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典型铁碳合金结晶过程分析

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单元教学设计(铁碳合金典型合金结晶过程及应用)

单元教学设计(铁碳合金典型合金结晶过程及应用)

《工程材料与成形工艺》课程单元教学设计
单元教学设计
1 共析钢的结晶过程分析
如图示，过w c=0.77%的点作一条垂直于横轴的垂线（合金线）Ⅰ，与相图分别交于1、2、3（S）点温度，以这三点温度为界，分析其冷却
过程。

1点以上全部为液相(L)，当缓冷至与AC线相交的1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体(A)，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿
AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。

冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。

2～3点(即S点)温度范围
内为单一奥氏体。

冷至3点(727℃)时，发生共析转变，从奥氏体中同时
析出铁素体和渗碳体，构成交替重叠的层片状两相组织，称为珠光体。

其组织转变过程为：L→L+A→A→F+ Fe3C（P）
2 亚共析钢结晶过程分析（以w c=0.45％为例）
w c=0.45％的亚共析钢作合金线，与相图分别交于1、2、3、4点过
温度。

铁碳合金的平衡 结晶过程及组织

铁碳合金的平衡 结晶过程及组织

47.8%
( WγE = 1-47.8% = 52.2% )
第四节 含碳量对铁碳合 金平衡组织和性能的影响
一、含碳量对平衡组织的影响
随C含量 ，铁碳合金组织变化：
α+Fe3C α+P P P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’
P+Fe3CⅡ Ld’+Fe3CⅠ
C% ，Fe3C
Fe3C的形态及分布：随C
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
亚共晶白口铁 2.11%<C%<4.3%
t1 t2
t3
L
L 初
L 共晶+Fe3C即Ld
共晶 转变
初Fe3CⅡ 共晶Fe3CⅡ
共+Fe3C即P 初+Fe3C即P
室温组织 ：
共析 转变
P +Fe3CⅡ+L'd(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)
组织：P+ Fe3CⅡ +L’d （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
三、杠杆定律的应用
1、0.4%C钢
K
组织组成物：α+P
S 0.4 0.77 0.4
Wα
PS

《金属工艺学》铁碳合金

《金属工艺学》铁碳合金

主要线
二条平行线（ECF、PSK）表示恒温反应： ECF：1148 ℃发生共晶反应 Lc --- AE + Fe3C PSK: 727 ℃发生共析反应 As ----- FP + Fe3C
ES线（Acm线）:C在A中的固溶线。 1148 ℃：C在A中最大溶解度2.11% 727 ℃: C在A中最大溶解度0.77%
在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或粒 状。 Fe3C的形状、大小、分布和数量对钢的性 能有极大的影响。
Fe3C在一定条件下可分解成铁和石墨。
（4）珠光体 P
含碳量为0.77%的A同时析出F和Fe3C的机械 混合物。（共析反应）
P是软的F片和硬的Fe3C片相间的机械混合物。 性能介于两者之间：δ=20～25%，σb =600～800MPa，HBS=170～230
（2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶 格。其基本性能也同溶剂。
（3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：
① 置换固溶体（下页图）
一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代替。 在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶格会 发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升高， 这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象， 叫固溶强化。——提高合金机械性能的一个途径。
目的： ① 细化晶粒（可提高σ、δ、ak） ② 降低硬度（便于切削加工） ③ 消除内应力（以及加工硬化）、（可防变形和
开裂）
1、完全退火
将亚共折钢加热到AC3以上30-50℃，保温 后缓冷。
加热得细晶粒的A，冷却后得细晶粒F＋P。 目的：
①细化晶粒；②降低硬度；③消除内应力。
2、球化退火
重要特性点 P19 B1-4
特性点 A C D E F G

铁碳合金的分类及其平衡结晶综述

铁碳合金的分类及其平衡结晶综述
Ld 室温组织： ，无相对量问题。
室温相组成：α+Fe3C，两相相对量为：
Fe C
3
2K 6.69% 4.3% 100% 100%; PK 6.69% 0.0218 % 1
渗碳体包括三部分：共晶渗碳体、 二次渗碳体和共析渗碳体
上一内容
下一内容
PK
100 % 88 .7%, Fe3C 1 11 .3%
在显微图4.6（b）中黑色线条可视为渗碳体，白色部分为 铁素体。
上一内容
下一内容
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二．典型铁碳合金的结晶过程
2. 亚共析钢（以含碳量0.55%的亚共析钢为例） 过成分点作垂线，和相图上的液相线、固相线、GS线、共析线分别交1、 2、3、5点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
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二．典型铁碳合金的结晶过程
5.亚共晶白口铸铁 以含碳量为3.0%的合金为例。过成分点作垂线，和液相线、共晶线、 共析线交于1、2、3点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
先 先 先 L3.0 L 先 E LC 1148 E Ld （ 先 Fe3C） Ld （ S Fe3C） Ld
L0.55 L 0.55
先

先 P
S
727
先 P
P
先
P
图中，白色为先 共析铁素体，黑 色为珠光体
上一内容
下一内容
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二．典型铁碳合金的结晶过程
室温组织组成物：α先+P。两组织相对量用杠杆定律 （连接线PS？）

727 （P Fe3C） L/d

典型铁碳合金结晶过程分析

典型铁碳合金结晶过程分析
共析钢在室温时的组织是珠光体，合金的 组织按下列顺序变化：
2．亚共析钢
亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组 成合金的组织按下列顺序变化：
3．过共析钢
室温下为珠光体 和网状二次渗碳 体组织。钢中含 碳量越多，二次 渗碳体也越多。
4．白口铸铁
• 亚共晶白口铸铁 • 共晶白口铸铁 • 过共晶白口铸铁
亚共析钢亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成合金的组织按下列顺序变化
典型铁碳合金结晶过程分析
一、铁碳合金的分类
纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合铁 碳合金。 铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢
三、铁碳合金的成份、组织与性能的关系
随含碳量的不同，其组织顺序： F→F+P→P→P+ Fe3 C→P+ Fe3 C+ L'd →L'd →L'd+ Fe3 CⅠ
含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性 越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。

铁碳合金相图与共析钢结晶过程

铁碳合金相图与共析钢结晶过程

珠光体
室温下，珠光体中两
相的相对重量百分比

1
2
是多少？
4L Q QL
3
6 .6 9 0 .7 7 8 8 .5 % 6 .6 9 0 .0 0 0 8
Q4
9
Q Fe3C 1 0 0 % 8 8 .5 % 1 1 .5 %
共析钢的结晶过程
总结：钢的结晶过程
1、共析钢的结晶过程 L → L+A → A → P 相组成物：F，Fe3C 2、亚共析钢的结晶过程 L→L+A → A → A+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 3、过共析钢的结晶过程 L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C
相图中有很广阔的奥氏体 区，面心立方晶格的高温 奥氏体有优良的塑性和较 好的强度，塑性变形抗力 很低，是热锻、热轧极好 的组织，轧、锻温度一般 选在图中影线部分。
（4)在焊接方面的应用
含碳量越低的钢焊接性越 好，含碳量增加时，随着 焊件壁厚的增加，需要预 热和焊后回火处理。
直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。
高温组织为单相A ⒈ 含碳量对室温平衡组织的影响
11%C)高温组织为单相A ⑵ 两相区: L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C
即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线
L+ Fe3C
共析转变的产物是 F与
Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
珠光体

典型铁碳合金结晶过程分析 (2)

第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2典型铁碳合金的结晶过程分析-4共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%1交点：液相开始发生共晶转变1~2之间：共晶奥氏体中会出现二次渗碳体2交点：γ发生共析转变→P (珠光体)共晶渗碳体不发生变化2 以下：组织低温莱氏体（L′d ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)共晶转变生成莱氏体（Ld ）奥氏体为共晶奥氏体，渗碳体为共晶渗碳体w c＝4.3%的铁碳合金结晶过程示意图低温莱氏体金相照片（黑斑区为珠光体，白色为渗碳体）室温组织：（L′d ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝4.3%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w α=6.69−4.36.69−0.0008×100%≈？w Fe 3C =1−w α≈？%100='d L w典型铁碳合金的结晶过程分析-5亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%3以下2交点：存在两相L +γ2~3：奥氏体中会出现二次渗碳体3交点：γ发生共析转变→P (珠光体)二次渗碳体+ Ld 不发生变化3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C II + P ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)1交点：液相开始发生匀晶转变L →γ其中的室温组织：（L'd + P + Fe 3C Ⅱ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝3.0%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w Fe 3C =1−w α≈？w α= 6.69−3.06.69−0.0008×100%≈?w L ′d=3.0−2.114.3−2.11×100%≈？w P = 4.3−3.04.3−2.11×6.69−2.116.69−0.77×100%≈？w Fe 3C II =1−w L ′d −w P ≈?结晶过程示意图亚共晶白口铸铁的金相照片亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金3以下典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K123典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K1231~2：一次渗碳体形成的温度高，故其形貌为粗大的片状结构2交点：共晶转变3交点：γ发生共析转变3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C I ）1交点：液相开始发生匀晶转变L →Fe 3C I过共晶白口铸铁w c＝5.3%铁碳合金L'd＋Fe3CⅠ过共晶白口铸铁的室温组织典型铁碳合金的结晶过程分析-7工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q1234567工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q12345671~2：L 减少δ增加1以上：液相1交点：匀晶转变L →δ2点：单相δ （0.01%）2~3：单相δ （0.01%）3点开始：δ →γ3~4：δ减少γ增加4~5：单相γ（0.01%）5点开始：γ→α5~6：γ减少α增加6点，6~7：单相α （0.01%）7点：α析出Fe 3C ⅡI工业纯铁w c<0.01%铁碳合金室温下的相：F+Fe3C 室温组织: F + Fe3CⅢ工业纯铁室温组织金相照片。

铁碳相图结晶过程

金的机械性能和物理性能。
再结晶过程中，合金中的碳含量、 温度和外力作用等因素都会影响
最终的组织形态和性能。
03
铁碳相图的结晶特性
结晶温度
结晶温度
01
结晶过程开始时所需的最低温度。
影响因素
02
铁碳相图中的结晶温度受到多种因素的影响，如碳含量、合金
成分、压力等。
变化规律
03
随着碳含量的增加，结晶温度逐渐升高。
04
铁碳相图的应用
在钢铁工业中的应用
钢铁材料的研发
铁碳相图是钢铁材料研发的重要依据，通过分析相图中不同成分的相变点，可以确定不同成分钢种的凝固点和结 晶过程，从而优化钢铁材料的性能。
钢铁生产过程的控制
在钢铁生产过程中，铁碳相图可用于指导熔炼、连铸和轧制等工艺过程。通过控制温度和成分，确保产品达到所 需的组织和性能要求。
究
目前对铁碳相图的研究已经从二 元合金体系扩展到多元合金体系， 如钢、不锈钢等，这将有助于更 全面地了解多元合金的相变规律。
相图计算方法的改
进
随着计算机技术的发展，计算相 图的方法也在不断改进，通过模 拟和预测合金的相变行为，可以 更快速地预测合金的性能。
铁碳相图的未来展望
探索新型钢铁材料
随着环保意识的提高和能源消耗的增加，新型钢铁材料的需求 越来越大，铁碳相图的研究将有助于开发出具有优异性能的新
热处理过程监控
通过实时监测热处理过程中的温度和相变点，可以控制热处理过程，确保材料 达到预期的性能指标。
05
铁碳相图的发展趋势 和未来展望
铁碳相图的发展趋势
相图精度提高
随着实验技术的不断进步，铁碳 相图的测定精度越来越高，能够 更准确地描述铁碳合金在不同温 度和成分下的相变行为。

铁碳合金状态图


② 亚共析钢
③ 过共析钢
3）白口铸铁
2.11％ < WC ≤ 6.69％
按室温组织不同，又可分为以下三种： ① 共晶白口铸铁 WC = 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 ② 亚共晶白口铸铁 2.11％ < WC < 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 + 珠光体 + 二次渗碳体 ③过共晶白口铸铁 4.3％ < WC ≤ 6.69％ 室温组织：低温莱氏体 + 一次渗碳体。
渗碳体是强化相，其形状有条状、网状、
片状、粒状等，它的形状、大小和分布对 钢的性能起重要作用。
四、珠光体

珠光体（P）

定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物
（平均含碳量：0.77%）

性能组织：介于F 和 Fe3C之间具有良好的综合力学性能
层片状
颗粒状
五、莱氏体

莱氏体（Ld）

定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物
727
共晶相图
共析相图
0.0218
0.77
2.11
4.3
Fe — Fe3C状态图
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体

铁素体（F 或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：体心立方晶格


最大溶解度：0.0218%（727℃）
性能组织：强度低、硬度低而塑性好。
二、奥氏体
奥氏体（A

2、制定铸、锻、热处理工艺的重要依据
1）铸造方面： 浇注温度一般在液相线以上50～100°C 铸造生产中，共晶成分附近的铸铁应用最多在此范围的钢， 其结晶温度范围小，铸造性能好
2）锻造方面： 锻造时，将其温度加热到A体区域， 能获得良好的塑性，易于锻造成形 白口铸铁中有大量硬而脆的渗碳体， 故不能锻造

铁碳相图经典版本讲解


强化作用.
σb :770MPa
δ: 20-35%
硬度: 180HB
ak: 3×105-
4×105J/m2
3. 亚 共 析 钢 的 结 晶 过 程
4. 过 共 析 钢 的 结 晶 过 程
(a) 0.01%C 铁素体 500倍
(b) 0.45%C 铁素体+珠光体
500倍
(c) 0.77%C 珠光体 500倍
P%=A%-Fe3C%=(59.4-13.4)%=46% 相组成物：F、Fe3C
相组成物相对量：
F%=(6.69-3)/6.69×100%=55.2%
Fe3C%=3/6.69 ×100%=44.8%
F+Fe3C
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
(五).Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类
(1) 工业纯铁 [ w(C)≤0.0218%]
(2) 钢
[0.0218%< w(C)≤2.11%]
亚共析钢
0.0218%<w(C)<0.77%
共析钢
w(C) = 0.77%
过共析钢
0.77%<w(C)≤2.11%
(3) 白口铸铁 [2.11%<w(C)<6.69%]
硬度≈80×w(F)+800×w(Fe3C) (HB) 拉伸强度(σb)≈230×w(F)+770×(P) (MPa) 伸长率(δ )≈50×w(F)+20×w(P) (%)
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含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性 越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。
一、铁碳合金的分类
纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合金。 钢——含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。 铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢
共析钢在室温时的组织是珠光体，合金的 组织按下列顺序变化：
2．亚共析钢
亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组 成合金的组织按下列顺序变化：
3．过共析钢
室温下为珠光体 和网状二次渗碳 体组织。钢中含 碳量越多，二次 渗碳体也越多。
4．白口铸铁
• 亚共晶白口铸铁 • 共晶白口铸铁 • 过共晶白口铸铁
三、铁碳合金的成份、组织与性能的关系
随含碳量的不同，其组织顺序： F→F+P→P→P+ Fe3 C→P+ Fe3 C+ L'd →L'd →L'd+ Fe3 CⅠ