铁碳合金成分组织性能之间的关系
铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
（一） 铸造性能
共晶成分的铸铁，不仅液相与固相线的距离最 小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔
小，偏析小，是铸造性能好的铁碳合金。
上一级
（二） 可锻性和可焊性
金属的可锻性是指金属压力加工时，能改变形 状而不产生裂纹的性能。 低碳钢的可锻性优于高碳钢，铸铁不可锻造。 金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊 缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢 主要是低碳钢和低碳合金钢。
上一级
二、含碳量与力学性能间的关系
随着含碳量的增加，渗碳体增加，应力增加， 塑性下降。 当含碳量小于0.9%时，随着钢中含碳量的增加， 钢的强度硬度值直线上升，而塑性、韧性不断 降低；当钢中含碳量大于0.9%时，因沿晶界形 成的二次渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、 韧性进一步降低，而且强度也明显下降。
当含碳量小于09时随着钢中含碳量的增加钢的强度硬度值直线上升而塑性韧性不断降低当钢中含碳量大于09时因沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整不仅使钢的塑性韧性进一步降低而且强度也明显下降
§4-4
铁碳合金的成分、组织、 性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
随着含碳量的增加，组织变化趋势为：
F F P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C
上一级
（三） 切削加工性
金属的切削加工性能是指其经切削加工
成工件的难易程度。
钢的硬度在 160 ～ 230HBS 时，切削加工
性最好。
上一级
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析1.1典型铁碳合金的平衡组织观察与分析一、实验目的1．通过实验能识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2．掌握碳含量对铁碳合金平衡组织形貌及相组成比例的影响。
二、实验原理简介利用金相显微镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析（或金相分析）。
合金在极其缓慢的冷却条件（如退火状态）下所得到的组织称为平衡组织。
铁碳合金平衡组织的观察与分析，要依据Fe-Fe3C相图来进行。
1．室温下铁碳合金基本组织特征（1）铁素体（F）铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。
经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现白亮色多边形晶粒。
在亚共析钢中，铁素体呈块状分布，当合金的含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体晶界上。
（2）渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。
经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色；若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈暗黑色，而铁素体仍为白亮色，由此可以区别铁素体和渗碳体。
由于铁碳合金的成分和形成条件不同，渗碳体可以呈现不同的形状,一次渗碳体是由液相中直接结晶出来，呈板条状游离分布；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，呈网状分布在珠光体晶界上；三次渗碳体是从铁素体中析出，呈窄条状分布在铁素体晶界上。
（3）珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的两相复合物。
在平衡状态下，它是由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。
经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆为白亮色，而两相交界呈暗黑色线条。
在不同的放大倍数下观察时，组织特征有所区别。
如在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而两相交界为暗黑色；在中倍（400倍左右）下观察时，白亮色的渗碳体被暗黑色交界所“吞食”，而呈现为细黑条，这时看到的珠光体是宽白条铁素体和暗黑细条渗碳体的相间复合物；在低倍（200倍以下）下观察时，无论是宽白条的铁素体还是暗黑细条的渗碳体都很难分辨，这时珠光体呈现暗黑色块状组织。
铁碳合金相图2
一、合金的使用性能与相图的关系 固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的溶入量越多,
晶格畸变越大, 则合金的强度、硬度越高, 电阻越大。当溶质原子 含量大约为50%时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所以 性能与成分的关系曲线具有透镜状。
两相组织合金的机械性能和物理性 能与成分呈直线关系变化, 两相单独的 性能已知后, 合金的某些性能可按组成 相性能依百分含量的关系叠加的办法求 出。如硬度：HB=HBα α ％＋HBβ β ％
对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或组织组成物的形态有很大关 系。组成相或组织组成物越细密, 强度 越高。当形成化合物时，则在性能-成分
曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。
二、合金的工艺性能与相图的关系 合金的铸造性能与相图的关系：
纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造 性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶 的温度范围越窄，对浇注和铸造质 量越有利。合金的液、固相线温度 间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性 大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未 结晶液体的流动，而降低其流动性， 增多分散缩孔。所以，铸造合金常 选共晶或接近共晶的成分。
2. 在铸造工艺方面的应用 根据Fe- Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般
在液相线以上50 ℃～100 ℃。从相图上可看出, 纯铁和共晶白 口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性 好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以铸铁在生产上总是 选在共晶成分附近。在铸钢生产中, 碳质量分数在0.15%-0.6%之 间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。 3. 在热锻、热轧工艺方面的应用
钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或轧制 选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下 100 ℃～200 ℃范围内。一般始锻温度为1150 ℃～1250 ℃, 终 锻温度为750 ℃～850 ℃。
金属学课程-第4章 习题答案
第4章 习题4-1 分析w C =0.2%、w C =0.6%、w C =1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。
解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe （碳的质量分数是0.008%）和Fe 3C （碳的质量分数是6.69%），故（1） w C =0.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.2%100%97.13%6.690.008%197.13% 2.87%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下α-Fe 碳的成分是0.0218%，P 的碳的成分为0.77%，故w C =0.2%的合金在室温时组织中P 和α的相对量分别为0.20.0218%100%23.82%0.770.0218%123.82%76.18%P α-=⨯=-=-= （2）w C =0.6%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.6%100%91.14%6.690.008%191.14%8.86%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，在室温时组织中P 和α的相对量为0.60.0218%100%77.28%0.770.0218%177.28%22.72%P α-=⨯=-=-= （3）w C =1.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.69 1.2%100%82.16%6.690.008%182.16%17.84%Fe C α-=⨯=-=-= w C =1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是P 和Fe 3C ，在室温时组织中P 的相对量为3 6.69 1.2%100%92.74%6.690.77%192.74%7.3%P Fe C -=⨯=-=-=4-2 分析w C =3.5%、w C =4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。
Fe—C合金的组织和性能
Fe-Fe3C相图
1.Fe—C合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）
(1)
纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数26， 原子相对质量 55.85 ，纯铁的熔点 1538℃，汽 化点2738℃，密度7.87g/㎝³ 。 纯铁固态下具有 同素异构转变 （ allotropic transformation ） ： 912°C 以 下 为 体 心 立 方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心 立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心立 方(bcc)结构。 纯 铁 具 有 磁 性 转 变 （ 768℃ 磁 性 转 变 、 magnetic transformation ）。纯铁的强度低， 塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁 磁性（ferromagnetism）。
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图全貌部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶 部分，左下角的共析部分。 分析点、 线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变 线 、重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（1）Fe—Fe3C相图的点
B. 两条磁性转变线
① 230℃为水平线为 Fe3C 的磁性转变线， 230℃ 以上 Fe3C 无磁性， 230℃以下为铁磁性。常用 A0 表 示 ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁 磁性，770℃以下为铁磁体。常用A2表示，又称居 里点。
C. 几条重要的相界线(固态转变线)
（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： ·4个单相区：L、δ、γ、α · 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、 γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C ·3个三相共存区：L+γ+ Fe3C（ECF线）、 L+δ+γ（HJB线）、γ+α+ Fe3C（PSK线）
金属学与热处理答案
4-1分析w c=0.2%、w c=0.6%h w c=1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。
解：在室温下，铁碳合金的平衡相是a-Fe（碳的质量分数是0.008%）和Fe s C（碳的质量分数是 6.69%），故（1） w C=0.2%的合金在室温时平衡状态下a相和Fe3C相的相对量分别为w^=0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是 a -Fe和P,其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下a -Fe碳的成分是0.0218%,P的碳的成分为0.77%,故w c=0.2% 的合金在室温时组织中P和a的相对量分别为⑵w C=0.6%的合金在室温时平衡状态下a相和Fe3C相的相对量分别为W C=0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是 a -Fe和P,在室温时组织中 P和a的相对量为⑶w C=1.2%的合金在室温时平衡状态下a相和F Q C相的相对量分别为w c=1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是P和F Q C,在室温时组织中 P的相对量为4-2分析w c=3.5%、w c=4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图,并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。
解：w c=3.5%的铁碳合金在室温平衡相是 a -Fe（碳的质量分数是0）和F Q C（碳的质量分数是 6.69%），故（1） w C=3.5%的合金在室温时平衡状态下a相和F Q C相的相对量分别为因为刚凝固完毕时，初生丫相和Ld中碳的成分分别为2.11%和4.3%,所以刚凝固完毕时初生丫相和Ld的相对量分别为碳的成分为 2.11%的初生丫相从共晶温度冷却到共析温度后，它的成分变为0.77%，在冷却过程中它析出F Q C I，每份丫相析出Fe3G的量为现在初生丫相的量是36.53%,所以到共析温度析出的F Q C相对于整体的相对量为因为合金中的初生丫相到共析温度析出F Q C,初生丫相的相对量减少8.27%，余下的丫相在共析温度都转变为P,所以P的相对量为⑵w C=4.7%的合金在室温时平衡状态下a相和F Q C相的相对量分别为因为刚凝固完毕时，初生FeC和Ld中碳的成分分别为 6.69%和4.3%，所以刚凝固完毕时初生FeC和Ld的相对量分别为4-3计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。
铁碳球实验报告
一、实验目的1. 了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。
2. 掌握铁碳球实验的基本操作方法。
3. 分析不同碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
二、实验原理铁碳合金是由铁和碳组成的合金，其性能和成分密切相关。
随着碳含量的增加，铁碳合金的硬度、强度和耐磨性逐渐提高，但韧性和塑性逐渐降低。
本实验通过铁碳球实验，观察不同碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
三、实验材料及设备1. 实验材料：生铁、纯铁、碳粉、石蜡、砂纸等。
2. 实验设备：高温炉、天平、铁碳球模具、冷却水槽、砂纸、放大镜等。
四、实验步骤1. 准备铁碳球模具，将生铁、纯铁和碳粉按一定比例混合均匀。
2. 将混合好的铁碳球材料放入铁碳球模具中，压实。
3. 将铁碳球模具放入高温炉中，加热至一定温度（如1200℃），保温一段时间。
4. 取出铁碳球模具，将铁碳球放入冷却水槽中快速冷却，使其凝固。
5. 使用砂纸对铁碳球表面进行打磨，使其光滑。
6. 观察不同碳含量铁碳球的宏观组织和性能。
五、实验结果与分析1. 宏观组织观察（1）低碳铁碳球：表面光滑，颜色呈银白色，硬度较低，韧性较好。
（2）中碳铁碳球：表面光滑，颜色呈灰黑色，硬度较高，韧性较差。
（3）高碳铁碳球：表面粗糙，颜色呈黑色，硬度最高，韧性最差。
2. 性能分析（1）低碳铁碳球：具有良好的韧性和塑性，但硬度较低，耐磨性较差。
（2）中碳铁碳球：具有良好的强度和硬度，但韧性较差，耐磨性一般。
（3）高碳铁碳球：具有很高的硬度和耐磨性，但韧性和塑性较差。
通过实验结果分析可知，随着碳含量的增加，铁碳球的硬度、强度和耐磨性逐渐提高，但韧性和塑性逐渐降低。
这是因为碳在铁碳合金中形成碳化物，增加了合金的硬度和耐磨性，但降低了韧性和塑性。
六、实验结论1. 铁碳球实验可以直观地观察到不同碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
2. 随着碳含量的增加，铁碳合金的硬度、强度和耐磨性逐渐提高，但韧性和塑性逐渐降低。
3. 在实际应用中，应根据需要选择合适的碳含量，以获得最佳的性能。
铁碳合金的基本组织
由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以 进行热处理。并且可以正确选择加热温度。
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GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。
ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。 ECF：共晶线，含C量2.11 % --6.69%的铁碳合金至此发生共
晶反应，结晶出A与Fe3C混合物---莱氏体Ld。 PSK：共析线，含C量在0.0218 % --6.69%的铁碳合金至此反
生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。
引言： 关于铁碳合金状态图
1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下 的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。 又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通 过实验的方法建立起来的。 2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸 造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。
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第3章 铁碳合金
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第3章 铁碳合金
第三节 铁碳相图的应用
1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，
从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求 的性能来选择不同含碳量的材料。 2、叛断切削加性能：
低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体 含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺：
3
第3章 铁碳合金
一、铁碳相图分析
1、相图的坐标
纵坐标：代表温度。
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相图分析——典型合金结晶——铁碳合金成分与性能关系、应用
三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系
从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。
任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。
1、碳的质量分数对组织的影响
铁碳合金的室温组织随碳的质量分数的增加，组织的变化规律如下：
F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ
从以上变化可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。
具体来说，对钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体量随着减少，过共析钢中的二次渗碳体量随着增加；对铸铁部分而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量随着增加。
铁碳合金室温组织的相组成相对量、组织组成物相对量如图所示。
2、碳的质量分数对力学性能的影响
铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。
当碳的质量分数Wc<%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度呈直线上升，而塑性、韧性随之降低。
原因是钢组织中渗碳体的相对量增多，铁素体的相对量减少；当碳的质量分数Wc>%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。
原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。
导致了钢脆性的增加。
为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于%。
Wc>%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。
五、Fe-Fe3C相图的应用
1、在钢铁材料选材方面的应用
Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。
例如：用于建筑结构的各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用Wc<%的钢材。
机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=%~%范围内的钢材。
而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=%~%范围内的高碳钢。
2、在制订热加工工艺方面的应用
（1）在铸造方面的应用从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。
因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。
根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50~100℃，铸钢（Wc=%~%）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。
（2）在锻压加工方面的应用由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。
因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。
（3）在热处理方面的应用 Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。
热处理常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。
这将在下一章中详细阐述。
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