分的铁碳合金具有不同的显微组织和性能。通常，相图中P点和E点，可将铁碳合金分为三大类:工业纯铁、碳钢和白口铸铁。第4章铁碳合金相图和碳钢Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类碳钢共析钢亚共析钢过共析钢白口铁共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁工业纯铁成分为P点左面（wC<0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体F。第4章铁碳合金相图和碳钢

8、典型铁碳合金的结晶过程分析1.共析钢图4.8中合金I为共析钢，共结晶过程如图4.9所示。2.亚共析钢图4.8