材料冶金知识ppt课件.ppt

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1、材料科学基础第四章材料的相结构和相图－31.Fe—C合金的组织和性能钢(Steels)和铸铁(Castirons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金（alloysoftheiron－carbonsystem）。铁碳相图是一个较复杂的二元合金相图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关系。在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。5个单相区，7个两相区三条水平线，

2、三条特征线1.Fe—C合金中的组元铁碳合金中组元：纯铁(Fe)渗碳体（Fe3C）A.纯铁纯铁（pureiron）熔点1538℃，汽化点2738℃，密度7.87g/㎝³。纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立方(bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc)结构,1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetictransformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。纯铁的

3、冷却曲线及晶体结构变化纯铁的显微组织B.渗碳体(Fe3C)渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格，原子周围有六个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体共有，Fe:C=3:1。Fe3C的晶体结构可以看作由6个铁原子构成的三角棱柱和在柱内的一个碳原子连接而成，角上的铁原子为2个三角棱柱共享。Fe3C的晶体结构的结构单元是4个取向不同的这样的三角棱柱构成。三角棱柱在c轴方向分两层，每层三角棱柱体都有2种取向

4、。Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳原子之间可能同时存在金属键和离子键左图为在（001）面上的投影，一个晶胞内有12个铁原子4个C原子右图为4个相邻的晶胞在（001）面上的投影及其组成的三棱柱（实三棱柱在上层，虚三棱柱在下层）B.渗碳体(Fe3C)Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe+C(石墨)。所以Fe—Fe3C相图为介稳定系相图，Fe－C相图为稳定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为Fe－C合金双重相

5、图。B.渗碳体(Fe3C)Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料中的主要强化相。Fe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C为基的固溶体。Fe被Cr、Mn等原子金属置换，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体。2.Fe—C合金中的基本相在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成分，温度)下，可有六个基本相：L相、δ相、γ相（A）、α相(F)、Fe3C相、石墨（C）（1）

6、液相(L)Fe与C在高温下形成的液体溶液。(ABCD线以上)（2）δ相[高温铁素体（hightemperatureferrite）]C在δ－Fe的间隙固溶体。在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，（3）渗碳体（cementite）Fe-C相图（4）奥氏体（austenite）奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite）。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C时最多可以溶解2.11%的碳，到727°C时含碳量降到0.8%。碳原子存在于面心立方晶格中正

7、八面体的中心，单相γ区存在于NJESG区域内（727---1459℃）。奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ为40%~50%)高。奥氏体的显微组织见下图。γ是顺磁性（paramagnetism）晶粒呈平直多边形。Fe-C相图碳在γ－Fe晶格中的位置奥氏体的显微组织（5）铁素体（ferrite）铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite）。C原子溶于八面体间隙。单相α相在CPQ以左部分。铁素体的含碳量非常低，在727℃时C在α－Fe中最大溶解量为0.0218%，室温下含碳仅

8、为0.005%，所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50-80)低，塑性(延伸率δ为30%~50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多边形。是铁磁性，具有bcc结构。（6）石墨（C）在一些条件下，碳可以以游离态石墨（graphite）(hcp)稳定相存在。所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本相。Fe-C