铁碳合金的基本组织与铁碳相图
铁碳合金与铁碳合金相图
铁碳合金与铁碳合金相图1 铁碳合金的基本组织1.1. 铁素体碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。
强度和硬度低，塑性和韧性好。
1.2. 奥氏体碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。
高温组织，在大于727℃时存在。
塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。
1.3. 渗碳体铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。
用Fe3C1.4. 珠光体F与Fe3C混合物。
强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。
1.5. 莱氏体A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。
2 铁碳合金状态图2.1 状态图主要点线主要点主要线：ABCD线液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。
AHJECF线固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入AES线Acm线，C在A中溶解度曲线ECF线共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。
PSK线共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体2.2 铁碳合金分类2.2.1 钢含C量0.0218～2.11%共析钢含C量0.77%亚共析钢0.0218-0.77%过共析钢0.77-2.11%2.2.2 白口铸铁 2.11-6.69%共晶白口铸铁 4.3%亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%过共晶白口铸铁 4.3-6.69%2.3 铁碳合金相图的作用在铸造方面选择合适的浇铸温度，流动性好在煅造方面选择合适的温度区，奥氏体区在热处理方面退火，正火，淬火等2.4 碳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室温下，铁碳合金均由α+ Fe3C两相组成随含碳量不同，可分为七个典型组织区二、含碳量对机械性能的影响•珠光体P：为F + Fe3C的混合物，呈层片状，由于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好；•亚共析钢：由F + P组成，随碳量增加，珠光体量增加，强度性能提高；•过共析钢：P+ Fe3C(II)组成，当含碳量<1%，Fe3C(II)断续分布在晶界处，强度提高；当含碳量>1%，Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性能下降。
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
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
铁碳合金的基本组织及合金相图分析
Lc
Ld（A+Fe3C）
精选ppt
7
模块二 金属学的基本知识
PSK：共析线，含C量在0.0218 % --6.69%的 铁碳合金至此反生共析转变，产生珠光体P ， 又称A1线。
727ºC
As P(F+Fe3C) E二S：次C渗在碳γ体-F析e中出的。溶解度曲线，又称Acm线。
GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入
课题五 铁碳合金相图
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不同温度下 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。 3F、eCF、e-CF相eC图-C包等括几：部F分e-。Fe仅3C研、究FFee3C-F-eF3eC2C。、 Fe2C-
A，又称A3线。
PQ ： C在α-Fe中的溶解度曲线，三次渗碳体 析出。
精选ppt
8
模块二 金属学的基本知识
5、相区及其组织 4个单相区、5个两相区、2个三相共存线
1）4个单相区：
①液相区ACD线以上区域：L
②AESGA区：A
③GPQG区：F
④DFK直线区：Fe3C
2）5个单相区：
①ACEA区域：L+A
精选ppt
6
模块二 金属学的基本知识
4、特性线
ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加
热至此全部转化为液相。冷至AC线开始结晶出A； 冷至CD线，开始结晶出一次渗碳体。
AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相， 固相加热至此开始转化为液相。反应式：
第4讲铁碳合金基本组织及铁碳合金相图分析
第4讲铁碳合⾦基本组织及铁碳合⾦相图分析第三章铁碳合⾦第⼀节基本组织⼀、铁碳合⾦的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。
由于α-Fe晶粒的间隙⼩，溶解碳量极微，其最⼤溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是⼏乎不含碳的纯铁。
=180～230Mpa性能：σbHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰⾊并有明显⼤⼩不⼀的颗粒形状。
Array C）2、渗碳体（Fe3渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。
含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很⾼，脆性极⼤，是钢中的强化相。
显微镜下观察，渗碳体呈银⽩⾊光泽。
渗碳体在⼀定条件下可以分解出⽯墨，3、奥⽒体（A）奥⽒体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。
γ-Fe的溶碳能⼒较⾼，最⼤为2.11%（1148℃）。
由于γ-Fe⼀般存在于727～1394℃之间，所以奥⽒体也只出现在⾼温区域内。
显微镜观察，奥⽒体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。
性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗⼒。
是绝⼤多数钢种在⾼温进⾏压⼒加⼯所需的组织。
4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。
显微镜观察，珠光体呈层⽚状特征，表⾯具有珍珠光泽，因此得名。
=750Mpa性能：σbHB=160～180较⾼δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱⽒体（Ld）莱⽒体是由奥⽒体和渗碳体组成的共晶体。
铁碳合⾦中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发⽣共晶转变，⽣成⾼温莱⽒体。
合⾦继续冷却到727℃时，其中的奥⽒体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱⽒体。
统称莱⽒体。
第⼆节铁碳合⾦相图分析各主要线的意义：相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合⾦的开始点和终了点，分别⽤光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合⾦内部组织发⽣转变的界限。
第3章 铁碳合金相图
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
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切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
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晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
第三章铁碳合金相图详解版
第 二 节 铁碳合金状态图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C 亚共晶白口铸铁<4.3% C
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
铁碳合金及相图
• 1.定义 •
匀晶相图
二组元在液态和固态下均无 限溶解的二元相图叫做匀晶相 图。形成此类相图的合金系有 Cu-Ni、Bi-Sb,W-Mo,Ti-Zr,TiHf等。
• 2. 相率 在单相区f=C-P+1=2
在两相区f=C-P+1=1，即只有1 个独立变量。假定T为独立变量， 则相的成分就是温度的函数。 给定温度就可以确定相的成分。
化来建立相图的。后两种方法适用于测定材料在固态
下发生的转变。
合金成分的表示方法有两种：质量分数和摩尔分数。 如A组元的质量分数为wA、摩尔分数为xA，其 相对原子量为MA；B组元的质量分数为wB、摩尔 分数为xB，其相对原子量为MB，则：
xA=(wA/MA)/(wA/MA + wB/MB)
xB=(wB/MB)/(wA/MA + wB/MB)
其它相图。
• 2. 相图的组成元素
组元 • 组成相图的独立组成物。组元可 以是纯的元素，如金属材料的纯金 属，也可以是稳定的化合物，如陶 瓷材料的Al2O3，SiO2等。
相区 相图中代表不同相的状态的区域叫相区，相区可分为单相 区、双相区和三相区。单相区中液相一般以L表示，当有几个 固态单相区时，则由左向右依次以、、等符号表示。在两 个单相区之间有对应的两相区存在。
与一个固相在恒定温
度下转变成另外一个
成分不同的固相的过 程。
L + 。
包晶反应机理
由于相是在包围初生相，并使之与液相格开的形 式下生长的，故称之为包晶反应。
§2 铁碳合金中的组元和基本相
组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（δ）、 铁素体（α）、 奥氏体（γ） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Le/Le’）
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铁碳合金的基本组织与铁碳相图
一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能(强度、硬度较低，耐磨性都比较低)，难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。
一、合金的基本概念
1、合金
合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
如黄铜是铜和锌的组成合金;碳钢是铁和碳组成的合金;硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。
合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。
另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。
2、组元
组成合金的基本的物质称为组元。
组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元;铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。
有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。
3、合金系
给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。
由两个组元构成的称为二元系，由三个组元构成的称为三元系等。
另外，也可由构成元素来命名，如铁碳合金。
4、相
相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。
其中包括固溶体、金属化合物及纯物质(如石墨)。
5、组织
组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。
金属材料的组织不同，其性能也就不同。
二、合金的相
根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。
1、固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。
例如铁碳合金中，α铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。
根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。
置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的。
间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的。
因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。
2、金属化合物
金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。
金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。
当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。
金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。
3、机械混合物
机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。
各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。
三、纯铁的同素异构转变
固态金属随温度变化而发生晶格改变的现象，称为同素异构转变。
纯铁即具有同素异构转变的特征，如图所示，可见，纯铁在1538℃结晶后，具有体心立方晶格，称为δ铁;当冷却到1394℃时发生同素异构转变，由体心立方晶格的δ铁转变为面心立方晶格的γ铁;继续冷却至912℃时，再次发生同素异构转变，又由有面心立方晶格的γ铁转变成了具有体心立方晶格的α铁。
再继续冷却时晶格类型不再发生变化。
同素异构转变是纯铁的一个重要特性，以铁为基的铁碳合金之所以能通过热处理显著改变其性能，就是由于铁具有同素异构转变的特性。
同素异构转变不仅存在于纯铁中，而且存在于以铁为基的钢铁材料中，这是钢铁材料性能呈多种多样、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。
金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程相似，实质上它是一个重要结晶过程。
因此，它同样遵循着结晶的一般规律：有一定的转变温度;转变时需要过冷;有潜热产生;转变过程也括晶核的形成和晶核的长大两阶段
四、铁碳合金的相
在固态铁碳合金中，铁和碳的相互作用有两种：一是碳原子溶解到铁的晶格中形成固溶体，如铁素体与奥氏体;二是铁和碳原子按一定的比例相互作用形成金属化合物，如渗碳体。
铁素体、奥氏体、渗碳体均是铁碳合金的基本相。
1、铁素体(F)
碳溶于α铁中的间隙固溶体称为铁素体，用符号F或α表示。
它仍保持α铁的体心立方晶格，由于体心立方晶格原子间的空隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时的最大溶碳量为Wc=0.0218%，在600℃是溶碳量约为Wc=0.0057%，室温下几乎为零Wc=0.0008%。
因此，其室温性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、
硬度不高(σb=180-280MPa,50-80HBS)，但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。
所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工。
2、奥氏体(A)
?????碳溶于γ铁中的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A或γ表示。
它仍保持γ铁的面心立方晶格。
由于面心立方晶格原子间的空隙比体心立方晶格大，因此碳在γ铁中的溶碳能力比在α铁中要大些。
在727℃时的溶碳量为Wc=0.77%，随着温度的升高溶量增加，到1148℃是时达到最大Wc=2.11%。
奥氏体的力学性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的强度、硬度为(σb约为400MPa,160-200HBS)，但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。
因为奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。
3、渗碳体
渗碳体具有复杂晶格的间隙化合物，分子式为Fe3C，其Wc=6.69%，是钢和铸铁中常用的固相。
熔点约为1227℃，渗碳全硬度很高(950-1050HV)，而塑性与韧性几乎为零，脆性很大。
渗碳体不能单独使用，在钢中总是和铁素体混在一起，是碳钢中主要强化相。
渗碳体在钢和铸铁中存在形式有片状、球状、网状、板状，它的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能影响很大。
渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成石墨状的自由碳。
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