铁碳合金相图铁碳合金相图1 1、教学目标、教学目标 通过教学使学生掌握铁碳合金相图的构成，铁通过教学使学生掌握铁碳合金相图的构成，铁碳合金相图分析，铁碳合金相图的意义及应用。碳合金相图分析，铁碳合金相图的意义及应用。2 2、教学重点、教学重点 铁碳合金相图分析，铁碳合金相图对生产实践铁碳合金相图分析，铁碳合金相图对生产实践的指导意义，铁碳合金的成分、组织、性能之的的指导意义，铁碳合金的成分、组织、性能之的关系。关系。3 3、教学难点、教学难点 铁碳合金相图分析，铁碳合金相图对生产实践铁碳合金相图分析，铁碳合金相图对生产实践的指导意义，铁碳合金的成分、组织、性能之的的指导意义，铁碳合金的成分、组织、性能之的关系。关系。 （一）铁碳合金的基本组元与基本相（一）铁碳合金的基本组元与基本相（1 1）液相）液相 铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称为铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称为液相，用符号液相，用符号L L表示。表示。（2 2）铁素体）铁素体 碳溶于碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，用符号中形成的间隙固溶体，用符号F F表示。碳在表示。碳在-Fe-Fe中的溶解度很低，在室温时几乎中的溶解度很低，在室温时几乎为零（为零（0.0008%0.0008%），在），在727727时溶解度最大，为时溶解度最大，为0.0218%0.0218%。（一）铁碳合金的基本组元与基本相（一）铁碳合金的基本组元与基本相n（2 2）铁素体）铁素体性能：性能： 与纯铁相似，强度、与纯铁相似，强度、硬度低，而塑性和韧性好。硬度低，而塑性和韧性好。组织：组织： 呈明亮的多边形晶粒，呈明亮的多边形晶粒，晶界曲折。晶界曲折。（一）铁碳合金的基本组元与基本相（一）铁碳合金的基本组元与基本相（3 3）奥氏体）奥氏体 碳溶于碳溶于FeFe中形成的间隙固溶体，用符号中形成的间隙固溶体，用符号A A表示。表示。 727 727 溶碳量溶碳量0.77% 0.77% 1148 1148 溶碳量溶碳量2.11%2.11%性能：有一定的强度和硬度，性能：有一定的强度和硬度， 塑性和韧性好，适于塑性和韧性好，适于 进行锻压加工。进行锻压加工。组织：与铁素体相似，组织：与铁素体相似， 晶粒呈多边形，晶粒呈多边形， 但晶界较铁素体平直。但晶界较铁素体平直。（一）铁碳合金的基本组元与基本相（一）铁碳合金的基本组元与基本相n（4 4）渗碳体）渗碳体n 铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，用化学分子式用化学分子式FeFe3 3C C 表示。表示。n 渗碳体中碳的含量为渗碳体中碳的含量为6.69%6.69%，熔点为熔点为12271227。 性能：性能：硬度很高，脆性很大，塑性极差。硬度很高，脆性很大，塑性极差。 组织：组织：常以片状、球（粒）状和网状等不同形常以片状、球（粒）状和网状等不同形态存在。态存在。n FeFe3 3C C是一个亚稳定的化合物，在一定温度下可是一个亚稳定的化合物，在一定温度下可分解为铁和石墨，即分解为铁和石墨，即: : n Fe Fe3 3C 3FeC 3FeC(C(石墨石墨) ) （一）铁碳合金的基本组元与基本相（一）铁碳合金的基本组元与基本相（5 5）珠光体）珠光体 铁素体铁素体F F与渗碳体与渗碳体Fe3CFe3C组成的机械混合物，用符号组成的机械混合物，用符号P P表示，表示，其中碳的含量为其中碳的含量为0.77%0.77%。 性能：性能：力学性能介于铁素体和渗碳体两者之间。力学性能介于铁素体和渗碳体两者之间。（6 6）莱氏体）莱氏体 碳的含量为碳的含量为4.3%4.3%的液态铁碳合金冷却到的液态铁碳合金冷却到11481148时，由液时，由液态中同时结晶出的奥氏体态中同时结晶出的奥氏体A A和渗碳体和渗碳体Fe3CFe3C的机械混合物称的机械混合物称为莱氏体，用符号为莱氏体，用符号LdLd表示。表示。在在727727以下由珠光体和渗碳以下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为变态莱氏体，用符号体组成的机械混合物称为变态莱氏体，用符号LdLd表示。表示。 性能：性能：硬度高，塑性差。硬度高，塑性差。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n合金相图：合金相图：在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度、在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度、和组织状态之间关系的坐标图形。和组织状态之间关系的坐标图形。n 合金相图是在全面了解合金的组织随成分、温度变化合金相图是在全面了解合金的组织随成分、温度变化规律，对合金系中不同成分的合金进行试验，观察分析其规律，对合金系中不同成分的合金进行试验，观察分析其在极其缓慢加热、冷却过程中内部组织的变化，绘制而成在极其缓慢加热、冷却过程中内部组织的变化，绘制而成的图形。的图形。n二元合金相图：二元合金相图：具有两个组元的合金相图。它是研究二元具有两个组元的合金相图。它是研究二元合金结晶过程和组织变化的简单图解。合金结晶过程和组织变化的简单图解。n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，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规律的简明不同成分的铁碳合金的状态或组织随温度变化规律的简明图解，它是选择材料和制定有关热加工工艺的重要依据。图解，它是选择材料和制定有关热加工工艺的重要依据。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n图中右上部分为共晶相图图中右上部分为共晶相图 当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应，所构成的相图称为共晶相图。生共晶反应，所构成的相图称为共晶相图。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n图中右上部分为共晶相图图中右上部分为共晶相图 由一种成分固定的液相在恒温下同时结晶出两种成分和结由一种成分固定的液相在恒温下同时结晶出两种成分和结构都不相同的新的固相的过程，称为共晶反应。构都不相同的新的固相的过程，称为共晶反应。 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n图中左下部分为共晶相图图中左下部分为共晶相图 自某种均匀一致的固相在中同时析出两种化学成分和晶格自某种均匀一致的固相在中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相的转变过程，称为共析反应。结构完全不同的新固相的转变过程，称为共析反应。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（1 1）A A点点纯铁的熔点纯铁的熔点 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（2 2）C C点点 共晶点共晶点 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（3 3）D D点点渗碳体的熔点渗碳体的熔点 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（4 4）E E点点 碳在奥氏体碳在奥氏体中的最大溶解度中的最大溶解度 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（5 5）F F点点渗碳体的成分渗碳体的成分 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的特征点相图中的特征点（6 6）G G点点-Fe -Fe-Fe -Fe同素异构转变点同素异构转变点 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（7 7）S S点点 共析点共析点 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（8 8）K K点点渗碳体的成分渗碳体的成分 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（9 9）P P点点碳在铁素体中碳在铁素体中的最大溶解度的最大溶解度 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n1 1、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的特征点相图中的特征点（1010）Q Q点点600600或常温下或常温下碳在铁素体中碳在铁素体中的最大溶解度的最大溶解度 （二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线ACDACD线是液相线，线是液相线，该线以上为液相，该线以上为液相，用用L L表示。表示。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线AECFAECF线是固相线，线是固相线，该线以下是固相。该线以下是固相。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线 ECF ECF线是共晶线（线是共晶线（11481148），），在相图中，在相图中，WC=2.11WC=2.116.696.69的铁碳合金都要发生共晶转变。的铁碳合金都要发生共晶转变。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线ESES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。 随温度的降低，碳在奥氏体中的随温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度沿溶解度沿ESES线从线从2.11%2.11%变化至变化至0.77%0.77%。 由于奥氏体中含碳量的减少，由于奥氏体中含碳量的减少，将从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，将从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体（称为二次渗碳体（FeFe3 3C C）（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线 GSGS线是冷却时奥氏体开始线是冷却时奥氏体开始析出铁素体，或加热时铁素体析出铁素体，或加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线。全部溶入奥氏体的转变温度线。GSGS线又称为线又称为A3A3线。线。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线 PSK PSK线是共析线（线是共析线（727727） PSKPSK线又称为线又称为A1A1线。线。在相图中，在相图中，WC=0.0218WC=0.02186.696.69的铁碳合金都要发生共析转变。的铁碳合金都要发生共析转变。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n2 2、Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的主要特征线相图中的主要特征线 PQ PQ线是碳在铁素体中的线是碳在铁素体中的溶解度曲线。溶解度曲线。 随温度的降低，碳在铁素体随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度沿中的溶解度沿PQPQ线从线从0.0218%0.0218%变变化至化至0.0008%0.0008%。 由于铁素体中含碳量的减少，由于铁素体中含碳量的减少，将从铁素体中沿晶界析出渗碳体，将从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称为三次渗碳体（称为三次渗碳体（FeFe3 3C C）。）。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n3 3、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的相区相图中的相区(1)(1)单相区单相区 相图中有相图中有F F、A A、L L和和FeFe3 3C C四个单相区。四个单相区。（二）铁碳合金相图分析（二）铁碳合金相图分析n3 3、Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中的相区相图中的相区(2)(2)两相区两相区 相图中有相图中有A+FA+F、L+AL+A、F+ FeF+ Fe3 3C C 、L+ FeL+ Fe3 3C C和和A+FeA+Fe3 3C C五个两相区。五个两相区。（三）典型铁碳合金的室温组织与分类（三）典型铁碳合金的室温组织与分类n 由于铁碳合金的成分不同，室温下将得到不同的组由于铁碳合金的成分不同，室温下将得到不同的组织。根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳织。根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三种。合金分为工业纯铁、钢和白口铸铁三种。n1.1.工业纯铁工业纯铁nW WC C0.0218%0.0218%，室温组织为，室温组织为F F。n2.2.钢钢 n0.0218%0.0218%WcWc2.11% 2.11% 按室温显微组织又分为：按室温显微组织又分为： 亚共析钢亚共析钢 0.0218% Wc0.0218% Wc0.77% 0.77% 组织为组织为P + FP + F 共析钢共析钢 WcWc=0.77% =0.77% 组织为组织为P P 过共析钢过共析钢 0.77%Wc0.77%Wc2.11% 2.11% 组织为组织为P+P+ FeFe3 3C C（三）典型铁碳合金的室温组织与分类（三）典型铁碳合金的室温组织与分类n3.3.白口铸铁白口铸铁n 2.11% Wc2.11% Wc 6.69% 6.69% 按室温显微组织又分为：按室温显微组织又分为： 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.11% Wc2.11% Wc 4.3% 4.3% 组织为组织为珠光体珠光体 + + 渗碳体渗碳体 + + 变态莱氏体变态莱氏体 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 WcWc = 4.3% = 4.3% 组织为组织为变态莱氏体变态莱氏体 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3% Wc4.3% Wc 6.69% 6.69% 组织为组织为变态莱氏体变态莱氏体 + + 一一次渗碳体次渗碳体（四）含碳量与铁碳合金组织及性能的关系四）含碳量与铁碳合金组织及性能的关系n1.1.铁碳合金含碳量与组织的关系铁碳合金含碳量与组织的关系n2.2.铁碳合金含碳量与力学性能的关系铁碳合金含碳量与力学性能的关系（五）铁碳合金相图的应用（五）铁碳合金相图的应用n（1 1）在材料选用方面的应用）在材料选用方面的应用 需塑性、韧性高需塑性、韧性高选用含碳量较低的材料选用含碳量较低的材料n 需强度、塑性、韧性高需强度、塑性、韧性高选用含碳量适中的材料选用含碳量适中的材料 需硬度高耐磨性好需硬度高耐磨性好选用含碳量高的材料选用含碳量高的材料 灰口铸铁灰口铸铁由于流动性好常用于铸件由于流动性好常用于铸件（五）铁碳合金相图的应用（五）铁碳合金相图的应用n（2 2）在铸造方面的应用）在铸造方面的应用 选择浇注温度：常为液相线上选择浇注温度：常为液相线上50501001000 0C C 广泛应用共晶成分的铸铁广泛应用共晶成分的铸铁 铸钢常用含碳量为铸钢常用含碳量为0.3-0.6%0.3-0.6%成分成分 （3 3）在锻压方面的应用）在锻压方面的应用 选择始锻温度：选择始锻温度： 在在AEAE线以下线以下150-250150-2500 0C C 选择终锻温度：选择终锻温度： 亚共析钢在亚共析钢在8008000 0C C左右左右 过共析钢略高于过共析钢略高于PSPS线线 （4 4）在热处理方面的应用）在热处理方面的应用 选择退火、正火、淬火温度选择退火、正火、淬火温度