7铁碳合金 料论 第七章金属材料 Fe-Fe3C相图 71铁碳合金 71.1碳钢 7.1.1碳钢 723°C 共析钢冷却过程 珠光体 6669Cwt% 7铁碳合金 711碳钢 7铁碳合金 71.1碳钢 铁素体:即 723°C BCC铁形成 共析钢冷却过程 处.较金 软的合
1 材料导论 第七章 金属材料 7.1 铁碳合金 γ α+γ A C D E F α 过共晶 白铸铁 1148 G 912 727 2.11 4.3 亚共晶 白铸铁 B 0.53 N 0.17 H 1394 1538 1495 δ+γ L+γ L+δ δ α+Fe3C γ+Fe3C Fe3C 0.77 Q P S L L+Fe3C K Fe 1 2 3 4 5 6 6.69 1227 亚 共 析 钢 过 共 析 钢 工 业 纯 铁 C wt% 代 码 温度 (°C) 碳含量 (wt%) 意义 C 1148 4.3 共晶点 LC←→γE＋Fe3C E 1148 2.1 碳在γ相中的 最大溶解度 G 912 0 α－γ转变 P 727 0.02 碳在α相中的 最大溶解度 S 727 0.8 共析点 γ←→αP＋Fe3C 7.1.1 碳钢 Fe- Fe3C相图 0.02 亚 共 析 钢 冷 却 过 程 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 0.4 0.8 γ γ γ γ γ+α α+Fe3C 0.02 723°C 温度 °C γ+Fe3C γ γ γ α 珠光体 α α 100% Fe C wt% 过 共 析 钢 冷 却 过 程 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 γ+α α+Fe3C 0.02 723°C 温度 °C γ+Fe3C α 珠光体 α 100% Fe 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 C wt% 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 铁素体 ：即 α 相。碳与 BCC 铁形成 的间隙固溶 体。碳的溶 解度在共析 温 度 (727°C) 处最高 , 为 0.022wt%, 是 较软的合 金
71铁碳合金 1碳钢 铁形成 的间隙固溶 马氏体:由?相快速冷却(淬火)得到的亚稳相,四方体心结 构,相图上看不到。它保持了γ相时的碳含量,坚硬而 1148°C 最高洛解度 为21lwt 涉体:即化合物FeC具有三方晶体结构,硬且 针状马氏体1000x 片状马氏体(C>0.6%) 结构。共析组成(0.8wt%C) 马氏体转变的可能机理 了相经缓慢冷却得到。硬度高于a相,但远低于马氏体 粗珠光体 细珠光体 贝氏体:Fe2C微粒分散于a基体中的微观结构。硬度介于珠光 微观构之间,具有良好的延晨性与。是最希望得到的 下贝氏体 马氏体 上 氏 铁囊体
2 奥氏体 ：即 γ 相。碳与 FCC铁形成 的间隙固溶 体。共析温 度的最高溶 解度为 0.8wt% ， 1148°C下的 最高溶解度 为 2.11wt %。 渗碳体：即化合物Fe3C, 具有三方晶体结构，硬且脆。 马氏体： 由γ相快速冷却（淬火）得到的亚稳相，四方体心结 构，相图上看不到。它保持了γ相时的碳含量，坚硬而脆。 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 片状马氏体（C＞0.6%) 针状马氏体 1000× [001]γ [100]γ [010]γ [001]α [100]α [010]α a0 a c a0 / 2 马氏体转变的可能机理 珠光体： α与Fe3C形成的间层结构。共析组成（0.8wt%C）的 γ相经缓慢冷却得到。硬度高于α相，但远低于马氏体。 粗珠光体 细珠光体 贝氏体：Fe3C微粒分散于α基体中的微观结构。硬度介于珠光 体与马氏体之间，具有良好的延展性与韧性。是最希望得到的 微观结构。 上 贝 氏 体 马氏体 铁素体 渗碳体 下贝氏体 马氏体 铁素体 渗碳体
Spheroidite(球状贝氏体 71铁碳合金 7.11碳钢 珠光体或贝氏体在略低于共析温度下(700°C)长时 间(>24小时)保温生成 碳钢的淬火 (淬冷 不可逆过程 a 7铁碳合金 7.1碳钢 确光体 共析钢以不同方式冷却后的相态与微况结构 冷却介质 相态 微观结构 HRC T A:水马氏体马氏体65 图 B:油 a+FeC珠光体,贝氏体, 马氏体 40-45 马氏体 时1天 D:奥氏回火a+FeC 71铁碳合金 711碳钢 铁碳合金7.2合金钢 400-450°C,30min a+Fe, c 回火 引入合金元素的理由: 1.固溶强化 不是马氏体) 提高耐腐蚀性 3.提高机加工性 4.提高淬透性
3 Spheroidite (球状贝氏体） 珠光体或贝氏体在略低于共析温度下(~700°C)长时 间（＞24小时）保温生成 M α + Fe3C 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 γ （淬冷） 马氏体 (M) 碳钢的淬火 不可逆过程 800 700 600 500 400 300 200 100 11 32 38 40 40 41 43 50 55 57 66 100 101 102 103 104 105 106 温度 °C 起始线 终止线 共析温度 粗珠光体 细珠光体 上贝氏体 下贝氏体 硬度 HRC γ γ γ S1 S2 S3 γ Ms α+Fe α 3C Fe3C A B C D 马氏体 D F1 F2 F3 1小时 1天 时间 (s) T T T 图 + 冷却介质 相态 微观结构 硬度 HRC A：水 马氏体 马氏体 65 B：油 α + Fe3C + 马氏体 珠光体，贝氏体， 马氏体 40-45 C：空气 α + Fe3C 珠光体 15-20 D：奥氏回火 α + Fe3C 贝氏体 40-45 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 共析钢以不同方式冷却后的相态与微观结构 400 - 450°C，30min M α + Fe3C 7.1 铁碳合金 7.1.1 碳钢 回火 回火马氏体 (不是马氏体） 7.1 铁碳合金 引入合金元素的理由： 1. 固溶强化 2. 提高耐腐蚀性 3. 提高机加工性 4. 提高淬透性 7.1.2 合金钢
71铁碳合金 712合金钢 71铁碳合金 7.12合金钢 Jominy端部淬火法 便氏体样 系 71铁碳合金 7.12合金钢 71铁碳合金 713工具钢 合金元素的主要作用 主要作用 的主要区 熔体中脱氧 别在于加 硫结合降低其 三类钢的异同 碳钢合金钢工具钢 合金 工属制 淬通性温度 基本:Fe+C+M Fe+C+ Mn Cr Ni,Mo, V, S, Pb.Al Cr Ni, Mo, V.S. 国火温度 合金元豪化物 款相:铁体十珠光体铁素体十珠光体 铁素体十化物 耐性钡
4 7.1 铁碳合金 7.1.2 合金钢 含 碳 量 与 淬 透 性 的 关 系 25 50 75 100 60 50 40 30 20 表面硬度 HRC 样品直径 mm 1095 1050 1040 1030 Jominy端部淬火法 7.1 铁碳合金 7.1.2 合金钢 合金元素的主要作用 7.1 铁碳合金 7.1.2 合金钢 合金 元素 典型用量 （wt%） 主要作用 铝 <2 促进氮化，限制晶粒生长，从熔体中脱氧 硫 <0.5 提高机加工性，降低焊接性与延展性 铬 0.3-4 提高耐腐蚀性与耐氧化性，提高淬透性，提高 高温强度，可与碳结合生成坚硬微组织 镍 0.3-5 促进奥氏组织，提高淬透性，提高韧性 铜 0.2-0.5 生成坚硬氧化膜提高抗大气腐蚀性 镁 0.3-2 提高淬透性，促进奥氏组织，与硫结合降低其 不利影响 硅 0.2-2.5 促进脱氧，提高韧性，提高淬透性 钼 0.1-0.5 促进晶粒细化，提高淬透性，提高高温强度 钒 0.1-0.3 促进晶粒细化，提高淬透性，可与碳结合生成 坚硬微组织 7.1 铁碳合金 7.1.3 工具钢 与合金钢 的主要区 别在于加 工方式 碳钢 合金钢 工具钢 组成 基本：Fe + C + Mn Fe + C + Mn Fe + C + Mn 可加： S，P Cr,Ni,Mo,V,S,Pb,Al Cr, Ni, Mo, V, S, Pb,Al,Si,W,Co 微观结构 硬相： 马氏体 马氏体 马氏体 合金元素碳化物 软相： 铁素体＋珠光体 铁素体＋珠光体 铁素体＋碳化物 三类钢的异同 三 类 钢 的 异 同 碳钢 合金钢 工具钢 Ms Ms Ms Mf 淬透性 硬度 耐磨性 温度 HRC 磨损 体积 时间 回火温度 时间
71铁碳合金71.4不锈钢 71铁碳合金 .4不锈钢 腐蚀速率与铬含量的关系 快演体 铁铬相图 02468101214161820 wt%铬 20406080100%骼 71铁碳合金 7.14不锈钢 71铁碳合金 714不锈钢 铁体a 铁素体不锈钢 快体a 马氏体不锈钢 碳含量低于 含量为 16-20%耐腐蚀性 铬含量为12-18 71铁碳合金 74不锈钢 71铁碳合金 714不锈钢 奥氏体不锈钢 五类不锈钢 铁章体:铁铬+低含量碳 马氏体:铁铬+高合量碳 奥氏体:铁铬懔+低含量碳 含碳量只有0.1% 沉淀强化:铁铬+低含量碳+沉淀元章 铬含量为16-26%, 元:铁素体+奥氏体 镍含量为8-24% $2% Fe 0%( 延展性好
5 腐蚀速率与铬含量的关系 7.1 铁碳合金 7.1.4 不锈钢 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 wt% 铬 腐蚀速率 10－9cm3/年 140 120 100 80 60 40 20 铁 - 铬 相 图 7.1 铁碳合金 7.1.4 不锈钢 0 20 40 60 80 100 液体 奥氏体 铁素体 ＋ ＋ 液体 温度 °C %铬 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Sigma 奥氏体 铁素体 铁素体 ＋ 铁素体 ＋ 铁素体 磁性转变 铁 素 体 不 锈 钢 碳含量低于 0.2%，铬含量为 16~20%耐腐蚀性 强，强度低 7.1 铁碳合金 7.1.4 不锈钢 C+N>2% 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 20 30 40 %铁 %铬 液体 温度 °C Sigma α 铁素体α σ + α 奥氏体γ 马 氏 体 不 锈 钢 7.1 铁碳合金 7.1.4 不锈钢 铬含量为12-18 %，碳含量可高 达1.2% 强度高 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 20 30 40 %铁 %铬 液体 温度 °C Sigma 铁素体α σ + α 奥 氏 体 γ α + 液体 奥 氏 体 不 锈 钢 7.1 铁碳合金 7.1.4 不锈钢 含碳量只有0.1%， 铬含量为16-26%， 镍含量为8－24% 延展性好 奥氏体γ 铁素体α α + γ 1400 1200 1000 800 600 400 200 液体 温度 °C α + 液体 82% Fe 0% C 2 4 6 8 10 18% Cr 0% Ni Ni% 7.1 铁碳合金 7.1.4 不锈钢 五类不锈钢 铁素体：铁-铬 + 低含量碳 马氏体：铁-铬 + 高含量碳 奥氏体：铁-铬-镍 + 低含量碳 沉淀强化：铁-铬 + 低含量碳 + 沉淀元素 二元：铁素体 + 奥氏体