第3章铁碳合金

6.69 2.11
6.69 0 6.69 0.0218 0.77 0.006
渗碳体的熔点 碳在A中的最大溶解度，钢与铁的分界点
渗碳体的成分 纯铁α -Fe和γ -Fe的同素异晶转变温度 渗碳体的成分 碳在α -Fe中的最大溶解度 共析点As P(Fp+Fe3C) 碳在α -Fe的溶解度
2、特性线 ACD —液相线，线上均为液态L AECF—固相线，又称A4线。此线以下均为固态。 AE----此线以下为单相奥氏体。 ECF —共晶线 液相LC→（AE+Fe3C）共晶产物称作莱氏 体，用Ld表示； A→A+Fe3CⅡ奥氏体冷却过程中析出二次渗碳体。 ES —碳在A中的固溶线，又称Acm线。随温度降低奥氏体溶碳 量降低2.11%→0.77%，析出二次渗碳体 GS—A与F固溶体转变线, GS又称A3线。 PSK —共析线 AS→（FP+ Fe3C）共析产物称作珠光体，用P 表示。 PQ —碳在F中的固溶线。
另外两种混合物： 珠光体P：铁素体F+渗碳体Fe3C 莱氏体Ld：奥氏体A+碳体Fe3C
铸铁中的石墨
3.2 铁碳合金相图
铁碳合金相图是 平衡条件下（加 热或冷却过程均 极其缓慢），表 示铁碳合金的成 分、温度和组织 三者关系的图形。
只研究含碳量 0~6.69％，含碳 量过大的合金无 使用价值。
简化后的Fe- Fe3C 状态图
铁素体
2、奥氏体A
碳溶入面心立方晶格γ-Fe 中形成的固溶体称奥氏体。 用A表示。保持了面心立方晶
格的晶体结构。间隙大溶碳
能力比铁素体大，1148℃时 最大为2.11%，727℃时为 0.77％。 强度低，塑性、韧性好。
奥氏体
3、渗碳体Fe3C
铁与炭形成具有复杂晶格结构的
金属化合物为渗碳体。 含碳6.69%, 用Fe3C表示。 Fe3C 硬度高、塑性、韧性几乎为零。 主要作为铁碳合金中的强化相存在。 钢中的渗碳体
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 % 钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 Wc＜ 0.77 % 共析钢 Wc＝ 0.77 % 过共析钢 Wc＞ 0.77 % 白口铸铁 —— 2.11 % 亚共晶白口铁 Wc＜ 共晶白口铁 Wc＝ 过共晶白口铁 Wc＞ ＜ C % ＜ 6.69 % 4.3 % 4.3 % 4.3 %
3.2.3碳钢的性能及合金相图的应用
1.碳钢合金的成分与平衡组织、力学性能的关系 （1）碳钢的组织组成物的性能特点 平衡组织：铁素体、珠光体和渗碳体 性能关系见表3.3 表3.3铁素体、珠光体和渗碳体的主要力学性能
组成物 铁素体 珠光体 渗碳体 σb/MPa 150~230 800 HBS 80 210 800 δx100 40 10~20 0 аk/J.cm2 200 10~20 0
3、两个重要转变：
（1）共析转变 铁碳合金中奥氏体慢冷至 727℃ 温度的 S 点时，发 生恒温共析转变，即奥氏体（ WC=0.77% ）同时转变为铁 素体 F （ WC=0.0218% ）和渗碳体 Fe3C （ WC=6.69% ），其转 变式为：
A1 ( 727C ) AS P( FP F3C)
面心立方
912 °C
α - Fe
体心立方
体心立方
纯铁的冷却曲线
不同晶格 原子密排 程度不同， 同素异晶 转变会导 致金属体 积发生变 化
1600 温 1500 度 1400 ℃ 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500
1538
液体
1394
δ - Fe γ - Fe
（2)亚共析钢的组织转变
过程
亚共析钢Ⅱ冷却在 4 点以前 通过匀晶结晶全部转变为奥氏
体A。到4点，由A 中析出铁素
体F 。继续冷却铁素体增多到5 点，A成分沿GS线变到S点，剩 余A发生共析转变生成珠光体。 亚共析钢的室温组织为F+P。 在0.0218~0.77%C 范围内珠光 体的量随含碳量增加而增加，
σb抗拉强度 δ伸长率 аk冲击韧性 HBS布氏硬度
(2) 碳钢成分与组织、性能的关系
亚共析钢随含碳量增加，P量增加， 钢的强硬度升高，塑韧性降低。 过共析钢组织中有珠光体二次渗碳体 含碳量为<1.0%时,组织大部分部为P, 其中有少量二次渗碳体，钢的强硬度 继续升高。 含碳量＞1.0%，出现连续网状Fe3CⅡ， 强度下降，脆性大，塑性、韧性差。
实际生产中碳钢含碳量<1.35%
2.相图的应用
(1)在材料方面的应用；选材的依据 （2）在制定成型工艺方面的应用 铸造:液相线是选熔炉和浇注温度的依据 锻造：根据相区温度A4、A3、A1确定锻造温度 热处理：根据A1、A3、Acm确定热处理温度。
第 3章
铁碳合金
铁碳合金—俗称钢铁材料，是工业生产中应 用最广泛的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11的称为钢。
含碳量为2.11%~ 6.69%的称为铸铁。
3.1 铁碳合金基本相
3.1.1纯铁的同素异晶转变: 金属在晶态时，晶格类型随温度改变的现象为同素异晶转变
δ - Fe
1394 °C
γ - Fe
912 770
α - Fe
纯铁的冷却曲线
时间
3.1.2铁碳合金的三种基本相
1、铁素体F
碳溶入体心立方晶格 -Fe 中形 成的间隙固溶体为铁素体, 用符号F表 示。 铁素体的间隙小溶碳能力很 低 ,727℃ 时最大为 0.0218% ， 600℃ 下 仅为0.006%。
铁素体的力学性能性能与纯铁 相似。 即硬度低，塑性、韧性好。
3.2.1
Fe- Fe3C 相图概述
Fe-Fe3C相图纵坐标：温度 横坐标：成分 1、 Fe-Fe3C相图特性点
符号 A C T/℃ 1538 1148 C/% 0 4.3 说明 纯铁的熔点 共晶点(Lc Ld(AE+FeC）
D E
F G K P S Q
1227 1148
1148 912 727 727 727 600
珠光体 P (2）共晶转变 铁碳合金慢冷至1148℃温度的C点时，发生恒温共晶转 变，即液相铁碳合金（WC=4.3%）同时转变为奥氏体AE （WC=2.11%）和渗碳体Fe3C（WC=6.69%），其转变式为:
1148C LC Ld ( AE F3C)
莱氏体Ld
4.铁碳Fe-C 合金分类
亚共析钢
20 0.20 45 0.45 60 0.60
几种 常见 碳钢
类型
钢号 碳质量分数／％
共析钢
T8 0.80
过共析钢
T10 Байду номын сангаас.00 T12 1.20
3.2.2 典型铁碳合金的结晶与组织转变分析
1.碳钢的结晶与组织转变
分析 (1).共析钢的组织转变
过程
合金І为共析钢，自液相1点冷 却至2点间结晶出奥氏体A,冷 却到S点发生共析转变A生成珠 光体P。 AS⇄FP+Fe3C 珠光体在光镜下呈片状。强度 较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。 过程： 合金→ L+A →A→P
Ld---莱氏体 Ld′--低温莱
氏体
2)亚共晶白口铸铁： 液态合金转变与上述相同，只是共晶线以上生成的部分奥氏体A不断析出 Fe3CⅡ，最后剩余的A转变为珠光体P 室温组织：P+Fe3CⅡ+Ld′
3)过共晶白口铸铁： 多出了最先结晶出的条状初次渗碳体 室温组织：Fe3CⅠ+Ld′ 三种在组织性能：均为硬而脆。
而铁素体的量相应减少。 过程： 合金 → L+A→A→ A+F→P+F
(3)过共析钢结晶过程
合金Ⅲ在1~2点转变为A， 沿ES线冷却到3点，A开始 析出Fe3CⅡ，并沿晶界呈 网状分布。继续冷却到4 点A1温度时不断增加Fe3CⅡ， A成分沿ES线变化到S点成 分，剩余A共析转变为P。
过共析钢室温组织为
P+Fe3CⅡ，Fe3CⅡ量随含碳 量而增加。 过程： 合金 → L+A→A→ A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ
2.白口铸铁结晶过程
1)共晶白口铸铁： 液态合金 →冷却至C点1148℃---共晶结晶莱氏体Ld(A+共晶Fe3C） →冷却至727℃---A沿ES线变化析出Fe3CⅡ，A共析生成P，还有 共晶Fe3C 合金 →1148℃ Ld（共晶Fe3C+A）→727℃Ld′（共晶Fe3C+P+Fe3CⅡ）