工程材料第五章
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工程材料第五章 铁碳合金相图及应用
相图的应用 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 选碳含量高的钢（大于0.60％ C）。
相图的应用
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，不能锻造。 但耐磨性好，铸造性能好，用于耐磨、不 受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、 冷轧辊、犁铧、泵体、阀门等。
相图的应用——铸造工艺方面的应用
共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 流 动性好, 分散缩孔少, 精密铸件选在共晶成分附近。
铸钢零件 碳含量0.15-0.6%之间, 这个范围内钢的结晶 温度区间较小, 铸造性能较好。
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢在奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 锻造 或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金：以铁和碳为基本元素的合金。 钢:0.0218～2.11%C，铸铁大于2.11%C。
低碳钢:<0.25％C；中碳钢:0.25％-0.60％C；高碳钢>0.60％C。 铁与碳可以形成间隙固溶体、化合物Fe3C、Fe2C、FeC等。 铁碳相图中的组元是Fe和Fe3C。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 1495℃ ，C%=0.09-0.53% L → L+δ → A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） 奥氏体与渗碳体的混和物, 称莱氏体。
第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 δ相 高温铁素体：δ固溶体。 α相 铁素体：α-Fe中的固溶体， “F”表示。
工程材料与热处置第5章作业题参考答案
1.奥氏体晶粒大小与哪些因素有关？什么缘故说奥氏体晶粒大小直接阻碍冷却后钢的组织和性能？奥氏体晶粒大小是阻碍利用性能的重要指标，要紧有以下因素阻碍奥氏体晶粒大小。
（1）加热温度和保温时刻。
加热温度越高，保温时刻越长，奥氏体晶粒越粗大。
（2）加热速度。
加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率和长大速度的比值增大，那么奥氏体的起始晶粒越细小，但快速加热时，保温时刻不能太长，不然晶粒反而加倍粗大。
（3）钢的化学成份。
在必然含碳量范围内，随着奥氏体中含碳量的增加，碳在奥氏体中的扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大偏向增加，但当含碳量超过必然限度后，碳能以未溶碳化物的形式存在，阻碍奥氏体晶粒长大，使奥氏体晶粒长大偏向减小。
（4）钢的原始组织。
钢的原始组织越细，碳化物弥散速度越大，奥氏体的起始晶粒越细小，相同的加热条件下奥氏体晶粒越细小。
传统多晶的强度与尺寸的关系符合Hall-Petch关系，即σs=σ0+kd-1/2，其中σ0和k是常数，σs是，d是平均直径。
显然，尺寸与强度成反比关系，晶粒越细小，强度越高。
但是常温下的晶粒是和晶粒度相关的，通俗地说常温下的晶粒度遗传了晶粒度。
因此晶粒度大小对钢冷却后的组织和性能有专门大阻碍。
奥氏体晶粒度越细小，冷却后的组织转变产物的也越细小，其强度也越高，另外塑性，韧性也较好。
2．过冷奥氏体在不同的温度等温转变时，可取得哪些转变产物？试列表比较它们的组织和性能。
3.共析钢过冷奥氏体在不同温度的等温进程中，什么缘故550℃的孕育期最短，转变速度最快？因为过冷奥氏体的稳固性同时由两个因素操纵：一个是旧与新相之间的自由能差ΔG；另一个是原子的扩散系数D。
等温温度越低，过冷度越大，自由能差ΔG也越大，那么加速过冷奥氏体的转变速度；但原子扩散系数却随等温温度降低而减小，从而减慢过冷奥氏体的转变速度。
高温时，自由能差ΔG起主导作用；低温时，原子扩散系数起主导作用。
《工程材料》第五章 铁碳合金相图
2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
第五章材料的强化理论
再结晶与回复的不同之处在于机械性能能完全 恢复到冷变形前的状态，加工硬化得以消除。生产 中利用这一点来消除加工硬化，使塑性加工能够顺 利进行下去，这种工艺称为再结晶退火。
(3)晶粒长大
冷变形金属在再结晶刚 完成时，一般得到细小的等 轴晶粒组织。如果继续提高 加热温度或延长保温时间， 将引起晶粒进一步长大，它 能减少晶界的总面积，从而 降低总的界面能，使组织变 得更稳定。晶粒长大的驱动 力来自界面能的降低。
(3) 塑变不均匀性
由多晶体中各个晶粒之间变形的不同时性可知， 每个晶粒的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高 于晶内，使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。
课堂思考讨论题： 1 单晶材料和多晶材料哪个强度高，为什么？
2 晶粒细化能使金属强度提高吗？
1 晶界对滑移有阻碍，各晶粒位向不同。
5.1.2塑性变形对金属组织与性能的影响 1.塑性变形对金属组织结构的影响 (1) 形成纤维组织
(2)再结晶 加热温度升至 1/2 T熔，变形组织的基体 上产生新的无畸变的晶 核，并迅速长大形成等 轴晶粒，逐渐取代全部 变形组织。金属的加工 硬化状态消除，性能基 本上恢复到冷变形之前 的状态。这一过程叫再 结晶。再结晶驱动力来 自储存能，再结晶完成 后，冷变形金属中的储 存能全部释放。
再结晶温度
加工硬化方法举例
3. 塑性变形对金属物理、化学性能的影响 经过冷塑性变形后，金属的物理性能和化学性 能也将发生明显的变化。通常使金属的导电性、 电阻温度系数和导热性下降。塑性变形还使导磁 率、磁饱和度下降，但矫顽力增加。塑性变形提 高金属的内能，使化学活性提高，耐腐蚀性下降。
5.1.3 变形金属在加热时组织与性能的变化 1. 回复和再结晶 冷变形后的金属内能升高，存在储存能，处于不 稳定状态，具有自发恢复到变形前状态的趋势。一旦 受热（加热到0.5T熔温度附近），冷变形金属的组织 和性能就会发生一系列的变化，可分为回复、再结晶 和晶粒长大三个阶段。
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
工程材料第五章作业答案
1.画出Fe-Fe3C相图，指出图中S、E、GS、SE、PQ、PSK和ECF 各点线的含义，并标注各区域的相组成物或组织组成物。
略2.何谓铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）？铁素体（F）：C在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格。
奥氏体（A）：C在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。
渗碳体（Fe3C）：C与Fe的化合物。
珠光体（P）：铁素体与渗碳体的机械混合物。
3.在Fe-Fe3C相图上，指出碳在α-Fe和γ-Fe中的溶解度曲线，并指出它们的溶碳范围。
α-Fe：0～0.0218%γ-Fe：0～2.11%4.分别画出含碳为0.45%、0.77%、和1.0%的铁碳合金的结晶过程和室温组织。
w C=0.45%，亚共析钢w C=0.77%，共析钢：w C=1.0%，过共析钢：5.计算下列问题（1）0.6%C钢中的珠光体和铁素体各占多少？（2）1.2%C钢中的珠光体和渗碳体（二次）各占多少？6.某钢试样在显微镜下观察，发现珠光体占40%，铁素体占60%，试问这是什么成分的钢？首先由题设可知，该钢为亚共析钢。
设碳含量为x：求出x=0.32，即该钢为0.32%C的亚共析钢。
7.写出下列牌号钢材所属种类，含碳量和主要用途：45、50、T8、T12A。
45：平均碳含量为0.45%的优质碳素结构钢。
50：平均碳含量为0.50%的优质碳素结构钢。
优质碳素结构钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制比较严格，塑韧性较好，多用于制造较重要零件。
T8：平均碳含量为0.8%的碳素工具钢。
T12A：平均碳含量为1.2%的高级碳素工具钢。
碳素工具钢含碳量较高，适用于制作工具。
8.解释下列名词α-Fe、α相与铁素体、γ-Fe、γ相与奥氏体α-Fe：具有体心立方晶格的Fe。
α相与铁素体：C在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格γ-Fe：具有面心立方晶格的Fe。
γ相与奥氏体：C在γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格。
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
工程材料力学第五章材料在拉压时的力学性能
19
注意： 1. 低碳钢的s，b都还是以相应的抗力除以试样横截 面的原面积所得，实际上此时试样直径已显著缩小，因而 它们是名义应力。 2. 低碳钢的强度极限b是试样拉伸时最大的名义应力，
并非断裂时的应力。
3. 超过屈服阶段后的应变还是以试样工作段的伸长量 除以试样的原长而得， 因而是名义应变(工程应变)。
21
§5-3 其他塑形材料在拉伸时的力学性质
22
由－曲 锰钢 √ × √ ×
5%
强铝 √ × √ √
5%
退火球墨 铸铁 √ × √ √
5%
23
伸长率
p0.2(规定非比例伸长应力，屈服强度)
用于无屈服阶段的塑性材料
24
铸铁拉伸时的应力应变曲线 割线弹性模量 用于基本上无线弹性阶段
卸载及再加载规律
若在强化阶段卸载，则卸载过 程中F－Δl关系为直线。可见在强
化阶段中，Δl=Δle+Δlp。
卸载后立即再加载时，F－Δl 关系起初基本上仍为直线(cb)，直 至当初卸载的荷载——冷作硬化现 象。试样重新受拉时其断裂前所能
产生的塑性变形则减小。
13
(4) 阶段Ⅳ——局部变形阶段 试样上出现局部收缩—— 颈缩，并导致断裂。
2
胡克定律计算变形：
Fl FN l l EA EA
E
（ ≤ p
）
其中的弹性模量 E 及比例极限 P 怎么确定？
常数
其中泊松比
怎么确定？
3
实验条件
一、实验试样
拉伸试样
圆截面试样：l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。
矩形截面试样： l 11.3 A 或 l 5.65 A 。
注意： 1. 低碳钢的s，b都还是以相应的抗力除以试样横截 面的原面积所得，实际上此时试样直径已显著缩小，因而 它们是名义应力。 2. 低碳钢的强度极限b是试样拉伸时最大的名义应力，
并非断裂时的应力。
3. 超过屈服阶段后的应变还是以试样工作段的伸长量 除以试样的原长而得， 因而是名义应变(工程应变)。
21
§5-3 其他塑形材料在拉伸时的力学性质
22
由－曲 锰钢 √ × √ ×
5%
强铝 √ × √ √
5%
退火球墨 铸铁 √ × √ √
5%
23
伸长率
p0.2(规定非比例伸长应力，屈服强度)
用于无屈服阶段的塑性材料
24
铸铁拉伸时的应力应变曲线 割线弹性模量 用于基本上无线弹性阶段
卸载及再加载规律
若在强化阶段卸载，则卸载过 程中F－Δl关系为直线。可见在强
化阶段中，Δl=Δle+Δlp。
卸载后立即再加载时，F－Δl 关系起初基本上仍为直线(cb)，直 至当初卸载的荷载——冷作硬化现 象。试样重新受拉时其断裂前所能
产生的塑性变形则减小。
13
(4) 阶段Ⅳ——局部变形阶段 试样上出现局部收缩—— 颈缩，并导致断裂。
2
胡克定律计算变形：
Fl FN l l EA EA
E
（ ≤ p
）
其中的弹性模量 E 及比例极限 P 怎么确定？
常数
其中泊松比
怎么确定？
3
实验条件
一、实验试样
拉伸试样
圆截面试样：l = 10d 或 l = 5d(工作段长度称为标距)。
矩形截面试样： l 11.3 A 或 l 5.65 A 。
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1.有益元素
响
1. 钢中杂质的来源
Si和Mn是在钢的冶炼过程中必须加入 的脱氧剂，而S、P、O、N、H等则是从原料 或大气中带来而在冶炼中不能去净的杂质。
（一）Mn 的影响
Mn在碳钢中是一种有益元素，碳钢中含Mn量一 般低于0.8%，Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固 溶体，使铁素体强化，小部分Mn溶于渗碳体中形成 合金渗碳体，使渗碳体的脆性降低。Mn能增加珠光 体的相对含量，并使珠光体细化，使钢的强度提高， Mn 与S化合成 MnS，可减轻硫的危害。
一、铁碳合金的基本组织与性能
体心立方晶格
第五章
铁素体F
3.含碳量
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
最大0.0218% （727℃）
第五章
铁素体F
4.性能
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
强度硬度极低
塑性韧性很好
铁素体
第五章
奥氏体A
1.定义
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
C在γ—Fe中的 间隙固溶体
1、当渗碳体与铁素体构成片层状的珠光体时， 铁碳合金的强度、硬度得到提高，且珠光 体越多，强度、硬度越高。
2、当渗碳体沿珠光体晶界呈网状分布时，特别 是作为基体或以针状形态分布在莱氏体基体 上时，铁碳合金的塑性和韧性大大下降，强 度也随之下降
4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
3、当钢的含碳量≤1%时，随着含碳量的增加， 强度、硬度提高，塑性、韧性下降；当含
碳量＞1%时，因组织中出现网状渗碳体， 钢的强度下降，但钢的硬度不断增加。
4、工业用钢材，为了保证足够的强度和一定 的塑性、韧性，其含碳量一般不超过 1.3%-1.4%。
第五章
铁碳合金
三、铁碳合金相图的应用
1. 选材的依据 2. 制定热加工工艺的依据
一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影
1．Mn 2．Si 2.有害元素 1．S 2．P 3.气体元素 1．O 2．N 3．H
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
亚共析钢组织金相图
第五章
二、铁碳合金相图
3.过共析钢 C↑P↓ Fe3CⅡ↑
强度硬度↑ 塑性韧性↓
铁碳合金
典型合金的结晶过程
当C≥0.9%时， Fe3CⅡ连续分布 强度↓↓
L → L+A → A → A+Fe3CⅡ → P+Fe3CⅡ
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
相图分析
2.特征线
铁碳合金
ACD 线：
液相线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
AECF 线：
固相线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
ECF 线：
共晶线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析2.特征线铁碳 Nhomakorabea金PSK 线：
共析线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
2.11～4.3% C＝4.3% 4.3～6.69%
过共晶白口铸铁 高温液态下有共晶反应
2 平衡结晶过程及其组织
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及 其相对量计算。
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
1 工业纯铁结晶过程
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Fe3CIII Fe3C总 Fe3C总3 74.74% 74.7% 0.04%
4、计算含碳量为2%的过共析钢组织 中，珠光体的相对含量。 解： 珠光体的含量等于奥氏体的含量， 因此：T→727+0℃
P
6.69% 0.77%
6.69% 2%
79.2%
二、铁碳合金相图
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
亚共晶白口铁组织金相图
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
7、过共晶白口铁(C%=4.3-6.69%)
组织转变
L
L+Fe3CI
Fe3CI+Ld
Fe3CI+L’d
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
过共晶白口铁组织金相图
图4-17
三、组织组成物相对含量计算
1、计算共析钢珠光体组织中铁素体和渗碳 体的相对含量。 解：
④ 当T→727-0℃
Fe3C总3
6.69% 0.0218%
5% 0.0218%
74.7%
Fe3C共析 Fe3C总3 Fe3C总 2 74.7% 71.5% 3.2%
⑤ 室温时
Fe3C总
6.69% 0.008%
5% 0.008%
74.74%
GS 线：
A→F转变 开始线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
GP 线：
A→F转变 终了线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
ES 线：
C在A中最大 溶解度线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
3.区域组织
铁碳合金
单相区：
L、A、F、 Fe3C
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
渗碳体Fe3C
1.定义 2.晶格类型 3.含碳量
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
Fe、C按 3：1形成的金属化合物 复杂晶格类型 6.69%
4.性能
硬而脆
渗碳体
渗碳体
第五章
珠光体P
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
1.定义 F、Fe3C形成的共析体 2.结构 F、Fe3C片层相间 3.性能 介于F、Fe3C之间，较 高的强度硬度，一定的 塑性韧性，片层间距↓， 性能↑
（二）Si的影响
Si在钢中也是一种有益元素，Si溶于铁素 体中，使铁素体强化，钢的强度、硬度 提高， 而塑性、韧性降低。
（三）S的影响
S是有害杂质，S不溶于铁，而以FeS 形式存 在，FeS与Fe形成共晶体分布于奥氏体晶界上， 熔点较低（989℃），当钢在1000-1200 ℃下进 行锻造时，晶界已经熔化，使钢产生“热脆”现 象，故应严格控制硫的含量。
线
（4）ECF水平线 共晶线。 AHJECF线统称为固相线，
液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。 （5）ES线 又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：γ→Fe3CⅡ。
（6）GS线 又称A3线，奥氏体向铁素体转变的开始线。
（7）GP线 奥氏体向铁素体转变的终了线。 （8）PSK水平线 共析线（727℃），又称A1线。 （9）PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线 α→Fe3CⅢ。
氮在钢中以原子状态固溶于铁素体(591℃时溶解度0.1%)， 常温下（溶解度0.001%）易形成氮化物 FeN，导致时效脆性 （蓝脆），属于有害杂质。在钢中加入适量的铝，与氮形成 AlN 微粒，分布于钢中，可抑制晶粒粗化。
氢会增加钢的脆性（氢脆），严重降低钢的塑性、 韧性，属有害杂质。导致钢中产生大量细微裂纹缺陷——白点。 氧是以化合物形态存在于钢中，这些氧化物杂质 使铸锭中出现偏析，破坏了钢基体的连续性，成为变形过程中裂纹 的起点故氧也是有害杂质。
3.区域组织
铁碳合金
两相区
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
3.区域组织
铁碳合金
三相共存 水平线
第五章
二、铁碳合金相图
铁碳合金的分类
工业纯铁
铁碳合金
钢
C＜0.0218% 0.0218～0.77% C＝0.77%
亚共析钢 共析钢
过共析钢 0.77～2.11% 高温固态有单一A组织
白口铸铁
亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁
第五章
铁碳合金
含碳量对钢组织与性能的影响
4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
（二）对力学性能的影响 随C%提高, 强度、硬度升高， 塑韧性下降。当含碳量 不超过1%时,晶界上析出的二 次渗碳体不成网状析出,对性 能影响不大,当超过1%,呈网状 析出,对碳钢力学性能造成影 响,故强度降低
4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
第五章
莱氏体Ld
1.定义
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
A和Fe3C形成的共晶体
1148℃
L4.3
Ld(A+Fe3C)—— 高温莱氏体
727℃
L’d(P+Fe3C)—— 低温莱氏体
2.结构
3.性能
含有大量Fe3C
硬而脆
4.2Fe-Fe3C相图分析
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
铁碳合金的分类
3、计算含碳量为5%的过共晶白口铸铁组织中 ① 一次渗碳体的相对含量 ② 共晶渗碳体的相对含量 ③ 二次渗碳体的相对含量 ④ 共析渗碳体的相对含量 ⑤ 三次渗碳体的相对含量
解： ① 当 T → 1148+0 ºC时
Fe3 C I
6.69% 4.3%
5% 4.3%
29.3%
② 当T→1148-0℃
过共析钢组织金相图
说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很 脆，工程中使用并不希望出现这种组织。
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
铁碳合金组织特征图
(a) 0.01%C铁素体 500×
(b) 0.45%C铁素体+珠光体 500×
(c).0.77%C珠光体 500× d). 1.2%C 珠光体+二次渗碳体 500×
Fe3C总1