铁碳合金的组元及基本相在线视频

同学们好

这一节我们来学习铁碳相图

主要学习以下四部分内容

第一

铁碳合金的组元及基本相

第二

铁-渗碳体相图分析

第三

铁碳合金及平衡组织

第四

碳对铁碳合金的组织与性能的影响

第五部分

铁-石墨相图留给大家自学

在学习铁碳相图之前

我们首先来明确一下

为什么要学习铁碳相图呢

也就是研究铁碳相图的意义是什么

碳钢和铸铁都是铁和碳的合金

是目前使用最广泛的金属材料

了解铁碳相图

对于钢铁材料的研究和使用

各种加工工艺的制订

以及产品的质量分析等

都有十分重要的意义

那么什么是钢

什么是铁

什么又是铁碳相图呢

当我们提出这个问题的时候

有些同学是能够回答的

也就是当碳含量

小于等于2.11%的合金

称为钢

碳含量小于等于5%的合金

称为铸铁

在铁碳合金中

铁往往是作为基体存在的

而碳则是溶入铁的晶格之中

形成间隙固溶体

超过固溶度后

剩余的碳将形成渗碳体

记为铁三碳或石墨碳

热力学上石墨是稳定相

而渗碳体是亚稳定相

但是石墨的含碳量为100%

而渗碳体含碳量仅为6.69%

所以在通常情况下

碳总是与铁形成渗碳体

而在某些特定的情况下

比如说在极其缓慢的冷却

或加入促进石墨化的元素

碳才以石墨的形式存在

渗碳体是一个稳定的化合物

可以将其作为一个组元

与铁构成铁-渗碳体相图

渗碳体的碳含量为6.69%

当碳含量超过6.69%的铁碳合金

脆性会很大

已经没有使用价值

所以人们一般只研究铁-渗碳体部分

此时相图的组元为铁和渗碳体

为了全面反映铁碳合金的组织状态

将铁-渗碳体和铁-碳综合在一起

绘成双重相图见PPT图中所示

图中的实线部分为铁-渗碳体相图

虚线部分表示铁-石墨相图

虚线与实线重合的部分以实线表示

因为对铁-渗碳体相图研究比较多

应用也比较普遍

所以铁碳相图在一般情况下

就是指铁-渗碳体相图

下面我们就来学习一下铁碳合金的组元

及基本相

首先来看一下组元纯铁

铁大家都很熟悉

是过渡族元素

熔点与凝固点为1538摄氏度

密度是7.87

乘以10的三次方千克每立方米

纯铁的冷却曲线如PPT当中的图所示

纯铁在1538摄氏度时结晶为

体心立方晶格的δ-Fe

那么冷却到在1394摄氏度

及912摄氏度时

先后发生两次晶格类型的转变

称为同素异晶转变

由体系立方的δ-Fe

转变为面心立方的γ-Fe

转变的平衡临界温度

称为 A4点

又称A4转变

面心立方的γ-Fe转变为体心立方的α-Fe

又称为A3转变

在912摄氏度以下的铁的

晶格结构就不再发生变化

同素异晶转变是与液态结晶一样

也是一种相变过程

为了区别于从液态结晶

那么将固态下的相变称为重结晶

α-Fe在770摄氏度将发生磁性转变

由高温的顺磁性

转变为低温下的铁磁性

这种磁性转变又称为A2转变

磁性转变温度为铁的居里点

发生磁性转变时

铁的晶格类型是没有发生变化的

也就是说这个时候是不是相变

下面我们来看一下铁碳相图中

两个重要的基本相

铁素体和奥氏体

铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体

具有体心立方晶格

常用符号F或α表示

碳的固溶度极小

室温时约为0.0008%

727摄氏度时最大为0.0218%

因为铁素体当中的碳含量少

所以它的性能与纯铁基本相同

特点是强度低

硬度低

塑性好

在770度以上是顺磁相

奥氏体是碳在γ-Fe当中的间隙固溶体

为面心立方晶格

常用符号A或γ来表示

碳的固溶度在1148摄氏度时最大

为2.11%

奥氏体的强度

硬度相对较低

塑性较好

属于顺磁相

碳溶于δ-Fe当中的间隙固溶体

称为δ铁素体

又称为高温铁素体

以δ来表示

在1495摄氏度时

其溶碳量最大

为0.09%

铁素体的溶碳能力比奥氏体小得多

据测定奥氏体的最大溶碳量

能达到2.11%

在1148摄氏度的时候

而铁素体的最大溶碳量

仅仅是0.0218%

是在727摄氏度的时候

那么同学不禁会产生一个疑问

奥氏体的溶碳能力

之所以比铁素体高

是因为什么呢

如果学过前面的晶格的结构情况

大家就可以猜想到

因为奥氏体的晶体的间隙比较大

据测量和计算

在950摄氏度的时候

γ-Fe的晶格常数为0.365纳米

它的八面体间隙的半径呢

是0.0535纳米

这个尺寸和碳原子的半径0.077纳米

是比较接近的

所以呢碳在奥氏体当中的溶解度会比较大

而在α-Fe当中

在20摄氏度时的晶格常数

是0.286纳米

它的八面体间隙的半径

只有0.018纳米

它远小于碳原子的半径

所以碳在铁素体当中的溶解度很小

碳溶于高温体心立方晶格δ-Fe中的

固溶体呢

称为δ铁素体

以δ来表示

它的最大的溶解度也就是含碳量

是0.09%

是在1495摄氏度的时候

下面我们来看一下

纯铁的性能是什么样的

工业纯铁的含铁量呢

一般是99.8%~99.9%

还有0.1%~0.2%的杂质

这些杂质呢

其中主要也是碳

它的性能呢

我们来看一下

抗拉强度σb基本是176~274个兆帕

断面收缩率能够达到70%~80%

屈服强度σ0.2是98~166个兆帕

冲击韧性αK160~200焦耳每平方厘米

延伸率δ接近30%~40%

硬度能够达到50~80HB

渗碳体

铁三碳

是铁与碳形成的具有

复杂结构的间隙化合物

属正交晶系

晶胞当中有12个铁原子和4个碳原子

它符合原子比

铁和碳的比等于3:1

所以会写成铁三碳

这里提醒同学们一定要注意

不能读成碳化三铁

因为它已经不再是符合化合价的化合物

它属于是金属间化合物

所以要读成铁三碳

它的含碳量呢是6.69%

熔点为1227摄氏度

通常用符号Cm表示

渗碳体的机械性能特点是硬而脆

它的HB等于800

塑性很差

延伸率δ约等于0

具有一定的铁磁性

居里点为230度

渗碳体在230度的磁性转变呢

称为A0转变

我们再来看一下石墨碳

石墨含有100%的碳

具有六方晶格

它是灰口铸铁中的一个重要的组成相

石墨的硬度很低

HBS是3~5

塑性也几乎为0

我们以前都拿过石墨

一捏就碎了

这就是石墨的特性

那么铁碳合金当中的石墨呢

常用符号C或者是G来进行表示

这里我强调一下

同学们一定要记住每个相

所对应的符号

因为在以后铁碳相图的学习当中呢

以及应用的过程

都会用符号来表示相对应的每一个相

而不会再写文字

所以大家一定现在就开始注意记牢