工程材料第二章 铁碳相图

铁碳合金的组元及基本相

相图：

是表明合金系中各种合金的平衡条件和相与相之间关系的一种建明示意图或状态图，是合金体系中材料的状态与温度、成分关系的简明图解。

相图的建立：

找出合金系中各个成分的合金在结晶过程中的相变点。

金属结晶的微观基本过程-形核长大过程

细晶强化：

晶粒细化使金属机械性能提高的现象

晶粒尺寸越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好

	强硬度	塑韧性
细晶强化	增加	增加
固溶强化	增加	减小
形变强化	增加	减小
弥散强化	增加	减小

控制晶粒大小

细化晶粒的途径：

增大形核率 降低长大速度

具体方式：

增大过冷度，孕育（变质）处理，振动、搅拌

孕育（变质）处理：

在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。其作用是增大形核率并抑制晶粒的长大。

金属结晶的宏观现象

研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。

它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见下图：

过冷现象：液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷，这是金属结晶的必要条件。

冷却过程中的温度平台：金属结晶时释放的热量（结晶潜热）与散失的热量相等，使得温度不变

热分析法建立Cu-Ni相图

铁碳相图分析

铁碳合金：现代工业使用最广泛的合金。

铁碳合金中的组员和基本相

纯铁：

(1) 纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料

(2) 由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯

(3) 同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现象。

铁素体：

碳溶解在δ-Fe 或α-Fe中形成的间隙固溶体

性能：强度、硬度低 塑性、韧性好

奥氏体：

碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体

性能：有一定的强度和硬度，塑性也很好

渗碳体：

铁与碳形成具有复杂晶格的稳定间隙化合物Fe3C

性能：硬度很高，脆性大，塑性和韧性极低。

珠光体：

铁素体和渗碳体组成的机械混合物

性能：综合力学性能比较好

铁碳相图分析（重点)

相图中的五个单相（区）

相图中的三个重要点

（1）J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分的γ。

（2）C点为共晶点 1148 ℃时, C点成分的L发生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C（莱氏体）。

（3） S点为共析点 727 ℃时, S点成分的γ发生共析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。

相图的三条水平线

（1）包晶反应：L+δ＝γ

（2）共晶反应：L＝Le( Fe3C+ γ )

（3）共析反应： γ＝P (Fe3C+ α)

相图的四条垂直线

分别过P、S、E、L四个点

工业纯铁的平衡结晶过程

冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相→ α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ

共析钢的平衡结晶过程

亚共析钢的平衡结晶过程

过共析钢的平衡结晶过程

含碳量对碳钢平衡组织和性能的影响

碳含量对碳钢室温组织的影响

硬度和塑性主要决定于：

组织中组成相或组织组成物的硬度塑性和质量分数，室温下碳钢由铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成, 随碳含量的增加, 硬度高塑性差的Fe3C增多, 硬度低塑性好的F减少,合金的硬度增大，塑性降低。

强度主要受珠光体P的影响，含碳量Ｃ增加时：

亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高，F的强度较低，所以亚共析钢的强度增大。 过共析钢中, 主要相为P和Fe3C，由于强度很低的Fe3C沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降。

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