工程材料第二章 鐵碳相圖

文章目錄

• 工程材料第二章 鐵碳相圖
• • 鐵碳合金的組元及基本相
  • • 相圖：
    • 相圖的建立：
    • 金屬結晶的微觀基本過程-形核長大過程
    • 控制晶粒大小
    • 金屬結晶的宏觀現象
    • 熱分析法建立Cu-Ni相圖
  • 鐵碳相圖分析
  • • 鐵碳合金中的組員和基本相
    • 純鐵：
    • 鐵素體：
    • 奧氏體：
    • 滲碳體：
    • 珠光體：
  • 鐵碳相圖分析（重點)
  • • 相圖中的五個單相（區）
    • 相圖中的三個重要點
    • 相圖的三條水平線
    • 相圖的四條垂直線
    • 工業純鐵的平衡結晶過程
    • 共析鋼的平衡結晶過程
    • 亞共析鋼的平衡結晶過程
    • 過共析鋼的平衡結晶過程
  • 含碳量對碳鋼平衡組織和性能的影響
  • • 碳含量對碳鋼室溫組織的影響
  • 本章額外知識匯總

鐵碳合金的組元及基本相

相圖：

是表明合金系中各種合金的平衡條件和相與相之間關系的一種建明示意圖或狀態圖，是合金體系中材料的狀態與溫度、成分關系的簡明圖解。

相圖的建立：

找出合金系中各個成分的合金在結晶過程中的相變點。

金屬結晶的微觀基本過程-形核長大過程

細晶強化：

晶粒細化使金屬機械性能提高的現象

晶粒尺寸越小，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好

強硬度塑韌性

細晶強化	增加	增加
固溶強化	增加	減小
形變強化	增加	減小
彌散強化	增加	減小

控制晶粒大小

細化晶粒的途徑：

增大形核率 降低長大速度

具體方式：

增大過冷度，孕育（變質）處理，振動、攪拌

孕育（變質）處理：

在液體金屬中加入變質劑(孕育劑)，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。其作用是增大形核率并抑制晶粒的長大。

金屬結晶的宏觀現象

研究液態金屬結晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。

它是將金屬放入坩堝中，加熱熔化后切斷電源，用熱電偶測量液態金屬的溫度與時間的關系曲線，該曲線稱為冷卻曲線或熱分析曲線，見下圖：

過冷現象：液態金屬必須冷卻到理論結晶溫度Tm以下某一個溫度T時才開始結晶，這個現象稱為過冷，這是金屬結晶的必要條件。

冷卻過程中的溫度平臺：金屬結晶時釋放的熱量（結晶潛熱）與散失的熱量相等，使得溫度不變

熱分析法建立Cu-Ni相圖

鐵碳相圖分析

鐵碳合金：現代工業使用最廣泛的合金。

鐵碳合金中的組員和基本相

純鐵：

(1) 純鐵強度低，硬度低，塑性好，很少做結構材料

(2) 由于有高的磁導率，可作為電工材料用于各種鐵芯

(3) 同素異構轉變：金屬在溫度（壓力）改變時發生晶體結構變化的現象。

鐵素體：

碳溶解在δ-Fe 或α-Fe中形成的間隙固溶體

性能：強度、硬度低 塑性、韌性好

奧氏體：

碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體

性能：有一定的強度和硬度，塑性也很好

滲碳體：

鐵與碳形成具有復雜晶格的穩定間隙化合物Fe3C

性能：硬度很高，脆性大，塑性和韌性極低。

珠光體：

鐵素體和滲碳體組成的機械混合物

性能：綜合力學性能比較好

鐵碳相圖分析（重點)

相圖中的五個單相（區）

相圖中的三個重要點

（1）J為包晶點: 1495 ℃時, B點成分的L與H點成分的 δ 發生包晶反應, 生成J點成分的γ。

（2）C點為共晶點 1148 ℃時, C點成分的L發生共晶反應, 生成E點成分的γ和Fe3C（萊氏體）。

（3） S點為共析點 727 ℃時, S點成分的γ發生共析反應, 生成P點成分的α和Fe3C（P）。

相圖的三條水平線

（1）包晶反應：L+δ＝γ

（2）共晶反應：L＝Le( Fe3C+ γ )

（3）共析反應： γ＝P (Fe3C+ α)

相圖的四條垂直線

分別過P、S、E、L四個點

工業純鐵的平衡結晶過程

冷卻過程中勻晶反應：L相→δ相→γ相→α相→ α相中沿晶界析出片狀Fe3CⅢ

共析鋼的平衡結晶過程

亞共析鋼的平衡結晶過程

過共析鋼的平衡結晶過程

含碳量對碳鋼平衡組織和性能的影響

碳含量對碳鋼室溫組織的影響

硬度和塑性主要決定于：

組織中組成相或組織組成物的硬度塑性和質量分數，室溫下碳鋼由鐵素體（F）和滲碳體（Fe3C）組成, 隨碳含量的增加, 硬度高塑性差的Fe3C增多, 硬度低塑性好的F減少,合金的硬度增大，塑性降低。

強度主要受珠光體P的影響，含碳量Ｃ增加時：

亞共析鋼中P增多而F減少。P的強度高，F的強度較低，所以亞共析鋼的強度增大。 過共析鋼中, 主要相為P和Fe3C，由于強度很低的Fe3C沿晶界出現, 合金強度的增高變慢, 到約0.9%C時, Fe3CII沿晶界形成完整的網, 強度迅速降低, 隨著碳質量分數的進一步增加, 強度不斷下降。

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總結

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