相平衡与相图铁碳相图精选课件.ppt

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1、关于相平衡与相图铁碳相图第一页，本课件共有50页2一一.铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 钢和铸铁钢和铸铁是应用最广的金属材料，虽然它们的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种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)(Fe)和碳和碳(C)(C)两种元素，故统称为两种元素，故统称为铁碳合金铁碳合金。因此，。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。题是非常重要的。第二页，本课件共有50页3 在在铁铁碳碳合合金金中中，FeFe与与C C可可以以形形成成一一系系列列化

2、化合合物物：FeFe3 3C C、FeFe2 2C C、FeCFeC。所所以以，Fe-CFe-C相相图图可可以以划划分分成成Fe-FeFe-Fe3 3C,C,FeFe3 3C-C-FeFe2 2C,C,FeFe2 2C-FeCC-FeC和和FeC-CFeC-C四四个个部部分分。工工业业上上使使用用的的铁铁碳碳合合金金含含碳碳量量不不超超过过5 5，因因此此，通通常常所所说说的的铁铁碳碳相相图图就就是是Fe-Fe-FeFe3 3C C部分部分。Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图 第三页，本课件共有50页41)1)纯铁（纯铁（FeFe）纯铁纯铁 熔点熔点15381538，密度，密度7.87g

3、/7.87g/。1.Fe1.FeC C合金中的组元合金中的组元 铁碳合金中组元：铁碳合金中组元：渗碳体（渗碳体（FeFe3 3C C）纯铁纯铁(Fe)(Fe)纯纯铁铁具具有有磁磁性性转转变变（770770磁磁性性转转变变）。纯纯铁铁的的强强度度低低，塑塑性性好好(软软)，很少用于结构材料。主要利用，很少用于结构材料。主要利用铁磁性铁磁性。纯铁的显微组织纯铁的显微组织 第四页，本课件共有50页5纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 纯铁固态下具有纯铁固态下具有同素异构转变同素异构转变：912C912C以下为体心立方以下为体心立方(bcc)(bcc)晶体结构，晶体结构，912C

4、912C到到1394C1394C之间为面心立方之间为面心立方(fcc)(fcc)结构结构,1394C1394C到熔点之间为体心立方到熔点之间为体心立方(bcc)(bcc)结构。结构。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 第五页，本课件共有50页6通常将通常将 转变称为转变称为A A4 4 转转变，转变的平衡临界点温度称为变，转变的平衡临界点温度称为A A4 4 点点.将将 转变称为转变称为A A3 3 转变，转变转变，转变的平衡临界点温度称为的平衡临界点温度称为A A3 3 点。点。通常将通常将-Fe-Fe在在770770的磁性转变（高温的顺的磁性转变（高温的顺磁性磁性低温的铁磁性）称为低温的

5、铁磁性）称为A A2 2转变，磁性转转变，磁性转变温度称为铁的居里点。变温度称为铁的居里点。纯纯铁铁的的冷冷却却曲曲线线第六页，本课件共有50页72)2)渗碳体渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)渗渗碳碳体体是是FeCFeC合合金金中中碳碳以以化化合合物物FeFe3 3C C形形式式出出现现，含含碳碳量量6.69%6.69%。正正交交晶晶系系,C,C原原子子周周围围有有6 6个个FeFe原原子子，构构成成一一个个八八面面体体,Fe:C=3:1,Fe:C=3:1，一个渗碳体晶胞含有，一个渗碳体晶胞含有1212个铁原子和个铁原子和4 4个碳原子。个碳原子。渗渗碳碳体体的的晶晶格格 第七页，本课件共有5

6、0页8 Fe Fe3 3C C在在230230以下具有铁磁性，渗碳体在以下具有铁磁性，渗碳体在230230的磁性转变称的磁性转变称为为A A0 0 转变。转变。FeFe3 3C C在在钢钢和和铸铸铁铁中中呈呈现现片片状状，粒粒状状，网网状状和和板板条条状状。渗渗碳碳体体硬硬而而脆脆，塑塑性性极极低低，延延伸伸率率接接近近于于0 0。它它是是钢钢铁铁材材料料中中的的主主要强化相。要强化相。渗碳体组织金相图渗碳体组织金相图第八页，本课件共有50页92.Fe-C2.Fe-C合金中的基本相和组织合金中的基本相和组织 在在FeFeFeFe3 3C C相图中，相图中，Fe-CFe-C合金在不同条件合金在不

7、同条件(成分，温度成分，温度)下，可有下，可有六个基本相：六个基本相：液相、液相、相、相、相、相、相、相、FeFe3 3C C相、相、石墨（石墨（C C）（1 1）液相）液相(L)(L)FeFe与与C C在高温下形成的液体溶液。在高温下形成的液体溶液。（2 2）相相C C溶于溶于FeFe中的间隙固溶体称为中的间隙固溶体称为 铁素体，也称铁素体，也称高温铁素高温铁素体体。在在14591459时最大溶解量可达时最大溶解量可达0.09%0.09%，为，为bccbcc结构，结构，（3 3）渗碳体）渗碳体 前面已讨论过前面已讨论过第九页，本课件共有50页10含100%C，灰口铸铁中一个基本组成相，用C或

8、G表示。(4)(4)石墨石墨石墨具有简单六方晶格。石墨具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子以共价键结合同一晶面上碳原子以共价键结合,间距间距0.142nm0.142nm结合力较强。结合力较强。两层晶面的间距为两层晶面的间距为0.34nm0.34nm，结合力弱。，结合力弱。耐高温，导电，一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和耐高温，导电，一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。韧性都极低。第十页，本课件共有50页11 （5 5）奥氏体奥氏体 奥奥氏氏体体(常常用用或或A A表示)，是是C C溶溶解解于于FeFe中中形形成成的的间间隙隙固固溶溶体体。铁铁具具有有fccfcc面面心心立立方方结结

9、构构。奥奥氏氏体体间间隙隙大大，可可以以溶溶解解较较多多的的碳碳。奥奥氏氏体体的的硬硬度度较较低低，塑塑性性高高。铁铁是是顺顺磁磁性性的的。晶晶粒呈粒呈平直多边形平直多边形。碳在碳在FeFe中的位置中的位置奥氏体的显微组织奥氏体的显微组织 第十一页，本课件共有50页12奥氏体组织金相图奥氏体组织金相图第十二页，本课件共有50页13（6 6）铁素体）铁素体 铁素体（铁素体（或或F F）是）是C C溶于溶于FeFe中形成的间隙中形成的间隙固溶体固溶体,具有体心立方具有体心立方bccbcc结构。结构。铁素体的溶碳能力铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多比奥氏体小得多，含碳量含碳量非常低，所以其性能与非常低

10、，所以其性能与纯铁相似：硬度低，塑纯铁相似：硬度低，塑性高。性高。第十三页，本课件共有50页14铁素体组织金相图铁素体组织金相图铁素体铁素体的显微的显微组织与组织与工业纯工业纯铁相同铁相同,晶粒常晶粒常呈多边呈多边形形。第十四页，本课件共有50页15珠光体珠光体 (P)(P)铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体金相图珠光体金相图第十五页，本课件共有50页16莱氏体莱氏体 (Ld)(Ld)奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是一个连续分布的基体相，奥氏体则呈颗粒在莱氏体中，渗碳体是一个连续分布的基体相，奥氏体则呈颗粒

11、状分布在渗碳体的基体上。因为渗碳体很脆，所以莱氏体是一种状分布在渗碳体的基体上。因为渗碳体很脆，所以莱氏体是一种塑性很差的组织。塑性很差的组织。莱莱氏氏体体金金相相图图第十六页，本课件共有50页17下下图图为为Fe-Fe-碳碳合合金金双双重重相相图图。图图中中实实线线部部分分为为Fe-FeFe-Fe3 3C C相相图图，虚虚线线表表示示Fe-CFe-C（石石墨墨）相相图图（虚虚线线与与实实线线重重合合的的部部分分以以实实线线表表示示）。铁碳相图通常是指。铁碳相图通常是指Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。二、二、FeFeFeFe3 3C C相图分析相图分析 分分析析点点、线线、区区特特

12、别别是是重重要要的的点点、三三条条水水平平恒恒温温转转变变线线、重重要的相界线要的相界线 第十七页，本课件共有50页18相图的分析相图的分析五个重要的成份点五个重要的成份点:P P、S S、E E、C C、K K。四条重要的线四条重要的线:EF EF、ESES、GSGS、PKPK。两个重要转变两个重要转变:共晶转变反应式、共共晶转变反应式、共析转变反应式。析转变反应式。二个重要温度二个重要温度:1148 1148、727 727。第十八页，本课件共有50页19（1 1）FeFeFeFe3 3C C相图的点相图的点五个重要的成份点五个重要的成份点:P、S、E、C、K。第十九页，本课件共有50页2

13、0（2 2）FeFeFeFe3 3C C相图的线相图的线 FeFe FeFe3 3C C相图有一些特性线，它们是相图有一些特性线，它们是由不同成分合金具有相同意义的点连接起由不同成分合金具有相同意义的点连接起来的。来的。有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线有三条水平恒温转变线，二条磁性转变线(水平水平)和三条重要的相界线。和三条重要的相界线。第二十页，本课件共有50页21A.A.三条水平恒温转变线三条水平恒温转变线围围绕绕三三条条水水平平线线可可把把FeFeFeFe3 3C C相相图图分分解解为为三三个个部部分分考考虑虑：左左上上角角的的包包晶晶部部分分，右右边边的的共共晶晶部部分分，左下角的

14、共析部分。左下角的共析部分。第二十一页，本课件共有50页22 包晶线：包晶线：HJBHJB线（线（14951495），J J为包晶点，为包晶点，w wc c=0.09=0.090.53%0.53%的的Fe-CFe-C合金缓冷到合金缓冷到HJBHJB线均发生包晶反线均发生包晶反应，即：应，即：L L0.530.53+0.090.090.170.17 （L LB B+H HJ J）第二十二页，本课件共有50页23 共晶线：共晶线：ECFECF水平线（水平线（11481148），C C点为共晶点，点为共晶点，w wc c=2.11=2.116.69%6.69%的的Fe-CFe-C合金缓冷到合金缓冷到

15、ECFECF线均发生共晶反应：线均发生共晶反应：转变产物为奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物转变产物为奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物（+Fe+Fe3 3C C ），称为），称为莱氏体，用莱氏体，用LdLd表示。表示。L L4.304.302.112.11+Fe+Fe3 3C C（L LC CE E+Fe+Fe3 3C C）第二十三页，本课件共有50页24 共析线：共析线：PSKPSK水平线（水平线（727727），S S点为共析点。凡点为共析点。凡w wc c0.0218%0.0218%的的Fe-CFe-C合金冷却到合金冷却到PSKPSK线均发生共析反应：线均发生共析反应：0.770.770.02

16、180.0218+Fe+Fe3 3C C （S SP P+Fe+Fe3 3C C）转变产物为铁素体和渗碳体组成的机械混合物（转变产物为铁素体和渗碳体组成的机械混合物（+FeFe3 3C C ），称为），称为珠光体，用珠光体，用P P表示。表示。共析转变温度常用共析转变温度常用A A1 1表示表示。第二十四页，本课件共有50页25B.B.两条磁性转变线两条磁性转变线 230 230水平线为渗碳体水平线为渗碳体FeFe3 3C C的磁性转变线的磁性转变线，230230以上以上FeFe3 3C C无磁性，无磁性，230230以下为铁磁性。常用以下为铁磁性。常用A A0 0表示表示 770770为铁素

17、体为铁素体的铁磁性转变线的铁磁性转变线。770770以上无铁磁以上无铁磁性，性，770770以下为铁磁性。常用以下为铁磁性。常用A A2 2表示，称居里点。表示，称居里点。第二十五页，本课件共有50页26C.3C.3条重要的相界线条重要的相界线(固溶度曲线固溶度曲线)GS GS线：又称线：又称为为A A3 3线。线。奥氏奥氏体中体中开始析出开始析出铁素体铁素体或或全部溶入全部溶入(升升温时温时)的转的转变线。变线。A A3 3温度。温度。第二十六页，本课件共有50页27 ES ES线线：C C在奥氏体在奥氏体中的溶解度曲线。称为中的溶解度曲线。称为A ACmCm温度。温度。温度降低，溶解度降低

18、，将析出次生的渗碳体温度降低，溶解度降低，将析出次生的渗碳体FeFe3 3C C。为了。为了区别自液态合金区别自液态合金(CD(CD线线)中直接析出的一次中直接析出的一次FeFe3 3C C，将，将中析出的中析出的FeFe3 3C C称为称为二次渗碳体，记为二次渗碳体，记为FeFe3 3C C。因此。因此ESES线也称为二次渗碳体线也称为二次渗碳体的开始析出线。的开始析出线。第二十七页，本课件共有50页28 PQPQ线线：C C在在铁铁素素体体中的溶解度曲线中的溶解度曲线。在在727727时时，C C在在中中的的最最大大溶溶解解度度0.0218%0.0218%，温温度度下下降降，C C溶溶解解

19、度度下下降降，会会析析出出少少量量的的渗渗碳碳体体，称称为为三三次次渗渗碳碳体体，记记为为FeFe3 3C C。以以区区别别于于沿沿CDCD线线和和ESES线线析析出出的的渗渗碳体碳体FeFe3 3C C。第二十八页，本课件共有50页29（3 3）FeFeFeFe3 3C C相图中的区相图中的区 5 5个单相区个单相区：液相区（：液相区（L L）、）、固溶体区（固溶体区（）、奥氏）、奥氏体区（体区（）、铁素体区（）、铁素体区（）、渗碳体区（）、渗碳体区（FeFe3 3C C）第二十九页，本课件共有50页30 7 7个两相区个两相区：L+L+、L+L+、L+FeL+Fe3 3C C、+、+FeF

20、e3 3C C、+、+Fe+Fe3 3C C第三十页，本课件共有50页31 3 3个三相共存区个三相共存区：L+FeL+Fe3 3C C（ECFECF线）、线）、L+L+（HJBHJB线）、线）、+Fe+Fe3 3C C（PSKPSK线）线）第三十一页，本课件共有50页32三、三、Fe-CFe-C合金分类合金分类 按含碳量按含碳量(W(Wc c)及有无共晶转变分为三大类：及有无共晶转变分为三大类：工业纯铁工业纯铁：W Wc c0.0218%0.0218%的铁碳合金与铁一样只发生同素异晶转变，的铁碳合金与铁一样只发生同素异晶转变，称之为工业纯铁。很少用作工程结构材料。称之为工业纯铁。很少用作工程

21、结构材料。碳钢碳钢 (W(Wc c=0.0218=0.02182.11%2.11%不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢不发生共晶转变的铁碳合金称为碳钢)铸铁铸铁（W Wc c=2.11=2.116.69%6.69%发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁发生共晶转变的铁碳合金称为铸铁)。第三十二页，本课件共有50页33共析钢共析钢：Wc=0.77%Wc=0.77%亚共析钢亚共析钢:Wc=0.0218-0.77%:Wc=0.0218-0.77%过共析钢过共析钢：Wc=0.77-2.11%Wc=0.77-2.11%根据其室温组织的不同，根据其室温组织的不同，碳钢碳钢又可分为：又可分为：共晶白口铸铁共晶白口铸铁：

22、Wc=4.30%Wc=4.30%亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁：Wc=2.11-4.30%Wc=2.11-4.30%过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁:Wc=4.30-6.69%Wc=4.30-6.69%根据根据白口铸铁白口铸铁室温组织不室温组织不同，可分为三种：同，可分为三种：第三十三页，本课件共有50页34从上述每类铁碳合金中各选择一种分析其平衡凝固过程。从上述每类铁碳合金中各选择一种分析其平衡凝固过程。第三十四页，本课件共有50页35四、四、FeFeC C合金的平衡结晶过程及组织合金的平衡结晶过程及组织(以以Wc=0.01%Wc=0.01%的合金为例的合金为例)1 1）工业纯铁）工业纯铁匀晶转变

23、多晶型转变脱溶沉淀匀晶转变多晶型转变脱溶沉淀转变过程转变过程：LL+FeLL+Fe3 3C C 第三十五页，本课件共有50页36 室温组织为：室温组织为：+Fe+Fe3 3C C Fe Fe3 3C C最多为最多为0.33%0.33%工业纯铁室温组织图（工业纯铁室温组织图（200200）将从将从FeFe中析出的中析出的FeFe3 3C C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。制，形成微量的过饱和状态。通常的组织为单一铁素体。通常的组织为单一铁素体。第三十六页，本课件共有50页37（2 2）共析钢共析钢（W Wc c=0.77%=0.77%

24、）过程如下：过程如下：LL+P+PLL+P+P（+Fe+Fe3 3C C）P+FeP+Fe3 3C C （常忽略）（常忽略）匀晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变共析转变脱溶沉淀FeFe3 3C C与共析渗碳体连在一起，在显微与共析渗碳体连在一起，在显微镜下难以分辨，数量也很少，对性能无镜下难以分辨，数量也很少，对性能无明显影响，一般忽略不计。）明显影响，一般忽略不计。）第三十七页，本课件共有50页38 室室温温组组织织为为珠珠光光体体P P（+FeFe3 3C C），P P呈呈层层片片状状，是是铁铁素素体体和和渗渗碳碳体体FeFe3 3C C的的层层片片交交替替重重叠叠的的机机械械混混合合物物。图

25、图中中的的白白色色片状为片状为，黑色片状为，黑色片状为FeFe3 3C C。相相:Fe3C：=(6.69-0.77)/6.6988%Fe3C%=0.77/6.69=12%组织：组织：P P，100100第三十八页，本课件共有50页39共析钢组织金相图共析钢组织金相图第三十九页，本课件共有50页40（3 3）亚共析钢）亚共析钢 （Wc=0.0218Wc=0.02180.77%0.77%）结晶过程如下：结晶过程如下：LL+L+L+P+PLL+L+L+P+P（析出（析出FeFe3 3C C）匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶转变包晶转变共析转变脱溶沉淀 第四十页，本课件共有50页41注意：注意：在

26、在共共析析转转变变之之前前生生成成的的称为先共析铁素体。称为先共析铁素体。共共析析转转变变之之前前和和的的相相对对量量(即即共共析析转转变变后后和和P P的的相相对对量量)可可通通过过杠杠杆杆法法则来计算。则来计算。室温组织为：室温组织为：（铁素体）（铁素体）+P(+P(珠光珠光体体)，图中的白色为，图中的白色为，黑色片状为，黑色片状为P P。第四十一页，本课件共有50页42相相:Fe3C：=(6.69-0.4)/6.6994%Fe3C%=0.4/6.69=6%组织：组织：F+P:F=(O.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%,P%=(0.4-0.02)/(0.77-0.02)=51

27、%第四十二页，本课件共有50页43W Wc c0.20.2，500500（铁素体片状珠光体）（铁素体片状珠光体）W Wc c0.40.4 （铁素体珠光体）（铁素体珠光体）W Wc c0.60.6，500500（铁素体呈网、块状（铁素体呈网、块状(白色白色)片状珠光体）片状珠光体）碳碳钢钢的的室室温温组组织织第四十三页，本课件共有50页44亚共析钢组织金相图亚共析钢组织金相图第四十四页，本课件共有50页45（4 4）过共析钢过共析钢（Wc=0.77Wc=0.772.11%2.11%）过程如下：过程如下：LL+FeLL+Fe3 3C C P+Fe P+Fe3 3C C 匀晶转变共析转变脱溶沉淀匀晶

28、转变共析转变脱溶沉淀第四十五页，本课件共有50页46 室温组织为：室温组织为：P P（珠光体）（珠光体）+Fe+Fe3 3C C（二次渗碳体，又称先共（二次渗碳体，又称先共析渗碳体），图中的白色为网状析渗碳体），图中的白色为网状FeFe3 3C C，暗黑色为，暗黑色为P P。过共析钢的室温组织（过共析钢的室温组织（500500）第四十六页，本课件共有50页47第四十七页，本课件共有50页48过共析钢组织金相图过共析钢组织金相图第四十八页，本课件共有50页49相相:Fe3C：=(6.69-1.2)/6.6982%Fe3C%=1.2/6.69=18%组织：组织：P+FeFe3 3C C:P=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)=93%,FeFe3 3C C%=(1.2-0.77)/(6.69-0.77)=)/(6.69-0.77)=7%第四十九页，本课件共有50页感感谢谢大大家家观观看看第五十页，本课件共有50页