ch4[1]铁碳合金的平衡组织与非平衡组织

　　第四章铁碳合金的平衡组织与非平衡组织[重点掌握][一般要求][教学]§4．1Fe-Fe3C相图§4．2Fe-C合金平衡结晶过程§4．3复线铁碳相图§4．4铁碳相图的应用及局限§4．5钢在加热时的组织转变§4．6钢在冷却过程中的组织转变         1.各类特殊性能铸铁的成分，组织，性能特点和应用；2.白口铁的组织与性能。[教学内容][一般要求]1.纯铁的同素异构转变；2.铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；3.铁碳合金相图中各点、钱、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；4.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；5.钢中常见杂质对钢的性能的影响？6.碳钢的分类，编号和用途；7.铁碳相图的应用。8.铸铁的石墨化原理，石墨的形态，大小对铸铁性能的影响，铸铁的性能特点及应用范围；9.各类铸铁的成份，组织和性能特点及牌号识别；10.铸铁的常用热处理的方法和目的。[重点掌握]1．Fe组元δ-Fe(bcc)—1394℃—γ-Fe(fcc)—912℃—α-Fe(bcc)(同素异构转变)强度低、硬度低、韧性、塑性好2．Fe3C  （Cem，Cm）（在Fe-C相图中现为位于6.69％C处的竖直线）熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。§4．1Fe-Fe3C相图1．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ-Fe中——δ相）3．α相铁素体F  （C固溶到α-Fe中——α相）强度、硬度低、塑性好 （室温：C%=0.0008%, 727℃：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体 （C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低，易塑性变形5．Fe3C一、Fe-Fe3C相图的组元二、Fe-Fe3C相图中的相三、相图分析（1）包晶点J与包晶转变线HJB：1495℃，C%=0.17％LB+δH——AJ   即L0.53+δ0.09——A0.17（2）共晶点C与共晶转变线ECF1148℃，C%=4.3%L4.3——A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3高温莱氏体1．三条水平线和三个重要点三、相图分析AS——FP+Fe3C（共析渗碳体）A0.77——F0.0218+Fe3C——P（珠光体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间（3）共析点S与共析转变线PSK——A1线727℃，C%=0.77%2．液固相线液相线ACD固相线AECF3．溶解度线ES线：碳在A中的固溶线——Acm，1148℃，2.11%727℃，0.77%，A——A+Fe3CII如：Le——(P+Fe3CII)+Fe3C共晶——低温莱氏体Le’PQ线：碳在F中的固溶线，727℃，0.0218%—0.0008%室温，Fe3CIII4．GS线——A3线A——A+F三、相图分析(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析1．工业纯铁（C%≤0.0218%）(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析1．工业纯铁（C%≤0.0218%）(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析L——L+A——A——A+F——F——F+Fe3CIII相组成物：Fe3C    C%=6.69%       F          C%<0.0008%相相对量： F%=Fe3C%=组织组成物：F（等轴晶）和Fe3CIII（小片状）234512．共析钢C%=0.77%(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析2．共析钢C%=0.77%123-3‘3．亚共析钢0.0218%<C%<0.77%(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析3．亚共析钢0.0218%<C%<0.77%45钢金相FP4．过共析钢(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析4．过共析钢L→L+A→A→A+Fe3CII→→P+Fe3CII相组成物：F，Fe3C F%=Fe3C%=组织组成物：P，Fe3CII组织相对量：Fe3CII%=P%=T12钢金相(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析1134-4‘2Fe3CIIP5．共晶白口铁（C%=4.3%）(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析L→L+Le→Le(A+Fe3C共晶)→Le(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→Le’(P+Fe3C共晶+Fe3CII)相组成物：F，Fe3C F%=Fe3C%=组织组成物：Le'5．共晶白口铁（C%=4.3%）共晶白口铁金相(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析6．亚共晶白口铸铁——2.11%<C%<4.3%(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析亚共晶白口铸铁金相6．亚共晶白口铸铁，2.11%<C%<4.3%(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析7．过共晶白口铸铁(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析7．过共晶白口铸铁(一)Fe-C合金平衡结晶过程分析§4．3复线铁碳相图§4．3复线铁碳相图1．固溶→固溶体C→γ-Fe（FCC）——A,C→α-Fe（bcc）——F2．化合物Fe3C3．石墨Fe3C→3Fe+G复线铁碳相图，是在实线的Fe-Fe3C相图上再叠加上虚线的Fe-G相图，不同点在于：（1）Fe-G  共晶、共析温度高些，1154℃, 738℃（2）Fe-G  共晶、共析成分左移4.26%,0.68%（3）溶解度曲线也向左移E',2.08%（4）液相线C'D'稍高于Fe-Fe3C相图共晶：Lc1→G+AE        (1154℃)共析：As1→G+F           (738℃)一、碳在Fe-C合金中的存在方式二、复线铁碳相图§4．3复线铁碳相图铸铁组织中析出石墨的过程-石墨化1．两种形式   a.按Fe-G相图从液相中或A中直接析去G。   b.接Fe-Fe3C相图，先结晶出Fe3C，随后在一定条件下，     Fe3C→Fe+G2．液态直接析出石墨的过程  a.第I阶段  过共晶成分L→L+GI(>1154℃)→AE+G（共晶）+GI(1154℃)  共晶成分L→AE+G（共晶）(1154℃)  亚共晶成分L→AE+G（共晶）+AE初生 (1154℃) b.第II阶段——析出二次石墨    A→A+GII             (1154℃→738℃) c.第三阶段——共析石墨     As'→Fp+G（共析）（738℃)三、铸铁的石墨化过程亚共晶铸铁（3.0%）稳定平衡转变示意图附：举例：§4．3复线铁碳相图附：举例：亚共晶铸铁（3.0%）稳定平衡转变示意图三、铸铁的石墨化过程§4．3复线铁碳相图1．按石墨化各阶段进行的程度不同，得到不同组织的铸铁。四、铸铁的组织和分类石墨化程度 名称 第一阶段（液相析出） 第二阶段（A中析出） 第三阶段（共析析出） 显微组织 灰口铸铁 充分（AE'+G)充分（AE'+G)充分（AE'+G) 充分（As'+G)充分（As'+G)充分（As'+G) 充分'(F+G)部分'(F+P+G)不进行' F+GF+P+GP+G 麻口铸铁 部分（AE'+G+Le) 部分（As'+G+Le) 不进行 P+Le'+G 白口铸铁 不进行 不进行 不进行 P+Le'+Fe3C§4．3复线铁碳相图2．接石墨形态分类四、铸铁的组织和分类a.灰口铸铁片状石墨b.可锻铸铁     团絮状c.球墨铸铁球状d.蠕墨铸铁蠕虫状§4．3复线铁碳相图a.  C,Si强烈促进石墨化        P促进石墨化微弱，提高铸铁流动性，(Fe3P)              碳当量：CE=C+1/3(Si+P)b.  S  Mn         S阻碍石墨化，热脆         Mn+S→MnS削弱硫的危害c.合金元素Cr、W、Mo、V与C亲合力强，阻碍石墨化   Al、Cu、Ni、Co增加Fe自扩散能力，促进石墨化。五、影响石墨化过程的因素1．化学成分Fe C Si S  P2．冷却速度§4．3复线铁碳相图六、石墨形态对铸铁性能的影响石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体的有效截面积，并引起应力集中。片状石墨引起严重应力集中，团絮状和球状轻。变质处理后，石墨片细化，割裂作用减轻，强度提高。蠕墨铸铁，端部钝，强度、塑性提高。可锻、球状铸铁中石墨对基体裂作用小，强度、塑性提高§4．4铁碳相图的应用及局限二、局限性1．反映的是平衡相，而不是组织2．反映二元合金中相的平衡状态3．没有反映时间的作用——平衡条件下一、应用1．选材2．热加工制定的基础§4．5钢在加热时的组织转变1．共析钢奥氏体化温度Ac1温度：        F(bcc,0.0218)+Fe3C(6.69)→A(Fcc,0.77)一、共析钢的奥氏体化（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）§4．5钢在加热时的组织转变a.形核（优先在相界（F，Fe3C）b.长大c.渗碳体完全溶解d.碳的均匀化一、共析钢的奥氏体化（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）二、亚（过）析钢的奥氏体化2．共析钢奥氏体化过程§4．5钢在加热时的组织转变三、影响奥氏体化的因素1．加热温度T↑→A化↑   (D↑→浓度梯度大）V↑→转变开始温度↑，转变时间↓2．加热速度§4．5钢在加热时的组织转变三、影响奥氏体化的因素3．含碳量C%↑→界面多→核心多→转变快4．合金元素   a.Cr、Mo、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，↓奥氏体形成速度    b.Co、Ni非碳化物形成元素，↑奥氏形成速度    c.Al、Si、Mn影响不太5．原始组织片状，片间距小→相界面多→碳弥散度大→碳原子扩散距离短→奥氏体形核长大快>粒状§4．5钢在加热时的组织转变四、奥氏体晶粒大小及控制表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。1．晶粒度:2．起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度本质晶粒度：钢奥氏体晶粒长大的倾向。奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大→本质粗晶钢奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢三、影响奥氏体化的因素3．奥氏体晶粒度的控制a.加热工艺  加热温度，保温时间b.钢的成分——合金化A中C%↑→晶粒长大↑MxC%↑→晶粒长大↓  1)碳化物形成元素细化晶粒  2)Al→本质细晶钢  3)Mn、P促进长大w§4．5钢在加热时的组织转变本质细晶粒和本质粗经历（示意图）§4．6钢在冷却过程中的组织转变过冷奥氏体的等温转变1等温处理       2连续处理一、过冷奥氏体的等温转变1．共析钢过冷A等温转变曲线冷却到一定温度，保温，测量A过冷转变开始和终了时间A1以上：A稳定A1以下：A不稳定，过冷C曲线有一最小孕育期：1：T↓，A——P的驱动力F提高2：T↓——D↓§4．6钢在冷却过程中的组织转变2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征A1——鼻子温度（550℃）A过冷→P（S，T）索氏体，屈氏体。P的形成取决于生核，长大速率。T↓，生核，长大↑。T↓→600℃，D↓，长大慢→层间距薄，短扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。T↓→HB↑，强度↑（1）高温转变区一、过冷奥氏体的等温转变共析钢等温转变图（C曲线）（a）不同等温下的等温转变动力学曲线（b）等温转变图（C曲线）2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征§4．6钢在冷却过程中的组织转变一、过冷奥氏体的等温转变（2）中温区转变，贝氏体转变550℃~230℃（Ms）A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。2．共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特征§4．6钢在冷却过程中的组织转变a.A过冷→M+A'残余b.转变产物：马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。C%<0.23%，板条状MC%>1.0%，针状，马氏体c.实质：T低——C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C的铁素体。d.M转变的特征，①无扩散性②瞬时性③存在Ms,Mf④不完全性⑤体积膨胀（3）低温区转变——马氏体转变，MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的，离于非扩散型转变。 550℃~350℃ 上贝氏体 半扩散型，Fe不扩散 羽毛状 碳化物在F间，韧性差 350℃~Ms 下贝氏体 C原子有一定的扩散能力 针状 碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好一、过冷奥氏体的等温转变3．共析钢等温转变组织——性能的关系§4．6钢在冷却过程中的组织转变（1）珠光体型　　　（2）贝氏体　　　（3）马氏体　　　4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线转变温度降低，片间距小，细晶强化→强度、硬度、塑性、韧性提高B上：强度、韧性差B下：硬度高，韧性好，具有优良的综合机械性能硬度高　　C%↑→HRC↑针状马氏体，硬而脆，塑、韧性差板条状，强度高，塑性，韧性好二、影响C曲线的因素（一）A成分§4．6钢在冷却过程中的组织转变C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性，这些取决于奥氏体的化学成分和加热时的状态。C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。A中C%↑→C曲线右移.对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑→C曲线右移对过共析钢，一般在AC1以上A化，钢中C%↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移共析钢，C曲线最靠右边，稳定性最高。二、影响C曲线的因素§4．6钢在冷却过程中的组织转变（一）A成分1．含碳量二、影响C曲线的因素§4．6钢在冷却过程中的组织转变除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性——右移非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu,不改变C曲线形状强碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V、Nb、Ti,改变C曲线形状除Co、Al外，均使Ms、Mf下降，残余A↑2．合金元素，（Co%↑→左移）§4．6钢在冷却过程中的组织转变2．合金元素，（Co%↑→左移）（一）A成分二、影响C曲线的因素合金元素对碳钢C曲线的影响（a）Ni的影响（b）Cr的影响（c）W的影响二、影响C曲线的因素§4．6钢在冷却过程中的组织转变（一）A成分除C0以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性——右移非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu,不改变C曲线形状强碳化物形成元素，Cr、Mo、W、V、Nb,、Ti,改变C曲线形状除Co、Al外，均使Ms、Mf下降，残余A↑加热温度和时间A化温度↑，时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A稳定性↑，C曲线右移（二）A化条件的影响2．合金元素，（Co%↑→左移）三、过冷奥氏体的连续冷却转变§4．6钢在冷却过程中的组织转变Ps：A→P开始线Pf：A→P终止线K：珠光体型转变终止线Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速Vk’：下临界冷速→完全P最大冷速（1）CCT位于TTT曲线右下方A→P转变温度低一些，t长一些（2）CCT无A→B转变CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析1．过冷奥氏体的连续冷却转变图2．连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较三、过冷奥氏体的连续冷却转变§4．6钢在冷却过程中的组织转变（1）根据工件要求，确定热处理工艺。（2）确定工件淬火时的临界冷速。（3）可以指导连续冷却操作。（4）选择钢材的依据。（5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。3．C曲线的应用V1：炉冷（退火）PV2：空冷，S，TV3：空冷，S，TV4：油冷，T+M+A'V5：M+A'三、过冷奥氏体的连续冷却转变3．C曲线的应用共析钢的等温转变和连续转变曲线的比较及转变组织§4．6钢在冷却过程中的组织转变