金属材料与热处理教学课件第四单元

F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+L'd、L'd、L'd+Fe3CI 、Fe3C
一、碳的质量分数 对平衡组织的影响
2.11％
一共有多少种渗碳体？
Fe3CⅠ Fe3CⅡ Fe3CⅢ Fe3C共析 Fe3C共晶
析出线 CD ES PQ S C
来源 L A F A L
形态 粗大白色条状 网状分布于晶界 薄片状 层片状 基体
➢ PQ线是碳在F中固溶线。 ➢ 碳质量分数大于0.0008%的铁碳合
金自727℃冷至室温的过程中, 将 从F中析出Fe3C。 ➢ 析出的渗碳体称为三次渗碳体 (Fe3CIII)。 ➢ PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的 临界温度线。Fe3CIII数量极少，往 往予以忽略。
特性线 ACD AECF ECF PSK GS ES PQ MO 230℃水平线
根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型：
（1）工业纯铁 Wc＜0.0218％
（2）共析钢
Wc=0.77％
（3）亚共析钢 Wc=0.0218％～0.77％
（4）过共析钢 Wc=0.77％～2.11％
（5）共晶白口铁 Wc=4.3％
（6）亚共晶白口铁 Wc=2.11％～4.3％
（7）过共晶白口铁 Wc=4.30％～6.69％
第四单元 铁碳合金相图
我家在哪里？
合金的成分？ 合金的状态？ 合金的组成相？ 合金的相变？
➢ 合金相图又称合金状态图或平衡图，是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却） 条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。
概述
钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为 铁碳合金。
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
三、亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢平衡组织中珠光体和铁素体的相对量可用杠杆定律计算。
例如，在727℃共析转变刚结束时，wC＝0.45%的亚共析钢组织中珠 光体和铁素体的相对量为：
wP
0.45 0.0218 100% 0.77 0.0218
F+Fe3CIII Fe3C位于晶界，细小的薄片
含 碳
F+P
Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）
量
逐 渐
P
Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ）
增 加
P＋ Fe3CII
Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ） 还有一部分Fe3C沿晶界分布呈连续网状
P＋Fe3CII＋L'd L'd
L'd +Fe3CI
2.共析转变线——PSK线
在727℃，0.77%的奥氏体发生 共析转变：
AS
(F+Fe3C),
转变的产物称为珠光体，符号为 P。
共析转变与共晶转变的区别是转 变物是固体而不非液体。
珠光体
珠光体是由铁素体和渗碳体以层片状结构组成的机械混合物，是钢中的重 要组织。
平均含碳量为0.77%，在珠光体中铁素体占88%，渗碳体占12%，由于铁 素体的数量大大多于渗碳体，所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。
碳 质 量 分 数 Wc=6.69 ％ ， 熔 点 为 1227℃。
质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈白色，如果 用4%苦味酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。
渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒 状等形态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。
Rm=400MPa，170~220HBW，A=40%~50%。
奥氏体还有一个重要的性能，就是它具有顺磁性，可用于要求不受磁场的零 件或部件。
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。
3.渗碳体（Cementite）
渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构 的金属化合物，用化学分子式 “Fe3C”表示。
Ø ES线是碳在A中的饱和固溶线, 通常 叫做Acm线。 Ø由于在1148℃时A中溶碳量最大可达 2.11%, 而在727℃时仅为0.77%， 因此 碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自 1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析 出Fe3C。 Ø析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临 界温度线。
四、过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢室温组织为P+ Fe3C Ⅱ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
2.11 0.77
QFe3CII
100% 22.6% 6.69 0.77
P Fe3C
碱性苦味酸侵蚀黑色网状为二次渗碳体
白口铸铁的平衡结晶及组织
这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体 （Ld)。
铁碳合金中这些基本相和组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了 铁碳合金的性能。
1.铁素体（ferrite）
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用 符号“F”（或α）表示，体心立方晶格；
虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间 隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最 多 只 有 0.0218%(727℃ 时 ) ， 室 温 时 几 乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似， 硬度低而塑性高，并有铁磁性。
铁素体
F
230
80
50
160
奥氏体
A
400
220
50
∕
渗碳体 Fe3C
30
800
≈0
≈0
模块二 铁碳合金相图
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C
C%(wt%) →
一、 铁碳相图中的主要特性点
Fe—Fe3C相图看起平比较复杂，但它仍然是由一些基本相图组 成的，我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析。
57.2%
wF
0.77 0.45 100% 42.8% 0.77 0.0218
亚共析钢室温下的组织为F+P。
在0.0218%~0.77%C 范围内衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析
钢
的
含
碳
量
:
C%=P面积%×0.77%
(忽略F中含碳量，P面积%=QP)
Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间 ） Fe3C作为莱氏体的基体 Fe3C作为莱氏体的基体 Fe3C为粗大长片状 Fe3C作为莱氏体的基体
二、碳的质量分数对力学性能的影响
三、铁碳合金相图的应用
1．为选材提供成分依据
➢ 若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应选用低碳钢 （0.10%~0.25%C）；若零件要求强度、塑性、韧性都较好，如轴等，应 选用中碳钢（0.25%~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具 等，应选用高碳钢（0.6%~1.3%C）。
珠光体
珠光体的性能介于铁素体和渗碳 体之间，强韧性较好。
力学性能介于铁素体与渗碳体之 间，强度较高，硬度适中，塑性 和韧性较好。
Rm=770MPa 、 180HBW 、 A=20%~35% 、 KU=24~32J ） 。
3.其他特性线
➢ GS线是合金冷却时自A中 开始析出F的临界温度线, 通常称A3线。
一、相图中的一些特征点
相图中应该掌握的特征点有：A、D、E、C、G（A3点）、S （A1点），它们的含义一定要搞清楚。
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
二、 铁碳相图中的特性线
•相 图 中 的 一 些 线 应 该 掌 握的线有： •ECF线、 •PSK线（A1线）、 •GS线（A3线）、 •ES线（ACM线）
1.共晶转变线
五、共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )
六、亚共晶白口铸铁 ( Wc = 2.5% )
P L'd
七、过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )
模块四 铁碳合金成分、组织、性能之间的关系
碳的质量分数对平衡组织的影响 碳的质量分数对力学性能的影响 碳的质量分数对工艺性能的影响
存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体， 用符号Ldˊ表示，组织由渗碳体和珠光体组成。
低温莱氏体是由珠光体、Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物。
经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察，其中珠光体呈黑色颗 粒状或短棒状分布在Fe3C基体上，Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起， 一般无法分辨。
模块一 铁碳合金中的基本相
纯铁的同素异构转变
α-Fe
γ-Fe
δ-Fe
BCC（912℃） FCC ( 1394℃） BCC
金属的同素异构转变为其热处理提供基础，钢能够进行多种热处理就 是因为铁能够在固态下发生同素异晶转变。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的 Fe 和 C 可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个 基本相。
总结：
在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。
奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两 个相，就是铁素体和渗碳体。
由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存 在于渗碳体中。这一点是十分重要的。
名称
符号 Rm/MPa HBW
A/%
Ak/J
在球化退火条件下，珠光体中的渗碳休也可呈粒状，这样的珠光体称为粒 状珠光体。
珠光体
经4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同 特征的珠光体组织。
当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽片铁素体和 窄片渗碳体。
当放大倍数较低时，珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线；而当放大倍数 继续降低或珠光体变细时，珠光体的层片状结构就不能分辨了，此时珠光 体呈黑色的一团。
模块三 铁碳合金的 平衡结晶过程及组织