资源简介

(共45张PPT)
Fe-Fe3C相图分析
铁碳合金相图的组成
Part 01
Fe-Fe3C相图的特性点与特性线
Part 02
铁碳合金的分类
Part 03
碳钢的组织转变过程
Part 04
白口铸铁的结晶过程
Part 05
含碳量对钢的组织和力学性能的影响
Part 06
Fe-Fe3C相图的应用
Part 07
铁碳合金相图的组成
一、铁碳合金相图
铁碳合金相图表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。
二、铁碳合金相图的组成
在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C，Fe2C和FeC等一系列化合物，而稳定的化合物可以作为一个独立的组元，因此整个Fe-C相图可视为由Fe-Fe3C，Fe3C-Fe2C，Fe2C-FeC等一系列二元相图组成，如图示。
二、铁碳合金相图的组成
但工业用铁碳合金的含碳量一般不超过5%，因此含碳量更高的铁碳合金，脆性很大，没有使用价值。因此在铁碳合金相图中，仅研究Fe-Fe3C，故铁碳合金相图也可以认为是Fe-Fe3C相图，如图示。
二、铁碳合金相图的组成
图中纵坐标为温度，横坐标为含碳量的质量百分数。
为便于研究和分析，将相图上实用意义不大的左上角部分（液相向δ—Fe及δ—Fe向γ—Fe转变部分）予以省略。经简化后的Fe-Fe3C相图如图所示。
Fe-Fe3C相图的特性点与特性线
一、Fe-Fe3C相图的特性点
Fe-Fe3C相图中的几个特性点如图示
一、Fe-Fe3C相图的特性点
Fe-Fe3C相图中几个特性点的温度、含碳量及其物理含义见下表：
二、Fe-Fe3C相图的特性线
Fe-Fe3C相图的特性线如图示
二、Fe-Fe3C相图的特性线
Fe-Fe3C相图中几条特性线的物理含义见下表：
铁碳合金的分类
铁碳合金的分类
根据含碳量和室温组织，铁碳合金一般分为工业纯铁、钢及白口铸铁。
一、工业纯铁
含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，其室温组织为铁素体。
二、钢
含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金称为钢。根据含碳量和室温组织的不同，又可分为：
亚共析钢（C<0.77%）
室温组织由铁素体和珠光体组成。
共析钢（C=0.77%）
室温组织全部是珠光体。
过共析钢（C>0.77%）
室温组织由珠光体和二次渗碳体组成。
三、白口铸铁
含碳量在2.11%—6.69%的铁碳合金称为白口铸铁。根据含碳量和室温组织的不同，又可分为：
亚共晶白口铸铁（C<4.3%）
室温组织由珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体组成。
共晶白口铸铁（C=4.3%）
室温组织全部是低温莱氏体。
过共晶白口铸铁（C>4.3%）
室温组织由一次渗碳体和低温莱氏体组成。
碳钢的组织转变过程
碳钢的组织转变过程
现已几种典型成分的钢为例，分析其组织转变过程，所选取的合金成分如图示。
一、共析钢（合金Ⅰ）
共析钢的结晶过程如图示。
合金在1点温度以上为液态合金，当液态合金冷却到与液相线AC相交于1点的温度时，从液相中开始结晶出奥氏体，随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE改变，而剩余液相就逐渐减少，其成分沿液相线改变，到2点温度时，液相全部结晶成原合金成分相同的奥氏体。
共析钢的结晶过程示意图
一、共析钢（合金Ⅰ）
在2点到3点温度范围内为单相的奥氏体，当冷却到3点（727℃）时，将发生共析转变，即As→(Fp+Fe3C)P,形成层片状珠光体。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
3点（727℃）以下，组织不在变化（当温度由727℃继续下降时，铁素体沿固溶线PQ改变成分析出Fe3CⅢ, Fe3CⅢ常与共析渗碳体连在一起，不易分辨，且数量极少，可忽略不计），室温组织仍为P，如图示。
共析钢组织金相图
二、亚共析钢（合金Ⅱ）
亚共析钢的结晶过程如图示。
合金在1点温度以上为液态合金，当液态合金冷却到与液相线AC相交于1点的温度时，从液相中开始结晶出奥氏体，随着温度的下降，奥氏体量不断增加，其成分沿固相线AE改变，而剩余液相就逐渐减少，其成分沿液相线改变，到2点温度时，液相全部结晶成原合金成分相同的奥氏体。
亚共析钢的结晶过程示意图
二、亚共析钢（合金Ⅱ）
在2点到3点温度范围内为单相的奥氏体，当冷却到与GS线相交于3点温度时，奥氏体开始转变成铁素体，为先析铁素体。在3~4点冷却过程中，奥氏体成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化。当温度降到727℃时，同时奥氏体成分达到S点（C=0.77%），则发生共析转变，即As→(Fp+Fe3C)P,形成层片状珠光体，此时原先析出的铁素体保持不变，所以共析转变后，合金的组织为铁素体与珠光体。4点（727℃）以下，组织不在变化,室温组织仍为F+P，如图示。
亚共析钢组织金相图
三、过共析钢
过共析钢的结晶过程如图示。
在1点到3点温度间的结晶过程与共析钢相同，当合金冷却到与ES线相交于3点温度时，奥氏体中溶碳量达到饱和而开始析出二次渗碳体，二次渗碳体沿着奥氏体晶界析出而成网状分布，随着温度的下降，析出的二次渗碳体量不断增加，剩余奥氏体中溶碳量沿ES线变化而逐渐减少，当温度下降到4点时，奥氏体中的碳量降为0.77%，故在4点（727℃）发生共析转变而成为珠光体，4点以下直至室温，合金组织基本不变。
所以，过共析钢的室温组织为P+网状Fe3CⅡ，如图示。
三、过共析钢
过共析钢的结晶过程示意图
过共析钢组织金相图
白口铸铁的结晶过程
白口铸铁的结晶过程
现已几种典型成分的白口铸铁为例，分析其组织转变过程，所选取的合金成分如图示。
一、共晶白口铸铁（合金Ⅴ）
共晶白口铸铁的结晶过程如图示。
当L相冷却至C点时发生共晶转变，1-2点间，Le的A中不断析出Fe3CⅡ, Fe3CⅡ与Fe3C相连，在显微镜下无法分辨。但此时的莱氏体由A+Fe3CⅡ+Fe3C组成。由于Fe3CⅡ的析出，至2点时A中的溶碳量降为0.77%，并发生共析转变A→P；高温莱氏体Le转变成低温莱氏体Le′(P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶)。从2点至3点组织不变化室温组织仍为Le′，如图示。
一、共晶白口铸铁（合金Ⅴ）
共晶白口铸铁组织金相图
共晶白口铸铁结晶过程示意图
二、亚共晶白口铸铁(合金Ⅳ)
亚共晶白口铸铁的结晶过程如图示。
合金自1点起，从L中结晶出初生A，至2点时，L相的成分变为wc=4.3%，A的成分变为wc=2.11%，发生共晶转变L→Le (A+ Fe3C),而A不参与转变，在2-3点间继续冷却时，初生A不断在其晶界上析出Fe3CⅡ，同时Le中的A也析出Fe3CⅡ，至3点温度时，所有A的成分均为wc=0.77%，初生A发生共析转变A→P，高温莱氏体Le也转变为低温莱氏体Le′。在3点以下到4点，组织不再发生转变，因此其室温组织为P+ Fe3CⅡ+ Le′，如图示。
二、亚共晶白口铸铁(合金Ⅳ)
亚共晶白口铁组织金相图
亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
三、过共晶白口铸铁（合金Ⅵ）
过共晶白口铸铁的结晶过程如图示。
当过共晶白口铸铁冷却到1点温度时，开始从液态合金中结晶出一次渗碳体（Fe3CⅠ）。随着温度降低，Fe3CⅠ逐渐增多，而剩余液相的量逐渐减少，并且其成分沿液相线CD改变，Fe3CⅠ成分不变。当合金冷却到与共晶线ECF相交的2点温度（1148℃）时，剩余液相的含碳量正好是共晶成分（4.3%），因此，剩余液相发生共晶转变转变为高温莱氏体（Le），共晶转变结束时，合金的组织为Fe3CⅠ+ Le 。
合金在2点和3点间冷却时，Le 中的A同样要析出Fe3CⅡ，并在3点温度（727℃）时，该A发生共析转变形成珠光体，此时，Le →Le′（低温莱氏体）。3点以下组织不在变化，所以，过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3CⅠ+ Le′，如图示。
三、过共晶白口铸铁（合金Ⅵ）
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
含碳量对钢的组织和力学性能的影响
一、含碳量对组织的影响
Fe-Fe3C相图中铁碳合金室温下的组织都是由F和Fe3C两相组成，随着含碳量的增加，F的量逐渐减少，Fe3C的两则逐渐增多。
在室温下，随着含碳量的不同，不仅F和Fe3C的相对重量在变化，而且两相组合的形态即合金的组织也在变化，随着含碳量的增加，组织按下列顺序变化：
F F+P P P+Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’ Le’+ Fe3CⅠ
一、含碳量对组织的影响
二、含碳量对钢的力学性能的影响
随着含碳量的增加铁碳合金的硬度升高、塑性、韧性下降。
含碳量在0.9%以下时，随含碳量增加， Fe3C量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。
含碳量大于0.9%后，Fe3CⅡ呈网状分布于晶界上，使脆性增加，不仅使钢的塑性、韧性下降，而且强度也明显下降, 但硬度仍上升。
Fe-Fe3C相图的应用
Fe-Fe3C相图的应用
Fe-Fe3C相图较全面总结了铁碳合金的组织、性能随成分和温度变化的规律，对工业生产具有指导意义，它不仅为合理选择材料提供了理论基础，而且是制定铸造、锻造、热处理等热加工工艺的重要依据。
一、选材方面的应用
一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢来制造。其中需要塑性、韧性好的材料，应选用含碳量小于0.25%的钢；需要强度、塑性和韧性较好的材料，应选用含碳量为0.3%-0.55%的钢。
各种工具主要选用高碳钢制造。其中需要具备足够强度和相当韧性的冲压工具，一般可选用含碳量为0.7%-0.9%的钢制造；需要具备很高硬度和耐磨性的切削工具及测量工具，一般可选用含碳量为1.0%-1.3%的钢制造。
至于白口铸铁，其耐磨性好，铸造性能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、火车车轮、犁铧、球磨机铁球等。此外，白口铸铁还用作生产可锻铸铁的毛坯。
二、在制定工艺规范方面的应用
1. 在铸造工艺方面的应用
根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化温度、浇注温度（如图示）。
从Fe-Fe3C相图还可以看出，接近共晶成分的铸铁不仅熔点低，而且凝固区间小，故具有良好的铸造性能。这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛应用。
二、在制定工艺规范方面的应用
2. 在锻造工艺方面的应用
钢的室温组织是两相混合物，塑性差，变形困难，而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，钢材锻造、轧制的温度范围必须选择在Fe-Fe3C相图中均匀单一的奥氏体区域内进行，如图示。
二、在制定工艺规范方面的应用
3. 在焊接工艺方面的应用
对钢材来讲，含碳量越低，焊接性能越好，白口铸铁中Fe3C太多则焊接性能差。
焊接时由焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，由Fe-Fe3C相图可知，在不同加热下会获得不同的组织，随后的冷却也就可能出现不同组织与性能。
因此，焊接后需要配合合理的热处理方法，改善热影响区的不良组织，提高焊缝质量。
二、在制定工艺规范方面的应用
4. 在热处理工艺方面的应用
各种热处理工艺与Fe-Fe3C相图有着密切的关系。根据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度选择必须参考Fe-Fe3C相图，这将在“钢的热处理”这一章中详细介绍。
谢谢观看！

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