第七章二元相图及凝固(下)课件.ppt

7.2铁碳相图及铁碳合金 铁碳合金相图是反映使用量最广的铁碳 合金材料的重要资料，掌握铁碳合金相图， 对于了解铁碳合金材料的成分、组织与性能 之间的关系，以及制订铁碳合金材料的各种 热加工工艺，都具有十分重要的意义。 7.2铁碳相图及铁碳合金 7.2.1铁碳相图 7.2.2铁-渗碳体相图 7.2.3铁碳合金 本节主要要求： 1.能默画出铁-渗碳体相图，标出各点的符号、温度、含碳量及各相区的相组成物。 2.会分析各典型成分合金的平衡凝固过程，画出冷却曲线和结晶过程示意图。 3.会用杠杆定律计算各合金的组织组成物和相组成物的含量。 4.掌握铁碳合金成分、组织与性能之间的关系。 7.2.1铁碳相图 铁碳合金是由过渡族金属元素铁与非金 属元素碳所组成，因碳原子半径小，它与铁 组成合金时，能溶入铁的晶格间隙中与铁形 成间隙固溶体。而间隙固溶体只能是有限固 溶体，所以当碳原子溶入量超过铁的极限溶 解度后，碳与铁将形成一系列化合物，如 Fe3C、Fe2C、FeC等。 由实际使用发现，含碳量大于5%C的铁碳 合金脆性很大，使用价值很小，因此通常使 用的铁碳合金含碳量都不超过6.69%，这是 因为铁与碳形成的化合物渗碳体（Fe3C）是 一个稳定化合物，它的含碳量为6.69%，因 此可以把它看作一个组元，它与铁组成的相 图就是下面所要介绍的铁碳合金相图，实际 上应该称为铁-渗碳体（Fe-Fe3C）相图。 Fe-Fe3C相图是反映含碳量从0~6.69%的 铁碳合金在缓慢冷却条件下，温度、成分和 组织的转变规律图。由于所讨论的铁碳合金 中含铁量都大于93%，因此铁是铁碳合金中 主要的组成部分，了解有关纯铁的特性对于 掌握铁碳合金相图是十分必要的。 一、纯铁 1.纯铁的同素异构转变 纯铁具有同素异构转变，由它的冷却曲 线可以得到纯铁的相图，见下图，了解了纯 铁的相图后，对于进一步了解和掌握铁碳合 金相图都是很必要的。 2.纯铁的性能与应用 由实验测定纯铁的机械性能大致为： 抗拉强度σb=176~274MN/m2， 屈服强度σ0.2=98~166MN/m2， 延伸率δ=30~50%， 断面收缩率ψ=70~80%， 硬度(布氏)HB=50~80， 冲击韧性ακ1.5~2MN.m/m2， 由于纯铁的强度、硬度低所以很少用作 结构材料，但纯铁具有高的导磁率，因此它 主要用来制作各种仪器仪表的铁芯。 纯铁 二、铁与碳形成的相 在通常使用的铁碳合金中，铁与碳主要 形成五个基本相： 1.液溶体：用L表示，铁和碳在液态能无限 互溶形成均匀的液溶体。 2.δ相：是碳与δ-Fe形成的间隙固溶体， 具有体心立方结构，称为高温铁素 体，常用δ表示。 3.γ相：是碳与γ-Fe形成的间隙固溶体， 具有面心立方结构，称为奥氏体， 常用γ或A表示。奥氏体的强度、 硬度较低，塑性、韧性较高是塑性 相，它具有顺磁性。 4.α相：是碳与α-Fe形成的间隙固溶体， 具有体心立方结构称为铁素体， 常用α或F表示。铁素体的性能与纯铁相差 无几（强度、硬度低、塑性、韧性高），它 的居里点（磁性转变温度）是770℃。 5.中间相(Fe3C)：是铁与碳形成的间隙化合 物，含碳量为6.69%C，称 为渗碳体。渗碳体是稳定化合物，它的熔点 为1227℃(计算值)，是相图中的D点。 渗碳体的硬度很高，维氏硬度 HV=950~1050，但是塑性很低（δ≈0），是 硬脆相，铁碳合金中Fe3C的数量和分布对合 金的组织和性能有很大影响。 三、铁碳合金相图 由于碳以石墨形式存在时热力学稳定性比 Fe3C高，所以Fe3C在一定条件下将发生分 解，形成石墨：Fe3C→3Fe+C石墨，因此从 热力学角度讲Fe3C是一个亚稳定相，石墨才 是稳定相，但石墨的表面能很大，形核需要 克服很高的能量，所以在一般条件下，铁碳 合金中的碳大部分以渗碳体的形式存在。 因此铁碳合金相图往往具有双重性，即一个 是Fe-Fe3C(6.69%C)亚稳系相图(常用实线表 示)见图7.50；另一个是Fe-C(石墨100%C)稳 定系相图(常用虚线表示)见图7.50。 下面主要介绍Fe-Fe3C亚稳系相图。 7.2.2铁-渗碳体相图 Fe-Fe3C相图看起来比较复杂，其实并不 复杂。只要对二元合金的基本相图掌握的比 较好，就不难看出Fe-Fe3C相图主要是由包 晶相图，共晶相图和共析相图三个部分所构 成。 一、相图分析 先分析Fe-Fe3C相图中各点、线、