第二章碳钢,本章主要内容 碳钢的分类和牌号 纯铁的结晶和晶体结构 铁碳合金中的相和组织组成物 Fe-Fe3C相图 杂质元素对钢性能的影响 压力加工对钢组织和性能的影响,第一节 纯铁的组织和性能,问 题 什么是过冷现象和过冷度？ 什么是晶体和晶体结构？ 什么是晶体缺陷？可分为几类？对晶体的性能有哪些影响？ 纯铁的同素异构体有哪些？具有哪种的晶体结构？,一、纯铁的结晶,结晶：晶体由液态变成固态的过程。,2 过冷现象和过冷度 过冷度：理论结晶温度和实际开始结晶温度之差。,结晶过程,3结晶过程：形成晶核和晶核长大,二、晶体结构,晶体结构：原子、分子或者离子在空间的具体排列称为晶体结构。 2 如何研究晶体结构？ 晶体原子 点 点阵 晶格 晶胞,晶体结构,晶胞参数,晶胞：构成晶格的最基本的单元。,3金属中常见的晶体结构类型,体心立方(BCC）,面心立方（FCC）,密排六方（HCP),晶体结构与材料性能： （一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。,体心立方 bcc,面心立方 fcc,密排六方 hcp,4纯铁的同素异构转变,三、晶体缺陷,1晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。 分类（按空间尺寸分） 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，例如空位、置换原子、间隙原子。,同素异构转变：同一种元素在固态下由于温度变化而发生的晶体结构的变化。,线缺陷：不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小, 例如位错。,钛合金中的位错线,刃位错,面缺陷：不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。,工业纯铁的晶界,3 晶体缺陷对晶体性能的影响,位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。,强度,位错密度,面缺陷：晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。,组织：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成。 性能：强度低，塑性、韧性好。（性能随晶粒尺寸的改变而改变，晶粒越小，纯铁的强度越高，塑性、韧性越好。） 应用：作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。,四、工业纯铁的组织、性能和应用,细晶强化,第二节 铁碳合金中的相和组织组成物,铁和碳的相互作用表现在哪些方面？ 什么是固溶体？分为哪几类？ 什么是固溶强化和细晶强化？ 铁碳合金中的相和组织组成物有哪些？,一、铁和碳的相互作用,铁和碳的相互作用表现为两方面,铁和碳形成固溶体 （1）固溶体：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。,置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。如：Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体,间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。 例如：Fe 与 C ,N ,O ,H 形成间隙固溶体,（3）铁与碳形成的固溶体,（4）固溶体的性能 与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。,铁素体：碳溶于a铁中形成的固溶体称为铁素体，用a或者F表示。 奥氏体：碳溶于g铁中形成的固溶体称为奥氏体，用g或者A表示。,2 铁与碳形成化合物（加入较多的碳）,（1）铁与碳形成的化合物：渗碳体（Fe3C) （2）化合物的性能特点：晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体结构复杂，熔点高、硬而脆。 （3）对合金性能的影响 渗碳体能提高合金的硬度、耐磨性，会降低合金的塑性和韧性。 以层片状或者球形均匀分布在组织中，能提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或者作为基体出现时，急剧降低材料的强度、塑性韧性。,二、铁碳合金中的相和组织组成物,相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。,组织组成物：指的是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可一是两相或者多相混合物。,铁碳合金中的相有：铁素体、奥氏体和渗碳体,铁碳合金中的组织组成物：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。,第三节 Fe-Fe3C相图,需要掌握知识点 Fe-Fe3C相图中重要的点、线和相区。 Fe-Fe3C相图中的重要转变及产物。 应用Fe-Fe3C相图分析典型成分铁碳合金的结晶过程。分析室温下得到的相和组织组成物。 会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的质量分数。 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。,一、基本概念,相图：表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形，又称状态图或平衡图。 相图的分类（根据组元数量分） 二元相图（两个组元配成的合金体系） 三元相图（三个组元配成的合金体系）,3 相图的建立：实验测定不同成分合金的转变温度，将所有的开始转变点连接起来，将所有的转变结束点连接起来。,二、Fe-Fe3C相图,相图中的点（14个） （1）组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点 D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 （2）同素异构转变点 N（0，1394）d-Fe gFe G（0，912） gFe a -Fe,Fe-Fe3C相图,三相共存点 S（共析点）（g a Fe3C） C（共晶点）（ gL Fe3C） J（包晶点）（ d gL ）,Fe-Fe3C相图,表示恒温转变的线：HJB 包晶转变 ECF 共晶转变 PSK 共析转变,相图中的相区 单相区（4个1个） L、a、g、d （ Fe3C） 两相区（7个）L + d, L + Fe3C，L + g , d + g , g + a g + Fe3C ,a + Fe3,固溶度线： ES碳在奥氏体中的最大溶解度随温度的变化线 （温度，最大溶解度 ）；（0.77%-2.11%） PQ ：碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线 （温度 ，最大溶解度 ） (0.0008%0.0218%) 同素异构转变线：NH 和 NJ，GS 和 GP,（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变。,4 Fe-Fe3C相图中的转变,强调！ 根据相图规则，两个单相区之间必然夹一个两相区，两相区的两个相就由这两个单相区的相组成。,L g : 由液相中直接结晶出g相。（合金的成分线和BC线相交，即含碳量Wc：0.53% 4.3%,L Fe3C : 由液相中直接结晶出Fe3C相。（合金的成分线和CD线相交，即含碳量Wc：4.3%6.69%,（2）同素异构转变,（3）析出转变：从一个固相中析出另一个固相的转变。,温度降低，C在Fe中的溶解度也降低，合金的含碳量就超过溶解度，多余的碳就以Fe3C析出。,（4）恒温转变 1）包晶转变 HJB 线,含义：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应-包晶转换反应。 （具有J点成分的铁-碳合金冷却至14950C，体系中的液相和d相在转变过程中恰好全部消耗完，得到单一的gJ 相。 ） 发生包晶反应的合金成分： C%：0.09%-0.53% 即合金的成分线与HJB线相交； 产物：单相奥氏体（ gJ ） 包晶点 （J点）：（0.17，1495）,2）共晶转变,含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。 （ Fe- Fe3C系：由C点成分的液相在11480C下同时生成具有E点成分的g 相和Fe3C。 ） 发生共晶反应的成分范围：Wc ：2.11 %6.69% (合金成分线与ECF线相交) 产物：gE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Ld表示。 （Fe3C为基体； gE 呈粒状或杆状分布在基体上） 共晶点C (4.3,1148),莱氏体,3）共析转变,含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。 (在FeFe3C体系中，在7270C下由S点成分的g相同是生成P点成分的a相和Fe3C； 产物： a相和Fe3C的两相混合物，以层片形式混合，称为珠光体，用P表示。 合金范围： Wc: 0.0218 %6.69%(合金成分线与PSK线相交) S点:共析点，（0.77，727） (具有S点成分的FeC合金冷却至7270C时，合金全部发生共析转变，生成珠光体。),珠光体,5 典型铁碳合金结晶过程分析,方法和步骤 在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线； 在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4等） 根据每条线表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变；由液相分析至室温。 室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程中发生的转变。,6 几种典型铁碳合金的结晶过程分析,1 Wc0.77%的铁碳合金的结晶过程,成分线如线（1）所示，成分线与相图中的各条线的交点记作1, 2, 3,室温下的相：a+Fe3C 组织组成物：P(珠光体）（100） 形貌： a和Fe3C层片状混合物,问 题？ 已知：合金的总质量为1，含碳量为0.77%。室温下由a和Fe3C两相组成，其中a中含碳量为0.0008%, Fe3C中含碳量为6.69%. 求：合金室温下a相的质量分数M a和Fe3C质量分数M Fe3C。（写出表达式即可）？,珠光体,杠杆定律用来计算二元相图中两相平衡状态下平衡相的相对质量。杠杆的支点是两个相的平均质量分数（合金的成分点），端点分别是两个相的成分点。,Wc=0.6%的铁碳合金（见相图中的成分线（2）成分线与相图上各条线的交点记做1,2,3,4,T1T2 ： 液相g相 匀晶转变,T2T3 ： g相 简单冷却,T3T4 ： g相a相 同素异构转变（ g相 a相 ）,TT4 ： 共析转变, gs 全部转变成珠光体,60钢的组织,计算组织组成物的质量分数,杠杆定理不能直接用来计算室温下组织组成物的质量分数； 可根据结晶过程发生的转变，分析室温下的组织组成物是由哪些相转变而来的，这些相的质量分数就是它们转变成的组织组成物的分数。 在Fe-Fe3C系中，由于共析转变发生在727 C，所以应该分析在727 C下、未发生共析转变的相的组成，从而获得室温下组织组成物的质量分数。,室温下组织组成物：珠光体（P）和铁素体(F) 珠光体是由727C下具有S点成分的奥氏体(gs)转变而来； 铁素体是由727C下具有P点成分的铁素体相（ap）转变而来。,727 C下，发生共析转变之前，体系中的奥氏体(gs)和铁素体相（ap）可以用杠杆定律计算。,室温下： 珠光体的质量分数等价于727 C下奥氏体(gs)相质量分数； 铁素体相(F）的质量分数等价于727 C下铁素体相（ap）的质量分数。,3 Wc1.2%的的铁碳合金（见相图中的成分线（3）成分线与相图上各条线的交点记做1,2,3,4,TT1：开始结晶，T=T2:晶界过程结束，体系为固相,T3T4：开始从g相中析出Fe3CII, 沿g相中晶界分布，成网状。,TT4：发生共析转变， gs 全部转变成珠光体。,T12钢的组织,共晶白口铸铁室温下的组织组成物： 莱氏体,过共晶白口铸铁室温组织组成物： 一次渗碳体莱氏体,亚共晶白口铸铁室温组织组成物： 珠光体二次渗碳体莱氏体,4 Wc=4.3%铁碳合金的结晶过程分析,5 Wc=3.0%铁碳合金的结晶过程分析,6 Wc=5.0%铁碳合金的结晶过程分析,室温莱氏体,亚共晶白口铸铁室温下的组织形貌,过共晶白口铸铁室温组织形貌,四、碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响,1 铁碳合金按碳的质量分数和平衡组织的分类,白口铸铁,2 碳对合金平衡组织的影响（ Fe3C的形态),3 含碳量对力学性能的影响,（1）含碳量增加，硬度增加,（2）含碳量增加，塑性韧性降低,（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）,铁素体(F)：软而韧 渗碳体(Fe3C):硬而脆,四 FeFe3C相图的应用,1 为选材提供成分依据。,2 为制定热加工工艺提供依据。 （1）制定热处理工艺的依据 （2）为制