第四章 铁碳合金
金属从浇注温度冷却到室温要经历3个互相联系的收缩阶段。 ① 液态收缩：从浇注温度到开始凝固(液相线温度)这一温度范围内的收缩为液态 收缩。 ② 凝固收缩：从凝固开始到凝固终止(固相线温度)这一温度范围内的收缩称凝固 收缩。 ③ 固态收缩：从凝固终了到冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。
液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，其收缩量用体积分数表示，称为 体收缩。它们是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也是 体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，其收缩量通常用长度百分数表示， 称为线收缩。它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。
1538℃
1394℃
912℃
L → δ－Fe → γ－Fe → α－Fe
bcc
fcc
bcc
纯铁的冷却曲线
（二）铁素体与奥氏体
铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶 格，常用符号F或α表示。 碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以δ表示，于 时的最大溶碳量为0.09%。 奥氏体是碳溶于γ-Fe 中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符 号A或γ表示。
白口铸铁无论在低温或高温，其组织都 是以硬而脆的渗碳体为基体，其锻造性能很 差。不能通过锻造进行变形。
3. 铸造性
金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。 1) 流动性
流动性是指液态金属充满铸型的能力。流动性受很多因素的影响 ，其中最主要的是化学成分和浇注温度的影响。
在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的 结晶温度范围增大，流动性应该变差。但是，随着含碳量的增加， 液相线温度降低，因而，当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其液 相线温度与钢液温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性有 利。所以钢液的流动性随含碳量的提高而提高。浇注温度越高，流 动性越好。当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好。
奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形。钢加热到高温 可获得单相奥氏体组织，具有良好的锻造性能。因此钢材 的始锻或终锻温度一般在固相线以下100℃～200℃范围 内。终锻温度不能过低，以免因温度过低而使塑性变差，
产生裂纹。一般对亚共析钢终锻温度控制在GS线以上较近 处，对过共析钢控制在SE线以上较近处。
第四章 铁碳合金
•钢铁是现代工业中应用最为广泛 的金属材料，是由铁和碳两个基 本元素组成，故称为铁碳合金， 包括碳钢和铸铁两大类。
•铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、 FeC等一系列化合物，因此铁碳合 金中可以认为是由以上的化合物组 成，但铁碳合金的碳含量一般小于 5%（碳含量高于5%的铁碳合金 脆性很大，无实用价值），因而只 需研究Fe-Fe3C部分.
根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种 类型。 ① 工业纯铁：含碳量低于0.0218%； ② 共析钢：含碳量为0.77%； ③ 亚共析钢：含碳量为0.0218%～0.77%； ④ 过共析钢：含碳量为0.77%～2.11%； ⑤ 共晶白口铸铁：含碳量为4.30%； ⑥ 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%～4.30%； ⑦ 过共晶白口铸铁：含碳量为4.30%～6.69%。
▪ 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠
光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常
用A1表示。
B. 两条磁性转变线
▪ F①e3C2无30磁℃性为，水2平30线℃为以F下e3为C的铁磁磁性性转。变常线用，A02表30示℃以上 ▪ ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性，
相图中点的含义
A.三条水平恒温转变线
①包晶线：
HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～ 0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应， 即：
▪
L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ）
②共晶线：
▪ ECF水平线（1148℃），C点为共晶点， w生c共=2晶.11反～应6.，69即%：的Fe、C合金缓冷到EFC线均发
一、含碳量对平衡组织的影响
同一种组成相，由于生成条件的不同，虽然相的本质未变，但 其形态可以有很大的差异。例如，从奥氏体中析出的铁素体一般呈 块状，而经共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体要相 互制约，呈交替层片状。又如渗碳体，由于生成条件的不同，使其 形态变得十分复杂，铁碳合金的上述组织变化主要是由它引起的。 当含碳量低于0.0218%时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈 小片状分布。共析渗碳体是经共析反应生成的，与铁素体呈交替层 片状，而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则以网状分布于奥氏体的 晶界上。共晶渗碳体是与奥氏体相关形成的，在莱氏体中为连续的 基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。一次渗碳体是从液体中直接结晶 的，呈规则的长条状。可见，化学成分的变化，不仅引起相的相对 含量的变化，而且引起组织的变化，对铁碳合金的性能产生很大影 响。
珠光体中的渗碳体组织同样影响切削加工性，亚共析钢的组织是 铁素体+片状珠光体，具有较好的切削加工性能，若过共析钢的组织 为片状珠光体+二次渗碳体，则其加工性能很差，若其组织是由粒状 珠光体组成的，则可改善切削加工性能。
2. 可锻性
金属的锻造性能是指金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹 的性能。钢的锻造性能首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着含 碳量的增加逐渐变差。
渗碳体硬度高、脆性大，塑性几乎为零。 渗碳体是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨）
渗碳体在铁碳合金中呈片状、球状、 网状或板状。
可用符号Cm表示，是铁碳合金中重 要的基本相。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
➢分析点、线、 区特别是重要 的点、三条水 平恒温转变线 、 重要的相界线
亚共析钢的室温组织
(a)含碳量0.20%
(b)含碳量0.40%
(c)含碳量0.60%
四、过共析钢（Wc=0.77～2.11%）
结晶过程：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P + Fe3CⅡ
➢室温组织为：P+ Fe3CⅡ，白色为 网状Fe3CⅡ，暗黑色为P。
五、共晶白口铸铁（Wc=4.30%）
结晶过程：L→Ld （γ+Fe3C） →γ+Fe3CⅡ+Fe3C→Ld’（P + Fe3CⅡ+Fe3C）
770℃以下为铁磁体。常用A2表示
C. 几条重要的相界线(固态转变线)
▪ ① GS线：A中开始析 出α或α全部溶入(升温 时) γ的转变线。常用 A3表示。因这条线在 共析转变线以上，故又 称为先共析α相开始析 出线。常称为A3线或 A3温度。
▪ ② ES线：C在γ中溶解
度曲线。常用Acm表示， 称为Acm温度。低于此 温度，溶解度降低，将
二、含碳量对力学性能的影响
三、含碳量对工艺性能的影响
1. 切削加工性能
金属材料的切削加工性问题，是一个十分复杂的问题，一般要从 允许的切削速度、切削力、表面粗糙度等几个方面进行评价，材料的 化学成分、硬度、韧性、导热性以及金属的组织结构和加工硬化程度 等对其均有影响。
钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低碳钢中的铁素体较多，塑性韧性 好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗 糙度，因此切削加工性能不好。高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具， 切削性能也差。中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性也比较适中 ，其切削加工性能较好。一般认为，钢的硬度大致为240HB时切削加工性能较好 。
铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总 是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高， 结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。 共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温 下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含 碳量的提高，流动性变差。
2) 收缩性
铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩 性。收缩是铸造合金本身的物理性质，使铸件产生缺陷，如缩孔、缩松、残余内 应力、变形和裂纹。
D.Fe—Fe3C相图中的区
5个单相区：L、δ、γ、α, Fe3C 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C、
γ+α、α+ Fe3C · 3个三相共存区： ① L+γ+ Fe3C（ECF线）、 ② L+δ+γ（HJB线）、 ③ γ+α+ Fe3C（PSK线）
第三节 铁碳合金平衡结晶过程及组织
一、工业纯铁
室温组织为：α+ Fe3CⅢ，Fe3CⅢ最多 为0.33%
L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+ Fe3CⅢ
工业纯铁室温组织
二、共析钢（Wc=0.77%）
三、亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%）
结晶过程如下： L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ →α+ P +Fe3CⅢ
铁碳合金的组织是液态结晶和固态重结晶的综合结果，研究铁碳 合金的结晶过程，目的在于分析合金的组织形成，以考虑其对性能 的影响。为了讨论方便，先将铁碳合金进行分类。通常将其分为三 大类，即含碳量低于0.0218%的为 工业纯铁，含碳量在0.0218%～ 2.11%的为碳钢，含碳量大于2.11%的为铸铁。Fe-Fe3C系结晶的铸 铁，碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁。
钢的导热性对切削加工性能具有很大的影响。具有 奥氏体组织的钢导热性低，切削热很少为工件所吸收， 而基本上集中在切削刃附近，因而使刃具的切削刃变 热，降低了刀具使用寿命。因此，尽管奥氏体钢的硬 度不高，但切削加工性能不好。
钢的晶粒尺寸的大小并不显著影响硬度。但粗晶粒 钢的韧性较差，切屑易断，因而切削性能较好。
第一节 铁碳合金的组元与基本相
液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，其收缩量用体积分数表示，称为 体收缩。它们是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也是 体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，其收缩量通常用长度百分数表示， 称为线收缩。它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。
1538℃
1394℃
912℃
L → δ－Fe → γ－Fe → α－Fe
bcc
fcc
bcc
纯铁的冷却曲线
（二）铁素体与奥氏体
铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方晶 格，常用符号F或α表示。 碳溶于体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以δ表示，于 时的最大溶碳量为0.09%。 奥氏体是碳溶于γ-Fe 中的间隙固溶体，为面心立方晶格，常用符 号A或γ表示。
白口铸铁无论在低温或高温，其组织都 是以硬而脆的渗碳体为基体，其锻造性能很 差。不能通过锻造进行变形。
3. 铸造性
金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。 1) 流动性
流动性是指液态金属充满铸型的能力。流动性受很多因素的影响 ，其中最主要的是化学成分和浇注温度的影响。
在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的 结晶温度范围增大，流动性应该变差。但是，随着含碳量的增加， 液相线温度降低，因而，当浇注温度相同时，含碳量高的钢，其液 相线温度与钢液温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性有 利。所以钢液的流动性随含碳量的提高而提高。浇注温度越高，流 动性越好。当浇注温度一定时，过热度越大，流动性越好。
奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形。钢加热到高温 可获得单相奥氏体组织，具有良好的锻造性能。因此钢材 的始锻或终锻温度一般在固相线以下100℃～200℃范围 内。终锻温度不能过低，以免因温度过低而使塑性变差，
产生裂纹。一般对亚共析钢终锻温度控制在GS线以上较近 处，对过共析钢控制在SE线以上较近处。
第四章 铁碳合金
•钢铁是现代工业中应用最为广泛 的金属材料，是由铁和碳两个基 本元素组成，故称为铁碳合金， 包括碳钢和铸铁两大类。
•铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、 FeC等一系列化合物，因此铁碳合 金中可以认为是由以上的化合物组 成，但铁碳合金的碳含量一般小于 5%（碳含量高于5%的铁碳合金 脆性很大，无实用价值），因而只 需研究Fe-Fe3C部分.
根据组织特征，将铁碳合金按含碳量划分为七种 类型。 ① 工业纯铁：含碳量低于0.0218%； ② 共析钢：含碳量为0.77%； ③ 亚共析钢：含碳量为0.0218%～0.77%； ④ 过共析钢：含碳量为0.77%～2.11%； ⑤ 共晶白口铸铁：含碳量为4.30%； ⑥ 亚共晶白口铸铁：含碳量为2.11%～4.30%； ⑦ 过共晶白口铸铁：含碳量为4.30%～6.69%。
▪ 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠
光体（pearlite），用P表示。共析转变温度常
用A1表示。
B. 两条磁性转变线
▪ F①e3C2无30磁℃性为，水2平30线℃为以F下e3为C的铁磁磁性性转。变常线用，A02表30示℃以上 ▪ ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁磁性，
相图中点的含义
A.三条水平恒温转变线
①包晶线：
HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～ 0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应， 即：
▪
L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ）
②共晶线：
▪ ECF水平线（1148℃），C点为共晶点， w生c共=2晶.11反～应6.，69即%：的Fe、C合金缓冷到EFC线均发
一、含碳量对平衡组织的影响
同一种组成相，由于生成条件的不同，虽然相的本质未变，但 其形态可以有很大的差异。例如，从奥氏体中析出的铁素体一般呈 块状，而经共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体要相 互制约，呈交替层片状。又如渗碳体，由于生成条件的不同，使其 形态变得十分复杂，铁碳合金的上述组织变化主要是由它引起的。 当含碳量低于0.0218%时，三次渗碳体从铁素体中析出，沿晶界呈 小片状分布。共析渗碳体是经共析反应生成的，与铁素体呈交替层 片状，而从奥氏体中析出的二次渗碳体，则以网状分布于奥氏体的 晶界上。共晶渗碳体是与奥氏体相关形成的，在莱氏体中为连续的 基体，比较粗大，有时呈鱼骨状。一次渗碳体是从液体中直接结晶 的，呈规则的长条状。可见，化学成分的变化，不仅引起相的相对 含量的变化，而且引起组织的变化，对铁碳合金的性能产生很大影 响。
珠光体中的渗碳体组织同样影响切削加工性，亚共析钢的组织是 铁素体+片状珠光体，具有较好的切削加工性能，若过共析钢的组织 为片状珠光体+二次渗碳体，则其加工性能很差，若其组织是由粒状 珠光体组成的，则可改善切削加工性能。
2. 可锻性
金属的锻造性能是指金属在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹 的性能。钢的锻造性能首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着含 碳量的增加逐渐变差。
渗碳体硬度高、脆性大，塑性几乎为零。 渗碳体是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨）
渗碳体在铁碳合金中呈片状、球状、 网状或板状。
可用符号Cm表示，是铁碳合金中重 要的基本相。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
➢分析点、线、 区特别是重要 的点、三条水 平恒温转变线 、 重要的相界线
亚共析钢的室温组织
(a)含碳量0.20%
(b)含碳量0.40%
(c)含碳量0.60%
四、过共析钢（Wc=0.77～2.11%）
结晶过程：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P + Fe3CⅡ
➢室温组织为：P+ Fe3CⅡ，白色为 网状Fe3CⅡ，暗黑色为P。
五、共晶白口铸铁（Wc=4.30%）
结晶过程：L→Ld （γ+Fe3C） →γ+Fe3CⅡ+Fe3C→Ld’（P + Fe3CⅡ+Fe3C）
770℃以下为铁磁体。常用A2表示
C. 几条重要的相界线(固态转变线)
▪ ① GS线：A中开始析 出α或α全部溶入(升温 时) γ的转变线。常用 A3表示。因这条线在 共析转变线以上，故又 称为先共析α相开始析 出线。常称为A3线或 A3温度。
▪ ② ES线：C在γ中溶解
度曲线。常用Acm表示， 称为Acm温度。低于此 温度，溶解度降低，将
二、含碳量对力学性能的影响
三、含碳量对工艺性能的影响
1. 切削加工性能
金属材料的切削加工性问题，是一个十分复杂的问题，一般要从 允许的切削速度、切削力、表面粗糙度等几个方面进行评价，材料的 化学成分、硬度、韧性、导热性以及金属的组织结构和加工硬化程度 等对其均有影响。
钢的含碳量对切削加工性能有一定的影响。低碳钢中的铁素体较多，塑性韧性 好，切削加工时产生的切削热较大，容易粘刀，而且切屑不易折断，影响表面粗 糙度，因此切削加工性能不好。高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具， 切削性能也差。中碳钢中的铁素体与渗碳体的比例适当，硬度和塑性也比较适中 ，其切削加工性能较好。一般认为，钢的硬度大致为240HB时切削加工性能较好 。
铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总 是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高， 结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。 共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温 下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含 碳量的提高，流动性变差。
2) 收缩性
铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩 性。收缩是铸造合金本身的物理性质，使铸件产生缺陷，如缩孔、缩松、残余内 应力、变形和裂纹。
D.Fe—Fe3C相图中的区
5个单相区：L、δ、γ、α, Fe3C 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C、
γ+α、α+ Fe3C · 3个三相共存区： ① L+γ+ Fe3C（ECF线）、 ② L+δ+γ（HJB线）、 ③ γ+α+ Fe3C（PSK线）
第三节 铁碳合金平衡结晶过程及组织
一、工业纯铁
室温组织为：α+ Fe3CⅢ，Fe3CⅢ最多 为0.33%
L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+ Fe3CⅢ
工业纯铁室温组织
二、共析钢（Wc=0.77%）
三、亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%）
结晶过程如下： L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ →α+ P +Fe3CⅢ
铁碳合金的组织是液态结晶和固态重结晶的综合结果，研究铁碳 合金的结晶过程，目的在于分析合金的组织形成，以考虑其对性能 的影响。为了讨论方便，先将铁碳合金进行分类。通常将其分为三 大类，即含碳量低于0.0218%的为 工业纯铁，含碳量在0.0218%～ 2.11%的为碳钢，含碳量大于2.11%的为铸铁。Fe-Fe3C系结晶的铸 铁，碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁。
钢的导热性对切削加工性能具有很大的影响。具有 奥氏体组织的钢导热性低，切削热很少为工件所吸收， 而基本上集中在切削刃附近，因而使刃具的切削刃变 热，降低了刀具使用寿命。因此，尽管奥氏体钢的硬 度不高，但切削加工性能不好。
钢的晶粒尺寸的大小并不显著影响硬度。但粗晶粒 钢的韧性较差，切屑易断，因而切削性能较好。
第一节 铁碳合金的组元与基本相
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第4章铁碳合金
均具有顺磁性。
***提出问题？ 体心立方晶格的致密度小于面心立 方晶格，为什么铁素体的溶碳能力却 远远小于奥氏体？？
§4.2 Fe-Fe3C 相图分析
相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表：
图中 ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。 整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温 转变所组成：
§4.6应用Fe-Fe3C 相图应注意的问题 1、相图只能反映相的平衡状态 2、相图只能反映相的组成，不能反映相的形状、大小和分布
11
铁碳合金相图练习题
一、 名词解释
铁素体 奥氏体 珠光体 渗碳体 二、问答题 1、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？ 2、按铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织 是什么？ 3、含碳量为0.4％、0.77％、1.2％、三种钢在700℃ 770℃、 900℃时分别各为何组织？ 4、计算一下50钢和T10钢在室温下 HBw、 σb
二、共析钢 合金溶液在 1-2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 2 点凝固完毕，合金为单相γ。冷至 3 点（727℃） 时，在恒温下发生共析转变： 转变产物为珠光体，即 P，是α和 Fe3C 的层片 状混合物。P 中的 Fe3C 称为共析渗碳体。因此共析 钢的室温组织为 P。 P 中的α和 Fe3C 的相对量可用杠杆定律求得：
2、渗碳体
渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化 合物，分子式为Fe3C；含碳 6.69wt%， 性能:它的硬度很高，脆性大，塑性和韧性几 乎为零。
拉伸强度σb：30N/mm2 延伸率δ：0% 断面收缩率ψ：0% 冲击值：0 布氏硬度 ：800 HBW
3、基本相---铁素体与奥氏体
碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体;
常用符号 F 或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C
金属学与热处理 第四章 铁碳合金
共析反应: 727oC, 0.77--------0.0218+ Fe3C (P珠光体) W 0.0218 =(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88% W Fe3C =1-88%=12%
三.亚共析钢(Wc=0.40%)
L---L+--- ---- ------L +(奥氏体)--- --- + (铁素体) -------------+P(珠光体)----- + P+Fe3CIII(三次渗碳体) 省略Fe3CIII, 最终组织: (铁素体) + P (珠光体) 包晶反应: L+ (奥氏体)
六.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)
L---L +(初晶奥氏体) ------- -- -- (初晶奥氏体) + Ld(莱氏体) –----- (初晶奥 氏体) + Ld(莱氏体) + Fe3CII (二次渗碳体)-----------------P(珠光体)+ Ld’(低温莱 共析反应 氏体）+Fe3CII (二次渗碳体)
相组成物: L、、、、Fe3C 组织组成物： L、、、、P、 Ld、Ld’ Fe3CI 、Fe3CII 、 Fe3CIII、 成分变化 相变化 组织变化
二.对机械性能的影响 三.对工艺性能的影响
(二)铁素体和奥氏体 •铁素体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为BCC结构,表示:F或. •奥氏体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为FCC结构,表示:A或. (三)纯铁的性能与应用 塑性和韧性好,强度低. 二.滲碳体 铁和碳的间隙化合物Fe3C, 含碳量6.69%.表示Cm. 正交晶系. 硬度很高, 塑性和差.
五.共晶白口铁(Wc=4.3%)
共晶反应
铁碳合金
第四章铁碳合金第一节铁碳合金的组元和基本相一、铁碳合金中的组元和基本相1、铁碳合金相图中的组元（合金中最基本、最独立的物质，一般来说组元是元素或稳定化合物）：铁和渗碳体2、铁碳合金相图中的基本相（分为固溶体和化合物）：铁素体、奥氏体、δ铁素体、渗碳体。
3、钢经过一定的结晶过程都要变成奥氏体，所以通常不研究δ铁素体。
二、铁的同素异晶转变1、固态下的相变结晶过程称为重结晶。
2、A0转变渗碳体在230℃时发生磁性转变，由高温顺磁性转变为低温铁磁性。
3、A2转变α—Fe在770℃时发生磁性转变，由高温顺磁性转变为低温铁磁性。
晶格类型没有发生转变，不属于相变。
4、A3转变γ—Fe和α—Fe相互转变5、A 4转变δ—Fe和γ—Fe相互转变第二节铁碳合金相图分析详见课本1、相图是由包晶转变、共晶转变和共析转变拼接而成，是液态结晶与固态重结晶的综合结果。
2、NH线是δ—Fe转化成γ—Fe开始线。
NJ线是δ—Fe转化成γ—Fe终止线线。
是由铁的同素异构转变图中的A4演化来的。
3、PSK线是共析反应线。
又称A1线。
4、ECF线是共晶转变线。
产物莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物。
基体是渗碳体，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体上，由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。
5、GS线是γ—Fe开始转变成α—Fe的线，也是α—Fe转化成γ—Fe的终止线。
由铁的同素异构转变图中的A3演化来的。
又称A3线。
6、GP线是α—Fe转化成γ—Fe的开始线，γ—Fe转变成α—Fe的终止线。
7、SE线是碳在奥氏体中溶解度的曲线。
又称ACm线。
从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。
8、PQ线是碳在铁素体中溶解度的曲线。
从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。
9、同一种组成相由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但形态可以有很大差异。
10、从奥氏体中析出的铁素体－般且在块状，共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体相互制约，呈交替层片状，同时共析渗碳体也呈交替层片状。
材料科学基础-铁碳合金
（2）奥氏体(γ或 A ) 定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体 溶碳量较大： 0.77% (727℃) ~2.11% (1148℃) 性能: 强硬度较低； 塑性较好, 变形抗力较低, 易于锻压成形; 顺磁性。 ——热加工(塑性变形) 相 ——合金化后成为室温基体相(无磁性)；
（3）渗碳体(Fe3C) Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C， 复杂正交晶系。 性能 强度低：σb= 30MPa; 硬度高：800HB 无塑性：δ=0; ψ=0; Ak=0 弱的铁磁性(<230 ℃)
单 相 组 织
两 相 组 织 （6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe3C
二、Fe―Fe3C相图分析
实际组元：
Fe-Fe3C
L+δ
1538℃A
δ
N
1495℃ 0.17 0.53 H J B
铁碳相图 L
2.11 E
L +Fe3C
4.3 C
T
912℃ G
L+γ
D
γ α+γ
0.77 P S 0.0218
1148℃ F
（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要 线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；
（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织 中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征 （4）掌握铁碳合金的成分—组织－性能之间的关系
§1 铁碳合金与铁碳相图
铁碳合金——应用最广泛的合金 一 铁碳合金中的基本相和基本组织 (一) 纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁冷却中晶体结构的变化： L → δ－Fe → γ－Fe → α－Fe bcc fcc bcc —— 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变
铁碳相图 L
2.11 E
第四章 铁碳合金
铁碳合金基本组织比较
名称 符号
结构
铁素体 F或α
间隙固溶体
奥氏体 A或γ
间隙固溶体
渗碳体 Fe3C
珠光体
P
金属化合物 机械混合物
莱氏体
Ld
机械混合物
性能
强度、硬度低，塑性、 韧性好。
强度、硬度比铁素体高， 塑性韧性也好。
硬度很高、塑性、韧 性很差
强度较高、硬度适中介 于铁素体和渗碳体之间
硬度很高，塑性很差 与渗碳体接近
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符 号“A”（或γ）表示，面心立方晶格；
虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体 积较大，所以它的溶碳量较大，最多有 2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。
在一般情况下， 奥氏体是一种高温组织，稳定存 在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、 塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工， 如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态， 所谓“趁热打铁”正是这个意思。Rm=400MPa， 170~220HBW，A=40%~50%。
质硬而脆，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。
渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不 同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形 态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金
性能有很大影响。
总结：
在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥 氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温 下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个 相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的 含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的 碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分 重要的。
➢水平线ECF为共晶反应线。 碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金,
第四章_铁碳合金
渗碳体一旦形成，在较低温度下，它的分解速率是很慢的，因此， 在大多数情况下，我们只考虑铁碳亚稳定系相图，即Fe-Fe3C相图。但 应注意，渗碳体分解的快慢与钢中是否含有其它元素有密切的关系。
精品资料
4.2 Fe-Fe3C相图(xiānɡ tú)分析
符号(fúhào) 温度℃ 碳量％
1、 相图中的点、线、区
奥氏体
碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为fcc晶格，用γ或A表示。奥氏体的最大
溶碳量在1148℃，为2.11%。
fcc晶格比bcc晶格具有较大的致密度，为什么A比F具有较大的溶碳能 力呢？
晶体结构的间隙尺寸有关：γ-Fe的a=0.3656nm (950℃) ，八面体间隙 半径为0.0535nm，和碳原子0.077nm较接近，所以碳在A中的溶解度较大。
fcc 的 γ - Fe；冷却到912℃时，fcc 的 γ- Fe又转变为bcc 的 α - Fe；912℃以下， 铁的结构(jiégòu)不再发生变化。
通常，把 δ - Fe ←→ γ - Fe 的转变(zhuǎnbiàn)称为A4转变(zhuǎnbiàn)， 转变(zhuǎnbiàn)的平衡临界点称为A4点。把 γ- Fe ←→ α - Fe 的转变 (zhuǎnbiàn)称为A3转变(zhuǎnbiàn)，转变(zhuǎnbiàn)的平衡临界点称为 A3点。
渗碳体具有很高的硬度，约 800HB，但塑性很差，延伸率接近于 零。根据理论(lǐlùn)计算，渗碳体的 熔点为1227℃。230℃以上铁磁性消 失，此温度为滲碳体的磁性转变温 度，称为A0转变。
精品资料
渗碳体是一个亚稳相，如在高温长时间加热，就要(jiù yào)分解为 铁(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨。在钢中，当碳从铁基固溶体 （奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而不是石墨。是 由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石墨时所需的扩散距离 短得多。
精品资料
4.2 Fe-Fe3C相图(xiānɡ tú)分析
符号(fúhào) 温度℃ 碳量％
1、 相图中的点、线、区
奥氏体
碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为fcc晶格，用γ或A表示。奥氏体的最大
溶碳量在1148℃，为2.11%。
fcc晶格比bcc晶格具有较大的致密度，为什么A比F具有较大的溶碳能 力呢？
晶体结构的间隙尺寸有关：γ-Fe的a=0.3656nm (950℃) ，八面体间隙 半径为0.0535nm，和碳原子0.077nm较接近，所以碳在A中的溶解度较大。
fcc 的 γ - Fe；冷却到912℃时，fcc 的 γ- Fe又转变为bcc 的 α - Fe；912℃以下， 铁的结构(jiégòu)不再发生变化。
通常，把 δ - Fe ←→ γ - Fe 的转变(zhuǎnbiàn)称为A4转变(zhuǎnbiàn)， 转变(zhuǎnbiàn)的平衡临界点称为A4点。把 γ- Fe ←→ α - Fe 的转变 (zhuǎnbiàn)称为A3转变(zhuǎnbiàn)，转变(zhuǎnbiàn)的平衡临界点称为 A3点。
渗碳体具有很高的硬度，约 800HB，但塑性很差，延伸率接近于 零。根据理论(lǐlùn)计算，渗碳体的 熔点为1227℃。230℃以上铁磁性消 失，此温度为滲碳体的磁性转变温 度，称为A0转变。
精品资料
渗碳体是一个亚稳相，如在高温长时间加热，就要(jiù yào)分解为 铁(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨。在钢中，当碳从铁基固溶体 （奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而不是石墨。是 由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石墨时所需的扩散距离 短得多。
4.铁碳合金
第四章 铁碳合金
纯铁的冷却曲线及 晶体结构变化
第四章 铁碳合金
碳在γ－Fe晶格中的位置
第四章 铁碳合金
奥氏体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁素体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁的固溶体
晶格类型 最大含碳量
性质
铁素体 （F）
体心立方 0.0218%
室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
奥氏体 （A）
面心立方 2.11%
高温铁素 体 （δ）
体心立方 0.09%
奥氏体具有良好的 塑性、韧性和一定 的强度、硬度。
第四章 铁碳合金
二、渗碳体(铁碳化合物)
渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C) 形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是 由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六个Fe原 子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体 共有，Fe:C=3:1。
片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。
灰铸
石
铁的
墨 片
的
显微
三 维
形
铁 素 体 灰 铸 铁
组织
貌
铁
素
珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
球墨铸铁的显微组织
铁
素 体 球 墨 铸 铁
珠 光 体 球 墨 铸
铁
铁
素
体
球加墨Fra bibliotek珠铸
光
铁
体
中
球
的
墨
石
铸
墨
铁
球
第四章 铁碳合金
石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面 的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片 状。
金属材料与热处理第4章铁碳合金
a)置换固溶体 b)间隙固溶体 固溶体结构示意图
固溶体。如图b所示。
晶格畸变
固溶体中，溶质原子的溶入溶剂晶格后，将 使溶剂晶格常数增大，导致晶格发生畸变。 如图：
a)间隙固溶体 b)置换固溶体 溶质原子对晶格畸变影响示意图
4.1.3 金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质 称为金属化合物。
图4-3 Cu-Ni合金相图
4.2.2 二元合金匀晶相图分析
右图为Cu-Ni合金相图 及20%Ni合金的平衡结晶 过程。
相图上面一条曲线为液 相线，下面一条曲线为固 相线。两条曲线将相图分 成三个相区，即液相区L、 固相区α以及两相区L+α。
Cu-Ni合金相图及20%Ni合金 的平衡结晶过程
4.2.3 二元合金共晶相图分析
4.珠光体
珠光体是铁素体和渗碳体的 混合物，用符号P表示。奥氏 体从高温缓慢冷却时发生共 析转变，形成渗碳体和铁素 体片层相间、交替排列形成 的混合物，其平均含碳量为 0.77%，如图所示。
第4章 铁碳合金
4.1 合金的基本组织
4.2 二元合金相图
4.3 铁碳合金相图 4.4 铁碳合金相图的应用
4.1 合金的基本组织
4.1.1 合金概述 4.1.2 固溶体 4.1.3 金属化合物 4.1.4 混合物
4.1.1 合金概述
合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属 元素经一定方法合成的具有金属特性的物质称为合金。
金属化合物可用化学分子式来表示。金属化合物的晶格类 型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构，其性能具有 “三高一稳定”的特点，即高熔点、高硬度、高脆性和良好 的化学稳定性。
合金中出现化合物时，通常能显著地提高合金的强度、硬 度和耐磨性，但塑性和韧性也会明显的降低。金属化合物是 各种合金钢、硬质合金和许二元合金相图的表示方法
第四章 铁碳合金(李)
Fe+S →FeS，（Fe+FeS）→低熔点共晶体
1193℃ 989℃
分布于晶界处（[S] ＞0.020%）
“热脆”
其他作用：降低焊接性能，引起高温龟裂，恶化钢的耐蚀性，偏析最为 严重的元素；
P——有害元素（炼钢原料和燃料）
以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在于晶界
引起钢的塑性和韧性急剧 下降，尤其在低温时脆性 更大，这种现象称为冷脆。
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 HBS=180 δ≈20%～25% ak=30～40J/cm 2 综合性能
莱氏体（Ld、
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
应
用
T10、
用于需要较高 耐磨性和一定 韧性的工具， 如手工锯条、 剪金属用剪刀。
T7、T8、
承受振动、 冲击的工 具，如冲 头、大锤、 木工工具。
T12、T13A
不受振动和冲 击的耐磨工具， 如丝锥、锉刀、 乔刀、板牙、 量具等。
第四节 铸 铁
铸铁的概念：含碳量大于2.11%(一般为2.5%~4.0%) 铁碳合金含Si、Mn、S、P等元素） 铸铁的特点： 历史上使用较早 最便宜的金属材料之一 铸造性能极好，且只能用铸造成形 生产成本低，工艺简单，减震性耐磨性好，切削 加工性好 主要用于制造各种 机器零件
应
用
08F、
冷冲压件， 如汽车和 仪表外壳、 容器、罩 子等。
20、
45、
65
弹性件和 耐磨件： 小尺寸弹 簧、低速 车轮等
冷冲压件、 调质件：机 焊接件和 床齿轮、机 标准件、 床主轴、曲 渗碳件等 轴、连杆等 零件。 重要零件。
1193℃ 989℃
分布于晶界处（[S] ＞0.020%）
“热脆”
其他作用：降低焊接性能，引起高温龟裂，恶化钢的耐蚀性，偏析最为 严重的元素；
P——有害元素（炼钢原料和燃料）
以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在于晶界
引起钢的塑性和韧性急剧 下降，尤其在低温时脆性 更大，这种现象称为冷脆。
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 HBS=180 δ≈20%～25% ak=30～40J/cm 2 综合性能
莱氏体（Ld、
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
应
用
T10、
用于需要较高 耐磨性和一定 韧性的工具， 如手工锯条、 剪金属用剪刀。
T7、T8、
承受振动、 冲击的工 具，如冲 头、大锤、 木工工具。
T12、T13A
不受振动和冲 击的耐磨工具， 如丝锥、锉刀、 乔刀、板牙、 量具等。
第四节 铸 铁
铸铁的概念：含碳量大于2.11%(一般为2.5%~4.0%) 铁碳合金含Si、Mn、S、P等元素） 铸铁的特点： 历史上使用较早 最便宜的金属材料之一 铸造性能极好，且只能用铸造成形 生产成本低，工艺简单，减震性耐磨性好，切削 加工性好 主要用于制造各种 机器零件
应
用
08F、
冷冲压件， 如汽车和 仪表外壳、 容器、罩 子等。
20、
45、
65
弹性件和 耐磨件： 小尺寸弹 簧、低速 车轮等
冷冲压件、 调质件：机 焊接件和 床齿轮、机 标准件、 床主轴、曲 渗碳件等 轴、连杆等 零件。 重要零件。
第04章 铁碳合金
Fe-Fe3C合金相图
包晶反应，发生在高温，并且在随后的 冷却过程中组织还会发生变化，不作讨 论。
共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体， 记录Ld(Ledeburite)
共析反应，产物为两相层片交替分布的 共析体组织称为珠光体，记录 P(Pearlite)
工程材料学 12
第一节 铁碳合金系相图
2、相图中各点的参数及含义
J 温N A+ 度
A
A
H
L+
B
L L+A
D
L+ Fe3C
E S
P
G
F A+F
P
Q Fe
Ld A+ A+ Fe3CⅡ+Ld Le+ Fe3CⅠ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
F K
P+F
Ld’ P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ld’ Le’+ Fe3CⅠ
F+ Fe3C
C%
F+ Fe3CⅢ
工程材料学 24
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织转变
L → L＋A → A → F+A → F+P
工程材料学 25
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢的结晶过程
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织相对数量计算： 根据杠杆定律可以推得，P在钢中的相对量与钢的含碳量 x的近似关系是：WP＝ x / 0.77 ， WF＝1－WP
造等工艺依据。
工程材料学
4
第一节 铁碳合金系相图 铁。