铁碳合金的基本组织
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
31
学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
29
学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
30
学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
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。
1.3铁碳相图
含碳量% 含碳量 (重量 重量) 重量
A C D E F G K N P S Q
1538 1148 1227 1148 1148 912 727 1394 727 727 600
0 4.3 6.69 2.11 6.69 0 6.69 0 0.0218 0.77 0.008
纯铁的熔点 共晶反应点 渗碳体的熔点 碳在γ Fe中的最大溶解度 碳在γ-Fe中的最大溶解度 渗碳体 α-Fe与γ-Fe同素异晶转变点 Fe与 Fe同素异晶转变点 渗碳体 Fe与 Fe同素异晶转变点 γ -Fe与δ-Fe同素异晶转变点 碳在α Fe中的最大溶解度 碳在α-Fe中的最大溶解度 共析反应点 600℃时碳在α Fe中的最大溶度 600℃时碳在α-Fe中的最大溶度
1.铁碳相图及其各成分组织示意图 1.铁碳相图及其各成分组织示意图
相图中的主要 特性点的含义 铁碳合金相图 中用字母标出 的点都表示一 定的特性,故称 为特性点,主要 含义见表1-1 （下一幻灯 片）。 相图中主要线 的含义： ACD线──液
图1-13 铁碳相图
表1 －1
符 号 温度℃ 温度℃
相图中主要特性点的含义
2.铁碳合金的分类及室温组织 2.铁碳合金的分类及室温组织
（１）工业纯铁 ≤0.0218%的铁 即w(C) ≤0.0218%的铁 碳合金。 碳合金。 室温组织： 室温组织： 为铁素体和极少量的三 次渗碳体。 次渗碳体。
工业纯铁
铁碳合金 按质量分数） （按质量分数）
钢
白口铸铁
(2)
钢
共析钢
钢： 即 0.0218%<w(C)≤2.11% 的铁碳合金。 的铁碳合金。 按碳的质量分数不同， 按碳的质量分数不同，钢 可分为共析钢、 可分为共析钢、亚共析 钢和过共析钢三类。 钢和过共析钢三类。
§3-2 铁碳合金的基本组织与性能
§3－2 铁碳合金的基本组织与性能
一、铁素体（F）
二、奥氏体（A）
三、渗碳体（Fe3C或Cm） 四、珠光体（P） 五、莱氏体（Ld）
一、铁素体（F）
碳溶解在α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号 F 表示。
铁素体的晶胞示意图
铁素体的显微组织
铁素体（F）
（1）概念：碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称
有奥氏体和渗碳体； L΄d(低温莱氏体，温度＜7270C) 有珠光体和渗碳体组成。 （3）溶碳能力：C=4.3% （4）性能特点：硬度很高，塑性很差。
小结
1.铁碳合金有五种组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、 莱氏体 2.铁碳合金三种基本组织：铁素体、渗碳体、奥氏体
3.室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体组成
珠光体（P）
（1）概念：是铁素体与碳光体的混合物
（2）符号： P ，是铁素体和渗碳体片层相间,交
替排列。 （3）溶碳能力：在7270C时，C=0.77% （4）性能特点：取决于铁素体和渗碳体的性能， 强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
五、莱氏体（分为高温莱氏体和低温莱氏体）
（一)、高温莱氏体 1.定义： 液态铁碳合金发生共晶转变所形成奥氏体 和渗碳体组成的混合物 2.表示符号： Ld 3.存在温度区间： 727℃ ——1148℃ 4.含碳量： 4.3% 5.特点：硬度高，塑性很差。
三、渗碳体（Fe3C或Cm）
渗碳体是含碳量为 6.69％的铁与碳的金属
化合物，其化学式为
Fe3C。
渗碳体的晶胞示意图
渗碳体（Fe3C或Cm）
（ 1 ）概念：含碳量为 6.69% 的铁与碳的金属化合
物。
（2）符号：Fe3C （3）溶碳能力： 复杂的斜方晶体 C=6.69%
4 铁碳合金的相图的详细讲解
P,钢的性能即P的性能
b. ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。 c. ＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld,合金太脆.
45
3 含碳量对工艺性能的影响
(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
二次渗碳体
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
铁素体 珠光体 莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
0
44
2 含碳量对力学性能的影响
• 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。
a. 0.77%C时，组织为100%
Fe3CⅠ+Ld
K
F + P
L'd
Fe3CⅠ+L'd
F+Fe3CⅢ
Fe
1.0
2.0
3.0
Fe3C 4.0
wc(%)
5.0
6.0
6.69
17
(一)铁碳合金相图中主要点和线的意义
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: EF、ES、GS、PSK。 • 三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析 转变。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
L+δ
δ+
L+ L+ Fe3C + + Fe3C
F+ Fe3C
第五章_铁碳相图
第五章铁碳相图定义：分析研究铁碳合金在平衡条件下合金的成分、温度、合金相之间关系的图解。
一、铁碳合金的基本组织与性能根据铁与碳组元的作用不同，铁碳合金的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
1、铁素体铁素体F：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体铁素体性能：σb＝180－280MPa，δ＝30％－50％，硬度≈80HBS。
2、奥氏体奥氏体（A）：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体性能：σb＝400MPa，δ＝40％－50％，硬度＝160－200HBS。
3、渗碳体渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的间隙化合物。
渗碳体性能：熔点高约1227℃，硬度≈800HBW，δ≈0，脆性大。
Fe3C是钢中的强化相，它的形态、大小、数量与分布对铁碳合金性能产生非常大的影响。
4、珠光体珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的两相复合物。
其性能介于F和Fe3C之间即：σb＝770MPa，δ＝20％－30％，硬度≈180HBS，A KV＝24－32J。
5、莱氏体（Ld或Ld′）莱氏体：奥氏体和Fe3C组成的两相复合物。
在1148℃时称为高温莱氏体（Ld′），溶碳量为ωC＝4.3％；在727℃时，由P和Fe3C组成的两相复合物，称为低温莱氏体（Ld）。
其性能与Fe3C相似，又硬又脆。
二、铁碳合金相图在铁碳合金中，铁与碳可形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物。
而稳定的化合物可作为一个独立的组元。
因此，整个Fe－C相图可视为由Fe－Fe3C、Fe3C－Fe2C等一系列二元相图构成。
但因铁碳合金中当ωC＞5％时，性能很脆，无实用价值，故铁碳合金相图中仅研究Fe－Fe3C相图。
简化后的Fe－Fe3C相图如图5－1所示。
1、相图分析Fe －Fe 3C 相图分为上、下两部分。
二元共晶相图（前面以讲）和二元共析相图。
⑴Fe －Fe 3C 相图中的特征点 P 点：碳在F 中的最大溶解度。
G 点：Fe Fe -⇔γα－的同素异晶转变点。
铁碳合金的基本组织名称类型特点
铁碳合金的基本组织名称类型特点一、铁碳合金的基本组织铁碳合金是指含有一定量碳元素的铁合金，其基本组织包括珠光体、贝氏体、马氏体和残余奥氏体四种。
1. 珠光体珠光体是铁碳合金中最常见的基本组织，其形态呈球状或半球状。
珠光体通常由铁素体经过缓冷或退火处理形成。
珠光体中的碳元素以Fe3C（水滑石）的形式存在，因此在显微镜下呈黑色。
2. 贝氏体贝氏体是由珠光体和渗碳贝氏体共同构成的一种基本组织。
贝氏体呈板条状，其形态与尺寸受到冷却速度和温度等因素的影响。
贝氏体中的碳元素以Fe3C和奥氏体固溶态（即固溶于γ-Fe中的C）的形式存在。
3. 马氏体马氏体是由奥氏体在快速冷却过程中分解而成。
马氏体呈针状或板条状，具有高强度、高硬度和良好的韧性。
马氏体中的碳元素以固溶态和Fe3C的形式存在，其中固溶态碳元素的含量较高。
4. 残余奥氏体残余奥氏体是指在快速冷却过程中未能完全转变为马氏体而残留下来的奥氏体。
残余奥氏体具有良好的韧性和可塑性，但强度和硬度较低。
残余奥氏体中的碳元素以固溶态和Fe3C的形式存在。
二、铁碳合金组织类型根据不同的冷却速度和温度条件，铁碳合金可以形成不同类型的组织。
常见的组织类型包括珠光体钢、淬火钢、退火钢、球墨铸铁等。
1. 珠光体钢珠光体钢是指经过缓冷或退火处理后所得到的组织为珠光体的钢。
珠光体钢具有良好的可加工性和韧性，但硬度和强度较低。
2. 淬火钢淬火钢是指经过快速冷却（淬火）处理后所得到的组织为马氏体的钢。
淬火钢具有高强度、高硬度和良好的耐磨性，但韧性较差。
3. 退火钢退火钢是指经过加热处理后缓慢冷却所得到的组织为贝氏体或珠光体的钢。
退火钢具有良好的可加工性和韧性，但强度和硬度较低。
4. 球墨铸铁球墨铸铁是指在铸造过程中加入一定量镁元素，使其形成球形石墨颗粒的铸铁。
球墨铸铁具有高强度、高韧性和良好的耐蚀性，适用于制造机械零件等要求高强度和耐磨性的零部件。
三、铁碳合金特点1. 铁碳合金具有良好的可加工性和可塑性，适用于制造各种机械零件、建筑材料等。
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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。
2.线（特性线）：
（1）AC线：液相线开始结晶出奥氏体：L→L＋A。
DC线：液相线开始结晶出渗碳体：L→L+C。
（2）AE线：固相线奥氏体结晶终了线：L＋A→A。
ECF线：固相线（共晶线）：共晶反应L→Ld。
（3）GS线－A3线：从奥氏体中开始析出铁素体线。
（4）ES线—Acm线：从奥氏体中开始析出渗碳体线（碳在奥氏体中的固溶线）。
（5）PSK线－A1线：共析线；共析反应A→P（F＋C）共晶体。
（6）PQ线－碳在铁素体中的溶解度曲线。
这种由铁素体中析出的渗碳体为三次渗碳体。
3.分类：
含碳量分类：
工业纯铁：C≤0.0218％C
钢：0.0218％<C≤2.11％
白口铁：2.11％<C<6.69％
钢分类：
共析钢：0.77％P
亚共析钢：C<0.77％P＋F
过共析钢：C>0.77％P＋C
共晶白口铁分类：
共晶白口铁：4.3％C Ld′
亚共晶白口铁：C<4.3％C Ld′＋P＋C
过共晶白口铁：C>4.3％C Ld′＋C
4.Fe－Fe3C状态图的应用。
正确选材：
①.C≤0.25％，低碳钢：塑性好，韧性好。
②0.25％<C<0.60％，中碳钢：综合机械性能好。
③.0.60％≤C≤1.4％，高碳钢：硬度高，耐磨性好。
3．含碳量对工艺性能的影响
①压力加工:低碳钢的可锻性比高碳钢好；加热到呈单相奥氏体时，便于塑性变形。
②铸造:铸铁的流动性比钢好，特别是靠近共晶成分的铸铁。
③切削加工:中碳钢的切削加工性能最好。
④焊接:低碳钢比高碳钢易于焊接。
⑤热处理工艺性能和热处理效果。
课堂讨论：碳对铁碳合金组织和性能的影响。
2．含碳量与铁碳合金力学性能的关系
当w C＜0.9%时，随含碳量增加，钢中渗碳体的量增多，钢的强度和硬
度上升，而塑性和韧性不断下降；当w C＞0.9%时，因出现网状渗碳体而使钢的强度下降，硬度仍然不断增加，塑性和韧性继续降低。
为保证工业用钢具有足够的强度和一定的塑性韧性，其含碳量一般≯1.3%。
含碳量＞2.11%的白口铸铁硬而脆，难以加工，所以机械工程上很少直接使用。
作业：1、什么叫铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体？其性能特点怎样？
2、画出Fe－Fe3C状态图，并分析45钢、T12钢由液态缓冷至室温时所得的平衡组织。
3、含碳量对性能的影响如何？
4．试绘简化了的Fe-Fe3C 合金相图，说明图中主要点、线的意义，填出各相区的相和组织组成物。
5、随着钢中含碳量的增加，钢的组织与力学性能如何变化。
6、根据Fe-Fe3C 合金相图，解释下列现象：
（1）钢铆钉一般用低碳钢制造；
（2）在 1 100℃时，w C=0.4%的钢能进行锻造，而w C=4.0%的铸铁不能进行锻造；（3）在室温下，w C=0.8%的非合金钢比w C=0.4%的非合金钢硬度高、比w C=1.2%的非合金钢强度高；
（4）绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物时都用钢丝绳（60钢、65 钢、70 钢制成）；
（5）钳工锯削70、T10、T12 钢料比锯削10、20 钢费力，且锯条易磨钝。