工程材料4-1铁碳相图

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ENGINEERING MATERIALS

工程材料及应用多媒体教案

五邑大学机电工程学院第四章

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第四章 铁碳合金 第一节 铁碳合金系相图 一、铁碳合金系组元的特性 组元：纯铁 碳 1、纯铁 纯铁的同素异构转变

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1.铁碳合金系组元的特性 1.铁碳合金系组元的特性 (1) Fe 纯铁的机械性能：强度低、硬度低 纯铁的机械性能：强度低1538℃。 塑性好。 、硬度低、 铁是过渡族元素, 熔点为1538℃ 铁是过渡族元素, 熔点为1538℃。、塑性好。 抗拉强度 σb 3180 MPa~230 MPa 密度是7.87g/cm 密度是7.87g/cm 。 MPa~ MPa~ 屈服强度 σ0.2 100 MPa~170 MPa δ 30%~50% 30%~ 延伸率 70%~ 断面收缩率ψ 70%~80% 1.6× 冲击韧度 ak 1.6×106 J/m2~2×106 J/m2 HB~ 硬度 50 HB~80 HB 纯铁从液态结晶为固态后, 纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到 1394℃及912℃时 先后发生两次同素异构转变。 1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。

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2.1.2 同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构。 ●许多金属在固态下只有一种晶体结构。 如铝、 银等金属在固态时无论温度高低， 如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低， 均为面心立方晶格。 均为面心立方晶格。 钒等金属为体心立方晶格。 钨、钼、钒等金属为体心立方晶格。 有些金属在固态下， ●有些金属在固态下，存在两种或两种以上 的晶格形式。 的晶格形式。 如铁、 钛等，在冷却或加热过程中， 如铁、钴、钛等，在冷却或加热过程中，晶 格形式会发生变化。 格形式会发生变化。 金属在固态下随温度的改变， 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变 为另一种晶格的现象，称为同素异构转变 同素异构转变。 为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

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纯铁的同素异构转变: 纯铁的同素异构转变: 液态纯铁在1538℃ 1538℃结 ●液态纯铁在1538℃结 晶为体心立方晶格的δ Fe。 晶为体心立方晶格的δ-Fe。 冷却到1394℃ 1394℃时发 ●冷却到1394℃时发 生同素异构转变, 生同素异构转变, 成为面 心立方晶格的γ-Fe。 心立方晶格的γ Fe。 冷却到912℃ 912℃时又发 ●冷却到912℃时又发 生一次同素异构转变, 生一次同素异构转变, 成 为体心立方晶格的α Fe。 为体心立方晶格的α-Fe。

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同素异晶体： 同素异晶体：以不同晶体结构存在的同 一种金属的晶体。 一种金属的晶体。 Fe、 Fe、 Fe都是纯铁的同素异 δ-Fe、γ-Fe、α-Fe都是纯铁的同素异 晶体。 晶体。 金属从一种固体晶态转变为另一种固体 晶态的过程称为二次结晶 重结晶。 二次结晶或 晶态的过程称为二次结晶或重结晶。 金属的同素异构转变即是二次结晶或重 结晶。 结晶。

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同素异构转变特点 同素异构转变

时也有过冷现象， ●同素异构转变时也有过冷现象，放出 潜热，有固定的转变温度。 潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体 也有形核和长大两个过程。 也有形核和长大两个过程。 导致金属体积发生变化， ●导致金属体积发生变化，产生较大内 应力。例如γ Fe转变为 转变为α Fe时 应力。例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积 会膨胀约1%。可引起钢淬火时产生应力， 会膨胀约1%。可引起钢淬火时产生应力， 可引起钢淬火时产生应力 严重时会导致工件变形和开裂。 严重时会导致工件变形和开裂。 适当提高冷却速度， ●适当提高冷却速度，可以细化同素 异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。 异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能。

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2、碳 石墨：六棱柱体 0.142纳米 0.34纳米 耐高温 导电 润滑 强度、硬度、塑 性、韧性极低

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金刚石:正四面体 共价键

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碳在铁碳合金中的存在形式 固溶体 渗碳体(Fe3C) 石墨

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二、铁碳相图

老师提示： ☆ 老师提示：重点内容

铁碳相图是研究钢和铸铁的基础， 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于 钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的 制订也具有重要的指导意义。 制订也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物， 铁和碳可以形成一系列化合物， FeC等 如Fe3C、Fe2C、FeC等。 有实用意义的是Fe部分， 有实用意义的是Fe-Fe3C部分， Fe Fe相图。 称为 Fe-Fe3C相图。 此时相图的组元为Fe Fe和 此时相图的组元为Fe和Fe3C。

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Fe - Fe3C 相图的特征A T°

匀晶相图 L+A

共晶相图

LE 1148℃ C ( A+Fe3C )

D L+ Fe3CⅠ F Ld+Fe3CⅠ 727℃ K Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C

G 共析相图 S A+F F P ( F+ Fe3C ) A+ Fe3CⅡ

A

LdA+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C

P

P+Fe3CⅡ Q P+F 0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe

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1. 铁碳合金中的相 液相L (1) 液相L 液相L是铁与碳的液溶体 液溶体。 液相δ相 δ相 (2) L是铁与碳的液溶体。 相又称高温铁素体 高温铁素体, δ相又称高温铁素体, 是碳在δ-Fe中的间隙固溶 是碳在相 α相 (3) αδ Fe中的间隙固溶 呈体心立方晶格, 体,呈体心立方晶格,,在 铁素体, (4) α相也称铁素体 用 γ相 γ相也称铁素体 相 表示, 是碳在α 用符号A或γ表示 F或α表示, 是碳在α-Fe中的间隙固溶体, 体心立方 1394℃以上存在 1394℃以上存在。 ,Fe中的间隙固溶体 , 是碳在 相常称奥氏体 中的间隙固溶体, 表示, γ以上存在。 相常称奥氏体 用符号A (5) Fe3C相 奥氏体, 晶格，碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008% 0.0008%。 晶格，碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%。在727 中的间隙固溶体, 面心立方晶格， γ-Fe 中的间隙固溶体, 面心立方晶格，碳的固溶度 相是Fe Fe与 Fe3C相是Fe与C

的一种具有复杂结构的间隙化合 ℃时溶碳量最大(0.0218%)。 2.11%。 时溶碳量最大(0.0218% 较大, ℃时溶碳量最大达 时溶碳量最大达2.11% 较大, 在1148 是硬而脆。 )。 2.11%。 性能特点 ℃时溶碳量最大达 物, 性能特点是硬而脆。 铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。 铁素体性能是强度低、硬度低、塑性好。机械性 奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。 奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。 渗碳体根据生成条件不同有条状 网状、片状、 根据生成条件不同有条状、 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、 能与纯铁大致相同。 能与纯铁大致相同。 粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。

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2.Fe2.Fe-Fe3C相图 的特性点 特性点温度、 特性点温度、碳质量分数

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相图中重要的点

共晶点) ●C点(共晶点)

共晶反应在恒温下进行, 共晶反应在恒温下进行, 反应过程中 三相共存，三相成分一定。 L、A、Fe3C三相共存，三相成分一定。

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共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的机械混和 共晶反应产物是奥氏体与渗碳体的机械混和 莱氏体(Le)。 物, 称莱氏体(Le)。 中的渗碳体称共晶渗碳体。 其中的渗碳体称共晶渗碳体。 微镜下莱氏体形态： 显微镜下莱氏体形态： 块状或粒状A(727 时转变成珠光体) A(727℃ 块状或粒状A(727℃时转变成珠光体)分布在 渗碳体基体上。 渗碳体基体上。

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共析点) ●S点(共析点)

共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、 共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、 三相共存，三相成分一定。 Fe3C三相共存，三相成分一定。 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的机械混 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的机械混 合物, 珠光体, 以符号P表示。 合物, 称珠光体, 以符号P表示。 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。

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珠光体形态： 珠光体形态：显微镜下珠光体的形态呈 层片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。 层片状。相间分布渗碳体片与铁素体片。 珠光体性能：强度较高, 塑性、 珠光体性能：强度较高, 塑性、韧性和 硬度介于渗碳体和铁素体之间。 硬度介于渗碳体和铁素体之间。珠光体机械性能

抗拉强度极限 /σ b 770 MPa

冲击韧性

延伸率

硬度

ak3×105 J/m2 ~ 4×105 J/m2

δ20%~ 20%~35% 180 HB

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