铁碳合金
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《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
34
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
31
学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
29
学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
第三章铁碳合金
第三章铁碳合金众所周知，钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，是现代工农业生产中应用最普遍的金属材料，它们是以铁和碳作为大体元素的合金，改变其化学成份和工艺条件，就能够够取得不同的组织和性能，从而能知足生产和利用的多种需要。
其大体组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。
由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性专门大，已无有效价值。
因此，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在6.69%以下。
第一节铁碳合金的组元及大体组织一、纯铁Fe是ⅧB族26号元素，具有一系列优良的物理及化学性质，大伙儿都比较熟悉，那个地址就不涉及，只讲铁在晶体结构上的一个性质——多晶型性，即在不同的条件下，铁具有不同的晶体结构，在条件改变时铁会发生同素异构转变。
金属从一种晶格转变成另一种晶格，这种转变称为金属的同素异晶转变。
现以纯铁为例来讲明金属的同素异晶转变进程。
图3-1 纯铁的冷却曲线α，液态纯铁在1538℃时结晶成具有体心立方晶格（b、c、c）的δ-Fe（不同于Fe-晶格尺寸较大）；冷却到1394℃时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的δ-Fe转变成面心立方晶格的γ-Fe（f、c、c）；继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，由面心立方晶格的γ-Fe转变成体心立方晶格的α-Fe（b、c、c）。
金属发生同素异晶转变时，必然伴随着原子的从头排列，这种原子的从头排列进程，事实上确实是一个结晶进程，与液态金属结晶进程的不同点在于其是在固态下进行的，但它一样遵循结晶进程中的形核与长大规律。
二、铁素体（Ferrite ）在铁碳合金中，由于含碳量和温度的不同，铁原子和碳原子彼此作用能够形成铁素体、奥氏体和渗碳体等大体相。
碳溶入α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F 表示。
铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙散布较分散，因其间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。
铁素体的塑性、韧性专门好（δ=30～50%、a KU =160～200J ／cm 2），但强度、硬度较低(σb =180～280MPa 、σs =100～170MPa 、硬度为50～80HBS)。
第三章 铁碳合金
第三章 铁碳合金
把以铁及铁碳为主的合金（钢铁）称为 黑色金属，而把其他金属及其合金称为 有色金属。
§3-1 合金及其组织
一、合金的基本概念
1、合金
所谓合金，是以一种金属为基础，加入其他 金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属 特性的材料，即合金是两种或两种以上的元 素所组成的金属材料。
合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能， 是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜 和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。
3、在锻造工艺上的应用
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈 单相奥氏体状态时，塑性好，强度的，便于塑性变 形，所以一般锻造都在奥氏体状态下进行，锻造时 必须根据铁碳合金相图确定合适的温度，始轧和始 锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度 不能过低，以免产生裂纹。
§3-4 碳素钢
碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于
主要应用在钢材料的选用和加热工工艺的制度两方面。
1、作为选用钢材料的依据
制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，选 用含碳量较低的钢；
要求强度、塑性和韧性等综合性能较好的构件，选 用含碳量适中的钢； 各种工具要求硬度高及耐磨性好，选用含碳量较高 的钢。
2、在铸造生产中的应用
对于铸造性能来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸 造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低， 流动性好，更具有良好的铸造性能。
二、合金的组织
根据合金中各组元之间结合方式的不同， 合金组织可分为固溶体、金属化合物和混合 物三类。
1、固溶体
固溶体是一种组元的原子溶于另一组元 的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称 为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体保持 溶剂的晶格类型。固溶体一般用α、β、 γ……来表示。
把以铁及铁碳为主的合金（钢铁）称为 黑色金属，而把其他金属及其合金称为 有色金属。
§3-1 合金及其组织
一、合金的基本概念
1、合金
所谓合金，是以一种金属为基础，加入其他 金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属 特性的材料，即合金是两种或两种以上的元 素所组成的金属材料。
合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能， 是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜 和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。
3、在锻造工艺上的应用
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈 单相奥氏体状态时，塑性好，强度的，便于塑性变 形，所以一般锻造都在奥氏体状态下进行，锻造时 必须根据铁碳合金相图确定合适的温度，始轧和始 锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度 不能过低，以免产生裂纹。
§3-4 碳素钢
碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于
主要应用在钢材料的选用和加热工工艺的制度两方面。
1、作为选用钢材料的依据
制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，选 用含碳量较低的钢；
要求强度、塑性和韧性等综合性能较好的构件，选 用含碳量适中的钢； 各种工具要求硬度高及耐磨性好，选用含碳量较高 的钢。
2、在铸造生产中的应用
对于铸造性能来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸 造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低， 流动性好，更具有良好的铸造性能。
二、合金的组织
根据合金中各组元之间结合方式的不同， 合金组织可分为固溶体、金属化合物和混合 物三类。
1、固溶体
固溶体是一种组元的原子溶于另一组元 的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称 为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体保持 溶剂的晶格类型。固溶体一般用α、β、 γ……来表示。
《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
含碳量：0~0.0218%(727 ℃)
B
0~0.0008%(室温) N J
D
温度范围：<912℃
912 ℃
E
C
F
G
力学性能：强度、硬度低；
K
塑性好。
PS 0.0218
工业纯铁——<0.02%C， 冷轧提高强度，得到冷轧板。
0.0008 Q
3、珠光体（P）——和Fe3C形成的机械混合物
相：+ Fe3C两种相组成
含碳量与力学性能的关系（P79）
由图可知： Wc≤1.0%时：随钢中Wc↑，则 其HB、σb↑，δ、ΨAk↓；
当 Wc>1.0%时：σb↓而HB↑。 为什么？
因钢中出现Fe3CⅡ网而导 致钢的σb ↓，但HB ↑
为保证工业用钢应具有 足够的σb 和一定的δ 、Ak ， 故其碳含量一般都不超过
Wc1.3% ~1.4%。
强度≈230×F%+770×P% (MPa)
四、铁碳相图的应用
1、在铸造上的应用 2、在锻造上的应用 3、在热处理上的应用
第三节 碳钢及合金钢概述
一、钢中常存在的杂质元素及其影响 二、钢的分类、编号及应用
一、钢中常存在的杂质元素及其影响
1、Mn 脱氧；减轻S的影响；固溶强化。
2、Si 固溶强化
(3) 区
4个单相区 1条垂直线 7个双相区
铁碳合金中的相
⑴液相L 铁与碳的液溶体。 ⑵δ相 是碳在δ—Fe中的间隙固溶
体，呈体心立方晶格，在1394℃以上 δ 存在，1495℃时溶碳量为0.09%。
⑶α相 是碳在α—Fe中的间隙固溶
δ+L
δ+
L
γ
γ+L
4.铁碳合金
第四章 铁碳合金
纯铁的冷却曲线及 晶体结构变化
第四章 铁碳合金
碳在γ－Fe晶格中的位置
第四章 铁碳合金
奥氏体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁素体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁的固溶体
晶格类型 最大含碳量
性质
铁素体 （F）
体心立方 0.0218%
室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
奥氏体 （A）
面心立方 2.11%
高温铁素 体 （δ）
体心立方 0.09%
奥氏体具有良好的 塑性、韧性和一定 的强度、硬度。
第四章 铁碳合金
二、渗碳体(铁碳化合物)
渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C) 形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是 由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六个Fe原 子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体 共有，Fe:C=3:1。
片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。
灰铸
石
铁的
墨 片
的
显微
三 维
形
铁 素 体 灰 铸 铁
组织
貌
铁
素
珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
球墨铸铁的显微组织
铁
素 体 球 墨 铸 铁
珠 光 体 球 墨 铸
铁
铁
素
体
球加墨Fra bibliotek珠铸
光
铁
体
中
球
的
墨
石
铸
墨
铁
球
第四章 铁碳合金
石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面 的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片 状。
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
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2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
铁 碳 合 金
铁碳合金
（1）共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数为0.77％，当 冷却到S点时，就全部转变为珠光体P。
（2）亚共析钢的组织转变。奥氏体的碳的质量分数低于0.77％， 当冷却到GS线时，开始析出铁素体。随着温度下降，铁素体不断增 加，奥氏体逐渐减少。当冷却到PS线时，铁素体析出完毕，剩余的 奥氏体碳的质量分数变为0.77％，就转变为珠光体。因此，GS线与 PS线之间的结晶组织为铁素体和奥氏体，PS线以下的结晶组织为铁 素体和珠光体。这种组织的钢称为亚共析钢。
铁碳合金
2. 奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体，通常用A（或γ） 表示。它仍保持γ-Fe的面心立方结构。Γ-Fe溶解碳的能力比α-Fe 大，在1 148 ℃时其溶解度最大达wC=2.11％。温度降低时，其溶 解度也降低，在727 ℃时，其溶解度为wC=0.77％。
稳定的奥氏体在钢内存在的最低温度为727 ℃。奥氏体的硬度 不是很高（160～220 HBW），塑性很好，是绝大多数钢种在高温 进行压力加工时所要求的组织。在显微镜下观察，奥氏体晶粒呈多 边形，晶界较铁素体平直。
同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基 体的钢铁材料中，这是钢铁材料性能多种多样、用途广泛， 并能通过各种热处理进一步改善其组织与性能的重要因素。
铁碳合金
铁碳合金的基本组织
在铁碳合金中，铁和碳互相结合的方式是：在液态时，铁 和碳可以无限互溶；在固态时，碳可以溶于铁中形成固溶体； 当碳含量超过固态溶解度时，则出现化合物。此外，还可以形 成由固溶体和化合物组成的机械混合物。现将铁碳合金在固态 下出现的几种基本组织分述如下。
铁碳合金
3. 渗碳体
铁与碳形成稳定的化合物称为渗碳体，通常用Fe3C表示。 渗碳体中碳的质量分数为6.69%，渗碳体具有复杂的晶格形式， 与铁的晶格截然不同，故其性能与铁素体差别很大。
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α-Fe 912℃ γ-Fe 1394℃ δ-Fe
二、铁碳合金的基本相与组织
铁素体F
铁素体是碳溶解于α -Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方结构， 用“F”表示。碳在α -Fe中的溶解度度很小，最大溶解度在727℃时为 由于铁素体的含碳量低，所 0.0218%，室温时为0.0008%。
奥氏体A
E
F
1148
1148
2.11
6.69
碳在 γ-Fe中的最大溶解度
Fe3C的成分
G
K P S Q
912
727 727 727 600
0
6.69 0.0218 0.77 0.0057
α-Fe→ γ-Fe同素异构转变点
Fe3C的成分 碳在 α-Fe中的最大溶解度 共析点(A1) AS→ FP+Fe3C 600 ℃时碳在 α-Fe中的溶解度
含碳量对力学性能的 影响
6.铁碳合金相图的应用
在选材方面的应用
要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低 的钢;承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选 用碳的质量分数为0.25%～0.55%的钢;要求硬度高、耐磨性好的各种工 具，应选用碳的质量分数大于0.55%的钢;形状复杂、不受冲击、要求耐 磨的铸件（如冷轧辊、拉丝模、犁铧等），应选用白口铸铁。
在铸造方面的应用
确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～100℃。由 相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，故流动性好、 分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。共晶成分附近的铸铁得到了 广泛的应用。
6.铁碳合金相图的应用
在锻造和焊接方面的应用
碳钢加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。 白口铸铁无论是在低温还是高温，组织中均有大量硬而脆的渗碳体，故 不能锻造。碳的质量分数增加，钢的冷裂倾向增加，焊接性下降。碳的 质量分数越高，铁碳合金的焊接性越差。
在热处理方面的应用
存在同素异晶转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。 由于铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同 的热处理来改善性能。根据Fe-Fe3C相图可确定各种热处理工艺的加热 温度，具有重要的愿意。
莱氏体含有的渗碳体较多，故 性能与渗碳体相近，即极为硬 脆。
共晶转变：在一定温度下，同时结晶出两种 不同成分结构的故乡转变。 Ld 共析转变：，即两种或以上的固相(新相)， 从同一固相(母相)中一起析出，而发生的相 变，称为共析转变。 P
三、铁碳合金相图分析及应用
1.特性点
符号 A C D 温度, ℃ 1538 1148 1227 碳质量分数ω(C)% 0 4.30 6.69 含义 纯铁的熔点 共晶点 Lc → AE+Fe3C Fe3C的熔点
2.特性线
特征线 ACD AECF GS(又称A3) 液相线 固相线 铁素体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的 温度；奥氏体转变为铁素体的开始线 含义
ES(又称Acm)
ECF GP PQ
二次渗碳体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出） 的温度；碳在奥氏体中的溶解度曲线
共晶转变线 奥氏体转变为铁素体的终了线 碳在铁素体中的溶解度线
珠光体强度较高，硬度 适中，具有一定的塑性。
高温莱氏体Ld
高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用Ld或 （A+Fe3C）表示。由于奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存在于 727℃以上。
Байду номын сангаас低温莱氏体Ld’
高温莱氏体冷却到727℃以下，将转变为珠光体和渗碳体的机械混 合物（P+Fe3C），称低温莱氏体，用Ld’表示。 莱氏体含碳量为4.3％。由于
铁碳合金相图
纯铁的同素异构转变
铁碳合金的基本相与组织
铁碳相图的分析与应用
一、纯铁的同素异构转变
金属的同素异构转变
金属在固态下随温度的变 化，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异 构转变（同素异晶转变）。由 同素异构转变所得到的不同晶 格的晶体，称为同素异构体。
纯铁的同素异构转变
PSK(又称A1) 共析转变线
3.分类
工业纯铁 Wc<=0.0218%
亚共析钢 0.0218%<Wc<0.77%
钢
共析钢 0.77% 过共析钢 0.77%<Wc<= 2.11%
亚共晶白口铸铁 2.11%<Wc<4.3%
铸铁
共晶白口铸铁 4.3%
过共晶白口铸铁 4.3 %<Wc<6.69%
室温组织：Ld’。相组成 物：F+Fe3C
5.碳质量分数对组织和性能的影响
对组织的影响
5.碳质量分数对组织和性能的影响
对性能的影响 随着碳的质量分数增加，钢的强度和硬度直 线上升，而塑性和韧性不断下降。随碳的质量 分数的增加，钢中渗碳体量增多，铁素体量减 少所造成的;当钢的wc>0.9%，二次渗碳体沿晶 界形成较完整的网，钢的强度开始明显下降， 硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。钢中碳 的质量分数一般不超过1.3%。 • 铸铁，硬度高，塑性和韧性极差，既难以切 削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程 上很少直接应用。
将工件加热到奥氏体状态进行锻 造。
渗碳体硬度很高，塑性很差， 渗碳体是铁和碳组成的金属化合物，含碳量为 6.69%，分子式Fe3C， 伸长率和冲击韧度几乎为零， 熔点为1227℃， 是一个硬而脆的组织，是钢铁 中的强化相。
二、铁碳合金的基本相与组织
珠光体P
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，含碳量0.77%，用“P”表示。
4.典型合金结晶过程分析
合金I：共析钢
L—>L’+A—>A—>P(F+Fe3C) 室温时组织组成物P，含量 100%。相组成物：F+Fe3C
4. 典型合金结晶过程分析 合金 II ：亚共析钢
L—>L’+A—>A—>A’+F— >P(F+Fe3C)+F 所以含碳0.40%的亚共析钢的 室温组织为：F+P；相组成物：
F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
合金III ：过共析钢
L—>L’+A—>A—>A’+ Fe3CⅡ—>P(F+Fe3C)+ Fe3CⅡ
室温组织为二次渗碳体和珠光 体。相组成物：F+Fe3C
合金IV ：共晶白口铸铁
L—>Ld(A+ Fe3C)—> Ld(A’+ Fe3CⅡ+Fe3C)—> Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
以铁素体具有良好的塑性和 韧性，强度和硬度较低，性 能与纯铁相近。
奥氏体是碳在γ -Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方结构，用 “A”表示。碳在γ -Fe中的溶解度较大，727℃时为 0.77%，1148℃达 奥氏体的强度、硬度不高，且具 有良好的塑性。因此，生产中常 到最大溶碳量2.11%。
渗碳体Fe3C
二、铁碳合金的基本相与组织
铁素体F
铁素体是碳溶解于α -Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方结构， 用“F”表示。碳在α -Fe中的溶解度度很小，最大溶解度在727℃时为 由于铁素体的含碳量低，所 0.0218%，室温时为0.0008%。
奥氏体A
E
F
1148
1148
2.11
6.69
碳在 γ-Fe中的最大溶解度
Fe3C的成分
G
K P S Q
912
727 727 727 600
0
6.69 0.0218 0.77 0.0057
α-Fe→ γ-Fe同素异构转变点
Fe3C的成分 碳在 α-Fe中的最大溶解度 共析点(A1) AS→ FP+Fe3C 600 ℃时碳在 α-Fe中的溶解度
含碳量对力学性能的 影响
6.铁碳合金相图的应用
在选材方面的应用
要求塑性、韧性好的各种型材和建筑用钢，应选用碳的质量分数低 的钢;承受冲击载荷，并要求较高强度、塑性和韧性的机械零件，应选 用碳的质量分数为0.25%～0.55%的钢;要求硬度高、耐磨性好的各种工 具，应选用碳的质量分数大于0.55%的钢;形状复杂、不受冲击、要求耐 磨的铸件（如冷轧辊、拉丝模、犁铧等），应选用白口铸铁。
在铸造方面的应用
确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～100℃。由 相图可知，共晶成分的合金熔点最低，结晶温度范围最小，故流动性好、 分散缩孔少、偏析小，因而铸造性能最好。共晶成分附近的铸铁得到了 广泛的应用。
6.铁碳合金相图的应用
在锻造和焊接方面的应用
碳钢加热到单相奥氏体状态时，可获得良好的塑性，易于锻造成形。 白口铸铁无论是在低温还是高温，组织中均有大量硬而脆的渗碳体，故 不能锻造。碳的质量分数增加，钢的冷裂倾向增加，焊接性下降。碳的 质量分数越高，铁碳合金的焊接性越差。
在热处理方面的应用
存在同素异晶转变、共析转变、固溶度变化的合金才能进行热处理。 由于铁碳合金在加热或冷却过程中有相的变化，故钢和铸铁可通过不同 的热处理来改善性能。根据Fe-Fe3C相图可确定各种热处理工艺的加热 温度，具有重要的愿意。
莱氏体含有的渗碳体较多，故 性能与渗碳体相近，即极为硬 脆。
共晶转变：在一定温度下，同时结晶出两种 不同成分结构的故乡转变。 Ld 共析转变：，即两种或以上的固相(新相)， 从同一固相(母相)中一起析出，而发生的相 变，称为共析转变。 P
三、铁碳合金相图分析及应用
1.特性点
符号 A C D 温度, ℃ 1538 1148 1227 碳质量分数ω(C)% 0 4.30 6.69 含义 纯铁的熔点 共晶点 Lc → AE+Fe3C Fe3C的熔点
2.特性线
特征线 ACD AECF GS(又称A3) 液相线 固相线 铁素体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出）的 温度；奥氏体转变为铁素体的开始线 含义
ES(又称Acm)
ECF GP PQ
二次渗碳体完全溶于奥氏体中（或开始从奥氏体中析出） 的温度；碳在奥氏体中的溶解度曲线
共晶转变线 奥氏体转变为铁素体的终了线 碳在铁素体中的溶解度线
珠光体强度较高，硬度 适中，具有一定的塑性。
高温莱氏体Ld
高温莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，用Ld或 （A+Fe3C）表示。由于奥氏体属高温组织，因此高温莱氏体仅存在于 727℃以上。
Байду номын сангаас低温莱氏体Ld’
高温莱氏体冷却到727℃以下，将转变为珠光体和渗碳体的机械混 合物（P+Fe3C），称低温莱氏体，用Ld’表示。 莱氏体含碳量为4.3％。由于
铁碳合金相图
纯铁的同素异构转变
铁碳合金的基本相与组织
铁碳相图的分析与应用
一、纯铁的同素异构转变
金属的同素异构转变
金属在固态下随温度的变 化，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异 构转变（同素异晶转变）。由 同素异构转变所得到的不同晶 格的晶体，称为同素异构体。
纯铁的同素异构转变
PSK(又称A1) 共析转变线
3.分类
工业纯铁 Wc<=0.0218%
亚共析钢 0.0218%<Wc<0.77%
钢
共析钢 0.77% 过共析钢 0.77%<Wc<= 2.11%
亚共晶白口铸铁 2.11%<Wc<4.3%
铸铁
共晶白口铸铁 4.3%
过共晶白口铸铁 4.3 %<Wc<6.69%
室温组织：Ld’。相组成 物：F+Fe3C
5.碳质量分数对组织和性能的影响
对组织的影响
5.碳质量分数对组织和性能的影响
对性能的影响 随着碳的质量分数增加，钢的强度和硬度直 线上升，而塑性和韧性不断下降。随碳的质量 分数的增加，钢中渗碳体量增多，铁素体量减 少所造成的;当钢的wc>0.9%，二次渗碳体沿晶 界形成较完整的网，钢的强度开始明显下降， 硬度仍在增高，塑性和韧性继续降低。钢中碳 的质量分数一般不超过1.3%。 • 铸铁，硬度高，塑性和韧性极差，既难以切 削加工，又不能用锻压方法加工，故机械工程 上很少直接应用。
将工件加热到奥氏体状态进行锻 造。
渗碳体硬度很高，塑性很差， 渗碳体是铁和碳组成的金属化合物，含碳量为 6.69%，分子式Fe3C， 伸长率和冲击韧度几乎为零， 熔点为1227℃， 是一个硬而脆的组织，是钢铁 中的强化相。
二、铁碳合金的基本相与组织
珠光体P
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，含碳量0.77%，用“P”表示。
4.典型合金结晶过程分析
合金I：共析钢
L—>L’+A—>A—>P(F+Fe3C) 室温时组织组成物P，含量 100%。相组成物：F+Fe3C
4. 典型合金结晶过程分析 合金 II ：亚共析钢
L—>L’+A—>A—>A’+F— >P(F+Fe3C)+F 所以含碳0.40%的亚共析钢的 室温组织为：F+P；相组成物：
F+Fe3C
4.典型合金结晶过程分析
合金III ：过共析钢
L—>L’+A—>A—>A’+ Fe3CⅡ—>P(F+Fe3C)+ Fe3CⅡ
室温组织为二次渗碳体和珠光 体。相组成物：F+Fe3C
合金IV ：共晶白口铸铁
L—>Ld(A+ Fe3C)—> Ld(A’+ Fe3CⅡ+Fe3C)—> Ld’(P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
以铁素体具有良好的塑性和 韧性，强度和硬度较低，性 能与纯铁相近。
奥氏体是碳在γ -Fe中形成的间隙固溶体，呈面心立方结构，用 “A”表示。碳在γ -Fe中的溶解度较大，727℃时为 0.77%，1148℃达 奥氏体的强度、硬度不高，且具 有良好的塑性。因此，生产中常 到最大溶碳量2.11%。
渗碳体Fe3C