06-3 FH6-3-6节 Fe－C相图.pptx

第1页：相图

第6章相图Phase Diagram

• 0绪论
• 第1章原子结构与结合键Atomic Structure and binding bond
• 第2章晶体学基础Basis of Crystallography
• 第3章晶体结构Crystal Structure
• 第4章晶体缺陷Crystal defects
• 第5章非晶体与准晶结构Amorphous andQuasicrystalStructure
• 第7章固体扩散Solid Diffusion
• 第8章凝固与结晶Solidification and Crystallization
• 第9章烧结与聚合Sintering and Polymerization
• 第10章固态相变Solid Phase Transformation材料科学与工艺的基础理论

第2页：相图

第6章相图Phase Diagram6.1相图的基本知识相与组织、相图与相律6.2单元相图(Unit phase diagram)6.2.1纯铁相图6.2.2 SiO2相图6.2.3聚合物相图6.3二元相图（Binary diagram）6.3.1匀晶相图与杠杆定律6.3.2二元共晶相图与共析相图6.3.3包晶相图与包析相图6.3.4其他类型二元相图6.3.5二元相图的几何规律及分析方法6.3.6铁碳相图6.3.7无机材料专业相图6.4三元相图(Ternary diagram)6.4.1等边三角形的成分表示法6.4.2三元相图中的基本法则6.4.3三元匀晶相图6.4.4固态互不溶解的三元共晶相图6.4.5三元相图的几何规律及分析6.4.6典型的三元相图6.5相图热力学

第3页：相图

第6章相图6.3二元相图6.3.1匀晶相图与杠杆定律6.3.2二元共晶相图与共析相图6.3.3包晶相图与包析相图6.3.4其他类型二元相图6.3.5二元相图的几何规律及分析方法6.3.6铁碳相图6.3.7无机材料专业相图

第4页：相图·四元相图

二元相图

4000个（81%）（4950）；

三元相图

8000(5%)（161700）。

四元相图

1000（0.1%）（3921225）问题：成分难控制，高熔点，难以达到相平衡测定不准确需校准。6.3.6铁碳相图(Iron-carbon phase diagram)

相图的测定：

钢铁材料都是铁碳合金，

使用最广泛的材料。

第5页：

第6页：

第7页：四元相图·热分析法

• 铁碳平衡相图的发展：（iron-carbon equilibrium diagram）
• 1868年，俄国学者切尔诺夫（Чернов）
• 把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。
• 1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）
• 热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，沿用奥斯蒙以法文标志临界点。
• A (驻点Arrestation)代表转变点,
• 下标c (加热chauffage)
• r (冷却refroidissement)分别代表升温及降温的转变点。
• α、β、γ也是延用Osmond的符号。
• 确立铁的同素异构理论。

第8页：洛兹本

• 1899年英国人罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；1897年完成初稿，1899年彻底完成。
• 洛兹本(H.W.Bakhius Roozeboom)首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律修订铁碳相图,1900年制定出较完整的铁碳平衡图。
• 相图的出现,是金属学发展的一个里程碑。
• 平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。

第9页：如何画

如何画？？

第10页：铁碳相图

6.3.6铁碳相图

• C的存在形式：(1)渗碳体Fe3C(2)石墨(C,G)。
• 实际使用合金含碳量不超过5%;
• Fe-Fe3C相图。
• Fe-C(G)。
• 相图的形式：

第11页：铁碳合金的组元和基本相

一、铁碳合金的组元和基本相1、纯铁同素异晶转变

第12页：铁素体

铁素体(F或α)晶胞示意图奥氏体(A或γ)晶胞示意图

第13页：铁素体·铁碳合金中的基本相

铁碳合金中的基本相：(1)α相：C溶于α-Fe的间隙固溶体，bcc；仅由α相形成的组织-----铁素体F(Ferrite)。拉丁文的铁Ferrum.(2)γ相：C溶于γ-Fe的间隙固溶体，fcc；仅由γ相形成的组织---奥氏体A(Austenite)。英国Roberts-Austen(1843-1902)(3)δ相：bcc，高温铁素体。

第14页：铁碳合金中的基本相

• 罗伯茨-奥斯汀爵士Roberts-Austen (1843～1902)
• 英国冶金学家。
• 18岁进入皇家矿业学院，后在造币厂从事金、银和合金成分的研究，铸币权威。
• 用量热计法测定银铜合金的凝固点，并首先用冰点曲线表示其实验成果。
• 1876年与J.洛基尔一起用光谱仪作定量分析，以辅助传统的试金法。
• 1885年开始研究钢的强化，研究少量杂质对金的拉伸强度的影响。奥斯汀采用Pt/（Pt-Rh）热电偶高温计，得以测定了高熔点物质的冷却速度，创立共晶理论。用显微镜照相研究金属的金相形貌。
• 为纪念他，把γ-铁及其固溶体的金相组织命名为奥氏体。

第15页：铁素体

铁素体F与奥氏体A的性能特点：

• 铁素体(F或α)：
• F的溶碳能力比A小得多。
• F性能与纯铁基本相同。
• 强度低，塑性好。
• 奥氏体(A或γ)：
• A的溶碳能力大；
• A塑性很好，易于塑性变形，
• A是顺磁性。

第16页：铁素体·电子显微镜

• 郭可信院士(1923-2006 )“金相学史话”共六篇
• 1金相学的兴起
• 2 β-Fe的论战
• 3 Fe-C平衡图
• 4合金钢的早期发展史
• 5 X射线金相学
• 6电子显微镜在材料科学中的应用《材料科学与工程》2000-2002年

第17页：郭可信

郭可信（1923-2006）1.中科院院士、物理冶金和晶体学家。中国科学院北京电子显微镜开放实验室主任、研究员。2.浙江大学化学工程系，瑞典皇家工学院。3.合金钢中碳化物及金属间化合物的X射线及电镜结构研究。4.1984/85年：发现五重旋转和Ti-V-Ni二十面体准晶，1987年国家自然科学一等奖；5.1987年：首先发现八重旋转对称准晶;6.1988年：首先发现稳定的Al-Cu-Co十重旋转对称准晶及一维准晶;7.1997-2000年：获得准晶覆盖理论的实验证据。

第18页：渗碳体

(1)渗碳体Cementite

• Fe3C相：6.69%
• 组织--渗碳体，Fe3C或Cm。
• 发现者称水泥.2.碳

第19页：渗碳体·一定的铁磁性

• Fe3C熔点1227℃。
• 硬度高，HB800，塑性接近于0。
• 一定的铁磁性，磁性转变点A0：230℃。复杂正交晶系。

第20页：一定的铁磁性

• 强度/硬度/塑性/韧性都极低。
• 耐高温,导电,润滑性;
• 灰口铸铁的基本组成相。(2)石墨(Graphite)石墨：游离态存在，100%C，组织：G(Graphite)。（相图----虚线）

第21页：Fe-Fe3C相图分析

二、Fe-Fe3C相图分析

• （一）概况
• ABCD液相线。AHJECF－固相线。
• 2条磁性转变线：770℃：MO虚线,F磁性转变线（A2）。230℃：Cm渗碳体的磁性转变线。(A0)

第22页：Fe-Fe3C相图分析

• 5个单相区，
• 7个两相区，
• 3条水平线。1.五个单相区：液相区L，高温固溶体
• ，奥氏体
• (A)，铁素体
• (F)渗碳体Fe3C（Cm）

第23页：Fe-Fe3C相图分析

• 2.七个双相区：L＋
• L＋
• ，L＋Fe3C
• ＋Fe3C，
• ＋Fe3C

第24页：Fe-Fe3C相图分析

(1)包晶转变:HJB线:（L＋

3.三个三相区：发生在高温，在随后的冷却过程中组织还会变化。此转变不作讨论。（简化Fe-Fe3C相图）

第25页：共晶转变:ECF线:共晶组织(

(2)共晶转变:ECF线:共晶组织(

Ld

纪念德国冶金学家A.莱德堡(Ledebur)而命名。

Ld

高硬度，脆性较大。

＋Fe3C)为莱氏体，Ld(Ledeburite)

第26页：共晶转变:ECF线:共晶组织

(3)共析转变：PSK线:（A1温度）(

＋Fe3C)：两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体P(Pearlite)2500×

第27页：共晶转变:ECF线:共晶组织

• 4.三条重要的固溶度曲线(1)GS线
• 降温时
• 中开始析出
• 升温时
• 全部溶入
• 的转变线。
• 记为A3温度。A3

第28页：共晶转变:ECF线:共晶组织

(2)SE线

• 碳在
• 中的溶解度曲线。
• 记为Acm温度。
• 低于此温度，奥氏体中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII。Acm

第29页：共晶转变:ECF线:共晶组织

(3)PQ线

• C在F中溶解度曲线。
• 727℃时，碳在F中最大解度为0.0218％；
• F从727℃冷却时会析出极少量的渗碳体，三次渗碳体Fe3CIII。
• 室温下含<0.0008%C。

第30页：共晶转变:ECF线:共晶组织

相图中各点的参数及含义：

第31页：

第32页：

第33页：共晶转变:ECF线:共晶组织

http://www.crct.polymtl.ca/FACT/documentation/

第34页：

第35页：

第36页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

三、铁碳合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁(C%<0.02%)（3）共析钢(C%≈0.77%)（2）亚共析钢(C%=0.02～0.77%)（4）过共析钢(C%=0.77～2.11%)（5）亚共晶白口铁(C%=2.11～4.3%)（7）过共晶白口铁(C%=4.3～6.69%)（6）共晶白口铁(C%=4.3%)

第37页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

（1）工业纯铁(C%<0.02%)组织转变工业纯铁结晶过程

第38页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

• 工业纯铁的室温组织
• 含碳量大于Q点(0.0008%)时，α-Fe中析出三次Fe3C；
• 但这个转变大多被抑制，形成微量的过饱和状态。
• 通常的组织为单一铁素体F。

第39页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

（2）共析钢(C%≈0.77%)相变过程组织转变过程L→→L+A→→P

第40页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

• 相:
• ＋Fe3C：
• ％=(6.69-0.77)/6.69＝88%Fe3C%= 0.77/6.69=12%组织：P，100％相与组织的量：

第41页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

T8钢退火组织500×显微组织：片状珠光体(P)

第42页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

共析钢的室温组织2500×片状珠光体(P)

第43页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

材料之美材料微观世界与自然界珠光体梯田

第44页：铁碳合金的平衡结晶过程及组织

材料之美材料微观世界与自然之美珠光体指纹

第45页：珠光体

珠光体P(Pearlite)的生长及形态：

第46页：珠光体

Microstructure of plain carbon UNS G10800steel showing colonies of pearlite. 4% picraletch. Original magnification 200×（注：OM）4% picral（苦味酸酒精溶液）

第47页：珠光体

Microstructure of pearlite colonies in plain carbonUNS G10800 steel taken in the scanning electronmicroscope. 4% picral etch. Original magnification2000×（SEM）4% picral（苦味酸酒精溶液）

第48页：珠光体

Microstructure of pearlite colonies in plaincarbon UNS G10800 steel taken in the scanningelectron microscope. The plates of cementite areclearly revealed. 4% picral etch. Originalmagnification 10,000×（注：SEM）4% picral（苦味酸酒精溶液）

第49页：珠光体

（3）亚共析钢(C%=0.02～0.77%)组织转变L→A→F+A→F+P

第50页：珠光体

• 相:
• ＋Fe3C：
• ％=(6.69-0.4)/6.69＝94%Fe3C%=0.4/6.69=6%组织：F+P:F％=(0.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%,P%=(0.4-0.02 )/(0.77-0.02)=51%40钢（0.4%C)相与组织的量：

第51页：珠光体

Wc=0.20%Wc=0.40%亚共析钢的室温组织

第52页：珠光体

20钢(0.2%C)40钢(0.4%C)60钢(0.6%C)

第53页：珠光体

（4）过共析钢(C%=0.77～2.11%)组织转变：L→L＋A→A→A＋Fe3CII→P＋Fe3CII

第54页：珠光体

• 相:
• ＋Fe3C：
• ％=(6.69-1.2)/6.69＝82%Fe3C%=1.2/6.69=18%组织：P+Fe3CⅡ:P％=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)=93%,Fe3CⅡ%=(1.2-0.77 )/(6.69-0.77)=7%T12钢（1.2%C)相与组织的量：

第55页：珠光体·T12钢退火组织40

T12钢退火组织400×显微组织：珠光体＋网状渗碳体

第56页：说明

说明：脆性的渗碳体网分隔了材料，工程中避免出现。硝酸酒精浸蚀苦味酸浸蚀过共析钢的室温组织

第57页：说明·过共析钢球化退火

过共析钢球化退火:球状P(球状Fe3C+F)

第58页：

第59页：过共析钢球化退火

（5）共晶白口铁(C%≈4.3%)组织转变L→(L＋Ld)→Ld→Ld′

第60页：过共析钢球化退火

• 共晶白口铸铁铸态组织300×显微组织：莱氏体Ld
• (P+Fe3CII+Fe3C)

第61页：过共析钢球化退火·在高速钢

Ld

纪念德国冶金学家A.莱德堡(Ledebur)而命名。

Ld

介稳定组织，高硬度，脆性较大。

铸铁

莱氏组织，提高耐磨性。

在高速钢(如W18Cr4V)及高碳高铬钢(如Cr12、Cr12MoV)的铸态组织中：鱼骨状莱氏体，提高钢的红硬性和耐磨性。

第62页：在高速钢

（6）亚共晶白口铁(C%=2.11～4.3%)组织转变：L→L＋A→A＋Ld→A＋Fe3CII＋Ld→P＋Fe3CII＋Ld′组织：P+Fe3CⅡ＋Ld′:Ld’%=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=41%,A%=59%.P％=(6.69-2.11)/(6.69-0.77 )×59%=46%Fe3CⅡ%=(2.11--0.77 )/(6.69-0.77)×59%=13%

第63页：在高速钢·亚共晶白口铸铁铸态组

亚共晶白口铸铁铸态组织250×显微组织：树枝状珠光体+二次渗碳体＋莱氏体(P+ Fe3CII＋Ld’)

第64页：亚共晶白口铸铁铸态组

亚共晶白口铁的室温组织P＋Fe3CII＋Ld’

第65页：亚共晶白口铸铁铸态组

（7）过共晶白口铁(C%=4.3～6.69%)组织转变L→L+Fe3CI→Fe3CI+Ld→Fe3CI+Ld’组织：Fe3CI＋Ld’:Ld’%=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=71%Fe3CI%=(5.0-4.3 )/(6.69-4.3)=29%

第66页：亚共晶白口铸铁铸态组·显微组织

显微组织：Fe3CI＋Ld’过共晶白口铸铁铸态组织100×

第67页：显微组织·过共晶白口铁

过共晶白口铁的室温组织Fe3CI+Ld’Fe3C的形式一次渗碳体Fe3CI二次渗碳体Fe3CII三次渗碳体Fe3CIII(共析)珠光体中(共晶)莱氏体中

第68页：

第69页：

第70页：碳对铁碳合金的影响

四、碳对铁碳合金的影响1、C%对室温平衡组织的影响按组织组成物标注的铁碳合金相图

第71页：碳对铁碳合金的影响·C%与相

C%与相、组织相对量的关系α基体Fe3C成为基体

第72页：C%与相

α基体Fe3C成为基体

第73页：C%与相·含碳量对平衡状态碳钢

含碳量对平衡状态碳钢机械性能的影响工业纯铁：强度、硬度低，塑性、韧性好。σb＝180－230Mpaδ＝30-50％ψ＝70-80％ak＝160-200J/cm250-60HB2、C%对力学性能的影响

第74页：含碳量对平衡状态碳钢

• 3、C%对工艺性的影响
• 热处理工艺
• 可锻性
• 铸造性
• 切削加工性

第75页：标注

标注：相组织

第76页：标注·小结标注

小结标注：相组织

第77页：标注

标注：相组织

第78页：基体对铸铁机械性能的影响

（2）基体对铸铁机械性能的影响。

• 五、铁－石墨相图
• 1、Fe-C（G）相图概况
• 2、灰口铸铁组织的形成
• （1）共晶合金
• （2）亚共晶合金
• （3）过共晶合金
• 3、石墨与基体对铸铁机械性能的影响
• （1）石墨对铸铁机械性能的影响

第79页：

第80页：高温

• 1、Fe-C相图概况
• Fe3C是亚稳相，
• Fe3C→3Fe＋C（石墨）。
• Fe－C相图位于Fe-Fe3C相图左上方，
• 高温、极慢冷却条件下优先析出。F+GA+GL+G

第81页：高温·共晶转变

共晶转变：LC’→（AE’＋G）。共晶石墨。A析出GII。AS’→（F＋G）共析石墨F析出GⅢ。室温组织：F+G（片）2、灰口铸铁组织的形成（1）共晶合金

第82页：亚共晶合金

（2）亚共晶合金L→L+A共晶转变：LC’→（AE’＋G）。共晶石墨。A析出GII。AS’→（F＋G）共析石墨F析出GⅢ。室温组织：F+G（片）

第83页：过共晶合金

（3）过共晶合金L→L+G共晶转变：LC’→（AE’＋G）。共晶石墨。A析出GII。AS’→（F＋G）共析石墨F析出GⅢ。室温组织：F+G（片）

第84页：过共晶合金·3）影响石墨化

3）影响石墨化的主要因素A.石墨化程度：1)冷却速度越缓慢，石墨化的效果越强。2）在高温下，渗碳体易分解为石墨。3）C、Si、Al、Cu、Ni、Co将促进石墨的形成。4）Cr、W、Mo、V、Mn能和碳形成碳化物，阻碍石墨化。

第85页：3）影响石墨化·球化处理

变质处理

加少量孕育剂（硅铁、硅钙等），石墨细化。

球化处理

加Mg或Re-Mg合金----球状石墨；稀土硅铁、稀土镁钛等-----蠕虫状石墨。蠕虫状絮状球状片状

铸铁组织依石墨化程度---呈现不同形态：B.石墨形状：

第86页：球化处理·蠕墨铸铁

蠕墨铸铁

第87页：蠕墨铸铁·可锻铸铁

可锻铸铁：团絮状石墨

第88页：可锻铸铁

F＋P＋G球球墨铸铁F＋G球P＋G球G球＋B下

第89页：可锻铸铁·球墨铸铁应用

球墨铸铁应用

第90页：球墨铸铁应用·固态石墨化过程

铸铁石墨化过程

三个阶段

第一阶段

液相凝固+共晶反应。

第二阶段

A中二次石墨析出GⅡ。

第三阶段

共析石墨。

液态石墨化过程

固态石墨化过程3.石墨形态和基体组织对铸铁性能的影响

第91页：固态石墨化过程

• 第一/二阶段石墨化温度较高，原子扩散能力较高。易石墨化，得到A+G组织。
• 铸铁石墨化过程进行的程度：

第92页：固态石墨化过程

第三阶段完全进行

F+G

第三阶段部分进行

F+P+G

第三阶段不进行

P+G

第三阶段石墨化温度较低，石墨化过程分三种情况：

铸铁石墨化过程进行的程度：

第93页：固态石墨化过程

• F＋片状G，F+P＋G P+G
• 第三阶段
• 完全进行：
• F+G
• 第三阶段
• 部分进行：
• F+P+G
• 第三阶段不进行：
• P+G
• 第一/二阶段充分进行G化。

第94页：固态石墨化过程

铸铁经不同程度石墨化后的组织麻口铸铁白口铸铁

第95页：固态石墨化过程

铸铁经不同程度石墨化后的组织程度名称显微组织第三阶段第二阶段第一阶段F＋G充分进行充分进行充分进行灰口铸铁F＋P＋G部分进行充分进行充分进行P＋G不进行充分进行充分进行Ld’＋P＋G不进行部分进行部分进行麻口铸铁Ld’＋P＋Fe3C不进行不进行不进行白口铸铁

第96页：固态石墨化过程

小结：1.Fe-Fe3C相图、Fe-C相图的特征。2.Fe-Fe3C相图、Fe-C相图典型结晶过程分析。3.Fe-Fe3C相图、Fe-C相图应用。生铁与熟铁？可锻铸铁可锻吗？

第97页：固态石墨化过程

小结名词概念合金组元相、组织、组织组成物固溶体与化合物匀晶、共晶、包晶、共析转变杠杆定律铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体内容要求1．阅读二元相图：（1）已知部分相区确定相邻相区；（2）确定双相区和三相区的冷却转变类型和反应式；（3）分析合金冷却时的相变过程。2．单一类型(匀晶、共晶、包晶)相图和铁碳相图：（1）相和组织转变过程；（2）杠杆定律：平衡转变时组成相的相对含量。平衡转变时组织组成物的相对含量3.铸铁的组织特点（基体和石墨）。

第98页：结束页

谢谢！