工程材料及应用第四章钢铁材料

第四章 铁碳合金 铁碳合金系相图 铁碳合金平衡冷却过程分析

碳对铁碳合金的影响 碳钢 铸铁1

第一节 铁碳合金系相图一、组元的特性1.纯铁纯铁的同素异晶转变

铁素体的磁性转变温度为770℃(居 里点),曾经把770-912℃无磁性 (顺磁性)的铁称为β -Fe。工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度 低，塑性、韧性好。 抗拉强度 σ b=180-230Mpa 延伸率 δ =30-50% 断面收缩率ψ =70-80% 冲击韧性 ak=160-200J/cm2 硬度 50-60HB

第一节 铁碳合金系相图

一、组元的特性2.碳游离的碳有石墨和金刚石两 种晶体结构，在铁碳合金中的游 离态是石墨。石墨(Graphite)具 有简单六方晶格。同一晶面上碳 原子以共价键结合,间距0.142nm 结合力较强，两层晶面的间距为 0.34nm,结合力弱。 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。 石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但 其强度、硬度、塑性和韧性都极低。3

第一节 铁碳合金系相图

二、铁碳合金中的基本相α 相 C在α -Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc,仅由α 相 形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。 γ 相 C在γ -Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc,仅由γ 相 形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。 δ 相 C在δ -Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc,δ 相出 现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。 Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为 6.69%,晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称 为渗碳体，依然记为Fe3C,也有写为Cm(Cementite)。 石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记 G(Graphite)。

L相

碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。

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第一节 铁碳合金系相图

三、铁碳合金三相平衡转变这是一包晶反应，发生在高温， 并且在随后的冷却过程中组织还 会发生变化，不作讨论。 共晶反应，产物共晶体组织称为 莱氏体，记录Ld(Ledeburite)

共析反应，产物为两相层片交替 分布的共析体组织称为珠光体， 记录P(Pearlite)

第一节 铁碳合金系相图

四、Fe-Fe3C 合金相图1、相图形式

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第一节 铁碳合金系相图

四、Fe-Fe3C合金相图2、相图中各点的参数及含义

第一节 铁碳合金系相图

四、Fe-Fe3C合金相图3、相图中相区 五个单相区：液相区 L 奥氏体 (A) 渗碳体 Fe3C 高温固溶体 铁素体 (F)

七个双相区：L+ + +

L+ + Fe3C +Fe3C

L+ Fe3C

三个三相区：HJB线 L+ + ECK线 L + + Fe3C PSK线 + +

Fe3C11

第二节 铁碳合金平衡冷却分析铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型： 工业纯铁 (C%<0.02%) 钢 (C%<2.11%) 亚共析钢 共析钢 过共析钢 白口铸铁 (C%>2.11%) 亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁 灰口铸铁 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁

一、工业纯铁(C%<0.02%)含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从α -Fe中析出的 Fe3C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过 饱和状态。 通常的组织为单一铁素体。12

第二节 铁碳合金平衡冷却分析

二、共析钢(C%≈0.77%)

相转变过程组织转变过程 L L+A P13

第二节 铁碳合金平衡冷却分析

二、共析钢(C%≈0.77%)共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组 织为单一的珠光体。两相的重量比≈两相的厚度比≈8:1

第二节 铁碳合金平衡冷却分析

三、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)

组织转变

L-……- A

F+A

F+P

第二节 铁碳合金平衡冷却分析

三、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)