第一节 铁碳合金的基本组织
铁碳合金的基本组织与状态图
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“五”指五种温度：15380C，11480C，12270C， 9120C，7270C；
六指六条线： (1)ACD液相线：其以上组织都是液态。
(2)AECF固相线：其以下组织都是固态。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(3)GS、A3线：奥氏体析出铁素体的开始线： 奥氏体析出铁素体
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共晶白口铁组织金相图
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共晶合金组织形态
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3）过共晶白口铸铁 C 4.3～6.69%范围，室 温组织为一次渗碳体和低温莱氏体组成。 显微组织中亮白色的条状（板状）为初生 渗碳体（Fe3CⅠ），基体为低温莱氏体， 其中黑点为珠光体、白色部分为渗碳体。
白口铸铁基本都含有莱氏体，这是与钢区 别的特点。
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5.莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
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1-5-2 Fe—Fe3C状态图 几个概念：
共晶转变：一定成分的液相在一定温度
（恒温）下同时结晶出两个固相的转变。 铁碳相图中C点。
11480C
L4.3% → Ld（A 2.11%C +Fe3C ）
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共析转变：一定成分的固溶体在一定的恒
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4.珠光体 ( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物
。
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(五)莱氏体（Ld）（德国学者Ledebur)
奥氏体和Fe3C组成的机械混合物，此反应发生于 含碳量为2.0～6.67%的合金中。莱氏体 （ledeburite）
莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏 体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3 ％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳 体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏 体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称 为低温莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳 体，所以硬度高，塑性很差
铁碳合金的基本组织
第一节铁碳合金的基本组织一、固溶体：定义：溶质原子进入溶剂中，依然保持晶格类型的金属晶体。
铁素体：碳溶于α-Fe的间隙固溶体；F；体心立方晶格，溶碳量很少，显微组织与纯铁相似，呈明亮的多边形晶粒；性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性好。
奥氏体：碳溶于γ-Fe的间隙固溶体；A；面心立方晶格，晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直；强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好，钢材多数加热到臭氏体状态进行锻造。
二、金属化合物（中间相）（强化相）渗碳体：铁与碳形成的金属化合物；Fe3C；具有复杂的晶体结构，w C=6.69%；它是钢中的主要强化相，它的形态、大小、数量和分布对钢及铸铁的性能有很大影响，渗碳体硬度很高，塑性、韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。
三、机械混合物：珠光体：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物；P；由铁素体与渗碳体片层状交替排列的共转变组织，碳合量平均为w C=0.77%；性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。
莱氏体：由臭氏体和渗碳体组成的机械混合物；Ld（高温莱氏体），Ld’（变态莱氏体）；变态莱氏体由渗碳体与珠光体相近，硬度很高，塑性很差。
总结：硬度最高的是渗碳体，强度最好的是珠光体，高温下奥氏体塑性最好，常温下铁素体塑性最好，莱氏体硬度较高。
第二节铁碳合金状态图一、铁碳合金状态图的建立（1）配制不同成分的铁碳合金，用热分析法测定各合金的冷却曲线。
（2）从各冷却曲线上找出临界点，并将各临界点分别画到成分－温度坐标中。
（3）将意义相同的临界点连接起来。
二、Fe－Fe3C合金状态图的分析：1.点（特性点）：A 1538℃ 100％Fe的熔点； D 1227℃ 100％Fe3C的熔点；G 912℃ 100％Fe的同素异晶转变点（重结晶温度点）；C 1148℃ 4.3％C 共晶点L→Ld（A＋C）共晶反应；F 1148℃ 6.69％C 虚点； P 727℃ 100％Fe虚点；K 727℃ 6.69％C虚点、E 1148℃ 2.11％C碳在γ－Fe中的最大固溶量；S 727℃ 0.77％C 碳在γ－Fe中的最小固溶量，共析点A→P 共析反应。
铁碳合金
含碳量：0~0.0218%(727 ℃)
B
0~0.0008%(室温) N J
D
温度范围：<912℃
912 ℃
E
C
F
G
力学性能：强度、硬度低；
K
塑性好。
PS 0.0218
工业纯铁——<0.02%C， 冷轧提高强度，得到冷轧板。
0.0008 Q
3、珠光体（P）——和Fe3C形成的机械混合物
相：+ Fe3C两种相组成
含碳量与力学性能的关系（P79）
由图可知： Wc≤1.0%时：随钢中Wc↑，则 其HB、σb↑，δ、ΨAk↓；
当 Wc>1.0%时：σb↓而HB↑。 为什么？
因钢中出现Fe3CⅡ网而导 致钢的σb ↓，但HB ↑
为保证工业用钢应具有 足够的σb 和一定的δ 、Ak ， 故其碳含量一般都不超过
Wc1.3% ~1.4%。
强度≈230×F%+770×P% (MPa)
四、铁碳相图的应用
1、在铸造上的应用 2、在锻造上的应用 3、在热处理上的应用
第三节 碳钢及合金钢概述
一、钢中常存在的杂质元素及其影响 二、钢的分类、编号及应用
一、钢中常存在的杂质元素及其影响
1、Mn 脱氧；减轻S的影响；固溶强化。
2、Si 固溶强化
(3) 区
4个单相区 1条垂直线 7个双相区
铁碳合金中的相
⑴液相L 铁与碳的液溶体。 ⑵δ相 是碳在δ—Fe中的间隙固溶
体，呈体心立方晶格，在1394℃以上 δ 存在，1495℃时溶碳量为0.09%。
⑶α相 是碳在α—Fe中的间隙固溶
δ+L
δ+
L
γ
γ+L
金属工艺学第3章
第二节 铁碳合金相图
• ２.亚共析钢 • 根据Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图，含碳量小于０.７７％的亚共析钢从液态到
结晶终了的结晶过程与共析钢相同，合金全部转变为单相奥氏体。当 亚共析钢继续冷却到与ＧＳ线相交的温度时，从奥氏体中开始析出铁 素体，获得铁素体和奥氏体组织。由于铁素体只能溶解很少的碳，所 以合金中大部分的碳留在了奥氏体中，使剩余奥氏体的溶碳量有所增 加。随着温度的不断下降，析出的铁素体逐渐增多，剩余的奥氏体量 逐渐减少，而奥氏体的溶碳量沿ＧＳ线逐渐增加。当温度下降到与Ｐ ＳＫ线相交的温度（７２７℃）时，奥氏体的溶碳量达到０.７７％ ，此时剩余的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。
• ３.渗碳体 • 渗碳体是铁和碳相互作用而形成的一种具有复杂斜方晶体结构的金属
化合物，常用分子式Ｆｅ３Ｃ表示。渗碳体中碳的质量分数为６.６９ ％，熔点为１２２７℃，硬度很高（８００ＨＢＷ），塑性和韧性极 低，硬而脆。渗碳体分布在钢中主要起强化作用，它以多种晶粒形态 存在于钢中，其数量、形状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。
• ３.过共析钢 • 当含碳量大于０.７７％的过共析钢冷却到与ＡＥ线相交的结晶终了
温度时，获得单相奥氏体组织。
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第二节 铁碳合金相图
• 继续冷却到与ＥＳ线相交的温度时，由于温度的降低，碳在奥氏体中 的溶解度降低，过剩的碳以渗碳体（这种从奥氏体中析出的渗碳体称 为二次渗碳体）的形式从奥氏体共析钢的显微组织中沿晶界析出，随 着温度的下降，析出的Ｆｅ３ＣⅡ不断增多，并沿晶界呈网状分布， 奥氏体中的溶碳量逐渐下降，当温度降低到７２７℃时，剩余奥氏体 的溶碳量正好为０.７７％，于是发生共析转变而形成珠光体。温度 再继续下降，合金的组织基本不变，最终获得珠光体和二次渗碳体组 织。图３－１１所示为过共析钢的显微组织（图３－１１中黑色为层 片状的珠光体，白色为网状的二次渗碳体）。过共析钢的室温平衡组 织为珠光体和二次渗碳体，但随着含碳量的增加，钢中的二次渗碳体 量也逐渐增多。过共析钢结晶组织转变过程如图３－１２所示。
第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图
第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图一、铁碳合金系组元的特性1、纯铁纯铁的同素异构转变金属在固态下，晶格类型随温度变化的现象。
重结晶δ－Ｆｅ。
α－Ｆｅ，γ－Ｆｅ2、碳石墨：六棱柱体0.142纳米0.34纳米耐高温导电润滑强度、硬度、塑性、韧性极低金刚石:正四面体共价键巴基球:60个碳原子12个五边形和20个六边形球面结构三维超导体非线性光学材料二、铁碳双重相图碳在铁碳合金中的存在形式固溶体渗碳体石墨Fe3C Fe2C FeCFe－Fe3C与Fe－G三、Ｆｅ－Fｅ３C相图的特征1、图中的基本相（1）铁素体：碳溶于α－Ｆｅ中形成的间隙固溶体。
Fα强度、硬度低，塑性、韧性高2、奥氏体：碳溶于γ－Ｆｅ中形成的固溶体。
Aγ强度、硬度不高，塑性很好3、渗碳体：铁和碳形成的金属化合物。
Fｅ３C4、δ固溶体：碳溶于δ －Ｆｅ中形成的间隙固溶体。
5、液相L第二节铁碳合金平衡结晶过程分析一、铁碳合金的分类（一）工业纯铁：C＜０．０２１８％（二）钢共析钢：C＝０．７７％亚共析钢：０．０２１８％＜C＜０．７７％过共析钢：０．７７％＜C＜２．１１％（三）白口铸铁共晶白口铸铁：C＝４．３％亚晶白口铸铁：２．１１％＜C＜４．３％过共晶白口铸铁：４．３％＜C＜６．６９％第四节碳钢一、钢铁材料的生产过程1、碳钢中的常存元素碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的、且对性能有一定影响其它元素，在碳钢中一般指：Si、Mn 冶金时自然存在对性能无不利影响而保留S、P 冶金时难以彻底清除而存在于钢中一般钢中大致含量：Si 0.25~0.30%Mn 0.25~0.50%S <0.05% P <=0.045 三、碳钢的分类、牌号及应用第四节碳钢1、碳钢的分类：按含碳量分：低碳钢WC 0.25％中碳钢0.25％< WC 0.6％高碳钢WC>0.6％按质量分：普通碳素钢WP 0.045％WS 0.055％优质碳素钢WP 0.040％WS 0.040％高级优质碳素钢WP 0.035％WS 0.030％2、碳钢的牌号及应用（1）普通碳素结构钢：五类２０种。
铁碳合金相图知识汇总.ppt
相相对量：F%=
Fe3C%=
组12织组成物：F 和 Fe3CIII
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、 塑性好。主要机械性能如下： 抗拉强度极限 σb 180MPa～230MPa
抗拉屈服极限 σ0.2 100MPa～170MPa 延伸率 δ 30%～50% 断面收缩率 ψ 70%～80% 冲击韧性 ak 1.6×106J/m2～2×106 J/m2
一些热处理工艺如退火、正火、淬火的加热 温度都是依据Fe- Fe3C相图确定的。因此有重要 的意义。
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在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： ①Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平
衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。 ②Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金 中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其组 织转变就不能只用相图来分析了。
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Fe3C%=
7．过共晶白口铸铁
相组成物：F%=
组织组成物：Le’%=Lc%=
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Fe3C%= Fe3C%=
小结：标注组织的铁碳相图
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第ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ节、Fe-C合金的成分-组织-性能关系
含碳量——铁碳合金在室温下的组织都由F和 Fe3C两相组成, 两相的质量分数由杠杆定律确
26 定。随C%↑→F%↓，Fe3C%↑
铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。 纯铁 从液态结晶为固态后, 继续冷 却到1394℃及912℃时, 先后发 生两次同素异构转变。
11
1．工业纯铁（C%≤0.0218%）
L → L+A → A → A+F → F → F + Fe3CIII
相组成物：F+Fe3C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%）
铁碳合金的基本组织与性能
铁碳合金的基本组织与性能
渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存 在形式，是亚稳定的金属化合物，在一 定条件下（如高温长期停留或极缓慢冷 却）能分解为铁和石墨，这一过程对铸 铁的形成过程具有重要意义。
铁碳合金的基本组织与性能
图1-6 珠光体的显微组织
铁碳合金的基本组织与性能
五、 莱氏体
莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符号Ld表 示。莱氏体是碳的质量分数为4.3％的液态铁碳合金在1 148 ℃时发生共晶转变的产物。当温度降到727 ℃时，由于莱氏体 中的奥氏体转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗 碳体组成，称为低温莱氏体，用Ld′表示。低温莱氏体的显微 组织如图1-7所示，图中黑色相为珠光体，白色相为渗碳体基 体。莱氏体的性能与渗碳体的相似，即硬度高、塑性差。
铁碳合金的基本组织与性能
四、 珠光体
珠光体是奥氏体在高温缓慢冷却时发生共析转变所形成 的，由铁素体和渗碳体组成的混合物，用符号P表示。其中， 渗碳体和铁素体呈片层相间、交替排列的形式。珠光体的显微 组织如图1-6所示，其中白色相为铁素体基体，黑色相为渗碳 体。在缓慢冷却条件下，珠光体中碳的质量分数为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，因此其 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合力学性能良好，即强 度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
铁碳合金的基本组织与性能
图1-1 铁素体的晶胞示意图
图1-2 铁素体的显微组织
铁碳合金的基本组织与性能
二、 奥氏体
4铁碳合金相图
工程材料及其热处理-2 8
3、单相的基本组织
在铁碳合金中,各个独立存在的相,也可以看成是单 相的基本组织。例如：铁素体组织，渗碳体组织。
4
3、渗碳体
Fe和C形成的间隙化合物。
具有固定的熔点1227℃，固定的化学成分，碳的
质量分数ωc=6.69%， 分子式Fe3C。 Fe3C在铁碳合金中是一种独立的相。性能特点硬而 脆， 相对固溶体，Fe3C属于强化相。渗碳体的数量、 形态、分布对钢的性能影响很大。
工程材料及其热处理-2
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说明： 高温相：A 室温相主要是：F、Fe3C
3、相区
工程材料及其热处理-2 17
三、铁-渗碳体相图中各点、线含义的小结
根据上述分析结果，把铁-渗碳体相图中主要特 性点和线分别列表归纳总结。见表4-1和表4-2。
工程材料及其热处理-2
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四、铁碳合金的分类 按含碳量不同，铁碳合金分为：工业纯铁、钢 和铸铁三大类。
工程材料及其热处理-2
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工程材料及其热处理-2
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2、图中各线的分析
ACD线—液相相
线—固相线
ECF线为共晶线，液相合金冷却到共晶线时， 将发生共晶转变。 ES线为C在A中的溶解度曲线。最大溶解度是E 点，随着温度下降，溶解度减小，直到S点为最小 溶解度点。 3、相区
工程材料及其热处理-2 14
二、下半部分图 形——固态下的结 晶
工程材料及其热处理-2
工程材料及其热处理-2
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铁素体（ 或 ） 铁素体（F或α）
定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体 最大溶解度：0.0218%（727℃） 性能： σb=180～230MPa σ0.2=100～170MPa δ=30%～50% ψ=70%～80% HBS=50～80
2
ak=160～200J/cm
奥氏体（ 或 奥氏体（A或γ）
作业
练习与思考3-1、3-2.
定义：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体（高温组织） γ 最大溶解度：2.11%（1148℃） 性能： σb≈400MPa 无磁 HBS=170～220 δ=40%～50% 高塑性、
渗碳体（ 渗碳体（Fe3C）
定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物
性能：σb≈30MPa HBS=800 δ≈0 ψ≈0 硬而脆（耐磨性好） Fe3C
高温
3Fe+C（石墨）
晶格结构：简单六方
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：σb≈750MPa
40J/cm
HBS=180
δ≈20%～25%
ak=30～
2。性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，
有一定的塑性。Байду номын сангаас
莱氏体（ 莱氏体（Ld、
§3—1 铁碳合金的基本组织
复习导入
1、 钢的热处理的三个过程包括
T(℃) T加 保温
t
热处理工艺曲线
t(h)
2、钢的热处理的目的
通过控制加热温度、保温时间、冷却速 度等参数，来改变钢的组织从而改善钢的 性能的目的。 组织 —— 性能
学习目标
1、认识铁碳合金的基本组织 2、熟悉各种组织的定义及性能。
或 Le 、
）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%） 性能：硬而脆，性能与渗碳体相近。
思考与讨论：
1、以上五种组织可以分为几大类？ F A Fe3C P Ld
固溶体
化合物
混合物
2、以上五种组织可以最终归结为三种基本组 织，分别是什么？ F A Fe3C P Ld
F+ Fe3C A+ Fe3C