3-2 典型铁碳合金的平衡结晶过程
铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
47.8%
( WγE = 1-47.8% = 52.2% )
第四节 含碳量对铁碳合 金平衡组织和性能的影响
一、含碳量对平衡组织的影响
随C含量 ，铁碳合金组织变化：
α+Fe3C α+P P P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’
P+Fe3CⅡ Ld’+Fe3CⅠ
C% ，Fe3C
Fe3C的形态及分布：随C
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
亚共晶白口铁 2.11%<C%<4.3%
t1 t2
t3
L
L 初
L 共晶+Fe3C即Ld
共晶 转变
初Fe3CⅡ 共晶Fe3CⅡ
共+Fe3C即P 初+Fe3C即P
室温组织 ：
共析 转变
P +Fe3CⅡ+L'd(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)
组织：P+ Fe3CⅡ +L’d （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
三、杠杆定律的应用
1、0.4%C钢
K
组织组成物：α+P
S 0.4 0.77 0.4
Wα
PS
铁碳合金的分类及其平衡结晶综述
室温相组成：α+Fe3C，两相相对量为：
Fe C
3
2K 6.69% 4.3% 100% 100%; PK 6.69% 0.0218 % 1
渗碳体包括三部分：共晶渗碳体、 二次渗碳体和共析渗碳体
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PK
100 % 88 .7%, Fe3C 1 11 .3%
在显微图4.6（b）中黑色线条可视为渗碳体，白色部分为 铁素体。
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二．典型铁碳合金的结晶过程
2. 亚共析钢（以含碳量0.55%的亚共析钢为例） 过成分点作垂线，和相图上的液相线、固相线、GS线、共析线分别交1、 2、3、5点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
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二．典型铁碳合金的结晶过程
5.亚共晶白口铸铁 以含碳量为3.0%的合金为例。过成分点作垂线，和液相线、共晶线、 共析线交于1、2、3点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
先 先 先 L3.0 L 先 E LC 1148 E Ld （ 先 Fe3C） Ld （ S Fe3C） Ld
L0.55 L 0.55
先
先 P
S
727
先 P
P
先
P
图中，白色为先 共析铁素体，黑 色为珠光体
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二．典型铁碳合金的结晶过程
室温组织组成物：α先+P。两组织相对量用杠杆定律 （连接线PS？）
727 （P Fe3C） L/d
1-2-3铁碳合金相图
B
1。纯铁 。
同素异构转变
金属在固态下由于温度的改变而发生晶格 类型转变的现象。
2。 铁碳合金基本相 （二元相图）
（2）共晶相图与共晶转变
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PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳含量大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C。析出 的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII 数量极少, 往往予以忽略。
K点
符号 K 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 6.69 含义 Fe3C的成分 的成分
P点
符号 P 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 0.0218 含义 碳在 α-Fe中的最大溶解度 中的最大溶解度
S点
符号 S 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 0.77 含义 共析点(A 共析点 1) As→ FP+Fe3C
渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在 显微镜下呈黑色。 渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。 渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。
渗碳体
四、珠光体（Pearite） 珠光体（ [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，珠光体是奥 珠光体]： 珠光体 氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物，碳质量分数平均为Wc=0.77%。显微 组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织，高碳钢经球化退火后也可获得 球状珠光体（也称粒状珠光体）。 [珠光体性能 ：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和 珠光体性能]： 珠光体性能 韧性较好（σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%）。
2.2.3 铁碳合金的结晶
室温下两相的相对重量百分比为：
6.69 4.3 Q 100% 35.7% 6.69 0.0008 QFe3C 100% 35.7% 64.3%
Fe-C相图及其平衡凝固组织
3. 铁碳合金的成分--组织--性能关系
亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。 0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。 ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但硬 度仍上升。 ＞2.11%C，组织中有以 Fe3C为基的Le’,合金太脆.
2. 在铸造工艺方面的应用
3. 在热锻、热轧工艺方面的应用
4. 在热处理工艺方面的应用
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：
1）工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。 2）钢(0.0218~2.11%C) 高温组织为单相 ① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C)
② 共析钢 (0.77%C)
③ 过共析钢
(0.77~2.11%C)
亚 共 析 钢
过 共 析 钢
亚 共 晶 白 口 铸 铁
铁碳合金的成分—组织—性能的对应关系
含碳量对工艺性能的影响
铣 车 刨 钻
① 切削性能: 中碳钢合适
② 可锻性能: 低碳钢好
③ 焊接性能: 低碳钢好
④ 铸造性能: 共晶合金好 ⑤ 热处理性能: 后续章节介绍
焊 缝 组 织 铸 造
磨
切削加工的基本形式
模锻
4.Fe-Fe3C相图的应用 1. 在钢铁材料选用方面的应用
过 共 晶 白 口 铸 铁
3）白口铸铁 (2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 ① 亚共晶白口铸铁
铁碳合金相图与共析钢结晶过程
珠光体
室温下，珠光体中两
相的相对重量百分比
1
2
是多少？
4L Q QL
3
6 .6 9 0 .7 7 8 8 .5 % 6 .6 9 0 .0 0 0 8
Q4
9
Q Fe3C 1 0 0 % 8 8 .5 % 1 1 .5 %
共析钢的结晶过程
总结：钢的结晶过程
1、共析钢的结晶过程 L → L+A → A → P 相组成物：F，Fe3C 2、亚共析钢的结晶过程 L→L+A → A → A+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 3、过共析钢的结晶过程 L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C
相图中有很广阔的奥氏体 区，面心立方晶格的高温 奥氏体有优良的塑性和较 好的强度，塑性变形抗力 很低，是热锻、热轧极好 的组织，轧、锻温度一般 选在图中影线部分。
（4)在焊接方面的应用
含碳量越低的钢焊接性越 好，含碳量增加时，随着 焊件壁厚的增加，需要预 热和焊后回火处理。
直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。
高温组织为单相A ⒈ 含碳量对室温平衡组织的影响
11%C)高温组织为单相A ⑵ 两相区: L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C
即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线
L+ Fe3C
共析转变的产物是 F与
Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
珠光体
金属材料组织和性能的控制
熔化前不分解; 也不发生其它化学反应
如:MgSi合金能形成稳定化合物Mg2Si MgSi合金相图属于含有稳定化合物的相图
把稳定化合物看成独
立的组元; 相图分成几
个简单相图
MgSi相图可分为
MgMg2Si和Mg2SiSi 两个相图分析
含有稳定化合物的相图
2 2 2 合金的性能与相图的关系
合金的性能取决于它的成分和组织 相图则可反映不同成分的合金在室温 时的平衡组织 因此; 具有平衡组织的合金的性能与相 图之间存在着一定的对应关系
图中的每一点表示 一定成分的合金在一 定温度时的稳定相状 态
铜镍二元合金相图
2 2 1 二元合金的结晶
一 发生匀晶反应的合金的结晶
1 结晶过程
匀晶反应： L→α固溶体
CuNi FeCr AuAg合金具有匀晶相图
●单相区
La相a1：c 液线相为;液C相u和线N; 该i形
成线的以液上溶合体金;处于液相;
几种碳钢的钢号和碳质量分数
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
2 FeFe3C相图中重要的线
●水平线HNB :包晶反应线 发生●水包平晶线反E应CF :共晶反应线 发 生●共水晶平反线应PSK :共析反应线 发生共析反应 亦称A1线
●GS线 A中开始析出F临界温度线; 称A3线 ●ES线 碳在A中的固溶线;叫Acm线 从A中析出 Fe●3PCQ;叫线二次是渗碳碳在体F中Fe固3C溶II线亦是是AF中中开开始始析析出出FFee33CCIIIII的
在两相区;温度一定时; 两相的质量符合杠杆
典型铁碳合金结晶过程分析 (2)
第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2典型铁碳合金的结晶过程分析-4共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%1交点：液相开始发生共晶转变1~2之间：共晶奥氏体中会出现二次渗碳体2交点：γ发生共析转变→P (珠光体)共晶渗碳体不发生变化2 以下：组织低温莱氏体（L′d ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)共晶转变生成莱氏体（Ld ）奥氏体为共晶奥氏体，渗碳体为共晶渗碳体w c＝4.3%的铁碳合金结晶过程示意图低温莱氏体金相照片（黑斑区为珠光体，白色为渗碳体）室温组织：（L′d ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝4.3%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w α=6.69−4.36.69−0.0008×100%≈？w Fe 3C =1−w α≈？%100='d L w典型铁碳合金的结晶过程分析-5亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%3以下2交点：存在两相L +γ2~3：奥氏体中会出现二次渗碳体3交点：γ发生共析转变→P (珠光体)二次渗碳体+ Ld 不发生变化3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C II + P ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)1交点：液相开始发生匀晶转变L →γ其中的室温组织：（L'd + P + Fe 3C Ⅱ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝3.0%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w Fe 3C =1−w α≈？w α= 6.69−3.06.69−0.0008×100%≈?w L ′d=3.0−2.114.3−2.11×100%≈？w P = 4.3−3.04.3−2.11×6.69−2.116.69−0.77×100%≈？w Fe 3C II =1−w L ′d −w P ≈?结晶过程示意图亚共晶白口铸铁的金相照片亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金3以下典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K123典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K1231~2：一次渗碳体形成的温度高，故其形貌为粗大的片状结构2交点：共晶转变3交点：γ发生共析转变3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C I ）1交点：液相开始发生匀晶转变L →Fe 3C I过共晶白口铸铁w c＝5.3%铁碳合金L'd＋Fe3CⅠ过共晶白口铸铁的室温组织典型铁碳合金的结晶过程分析-7工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q1234567工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q12345671~2：L 减少δ增加1以上：液相1交点：匀晶转变L →δ2点：单相δ （0.01%）2~3：单相δ （0.01%）3点开始：δ →γ3~4：δ减少γ增加4~5：单相γ（0.01%）5点开始：γ→α5~6：γ减少α增加6点，6~7：单相α （0.01%）7点：α析出Fe 3C ⅡI工业纯铁w c<0.01%铁碳合金室温下的相：F+Fe3C 室温组织: F + Fe3CⅢ工业纯铁室温组织金相照片。
铁碳合金状态图
② 亚共析钢
③ 过共析钢
3）白口铸铁
2.11％ < WC ≤ 6.69％
按室温组织不同，又可分为以下三种： ① 共晶白口铸铁 WC = 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 ② 亚共晶白口铸铁 2.11％ < WC < 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 + 珠光体 + 二次渗碳体 ③过共晶白口铸铁 4.3％ < WC ≤ 6.69％ 室温组织：低温莱氏体 + 一次渗碳体。
渗碳体是强化相，其形状有条状、网状、
片状、粒状等，它的形状、大小和分布对 钢的性能起重要作用。
四、珠光体
珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物
（平均含碳量：0.77%）
性能组织：介于F 和 Fe3C之间具有良好的综合力学性能
层片状
颗粒状
五、莱氏体
莱氏体（Ld）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物
727
共晶相图
共析相图
0.0218
0.77
2.11
4.3
Fe — Fe3C状态图
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体
铁素体（F 或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体
晶格结构：体心立方晶格
最大溶解度：0.0218%（727℃）
性能组织：强度低、硬度低而塑性好。
二、奥氏体
奥氏体（A
2、制定铸、锻、热处理工艺的重要依据
1）铸造方面： 浇注温度一般在液相线以上50～100°C 铸造生产中，共晶成分附近的铸铁应用最多在此范围的钢， 其结晶温度范围小，铸造性能好
2）锻造方面： 锻造时，将其温度加热到A体区域， 能获得良好的塑性，易于锻造成形 白口铸铁中有大量硬而脆的渗碳体， 故不能锻造
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含碳量对碳钢力学性能的影响
四、铁碳相图的应用
1、作为选材的主要依据相图表明了钢铁材料成分、组织的变化规律，据 此可判断出力学性能变化特点，从而为选材提供了可靠的依据。例如， 要求塑性、韧性好、焊接性能良好的材料，应选低碳钢；而要求硬度高、 耐磨性好的各种工具钢，应选用含碳量较高的钢。 2、制定各种热加工工艺的的主要依据（第四章将进行详细讲解）。 3、在铸造中的应用 （1）可以根据相图找出浇注温度，铸造温度一般在液相线摄氏30到100 度之间 （2）共晶成分或接近共晶成分的铸铁铸造性能好，所以共晶成分的铸铁 常用于浇注铸件。 4、在锻造中的应用 锻造温度必须选择在单相奥氏体区，因为钢处于A状态时，强度硬 度低、塑性好，易于锻造。
3-2 典型铁碳合金的平
衡结晶过程
一、铁碳合金的分类
根据含碳量及室碳合金。 含碳量为0.0218%—2.11%的铁碳合金。根据 金相 组织的不同，可分为三种。 共析钢： 含碳量为0.77%; 亚共析钢：含碳量在0.0218%—0.77%之间； 过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间； 含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。
铁碳 合金
钢
白口 铸铁
共晶白口铁：
含碳量为4.3%;
亚共晶白口铁：含碳量在2.11%—4.3%之间； 过共晶白口铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；
二、典型铁碳合金的结晶过程分析
A—奥氏体
P—珠光体
F—铁素体
三、碳对铁碳合金力学性能的影响
由图可见，随着钢中含碳量增加，钢的 强度、硬度升高，而塑性和韧性下降，这是 由于组织中渗碳体量不断增多，铁素体量不 断减少的缘故。但当WC=0.9%时，由于网 状二次渗碳体的存在，强度明显下降。 工业上使用的钢含碳量一般不超过 1.4%；而含碳量超过2.11%的白口铸铁，组 织中大量渗碳体的存在，使性能硬而脆，难 以切削加工，一般以铸态使用。