典型铁碳合金的结晶过程
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
柱状晶区
表面细晶区
中心等轴晶区
• 1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大 的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很 细的等轴晶粒区。
2、 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， 使细晶区前沿液体的过冷度减小，晶核的形成速率不 如成长率大，各晶粒成长较快。沿垂直于模壁方向散 热较快，故晶粒沿这一方向长大，形成柱状晶区。
912℃
α-Fe
2、渗碳体
铁与碳形成的间隙化合物， 含碳6.69%, 用Fe3C 或Cm表示，熔点1227 ℃ Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑
性很低，伸长率接近于0.
3、铁素体（F或α表示） 碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。
金相显微镜下为多边形晶粒 铁素体中碳的溶解度很小，室温时小于0.0008%， 727 ℃时0.0218% 性能接近于纯铁，强度、硬度低，塑性好
室温下Fe3CⅢ最大 量为:
QFe C 3 III
0.0218 0.0008 100% 0.3% 6.69 0.0008
㈡ 共析钢的结晶过程
共析渗碳体
L → L+A→ A→P(F +Fe3C) 室温组织为P.
1 2
L+A
A
3
3’
F +Fe3C
4
• 珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈 指纹状。
C
A + Fe3C
F + Fe3C
2.11
4.3
2
3 ωc% 4
5
L+Fe3C D 1148 F
727 K
6.69
6 Fe3C
液相线ABCD固相线AHJECFD 五个单相区，七个两相区
铁碳合金
铁碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料。
其基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。
由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性很大，已无实用价值。
所以，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。
第一节铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
1．铁素体碳溶入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，这种晶格的间隙分布较分散，所以间隙尺寸很小，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、韧性很好（δ=30～50%、a KU=160～200J ／cm2），但强度、硬度较低(σb=180～280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。
图4.1 铁素体的显微组织（200×）2．奥氏体碳溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。
奥氏体具有面心立方晶格，其致密度较大，晶格间隙的总体积虽较铁素体小，但其分布相对集中，单个间隙的体积较大，所以γ-Fe的溶碳能力比α-Fe大，727℃时溶解度为0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，1148℃时其溶解度最大为2.11%。
奥氏体常存在于727℃以上，是铁碳合金中重要的高温相，强度和硬度不高，但塑性和韧性很好(σb≈400 MPa、δ≈40～50%、硬度为160～200HBS)，易锻压成形。
图4.2 奥氏体的显微组织示意图3．渗碳体渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，常用化学分子式Fe3C表示。
渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、a KU≈0)，脆性大。
渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。
4．珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。
珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光体组织是由软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度(σb=770MPa)和塑性(δ=20～25%)，硬度适中（180HBS）。
02 碳钢
温 度 T
Ｔ1
Cu
wNi%
xL
44
xα
Cu-Ni系合金是一种无限固溶体
Cu
wNi%
Ni
Cu
wNi%
x
Ni
45
设 T1 温度下 I 合金的总质量为 M，液、固相质量分别 为ML和Mα，则有：
二、Fe-Fe3C相图分析
M L M M M L xL M x M x
第二章
• • • • • • •
碳钢
碳钢： 以 铁 和 碳 两种元素为主要成分的合金 纯铁的组织和性能 铁碳合金中的相和组织组成物 Fe-Fe3C相图 杂质元素对钢性能的影响 钢锭的组织和缺陷 压力加工对钢组织和性能的影响 碳钢的分类和牌号及用途
1
第一节 纯铁的组织和性能 一、纯铁的结晶
结晶：物质由液体变成晶体的过程
BCC FCC
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等 铝 (Al) 、铜 (Cu) 、银 (Ag) 、金 (Au) 、 镍(Ni)、铅(Pb)、铁(－Fe)等 钛(Ti)、锆(Zr)、镁（Mg)、锌(Zn)等
90% 的 金 属 具 有 下述三种晶体结 构之一
HCP
晶体结构与材料性能： （一般规律）面心立方的金 属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。
奥氏体的晶体结构 — fcc 奥氏体的最大固溶度 — 2.11% (1148℃)
30
4. 固溶强化 5. 铁素体和奥氏体的力学性能特点
（与纯铁相比)
形成置换固溶体 间隙固溶时的晶格畸变
二、铁和碳形成化合物 — 渗碳体 Fe3C 1. 渗碳体的晶体结构 晶体结构 复杂 正交 熔点高 1227℃
Fe-c
Fe—C 2. Fe C合金中的基本相
Fe—Fe3C相图中，Fe—C Fe3C相图中 在Fe Fe3C相图中，Fe C合金在不同条件 成分，温度) 可有五 个基本相： (成分，温度)下，可有五（六）个基本相： L Fe3C相、（石墨 石墨G 相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、（石墨G）。 液相( （1）液相(L) Fe与 在高温下形成的液体溶液。 ABCD线 Fe与C在高温下形成的液体溶液。(Aห้องสมุดไป่ตู้CD线 以上) 以上) 高温铁素体（ （2）δ相[高温铁素体（high temperature ferrite） ferrite）]
（2）Fe—Fe3C相图的线 2 Fe Fe3C Fe3C相图的线 。
A.三条水平线 A.三条水平线
① HJB-- 包晶转变线 ： HJB-1459℃ （1459℃） L0.53+δ0.09 γ0.17 （LB+δH γ J）
转变产物为奥氏体 (austenit) 强度低， 强度低，塑性好
A.三条水平线 A.三条水平线
纯铁的同素异构转变
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
概念
铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙 固溶体。 奥氏体：碳在γ -Fe（面心立方结构的铁）中的间 隙固溶体。 渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （F+Fe3c 含碳0.8%） 莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳 4.3%）
Fe—C Fe C合金中的基本相
奥氏体（austenite） （3） 奥氏体（austenite） 奥氏体( A)是 Fe形成的间 奥氏体 ( γ 或 A) 是 C 溶解于 γ—Fe 形成的间 Fe 隙固溶体称为奥氏体（austenite）。 隙固溶体称为奥氏体（austenite） 奥氏体
铁碳合金
（一）图中的点 三、Fe－Fe3C 相图分析
符 温度 ℃ 含碳量(%) 号
※ A 1538
0
H 1495
0.09
J 1495
0.17
B 1495
0.53
※ E 1148
2.11
※ C 1148
4.30
F 1148
6.69
※ D 1227
时间 4
P+ Fe3CII+ L’d(P+ Fe3CII +Fe3C)
P+Fe3CII L’d
相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： P、Fe3CII、L’d
亚共晶白口铁室温下组织组成物的计算：
L'd
Ld
x 2.11 100% 4.3 2.11
P Fe3CII
E
4.3 x 100% 4.3 2.11
由铁碳相图，可按含碳量和组织不同分成三类
(1) 工业纯铁 （ <0.0218%C）
(2)钢
(0.0218-2.11%C)
亚共析钢 <0.77%C 共析钢 0.77%C 过共析钢 >0.77%C
(3) 白口铸铁
（2.11-6.69%C )
亚共晶白口铁 < 4.3%C 共晶白口铁 = 4.3% C 过共晶白口铁 > 4.3%C
Fe3C
时间
5
Fe3CII P
相 组 成 物： F、Fe3C 组织组成物： P、Fe3CII 根据杠杆定律可以计算室温下各种过共析钢中相组成 物及组织组成物的相对量。
相组成物的计算同共析钢，只要代入相应的含碳量
组织组成物的计算：
第三章 铁碳合金(二、三)
§3-2铁碳合金的基本组织和性能钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们都是铁碳合金。
不同成分的钢和铸铁的组织都不相同，因此，它们的性能和应用也不一样。
铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。
一、铁素体(F)它是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体(简称α固溶体)。
通常用符号F表示。
晶体结构呈体心立方晶格，碳在α铁中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有0.008%，在727℃时最大溶解度为0.0218%。
铁素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑性和韧性则很高，δ= 50%。
二、奥氏体(A)碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体(简称γ固溶体)，通常用符号A表示。
晶体结构呈面心立方晶格。
由于γ铁晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的高温区间，具有一定的强度和硬度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。
三、渗碳体(Fe3C)它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。
渗碳体的性能很硬很脆，HBW≈800，δ≈0。
渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。
四、珠光体(P)珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。
所以其性能介于它们二者之间，强度较高,σb=750MPa ，HBS=180，同时保持着良好的塑性和韧性δ=（20～25）%。
五、莱氏体(L d)奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。
它是C=4.3%的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。
铁碳合金相图及碳素钢
㈡相图中的主要相变线
ABCD线为液相线。温度高于此线铁碳合金均是 液相。其中，AB线是L→δ开始线，BC是L→A 开始线，CD是L→Fe3C开始线。从液相直接结 晶出来的Fe3C称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。
AHJECF线为固相线。温度降到次线之下铁碳合 金全部都结晶成固相。
（三）Fe-Fe3C相图中的相区
单相区有五个：L、δ、A、F、Fe3C。具体位置 见图5-5。其中，Fe3C相区因Fe3C有固定的化学 成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一条垂 线DFKL。
双 相 区 有 七 个 ： δ+L 、 δ+A 、 A+L 、 L+Fe3C 、 A+Fe3C、A+F、F+ Fe3C。具体位置见图5-5。
铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和 性能有重要意义。对于制定钢铁材料的铸、锻、焊及 热处理等工艺有直接的指导意义。
一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 铁和碳两个组元不仅能形成各种固溶体相而且可以产 生一系列的化合物。如，Fe3C、Fe2C、FeC等。这样 一来，Fe-C二元合金相图就可以看成是由Fe-Fe3C ； Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四个二元相图组成，见 图5-4。
温下先微组织的不同又分为三种：
共析钢： wc=0.77% 亚共析钢：0.02%＜wc＜0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11% 3.白口铸铁 它是2.11%＜wc＜6.69%的铁碳合金。按其 室温下显微组织的不同又分为三种：
共晶白口铸铁： wc=4.3% 亚共晶白口铸铁：2.11%＜wc＜4.3% 过共晶白口铸铁：4.3%＜wc＜6.69%
铁碳合金及碳钢
第一节 铁碳合金相图
• 一般控制在奥氏体区ＧＳ 线以上. 以免锻、轧时铁素体呈带状组织. 降低钢的韧性ꎻ 对于过共析钢. 则选择在ＥＳ 线以下某温度范围和Ｐ ＳＫ 线以上某温度范围. 其目的是打碎网状二次渗碳体. 锻、轧终止 温度不宜太高. 否则. 再结晶后奥氏体的晶粒粗大.使钢的性能变坏. 通 常各种碳钢的始锻温度为１ １５０℃ ~１ ２５０℃. 终锻温度为７５ ０℃ ~８５０℃.
％. 钢与生铁即以Ｅ 点含碳量为界. 凡含碳量小于２.１１％ 的铁碳合 金. 称为钢. 含碳量大于２. １１％ 的铁碳合金. 称为生铁.
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第一节 铁碳合金相图
• Ｃ 点为共晶点. 这点上的液态合金将在恒温下同时结晶出奥氏体和渗 碳体所组成的细密的机械混合物(共晶体).
• Ｐ 点为在７２７℃时碳在α － Ｆｅ 中最大溶解度. • Ｓ 点为共析点. 这点上的奥氏体将在恒温下同时析出铁素体和渗碳体
• 由图可见. 当钢的含碳量小于０.９％ 时. 随着含碳量的增加. 钢的强 度、硬度直线上升. 而塑性、韧性不断下降. 当钢中的含碳量大于０. ９％ 时. 虽然由于渗碳体增多而使硬度升高. 但由于渗碳体呈网状沿 晶界分布. 不仅使钢的塑性、韧性进一步降低. 而且强度也明显下降.
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第一节 铁碳合金相图
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第一节 铁碳合金相图
• (四) Ｆｅ － Ｆｅ３ Ｃ 相图 中铁碳合金的分类 • Ｆｅ － Ｆｅ３Ｃ 相图中. 不同成分的铁碳合金具有不同的显微组织和
性能. 通常. 根据相图纯铁中Ｐ 点和Ｅ 点. 可将铁碳合金分为三大类: 工业纯铁、碳钢和白口铸铁. • 二、典型铁碳合金的结晶过程分析 • 下面以几种典型的铁碳合金为例. 分析它们的结晶过程和冷却过程中 发生的平衡相变的规律. • １. 共析钢 • 图４ －２ 中的Ⅰ为含碳量０.７７％的铁碳合金的成分垂线. 温度在 １ 点以上. 合金保持均匀液相(Ｌ) 状态. 缓冷稍低于１ 点温度. 开始从 液相中结晶出奥氏体(Ａ).
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一、共析钢的结晶过程
图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程
图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。
原铁素体不变保留了在基体中。
4点以下不再发生组织变化。
故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
四、共晶白口铁的结晶过程
图3－6中合金Ⅳ表示共晶白口铁（Wc＝4.3％）。
合金在C 点温度以上为液体，当降至C 点时，液态合金将发生共晶转变，结晶出奥氏体与渗碳体的机械混合物，即高温莱氏体。
转变是在恒温下进行，其中奥氏体的成分是E点的成分。
温度继续下降时，莱氏体中的奥代体将不断析出二次渗碳体，剩余奥氏体的碳浓度不屡减少，并沿着ES线变化。
1～2点之间的组织为高温莱氏体，是由奥氏体，二次渗碳体和共晶渗碳体组成（A+Fe 3 C Ⅱ+Fe 3 C共晶）。
当温度降至2点（727℃）时，莱氏体中的奥氏体的含碳量降到了Wc＝0.77％，发生共析转变，生成珠光体，即高温莱氏体（Ld）转变为低温莱氏体（L ' d），其组织由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体组成（P+ Fe 3 C Ⅱ+Fe 3 C共晶）。
共晶白口铁的显微组织如图3－4所示，共晶白口铁的结晶过程如图3－10所示。
五、亚共晶白口铁的结晶过程
图3－6中合金Ⅴ表示亚共晶白口铁。
合金在1点温度以上为液体，缓冷至稍低于1点温度，开始从液体中结晶出奥氏体。
1～2点温度之间组织为液体和奥氏体。
继续缓冷，结晶出的奥氏体量不断增多，而液体量不断送还减少，奥氏体的含碳量不断沿AE骊变化，液体的硕深度沿AC骊变化。
温度缓冷至2点（1148℃）时，奥氏体的含碳量为E点的成分，液体的碳浓度为C点的浓度，于是这部分液体发生共晶转变。
在2～3点温度区间，随着温度的不断下降，奥氏体的含碳量沿ES线变化，并不断析出二次渗碳体。
因此2～3点温度区间内的组织为奥代体、二次渗碳体和高温莱氏体（A+Fe 3 C Ⅱ+Ld）。
缓冷至3点（7 27℃）时，Wc＝0.77％的奥氏体发生析转变，转变为珠光体。
最后室温组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体（P+Fe 3 C Ⅱ+L ' d）。
亚共晶白口铁的结晶过程如图3－11所示。
六、过共晶白口铁的结晶过程
图3－6中合金Ⅵ表示过共晶白口铁。
合金在1点温度以上为液体。
当温度缓冷至稍低于1点时，从液体中开始结晶出一次渗碳体（Fe 3 C ⅡⅠ）。
温度不断下降，结晶出的
一次渗碳体不断增多，剩余液体量相对减少。
同时，液体的碳浓度沿着CD骊不断变化，至2点时，乘余液体Wc＝4.3％，于是发生共晶转变，形成高温莱氏体。
此时的组织为一次渗碳体＋高温莱氏体。
随后继续冷却时的转变情况与共晶白口铁相同，最终组织为一次渗碳体＋低温莱氏体。
过共晶白口铁的结晶过程如图3－12所示。
白口铁因有共晶转变，所以组织中出现了莱氏体基体，莱氏体的存在，使得白口铁硬度很高，脆性很大，所以实际生产中很少直接使用，一般用用炼钢原料。