工程材料铁碳相图分析

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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

铁碳平衡图

（The Iron-Carbon Diagrams）

连聪贤

本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。

铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。铁碳合金状态图的实际应用。锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。碳铁的分类、编号、性能和用途。

铁碳合金状态图是金属热处理的基础。必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。练习绘制铁碳合金状态

四、课程纲要

（一）铁碳合金的构成

1．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素

异构转变。

2．为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？

答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度

为74%,α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。

3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？

答：铁素体（F）：铁素体是碳在??Fe中形成的间隙固溶体，为体心

立方晶格。由于碳在??Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。

奥氏体（A）：奥氏体是碳在??Fe中形成的间隙固溶体，面心立方

晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在??Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。

渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。

渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。

第二部分 铁碳合金 第六节 铁碳合金相图

铁碳合金即钢和铸铁是在现代工程中使用的最重要的金属合金。在铸铁和钢的产量上超过了超过10种其他材料的产量。

在这一章中讨论的铁碳合金相图将给铁碳合金的结构提出主要概念：钢和铸铁。它们已被普遍采用的铁碳合金称为钢（高达百分之二的碳含量）或铸铁（超过百分之二的碳含量）。在现代的工程，不过“钢” 一词也是适用于一些特殊的含有少量的碳或甚至是有害的杂质铁基合金 （我们将在本书后面讨论）。为了避免误解“钢”或“铸铁”将应用于铁含量超过 50%的铁合金的和铁含量少50%的合金。这种划分在科学不是严格的，不过其应用在明确的工程目的上。1868 年才开始铁碳合金相图以及铁碳合金的热处理工艺的研究。当 D.K.Chernoy发表了他的著名报告 ' 批判性地审查Kalakutsky先生和Kalakutsky先生关于铁和铁枪的论文以及D.K.Tschernoff个人相同主题的调查，在那一年，物理冶金才成为一门科学。

Chernov博士是第一个在列举工作中假设那些既定的关键点应

该会出现在钢铁中，而它们出现的位置则要取决于碳的结构。换句话来说，他是第一个给出了铁碳图示观念的人。

之后的一段时间，Chernov用绘图的方式表达

铁碳相图补充作业题

1. 铁碳合金按Fe—Fe3C相图成分区域分成七类，分别是什么？ 2. 分析以上七种成分合金平衡结晶过程与最终组织，并计算： （1） 工业纯铁中三次渗碳体的最大含金量； （2） 共析钢，α和Fe3C的相对含量；

（3）45钢（含C：0.45%）中，组织组成物和相组成物的相对含量； （4）T10钢（1%C）中，Fe3CⅡ珠光体的相对量； （5）共晶白口铁中，Fe3C共晶与γ量；

（6）3.0%的白口铸铁中，先共晶γ（或A）与Ld的相对含量； （7）5.0%的白口铸铁中，Fe3CⅠ 与Ld的相对量； 3. 填写Fe—Fe3C的组织组成图。

4. Fe—C合金室温组织中的基本相为F、Fe3C分布形态如何？

5. 一块碳钢在平衡冷却条件下，显微组织中含有50%的珠光体和50%的铁素体，问： （1） 此合金中碳的浓度为多少？

（2） 若合金加热到730。C，在平衡条件下将获得什么组织？ （3） 若加热到850。C，又将得到什么显微组织？

6. 描述5%C的铁碳合金平衡冷却至室温的过程，最终得到什么组织？并计算室温组织中

一次渗碳体，共晶渗碳体，二次渗碳体，共析渗碳体，三次渗碳体的重量分数。 7. 由图说明Fe—C合金平衡结晶时，机械性

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图

课题二 金属的晶体结构、铁碳合金组织和相图

金属材料的基本知识钢铁材料 铸铁(含碳量大于2.11%的铁碳合金) 根据含碳量的不同分为 钢(含碳量小于2.11%的铁碳合金) 炼铁 钢铁材料的生产方式 炼钢 钢材生产 型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等钢材种类

板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片 管材：无缝钢管和焊接钢管(又称有缝钢管) 线材：直径为6~9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢

金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性

能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异 的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。

一 金属的晶体结构与结晶 1.1 晶体及其特点固态物质分类

根据内部原子堆积的情况

晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等 非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等

晶体和非晶体的根本区别

晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。 非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。

晶体的特点

晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。

晶体具有各向异性。

纯铁晶粒 的内部结 构示意图

1.2 金属的三种常见晶体结构体心立方晶格

面心立方晶格密排六

铁碳合金

钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性很大，已无实用价值。所以，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在6.69%以下。

第一节 铁碳合金的基本组织

铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。 1．铁素体

碳溶入α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙分布较分散，所以间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。铁素体的塑性、韧性很好（δ=30～50%、aKU=160～200J／cm），但强度、硬度较低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。

2

图4.1 铁素体的显微组织（200×）

2．奥氏体

碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体具有面心立方晶格，其致密度较大，晶格间隙的总体积虽较铁素体小，但其分布相对集中，单个间隙的体积较大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大为2.11%。

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第四章 铁碳合金

一、目的与要求

主要讲授铁碳合金的基本相和基本组织；铁碳合金相图的分析、铁碳合金的分类、典型铁碳合金的结晶过程及室温组织；碳钢的概念、常存杂质元素对钢性能的影响、常用碳钢等内容。

二、重点与难点

重点：铁碳合金相图的相变规律、典型合金的结晶过程、常见碳钢。 难点：铁碳合金相图的相变、典型铁碳合金的结晶过程及室温组织。

三、教学方法与手段

课堂讲解、多媒体演示、实验。 四、教学内容与步骤 五、习题与思考题

1．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。

2．为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？

答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%,α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。 3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？

答：铁素体（F）：铁素体是碳在??Fe中形成的间隙固