第04章 铁碳合金相图
铁碳合金相图
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 类型 钢号 碳质量分数／％ 亚共析钢 20 45 60 0.20 0.45 0.60 共析钢 T8 0.80 过共析钢 T10 T12 1.00 1.20
(4)各相的质量： QL= 50×2/3 = 33.3（kg) Qα = 50-33.3 = 16.7（kg)
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（Yes ）
5. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
c. 以砂型代金属型
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织
P + Fe3CII
400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织 （低温）莱氏体 （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C） 莱氏体 Le′的性能
工程材料04铁碳合金相图2
钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，其基本组元是铁和碳元素，因此称为铁碳合金。
为了掌握钢铁材料的成分、组织和性能之间的关系，为以后的生产应用做好准备，就必须学习和研究铁碳合金相图。
铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物（Fe3C、Fe3C、FeC 等），但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大，无实际应用价值，所以在铁碳合金相图中，只需研究Fe-Fe3C部分（含碳量≦6.69%）。
第一节铁碳合金的基本相在铁碳合金中，铁和碳元素的相互作用方式有两种：（1）碳原子溶解到纯铁的晶格中，形成固溶体，如铁素体和奥氏体；（2）铁和碳原子相互作用形成金属化合物，如渗碳体。
一、铁素体：α 、F碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，它仍保持α-Fe的体心立方结构。
由于铁素体的含碳量较低（室温下w=0.0008%），其性能与纯铁相近。
c铁素体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性和韧性。
抗拉强度σb：180~280MPa屈服强度σs：100~170MPa硬度HB：50~80HBW伸长率δ：30~50%冲击韧性A k：160~200J二、奥氏体：γ、A碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，它仍保持γ-Fe的面心立方结构。
奥氏体溶解碳原子的能力与温度有关，1148℃时w c=2.11%，727℃时w c=0.77%。
一般奥氏体的硬度约为170~220HBW，伸长率δ约为30~50%。
因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成型。
三、渗碳体：FeC3渗碳体是一种具有复杂晶格结构的金属间化合物，其性能特点是硬度很高（约1000HV），且脆性很大（δ，αk≈0）。
渗碳体在碳钢中不能作为基体相，而是作为强化相存在，它的存在形态（网、片、条、粒状等），对碳钢的性能有很大的影响。
例如，渗碳体以细小的颗粒状形态，均匀分布在固溶体基体相上，则碳钢的力学性能较好；但是，渗碳体呈较粗大形态或网状分布时，则碳钢的脆性会增大。
第二节铁碳合金相图分析分析相图：注意相图中的恒温反应！钢铁的分类：（1）工业纯铁w c＜0.0218%（2）钢0.0218%＜w c＜2.11%（3）白口铸铁2.11%＜w c＜6.69%简化的铁碳相图及各点说明：一、液相线：ACD固相线：AECF二、ECF 共晶反应线L C→ A E+ Fe3C共晶产物（A + Fe3C）称为莱氏体，用符号Ld 或Le表示。
第4章 铁碳合金相图
F
Ld A+ S Ld+ Fe3CⅠ A+F K Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld F P 727 P F+ Fe3C Ld P+ Q P+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d L′d+ Fe3CⅠ Fe3C Fe F+ Fe C C%
3 Ⅲ
PSK线-共析线。奥氏体冷却到共析温度（727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体。
1.工业纯铁： • wC ≤ 0.0218 %，室温组织为铁素体。 2.钢 • 0.0218 % ＜ wC ≤ 2.11 %，高温固态组织为塑性很好 的奥氏体，适于热压成形。
Fe3C——渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，C%=6.69%
第四章 铁碳合金相图
一、上半部分图形
912˚C 以上的部分，由液态变
为固态的第一次结晶。 组元：γ-Fe与Fe3C 1、图中各点分析 A点：纯铁的熔点 D点：渗碳体的熔点 E点：在1148˚C 时碳在
γ-Fe中最大溶解度（2.11%）
A G F A+F P
H J
L+ B L+A
L D C
E A+ Fe3C
A+ S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld P Ld
L+ Fe3C
F
Ld+ Fe3CⅠ Ld L′d+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
Fe
P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d
F+ Fe3C
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
三、 Fe-Fe3C相图中各点、线含义的小结
第四章 铁碳合金相图
表4.3 铁碳合金的分类
第四节铁碳合金的成分、组织、性能间的关系 一、含碳量与平衡组织间的关系
随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很 大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在A晶界上——形成莱氏 体时，渗碳体则成了基体 。）
二、含碳量与力学性能间的关系
（ 1 ）硬度 WC 增加，硬度增加；
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
三、渗碳体
渗碳体（Fe3C）
铁与碳形成的间隙化合物，含碳 量6.69%； 室温相——常作为钢的第二弥散 强化相； 渗碳体具有高硬度、高脆性、低 强度和低塑性； 一次渗碳体 Fe3CI：从液相直接 结晶出来。 二次渗碳体 Fe3CII：从 A 中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
一、合金Ⅰ（共析钢）
结晶过程
共析结晶过程
1点以上 L； 1~2点 L+A； 2~3点 A； 3点 共析转变AS
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
QFe3 C
（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团
3~4点 F+ Fe3CIII+ Fe3C ≡ P
0.77 0.0218 11.2% 6.69 0.0218
第一节 铁碳合金的基本相
同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以
后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而 发生变化的现象，也称同素异构转变。
Fe的冷却曲线及相应的晶体结构
L-Fe 液相
1538℃
δ-Fe 体心
1394℃
γ-Fe 面心
912℃ α-Fe 体心
同素异构转变（重结晶）的特点
铁碳合金相图
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
含碳量与相的相对量关系：
C %↑→F %↓，Fe3C %↑
含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过相图
图4-17
二、碳对铁碳合金平衡组织和性 能的影响
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
Ⅲ 3 Ⅱ
3
Ⅰ
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§4铁碳合金的成分—组织—性能
关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
1、含碳量——相相对量 C%↑→F%↓，Fe3C%↑ 2、含碳量——组织 F--->F+P--->P--->P+Fe3CII-->P+Fe3CII+Le’--->Le’-->Le’+Fe3CII--->Fe3C
第四章 铁碳合金相图
§1铁碳合金的基本相 §2 铁碳相图 §3典型铁碳合金的结晶过程及其组织 §4铁碳合金的成分—组织—性能关系
§1铁碳合金的基本相
• 一、铁碳合金相图中组元的性质和相的类
第四章 铁碳合金相图
的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁
性。
铁碳合金中的基本相
• 铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，
而强度、硬度低。
• δ=30%~50%，AK=128~160J
σb=180~280MPa，50~80HBS。
铁碳合金中的基本相
• 铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝酸 酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的 多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈
铁碳合金中的基本相
• 奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较
为平直，且常有孪晶存在。
铁碳合金中的基本相
3、渗碳体（Cementite）
• 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金
属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它
的碳质量分数wc=6.69％，熔点为1227℃。
• 硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀 后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸 溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。
第四章 铁碳合金相图
LOGO
概述
• 钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其 基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。 普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴， 而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁 碳合金。 • 为了研究铁碳合金的组织和性能以及它们 与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合 金相图。
概述
• 铁碳合金相图最早是在1889年测定的，距
• 钢中wc↑，其可焊性↓，故焊接用钢主要是指 低碳 钢和低碳合金钢。
上一级
• （三） 切削加工性能
• 金属的切削加工性能是指金属进行切削 加工时的难易程度。 • 钢的硬度为160～230HBS时，切削加工 性最好。
上一级
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
LOGO
水平线ECF为共晶反应线。
Fe-C合金相图详解
6 C=5.5%
L
L+Fe3CI
Fe3CI +Ld
L+ Ld +Fe3CI
Fe3CI +Ld ( +Ld’) Fe3CI +Ld’
γ+Fe3CII
γ+Fe3CII+Ld
Fe3CI+Ld
Ld
P+Fe3CII+Ld’
P+Fe3CII
Fe3CI+Ld’
Ld’
室温下的组织： Fe3CI +Ld’ 过共晶白口铸铁(hyper-eutectic white cast iron)
PHale Waihona Puke 4 工业纯铁 C<0.0218% 室温下的组织：
α+ P
P+Fe3CII
4 C=4.3%
L
L+ Ld
Ld
Ld’ Ld
Ld
γ+Fe3CII
1148 LC ← ℃→ γ E + Fe3C
γ-Fe中析出Fe3CII， 形成（γ+Fe3CII+Fe3C）
P+Fe3CII
室温下的组织： Ld’ , （P+Fe3CII+Fe3C） 变态莱氏体 (Transformed ledeburite ) 共晶白口铸铁 (eutectic white cast iron)
Ld’
5 C=3%
L
L+γ
L+γ+ Ld
γ+Fe3CII +Ld γ+P +Fe3CII +Ld ( +Ld’) P+Fe3CII +Ld’
铁碳合金相图分析
第四章铁碳合金第一节铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变δ-Fe→γ-Fe→α-Fe体心面心体心同素异晶转变——固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。
特点：? 是形核与长大的过程（重结晶）? 将导致体积变化（产生内应力）? 通过热处理改变其组织、结构→ 性能二、铁碳合金的基本相第二节铁碳合金相图一、相图分析两组元：Fe、Fe3C上半部分图形（二元共晶相图）共晶转变：1148℃727℃L4.3 → A2.11+ Fe3C → P +Fe3C莱氏体Ld Ld′2、下半部分图形（共析相图）两个基本相：F、Fe3C共析转变：727℃A0.77→ F0.0218 + Fe3C珠光体P二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线??? ① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.??? ② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.??? ③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.工业纯铁（<0.0218%C）钢（0.0218-2.11%C）——亚共析钢、共析钢（0.77%C）、过共析钢白口铸铁（2.11-6.69%C）——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁L → L+A → A → P(F+Fe3C)L → L+A → A → A+F → P+FL → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) → Ld(A+Fe3C+ Fe3CⅡ) → Ld′(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)5、亚共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + A → Ld+A+ Fe3CⅡ→ Ld′+P+ Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响四、铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用2、在铸造、锻造和焊接方面的应用3、在热处理方面的应用第三节碳钢（非合金钢）碳钢是指ωc≤2.11%，并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。
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铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
现分别介绍如下。
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.1
铁素体
纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格的 α -Fe。碳溶解在α
-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体(F)，用符号F来表示。它
仍保持 α -Fe的体心立方晶格结构，其晶胞如图4-1所示，它的 晶格间隙很小，因而溶碳能力极差。由于铁素体中碳的质量分 数低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧 性，而强度和硬度较低，经测试其室温下的机械性能为：强度 极限 =180～280 MPa；屈服极限 s=100～170 MPa；伸长率
莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高(相当于700 HBW)，塑 性很差。莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布
着颗粒状的奥氏体(或珠光体)。
4.2
铁碳合金相图
4.2.1 二元相图的建立 4.2.2 Fe-Fe3C相图分析 4.2.3 典型合金的平衡结晶过程
4.2
铁碳合金相图
众所周知，合金通常是由不同的金属熔化在一起形 成的合金溶液，再冷却结晶而得到。在合金溶液冷却结 晶过程中，会形成什么样的组织呢？利用相图可以回答 这一问题，利用合金的相图可知某一特定成分的合金在 某一特定温度下能形成什么样的组织。
b
=30%～50%；断面收缩率ψ =70%～80%；布氏硬度50～80 HBS。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-1
铁素体的晶胞示意图 图4-2
铁素体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.2
奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，常用 符号A来表示。它仍保持γ-Fe的面心立方结构，其晶胞如图
第 4 章
铁碳合金相图
第 4 章
4.1 4.2 4.3 4.4
铁碳合金相图
铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图 碳对碳钢组织和性能的影响 碳合金状态图的应用 实训 习题
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体
4.1
铁碳合金的基本组织
同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体，用符号 Ld表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以在 727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将
727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体(Ld)，在727℃以下的莱
氏体称为低温莱氏体(Ld')或变态莱氏体。
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.4
珠光体
珠光体(P)是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形 成的，其立体形状为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状 复相组织。
珠光体的组织是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混
合物，用符号P表示。在放大倍数较高的显微镜下，可清楚地 看到它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物， 形成的显微组织形态酷似珍珠贝外壳形纹，故称之为珠光体组 织。如图4-6所示是珠光体的显微组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-6
珠光体显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
在缓慢冷却条件下，珠光体碳的质量分数是 0.77% 。由于
珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以其力 学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，介于铁素体和渗碳体之 间，大体上是两者性能的平均值，故珠光体具有一定的强度和 塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织，其
b=750
40%。
=30% ～ =20% ～ 25% ， MPa ，硬度为 160 ～ 180 HBS ，
4.1
Байду номын сангаас
铁碳合金的基本组织
4.1.5
莱氏体
莱氏体(Ld)是指高碳的铁碳合金在结晶过程中发生共晶 转变而形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，碳的质量分数
为4.3%。
wC﹥2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1 148℃时，从液相中
图4-3
奥氏体的晶胞示意图
4.1
铁碳合金的基本组织 奥氏体具有一定的强度和硬度，但具有良好的塑性，其力
s≈400 MPa； 学性能为： ≈40%～50%；硬度为160～200 HBS。
奥氏体是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织， 因其组织塑性好而便于成形。 用高温金相显微镜观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒 状态，晶界较铁素体平直，奥氏体的显微组织如图4-4所示。
不同。
渗碳体的熔点为1 227 ℃，硬度很高(约为800 HBW)，塑 性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织。 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。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-5
渗碳体的晶体示意图
4.1
铁碳合金的基本组织