金属材料与热处理第4章铁碳合金相图
金属材料及热处理第四单元 铁碳合金相图
第四单元 铁碳合金相图
铁碳合金的平衡组织是由铁 素体和渗碳体两相所构成的。当碳 的质量分数w(C)<0.9%时，随着碳 的质量分数的增加，钢的强度和硬 度提高，而塑性和韧性降低；当碳 的质量分数w(C)>0.9%时，由于Fe3 CⅡ的数量随着碳的质量分数的增 加而急剧增多，并明显地呈网状分 布于奥氏体晶界上，这样不仅降低 了钢的塑性和韧性，而且也降低了 钢的强度，如图4-9所示。
心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方 晶格，碳在γ-Fe中的位置如图4-3所示。
在金相显微镜下观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒状态，但晶界 比铁素体的晶界平直些，并且晶粒内常出现孪晶组织(图中晶粒内的平行 线)，如图4-4所示。
第四单元 铁碳合金相图
图4-3 奥氏体的晶胞示意图
特征为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。由于珠光体的 显微组织形态酷似珍珠贝母外壳形纹，故称之为珠光体组织，如图4-6所示。
图4-6 共析钢中珠光体的金相显微组织
第四单元 铁碳合金相图
能力知识点五 莱氏体(Ld) 莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成
的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为4.3%。 莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度高，塑性很差，脆性大。莱氏
图4-7 简化后的Fe-F3C相图
第四单元 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图中的特性点 铁碳合金相图中的主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见
表4-1。
表4-1 铁碳合金相图中的特性点
第四单元 铁碳合金相图
二、铁碳合金相图中的主要特性线 1.液相线ACD 2.固相线AECF 3.共晶线ECF 4.共析线PSK 5.GS线 6.ES线 7.GP线 8.PQ线
铁碳合金相图
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 类型 钢号 碳质量分数／％ 亚共析钢 20 45 60 0.20 0.45 0.60 共析钢 T8 0.80 过共析钢 T10 T12 1.00 1.20
(4)各相的质量： QL= 50×2/3 = 33.3（kg) Qα = 50-33.3 = 16.7（kg)
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（Yes ）
5. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
c. 以砂型代金属型
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织
P + Fe3CII
400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织 （低温）莱氏体 （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C） 莱氏体 Le′的性能
铁碳合金相图分析
第四章铁碳合金第一节铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变δ-Fe→γ-Fe→α-Fe体心面心体心同素异晶转变——固态下,一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象.特点：是形核与长大的过程重结晶将导致体积变化产生内应力通过热处理改变其组织、结构→ 性能二、铁碳合金的基本相基本相定义力学性能溶碳量铁素体 F碳在α-Fe中的间隙固溶体强度,硬度低,塑性,韧性好最大%奥氏体 A碳在γ-Fe中的间隙固溶体硬度低,塑性好最大%渗碳体Fe3C Fe与C的金属化合物硬而脆800HBW,δ↑=αk=0%第二节铁碳合金相图一、相图分析两组元：Fe、 Fe3C上半部分图形二元共晶相图共晶转变：1148℃ 727℃→ + Fe3C →P + Fe3C莱氏体Ld Ld′2、下半部分图形共析相图两个基本相：F、Fe3C共析转变：727℃→ + Fe3C珠光体P二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.工业纯铁<%C钢——亚共析钢、共析钢%C、过共析钢白口铸铁——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁L → L+A → A → PF+Fe3CL → L+A → A → A+F →P+FL → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C →LdA+Fe3C+ Fe3CⅡ → Ld′P+Fe3C+Fe3CⅡ5、亚共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + A →Ld+A+ Fe3CⅡ → Ld′+P+ Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响四、铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用2、在铸造、锻造和焊接方面的应用3、在热处理方面的应用第三节碳钢非合金钢碳钢是指ωc≤%,并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金.铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能,且价格低廉,故广泛应用.一、杂质元素对碳钢性能的影响1、锰Mn + FeO → MnO + Fe 脱氧Mn+ S → MnS 炉渣去硫Mn溶入铁素体→ 固溶强化Mn溶入Fe3C → 形成合金渗碳体Fe, Mn3C Mn <%,对性能影响不大2、硅Si + FeO → SiO2 + Fe 脱氧Si溶入铁素体→ 固溶强化Si<%,对性能影响不大3、硫钢中S+Fe → FeS.FeS与Fe形成低熔点的共晶体985℃分布在晶界上,当钢在热加工1000~1200℃时,共晶体熔化,导致开裂——热脆消除热脆：Mn+ S → MnS熔点高1620℃并有一定塑性硫是一种有害元素4、磷钢中磷全部溶于铁素体,产生强烈固溶强化,低温时更加严重——冷脆磷是一种有害元素二、碳钢的分类按含碳量分：低碳钢～、中碳钢～、高碳钢～%按质量分类：普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢S、P含量按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢三、碳钢的牌号、性能和应用1、碳素结构钢GB700-88 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275五大类,20个钢种GB700-79 A1, A2, A3, A4, A5Q235-AF表示：σs≥235Mpa,质量等级为A,沸腾钢.应用：Q195, Q215——塑性高,用于冲压件、铆钉、型钢等； Q235——强度较高,用于轴、拉杆、连杆等；Q255, Q275——强度更高,用于轧辊、主轴、吊钩等.2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢：优质钢、高级优质钢A、特级优质钢E 牌号：08F ——冲压件；45——齿轮、连杆、轴类；65 Mn——弹簧、弹簧垫圈、轧辊等.3、碳素工具钢牌号：T8、T8A——木工工具；T10、T10A——手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模；T12、T12A——锉刀、绞刀、量具.4、铸钢表示方法：用力学性能表示ZG200-400σs≥200Mpa,σb≥400Mpa用化学成分表示ZG30%C用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件,如轧钢机架、缸体、制动轮、曲轴等.. 状态图中的特性点Fe- Fe3C相图中各点的温度、浓度及其含义Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义二. 状态图中的特性线Fe-C合金相图中的特性线三. 状态图中的相区在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.五个单相区是:ABCD以上——液相区LAHNA——δ固溶体区δα、δNJESGN——奥氏体区γ或AGPQG——铁素体区α或FDFKL——渗碳体区Fe3C或Cm两相区是:L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+ Fe3C和α+ Fe3C.三个三相区是:HJB线、ECF线和PSK线.1. 工业纯铁含C≤%——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.2. 钢含C在~%——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:① 亚共析钢< C <%——其组织是铁素体+珠光体② 共析钢C=%——其组织为珠光体③ 过共析钢< C≤%——其组织为珠光体+渗碳体3. 铁在1538ºC结晶为δ-FeX射线结构分析表明它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394ºC时δ-Fe转变为面心立方晶格的γ- Fe通常把δ-Fe←→γ- Fe的转变称为A4转变转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912ºC时面心立方晶格的γ- Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe把γ- Fe←→α-Fe的转变称为A3转变转变的平衡临界点称为A3点.4. 三条重要的特性曲线① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727ºC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300ºC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727ºC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.四. 名词1. 铁素体:是碳在α-Fe中形成的固溶体常用“δ”或“F”表示.铁素体在770ºC以上具有顺磁性在770ºC以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体在1495ºC时其最大溶碳量为%.2. 顺磁性:就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩无外磁场时由于热运动各分子磁矩的取向无规宏观上不显示磁性;在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性.3. 铁磁性:就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性.4. 奥氏体:是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe 中是有限溶解其最大溶解度为%1148ºC.5. 渗碳体:是铁与碳的稳定化合物Fe3C 用“C”表示.其含碳量为%.由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230ºC以上铁磁性就消失了所以230ºC是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.渗碳体的熔点为1227ºC.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C石墨6. 珠光体:是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示.珠光体存在于727ºC以下至室温.五. 铁碳合金相图的应用一在选材方面的应用若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢含碳为~%;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢含碳为~%;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢含碳为~%.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.二在制定热加工工艺方面的应用铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.六. 应用铁碳相图应注意的几个问题1. 铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.2. 可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.3. 相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.第二部分晶体结构一. 金属键1. 金属键:金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键.2. 在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.二. 晶体结构1. 晶体:凡是原子或离子、分子在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.2. 晶体结构:是指晶体中原子或离子、分子、原子集团的具体排列情况也就是晶体中这些质点原子或离子、分子、原子集团在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.3. 三种典型的金属晶体结构a. 体心立方晶格:晶胞的三个棱边长度相等三个轴间夹角均为90º构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外在立方体的中心还有一个原子.b. 面心立方晶格:在晶胞的八个角上各有一个原子构成立方体在立方体6个面的中心各有一个原子.c. 密排六方晶格:在晶胞的12个角上各有一个原子构成六方柱体上底面和下底面的中心各有一个原子晶胞内还有3个原子.三. 固溶体1. 固溶体:合金的组元以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体.2. 置换固溶体:是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.3. 间隙固溶体:是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中.4. 金属化合物:是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称为中间相其晶格类型和性能均不同于任一组元一般可以用分子式大致表示其组成.除了固溶体外合金中另一类相是金属化合物.四. 金属的结晶1. 金属的结晶:金属由液态转变为固态的过程称为凝固由于凝固后的固态金属通常是晶体所以又将这一转变过程称之为结晶.2. 杠杆定律的应用.在合金的结晶过程中合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量就需要应用杠杆定律.对于二元合金两相共存时两个平衡相的成分固定不变.五. 同素异构转变当外部条件如温度和压强改变时金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变.六. 晶体的各向异性各向异性是晶体的一个重要特性是区别于非晶体的一个重要标志.晶体具有各向异性的原因是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同意味着原子之间的距离不同从而导致原子之间的结合力不同使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.第三部分元素的影响1. 锰和硅的影响:锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的F eO还原成铁并生成MnO和SiO2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中冷至室温后即溶于铁素体中提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响它能提高钢的强度和硬度当含锰量低于%时可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.碳钢中的含硅量一般小于%它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用显著的提高了钢的强度和硬度但含量较高时将使钢的塑性和韧性下降.2. 硫的影响:硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中在固态中几乎不能溶解而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰形成MnS可以避免产生热脆.硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中含硫量通常为%~%同时含锰量为%~%.3. 磷的影响:一般来说磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温磷在铁中具有较大的溶解度所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用它使钢的强度、硬度显著提高但剧烈地降低钢的韧性尤其是低温韧性称为冷脆磷的有害影响主要就在于此.4. 氮的影响:一般认为钢中的氮是有害元素但是氮作为钢中合金元素的应用已日益受到重视.5. 氢的影响:氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的.6. 氧及其它非金属夹杂物的影响:氧在钢中的溶解度非常小几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性在静载荷和动载荷的作用下往往成为裂纹的起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此对非金属夹杂物应严加控制.第四部分热处理一. 热处理的作用1. 热处理:是将钢在固态下加热到预定的温度保温一定的时间然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺.钢中组织转变的规律是热处理的理论基础称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体.钢在加热和冷却时临界温度的意义如下:Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度;Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度;Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度;Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度.通常把加热时的临界温度加注下标“C”而把冷却时的临界温度加注下标“r”.2. 珠光体转变——是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变.珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组.由于相变在较高温度下发生铁、碳原子都能进行扩散所以珠光体转变是典型的扩散型相变.无论珠光体、索氏体还是屈氏体都属于珠光体类型的组织.它们的本质是相同的都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物.它们之间的差别只是片层间距的大小不同而已.珠光体的片层间距:450～150 nm形成于A1～650℃温度范围内.索氏体的片层间距:150～80nm形成于650～600℃温度范围内.屈氏体的片层间距:80～30nm形成于600～550℃温度范围内.3. 马氏体转变——是指钢从奥氏体化状态快速冷却抑制其扩散性分解在较低温度下低于Ms点发生的转变.马氏体转变属于低温转变.钢中马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体具有很高的强度和硬度.由于马氏体转变发生在较低温度下此时铁原子和碳原子都不能进行扩散马氏体转变过程中的Fe的晶格改组是通过切变方式完成的因此马氏体转变是典型的非扩散型相变.二. 热处理工艺1. 退火和正火:将金属及其合金加热保温和冷却使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或回火.A. 低温退火去应力退火:是指钢材及各类合金为消除内应力而施行的退火.加热温度< A1 碳钢及低合金钢550～650℃高合金工具钢600～750℃B. 再结晶退火:加热温度> Tr Tr+150～250℃C. 扩散退火:是指为了改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性而实行的退火.1 通过扩散退火可以使在高温下固溶于钢中的有害气体主要是氢脱溶析出这时称为脱氢退火.2 均匀化退火的任务在于消除枝晶成分偏析改善某些可以溶入固溶体夹杂物如硫化物的状态从而使钢的组织与性能趋与均一.扩散退火的加热温度> Ac3 Acm 在固相线以下高温加热同时也要考虑不使奥氏体晶粒过于长大.碳钢1100～1200℃D. 完全退火:是指将充分奥氏体化的钢缓慢冷却而完成重结晶过程的退火.加热温度 Ac3+30～50℃E. 等温退火:是指将奥氏体用较快的速度冷却到临界点以下较高温度范围进行珠光体等温转变的退火. 加热温度 Ac3～Ac12. 正火:是指将碳合金加热到临界点Ac3以上适当温度并保持一定时间然后在空气中冷却的工艺方法.过共析钢正火后可消除网状碳化物而低碳钢正火后将显著改善钢的切削加工性.所有的钢铁材料通过正火均可使锻件过热晶粒细化和消除内应力.正火比退火的冷却速度快正火后的组织比退火后的组织细.3. 淬火与回火1. 淬火:是指将钢通过加热、保温和大于临界淬火速度Vc的冷却是过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法.2. 钢的淬透性:就是钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的一个属性.3. 当淬火应力在工件内超过材料的强度极限时在应力集中处将导致开裂.4. 回火:本质上是淬火马氏体分解以及碳化物析出、聚集长大的过程.它与淬火不同点是由非平衡态向平衡态稳定态的转变.4. 化学热处理:是将工件放在一定的活性介质中加热使非金属或金属元素扩散到工件表层中、改变表面化学成分的热处理工艺.如:渗入碳、氮、硼、钒、铌、铬、硅等元素第五部分宏观检验一. 宏观检验主要可分为低倍组织及缺陷酸蚀检验、断口检验、硫印检验等.二. 酸蚀试验在宏观检验领域中酸蚀检验是最常用的检验金属材料缺陷、评定钢铁产品质量的方法.如果一批钢材在酸蚀中显示出不允许存在的缺陷或超过允许程度的缺陷时其它检验可不必进行.1. 酸蚀试验:是用酸蚀方法来显示金属或合金的不均匀性.1 热酸浸蚀实验方法2 冷酸浸蚀实验方法3 电解腐蚀实验方法2. 酸蚀试验所检验的常见组织和缺陷A:偏析:是钢中化学成分不均匀现象的总称.在酸蚀面上偏析若是易蚀物质和气体夹杂物析集的结果将呈现出颜色深暗、形状不规则而略凹陷、底部平坦的斑点;若是抗蚀性较强元素析集的结果则呈颜色浅淡、形状不规则、比较光滑微凸的斑点.根据偏析的位置和形状可分为中心偏析、锭型偏析或称方框偏析、点状偏析、白斑和树枝状组织.中心偏析:出现在试面中心部位形状不规则的深暗色斑点.锭型偏析:具有原钢锭横截面形状的、集中在一条宽窄不同的闭合带上的深暗色斑点.B. 疏松:这种缺陷是钢凝固过程中由于晶间部分低熔点物最后凝固收缩和放出气体而产生的孔隙.在横向酸蚀面上这种孔隙一般呈不规则多边形、底部尖狭的凹坑这种凹坑多出现在偏析斑点之内.根据疏松分布的情况可分为中心疏松和一般疏松.C. 夹杂:宏观夹杂可分为外来金属、外来非金属和翻皮三大类.D. 缩孔:由于最后凝固的钢液凝固收缩后得不到填充而遗留下来的宏观孔穴.E. 气泡:由于钢锭浇注凝固过程中所产生和放出气体所造成的.一般可分为皮下气泡和内部气泡两类.a. 皮下气泡: 由于浇注时钢锭模涂料中的水分和钢液发生作用而产生的气体.b. 内部气泡:又可分为蜂窝气泡和针孔气泡.蜂窝气泡是由于钢液去气不良所导致一般为不允许存在的缺陷存在钢坯内部在试面上较易浸蚀象排列有规律的点状偏析但颜色更深暗些;针孔是因为较深的皮下气泡在锻轧过程中未焊合而被延伸成细管状在横试面上呈孤立的针状小孔.白点:也称发裂是由于氢气脱溶析集到疏松孔中产生巨大压力和钢相变时所产生的局部内应力联合造成的细小裂缝.在横试面上呈细短裂缝三. 硫印检验是一种定性检验是用来直接检验硫元素并间接检验其它元素在钢中偏析或分布情况的操作.硫印检验时先用5~10%的稀硫酸水溶液浸泡相纸5分钟左右后取出去除多余的硫酸溶液把湿润的相纸感光面贴到受检表面上应确保相纸与试样面的紧密接触不能发生任何滑动排除相纸与试样面的气泡和液滴.其化学反应大致为:MnS+H2SO4→MnSO4+H2S↑FeS+H2SO4→FeSO4+H2S↑H2S+2AgBr→2HBr+Ag2S↓几秒到几分钟后将从试面上揭下的相纸在水中冲洗约10分钟然后放入定影液中定影10分钟以上取出后在流动水中冲洗30分钟以上干燥后既成.四. 断口检验1. 脆性断口:通常工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂发生脆性断裂的断口为脆性断口.脆性断口也称晶状断口是指出现大量晶界破坏的耀眼光泽断口断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比则是脆性断面率也称晶状断面率.2. 结晶状断口:此种断口具有强烈的金属光泽有明显的结晶颗粒断面平齐而呈银灰色.是一种正常的断口.属于脆性断口.3. 纤维状断口:这种断口呈无光泽和无结晶颗粒的均匀组织.通常在断口的边缘有明显的塑性变形.一般情况下是允许存在的.属于韧性断口.4. 瓷状断口:是一种类似瓷碎片的断口呈亮灰色、致密、有绸缎的光泽和柔和感.是一种正常的断口.5. 台状断口:这种断口出现在纵向断面上呈比基体颜色略浅、变形能力稍差、宽窄不同、较为平坦的片状平台状.多分布在偏析内.6. 撕痕状断口:这种断口出现在纵向断面上沿热加工方向呈灰白色、变形能力差致密而光滑的条带.7. 层状断口:这种断口出现在纵向断面上呈劈裂的朽木状或高低不平的、无金属光泽的、层次起伏的条带条带中伴有白亮或灰色线条.8. 缩孔残余断口:出现在纵向断口的轴心区是非结晶状条带或疏松区有时伴有非金属夹杂物或夹杂沿条带常带有氧化色.9. 石状断口:在断口表面呈现粗大而凹凸不平的沿晶界断裂的粗晶颜色暗灰而无金属光泽象有棱角的沙石颗粒堆砌在一起.。
材料科学基础--铁碳合金相图
Fe3CI+Ld’
性 能 铁含量wFe 抗拉强度σb 屈服强度σ0.2 伸长率δ 断面收缩率ψ 冲击吸收功aK 硬度 纯 铁 99.8~99.9% „ 176~274MPa 98~166MPa 30~50% 70~80% 160~200J/cm2 50~80HBW ≤197HBW 45钢(退火) 99.55%左右 ≥600 (MPa) ≥355 (MPa) ≥16% ≥40%
LL↓+δ ↑ δ
(1↓2) (3↓4) (5↓6)
匀晶转变
δ δ ↓ +γ↑ γ
同素异晶转变，晶界优先形核
γ γ ↓+ α↑ α
同素异晶转变，晶界优先形核
α α ↓ +Fe3CIII↑ (7↓)
脱溶转变，晶界上片状析出
室温组织：α+Fe3C Fe3CIII最大量计算：0.326%
Ld(γ+ Fe3C)Ld’(P+ Fe3CII+ Fe3C)
白色-共晶渗碳体 黑色-珠光体
4. 3.3 白口铸铁
亚共晶白口铸铁（2.11%<Wc<4.3%）
匀晶转变
共晶转变 脱溶转变 共析转变
4. 3.3 白口铸铁-亚共晶（2.11%<Wc<4.3%）
室温组织
P+Ld’
相组成 α+ Fe3C 组织组成物含量计算(以wC=3.0%为例)
1148℃ E Fe3C LC
转变为wc=2.11%的奥氏体γ
和渗碳体Fe3C组成的混合
物莱氏体Ld
莱氏体中，颗粒状奥氏体
分布在渗碳体基底上，渗 碳体很脆，故莱氏体塑性 很差
4. 2.4 共析转变（水平线PSK）
第四章 铁碳合金相图(全)
第四章 铁碳合金相图
主讲人： 刘 怿 凡
§4.1 固态合金的相结构
几个重要概念
1.合金
两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成 的具有金属特性的物质
2.组元
组成合金的最基本的独立物质称为组元，可以是组 成合金的元素，也可以是化合物，有二元、三元等。
3.相
在合金中，凡成分相同、结构相同并以明显界面相 互分开的均匀组成部分，是合金中最基本的组成部分。
●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐 磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂 的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
§4.4 铁碳合金相图的应用
2.在铸造工艺方面的应用
根据Fe—Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在 液相线以上50～100℃。
§4.1 固态合金的相结构
4.组织
用肉眼或显微镜观察到的金属材料的内部情景，包 括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。“特殊形 态的微观形貌”
5.合金系
由相同组元配制的一系列成分不同的合金，组成一 个合金系统。
合金组织中的相结构决定合金的性能
§4.1 固态合金的相结构
合金的相结构
晶体结构、原子结构不同、组元相互作用不同——不同相结构
4.在热处理工艺方面的应用
Fe—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些 热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图 确定的。
§4.4 铁碳合金相图的应用
在运用Fe—Fe3C相图时应注意以下两点：
①Fe—Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其 它元素，相图将发生变化，与实际情况有较大差异。
4 铁碳合金的相图的详细讲解
P,钢的性能即P的性能
b. ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。 c. ＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld,合金太脆.
45
3 含碳量对工艺性能的影响
(1) 切削性能: 中碳钢合适 (2) 可锻性能: 低碳钢好 (3) 焊接性能: 低碳钢好 (4) 铸造性能: 共晶合金好
二次渗碳体
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
铁素体 珠光体 莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
0
44
2 含碳量对力学性能的影响
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升
高，塑性、韧性下降。
a. 0.77%C时，组织为100%
Fe3CⅠ+Ld
K
F + P
L'd
Fe3CⅠ+L'd
F+Fe3CⅢ
Fe
1.0
2.0
3.0
Fe3C 4.0
wc(%)
5.0
6.0
6.69
17
(一)铁碳合金相图中主要点和线的意义
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: EF、ES、GS、PSK。 • 三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析 转变。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
L+δ
δ+
L+ L+ Fe3C + + Fe3C
F+ Fe3C
4.铁碳合金
第四章 铁碳合金
纯铁的冷却曲线及 晶体结构变化
第四章 铁碳合金
碳在γ－Fe晶格中的位置
第四章 铁碳合金
奥氏体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁素体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁的固溶体
晶格类型 最大含碳量
性质
铁素体 （F）
体心立方 0.0218%
室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
奥氏体 （A）
面心立方 2.11%
高温铁素 体 （δ）
体心立方 0.09%
奥氏体具有良好的 塑性、韧性和一定 的强度、硬度。
第四章 铁碳合金
二、渗碳体(铁碳化合物)
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。
片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。
灰铸
石
铁的
墨 片
的
显微
三 维
形
铁 素 体 灰 铸 铁
组织
貌
铁
素
珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
球墨铸铁的显微组织
铁
素 体 球 墨 铸 铁
珠 光 体 球 墨 铸
铁
铁
素
体
球加墨Fra bibliotek珠铸
光
铁
体
中
球
的
墨
石
铸
墨
铁
球
第四章 铁碳合金
石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面 的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片 状。
金属材料与热处理 模块四 课题三 铁碳合金的组织和Fe-C合金相图
渗碳体的晶格
渗碳体的显微组织
必备知识
5.珠光体（P） 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物， 用符号P表示。它是铁素体和渗碳体层 片相间、交替排列形成的混合物。其 显微组织图如图4-18所示其中白色为 铁素体基体，黑色线条为渗碳体。珠 光体的含碳量为0.77%，由于珠光体 是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的 混合物，所以其力学性能是两者的综 合，强度较高，硬度适中，具有一定 的塑性。
Fe—Fe3C相图中七个特性点的温度、含碳量以及含义
点的符号
A C D E G S P
温度℃ 1538 1148 1227 1148 912 727 727
含碳量（%）
含义
0
纯铁熔点
4.3
共晶点，L⇌Ld(A+Fe3C)
6.69
渗碳体的熔点
2.11
碳在奥氏体（γ-Fe）中的最大溶解度点
0
纯铁的同素异构转变点，α—Fe⇌γ-Fe
（2）AECF线。 固相线，对应成分的液态合金冷却到此线上的对应点时完成结晶过程，变为固态，此线之下为 固相区域。在液相线与固相线之间是液态合金从开始结晶到结晶终了的过渡区，所以此区域液相与固相并存。AEC 区内为液相合金与固相奥氏体，CDF区内为液相合金与固相渗碳体。
（3）GS线 。奥氏体冷却时析出铁素体的开始线 （或加热时铁素体转变成奥氏体的终止线），又称A3线。奥氏 体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。
（4）ES线 。 碳在奥氏体（γ-Fe）中的溶解度曲线，又称ACm线。 奥氏体的溶碳能力沿该线上的对应点变化。 在1148℃时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11%（E点的含碳量），在727℃时降到0.77%（S点的含碳量）。在AGSE区 内为单相奥氏体。含碳量较高（>0.77%）的奥氏体，在从1148℃缓冷到727℃的过程中，由于其溶碳能力降低，多 余的碳会以渗碳体的形式从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。
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G
A+
F
A+F P
S
Fe3CⅡ
( F+ Fe3C )
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
1148℃
C
L+ Fe3CⅠ
F ( A+Fe3CⅡ+Fe3C )
Ld
Ld+Fe3CⅠ
A+Ld+Fe3CⅡ
727℃
K
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ Ld’+Fe3CⅠ
( P+Fe3CⅡ+Fe3C )
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
渗碳体组织金相图
4.珠光体 ( P ) 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 特点：有一定的强度、塑性，层片状。
5.莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 特点：硬而脆，不能进行压力加工。
第 二 节 Fe - Fe3C 相图分析
一.Fe - Fe3C 相图的建立
共晶反应相图 共析反应相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
4.过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢组织金相图
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
纯铁的冷却曲线
具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃
1394℃ δ - Fe γ - Fe
912℃
α - Fe
时间
二.Fe- C相图
温 度
Fe Fe3C Fe2C FeC
C
(6.69%C)
《 Metallography and heat-treatment 》 多媒体教学课件
第四章 铁碳合金相图
课件制作：王晓丽
本章是本课程的重点章
本章目的：
1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相； 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳 合金的结晶过程和其成分－组织－性能间 关系；说明铁碳相图的基本应用；
铁碳相图
L+δ
1538℃
1495℃ 0.53
δJ
T 912℃ γ
G
α+γ 0.77 α 0P.0218 S
0.0008Q
Fe
L+γ
2.11 E
L L +Fe3C D
4.3 C 1148℃ F
γ +Fe3C
A1 727℃
K
α+Fe3C C%
6.69
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
A
T°
L
D
L+A
E
渗碳体（沿F晶界分布的基片）→ 共析渗碳体（分 布在铁素体内的片层状）→渗碳体（沿A晶界呈网 状分布）→共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→渗碳 体（分布在莱氏体上的粗大片状）。
§1 纯铁、铁碳合金的相结构及其性能
一.纯铁的同素异构转变 二. Fe – C 二元相图 三. Fe- Fe3C合金的相结构及其性能
一.纯铁的的同素异晶转变
1 纯铁冷却中晶体结构的变化：
δ - Fe γ 1394 °C - Fe 912 °C α - Fe
体心立方
面心立方
体心立方
纯铁在冷却中经历两次同素异构转变
LB + H 1495℃ AJ
2.共晶转变反应:
LC 1148℃ ( AE + Fe3C ) Ld
3.共析转变反应式:
727℃
AS
( FP + Fe3C ) P
三.典型铁碳合金的结晶过程分析
• 工业纯铁 ( ingot iron )
• 共析钢
( eutectoid steel )
• 亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
相组成物: F ; Fe3C
6.69-0.45
F=
100% = 94% Fe3C = 1 - WF = 6%
6.69-0.02
第三节 铁碳相图的应用
一、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响 1.碳的质量分数对平衡组织的影响
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：
F Fe3CⅢ F P P P Fe3CⅡ P Fe3CⅡ Ld‘ Ld‘ Fe3CⅢ Ld‘
三、Fe - Fe3C 合金的相结构与性能
铁碳合金中的基本相和基本组织
1 基本组元： Fe、C 2 基本相： （1）铁素体(α或 F ) ： 定义: C在体心立方α－Fe中的间隙固
溶体 但C在α－Fe中的溶解度极小: 0.0008% (20℃) ~0.0218%
(727℃) 性能: 强硬度低(50HBS~80HBS)，
4.3%C
6.69%C Fe3C
二. Fe - Fe3C 相图的分析
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: ECF、ES(Acm)、GS(A3)、
FSK(A1)。 • 两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变
反应式。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
1.包晶转变反应式:
• 过共析钢 ( hypereutectoid steel )
• 共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
• 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
• 过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
本章重点：
（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶渗碳 体 共析渗碳体 二次渗碳体
（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义； 铁碳合金中各种相的本质与特征；
（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及 组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征
（4）掌握铁碳合金的成分—组织－性能之间的关系
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
过共晶白口铁组织金相图
组织组成物: F ; P
0.77-0.45
F=
100%=43%
0.77-0.02
0.45-0.02
0.02
0.77
0.45
6.69
P=
100% = 57% P = 1 – WF = 57%
0.77-0.02
塑韧性好(ψ:70 ％～80 ％; Ak=160J )
—— 与工业纯铁同
2.奥氏体 ( A )
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶 体。
性能 强硬度较低； 塑性较好 变形
抗力较低 易于锻压成形 顺磁性。
奥氏体组织金相图
3. 渗碳体 ( Fe3C )
铁与碳形成的金属化合物。
特点：硬度很高，很脆， 塑性几乎等于零，在钢 中起强化作用。