典型零件选材热处理及铁碳合金
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金属材料及热处理第四单元 铁碳合金相图
表4-4 铁碳合金分类
第四单元 铁碳合金相图
铁碳合金的平衡组织是由铁 素体和渗碳体两相所构成的。当碳 的质量分数w(C)<0.9%时，随着碳 的质量分数的增加，钢的强度和硬 度提高，而塑性和韧性降低；当碳 的质量分数w(C)>0.9%时，由于Fe3 CⅡ的数量随着碳的质量分数的增 加而急剧增多，并明显地呈网状分 布于奥氏体晶界上，这样不仅降低 了钢的塑性和韧性，而且也降低了 钢的强度，如图4-9所示。
心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方 晶格，碳在γ-Fe中的位置如图4-3所示。
在金相显微镜下观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒状态，但晶界 比铁素体的晶界平直些，并且晶粒内常出现孪晶组织(图中晶粒内的平行 线)，如图4-4所示。
第四单元 铁碳合金相图
图4-3 奥氏体的晶胞示意图
特征为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。由于珠光体的 显微组织形态酷似珍珠贝母外壳形纹，故称之为珠光体组织，如图4-6所示。
图4-6 共析钢中珠光体的金相显微组织
第四单元 铁碳合金相图
能力知识点五 莱氏体(Ld) 莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成
的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为4.3%。 莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度高，塑性很差，脆性大。莱氏
图4-7 简化后的Fe-F3C相图
第四单元 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图中的特性点 铁碳合金相图中的主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见
表4-1。
表4-1 铁碳合金相图中的特性点
第四单元 铁碳合金相图
二、铁碳合金相图中的主要特性线 1.液相线ACD 2.固相线AECF 3.共晶线ECF 4.共析线PSK 5.GS线 6.ES线 7.GP线 8.PQ线
第四单元 铁碳合金相图
铁碳合金的平衡组织是由铁 素体和渗碳体两相所构成的。当碳 的质量分数w(C)<0.9%时，随着碳 的质量分数的增加，钢的强度和硬 度提高，而塑性和韧性降低；当碳 的质量分数w(C)>0.9%时，由于Fe3 CⅡ的数量随着碳的质量分数的增 加而急剧增多，并明显地呈网状分 布于奥氏体晶界上，这样不仅降低 了钢的塑性和韧性，而且也降低了 钢的强度，如图4-9所示。
心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方 晶格，碳在γ-Fe中的位置如图4-3所示。
在金相显微镜下观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒状态，但晶界 比铁素体的晶界平直些，并且晶粒内常出现孪晶组织(图中晶粒内的平行 线)，如图4-4所示。
第四单元 铁碳合金相图
图4-3 奥氏体的晶胞示意图
特征为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。由于珠光体的 显微组织形态酷似珍珠贝母外壳形纹，故称之为珠光体组织，如图4-6所示。
图4-6 共析钢中珠光体的金相显微组织
第四单元 铁碳合金相图
能力知识点五 莱氏体(Ld) 莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成
的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为4.3%。 莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度高，塑性很差，脆性大。莱氏
图4-7 简化后的Fe-F3C相图
第四单元 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图中的特性点 铁碳合金相图中的主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见
表4-1。
表4-1 铁碳合金相图中的特性点
第四单元 铁碳合金相图
二、铁碳合金相图中的主要特性线 1.液相线ACD 2.固相线AECF 3.共晶线ECF 4.共析线PSK 5.GS线 6.ES线 7.GP线 8.PQ线
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
34
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
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。
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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。
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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。
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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
《金属工艺学》铁碳合金
主要线
二条平行线（ECF、PSK）表示恒温反应： ECF：1148 ℃发生共晶反应 Lc --- AE + Fe3C PSK: 727 ℃发生共析反应 As ----- FP + Fe3C
ES线（Acm线）:C在A中的固溶线。 1148 ℃：C在A中最大溶解度2.11% 727 ℃: C在A中最大溶解度0.77%
在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或粒 状。 Fe3C的形状、大小、分布和数量对钢的性 能有极大的影响。
Fe3C在一定条件下可分解成铁和石墨。
（4）珠光体 P
含碳量为0.77%的A同时析出F和Fe3C的机械 混合物。（共析反应）
P是软的F片和硬的Fe3C片相间的机械混合物。 性能介于两者之间：δ=20～25%，σb =600～800MPa，HBS=170～230
（2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶 格。其基本性能也同溶剂。
（3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：
① 置换固溶体（下页图）
一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代替。 在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶格会 发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升高， 这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象， 叫固溶强化。——提高合金机械性能的一个途径。
目的： ① 细化晶粒（可提高σ、δ、ak） ② 降低硬度（便于切削加工） ③ 消除内应力（以及加工硬化）、（可防变形和
开裂）
1、完全退火
将亚共折钢加热到AC3以上30-50℃，保温 后缓冷。
加热得细晶粒的A，冷却后得细晶粒F＋P。 目的：
①细化晶粒；②降低硬度；③消除内应力。
2、球化退火
重要特性点 P19 B1-4
特性点 A C D E F G
铁碳合金及其热处理-1
1.
11 1111
飞行器制造材料演变
最新型的材料：复合材料
复合材料其实是很多种材料的统称，最典型的就 是玻璃钢、碳纤维等之类的材料，它具有比强度高、
刚度高、质量轻的特点，并具有抗疲劳、减振、耐高
温、可设计等一系列优点。它可以使飞机在维持原强 度的前提下减轻重量，或在同样的重量下，强度更高。
1.
1. 99 9
飞行器制造材料演变
米格25截击机，是世界上第一款能够突破3马赫 的飞机。镍基合金钢，质量大的惊人。然而却突破了 热障，令当时的西方惊恐万分，事实上，简单的钢材 以及强大的推力，是米格25成功的关键。
1.
10 1010
飞行器制造材料演变
最纠结的材料：钛合金
钛合金重量轻（密度大概是钢的一半）、强度高 （超过很多钢材）、耐腐蚀（浓硫酸都不怕）、耐高 温（在500° C依然能保持高强度），缺点是冶炼和加 工特别困难，由于加工技术不断长进，越来越多的飞 机开始大量采用钛合金，比如F-22有40%的结构是钛 合金制作的。
电阻率
钨
Wu
19.3
3380
166.2
4.6
5.1
21
3、材料的化学性能
材料的化学性能是指材料在常温或高温时抵抗各种 化学作用的能力。反映了材料与各种化学试剂发生化学 反应的可能性和反应速度大小的相关参数。
1）耐腐蚀性—金属抵抗氧、水蒸气、酸、碱等介质
侵蚀的能力。 2）热安定性—金属在高温下对氧化的抵抗能力。 根据不同的工况选用不同的材料。
工业上没有实用价值。
Fe-Fe3C相图是研究（碳）钢/铁的成分—温度—
组织结构间关系的工具。
1.
36 3636
1.
金属材料及热处理 第1-0章 铁碳合金相图(补充)
二、Fe-Fe3C相图中的相
铁素体F或α: F是碳在α-Fe中的间隙固溶体,体
心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积 较大，但单个间隙体积较小，所以它 的溶碳量很小，最多只有0.0218% (727℃时)，室温时几乎为0.0008%， 因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度 低而塑性高，并有铁磁性。
二、Fe-Fe3C相图中的相
共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的， 具有一定晶体结构的固相的反应。
三、相图分析
2．液固相线 液相线A（B）CD 固相线A(HJ)ECF
三、相图分析
3．溶解度线 ES线 碳在A中的固溶线， 1148℃，2.11%—— 727℃, 0.77%,Fe3CII
PQ线 碳在F中的固溶线， 727摄氏度,0.0218%—— 0.0008%室温，Fe3CIII
铁碳合金
内容
CONTENTS
01 Fe-Fe3C相图的组元 02 Fe-Fe3C相图中的相 03 相图分析 04 Fe-C合金分类
铁碳相图—图文详解
教学目标：
01
1.了解并熟悉铁基材料中应用最多的一类——碳钢
和铸铁，掌握铁碳合金材料的组成、相的分类及形成
条件。
2.熟练掌握铁碳相图的所有相关知识点：温度点、
三、相图分析
1．三条水平线和三个重要点 （3）共析转变线PSK，727℃ ， C%=0.0218---6.69%
As----FP+Fe3C（共析渗碳体）
A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光体） 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间 Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体 Le’
金属材料与热处理 模块四 课题三 铁碳合金的组织和Fe-C合金相图
渗碳体的晶格
渗碳体的显微组织
必备知识
5.珠光体（P） 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物， 用符号P表示。它是铁素体和渗碳体层 片相间、交替排列形成的混合物。其 显微组织图如图4-18所示其中白色为 铁素体基体，黑色线条为渗碳体。珠 光体的含碳量为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，所以其力学性能是两者的综 合，强度较高，硬度适中，具有一定 的塑性。
Fe—Fe3C相图中七个特性点的温度、含碳量以及含义
点的符号
A C D E G S P
温度℃ 1538 1148 1227 1148 912 727 727
含碳量（%）
含义
0
纯铁熔点
4.3
共晶点，L⇌Ld(A+Fe3C)
6.69
渗碳体的熔点
2.11
碳在奥氏体（γ-Fe）中的最大溶解度点
0
纯铁的同素异构转变点，α—Fe⇌γ-Fe
（2）AECF线。 固相线，对应成分的液态合金冷却到此线上的对应点时完成结晶过程，变为固态，此线之下为 固相区域。在液相线与固相线之间是液态合金从开始结晶到结晶终了的过渡区，所以此区域液相与固相并存。AEC 区内为液相合金与固相奥氏体，CDF区内为液相合金与固相渗碳体。
（3）GS线 。奥氏体冷却时析出铁素体的开始线 （或加热时铁素体转变成奥氏体的终止线），又称A3线。奥氏 体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。
（4）ES线 。 碳在奥氏体（γ-Fe）中的溶解度曲线，又称ACm线。 奥氏体的溶碳能力沿该线上的对应点变化。 在1148℃时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11%（E点的含碳量），在727℃时降到0.77%（S点的含碳量）。在AGSE区 内为单相奥氏体。含碳量较高（>0.77%）的奥氏体，在从1148℃缓冷到727℃的过程中，由于其溶碳能力降低，多 余的碳会以渗碳体的形式从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。
热处理中最重要的铁碳合金相图的知识总结
铁碳合金相图1、纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。
钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。
但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。
金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
图a 面心立方晶体 图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。
液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。
继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。
在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。
正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。
图1 纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。
但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。
另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。
如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。
磁性转变不是相变，晶格不发生转变。
770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。
2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。
在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。
（1）液相 用”L”表示。
是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。
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。
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典型零件选材热处理及铁碳合 金非平衡组织观察
实验目的
• 学会根据零件的工艺性能和使用性能要求， 正确选择材料制定预备热处理和最终热处 理工艺，并深入理解热处理过程中钢的组 织与性能的变化规律； 初步掌握基本热处理操作方法； 认识和掌握不同成分铁碳合金的非平衡组 织。
• •
钢的热处理
• 是将钢在固态下加热到预定的温度，保温 一定的时间，然后以预定的方式冷却到室 温的一种热加工工艺。通过热处理可以改 变钢的内部组织结构 ，从而达到改善其工 艺性能和使用性能的目的。
• • • •
退火 正火 淬火 回火
热处理工艺曲线
温度 / ℃
保温 加热 冷却
温度 / ℃
保温 加热 冷却
时间
淬 火工 艺 曲 线
时间
回火 工 艺 曲 线
C曲线
• ①珠光体（P）：在A1～650℃过冷奥氏体等温分 解为片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物 • ②索氏体（S）：在650～600℃等温转变的片状 铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层比珠光 体更细密。在高倍显微镜下才能分辨清楚。它的 强度和硬度比珠光体高。 • ③屈氏体（T）：在600～550℃温度范围内形成 的，是片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物， 片层比索氏体更细密，只有在电子显微镜下，才 能分辨其中的片层。 • 珠光体、索氏体和屈氏体三者实质是同一种组织， 只是铁素体与渗碳体层片间的厚度不同。
上贝氏体
下贝氏体
马氏体
• 马氏体（M）是碳在α－Fe中的过饱和固溶 体，马氏体是奥氏体快速冷却到Ms点以下 形成的。 马氏体
片针状马氏体
回火
• 低温回火 • 中温回火 • 高温回火
回火马氏体
回火屈氏体
回火索氏体
实验目的
• 学会根据零件的工艺性能和使用性能要求， 正确选择材料制定预备热处理和最终热处 理工艺，并深入理解热处理过程中钢的组 织与性能的变化规律； 初步掌握基本热处理操作方法； 认识和掌握不同成分铁碳合金的非平衡组 织。
• •
钢的热处理
• 是将钢在固态下加热到预定的温度，保温 一定的时间，然后以预定的方式冷却到室 温的一种热加工工艺。通过热处理可以改 变钢的内部组织结构 ，从而达到改善其工 艺性能和使用性能的目的。
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退火 正火 淬火 回火
热处理工艺曲线
温度 / ℃
保温 加热 冷却
温度 / ℃
保温 加热 冷却
时间
淬 火工 艺 曲 线
时间
回火 工 艺 曲 线
C曲线
• ①珠光体（P）：在A1～650℃过冷奥氏体等温分 解为片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物 • ②索氏体（S）：在650～600℃等温转变的片状 铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层比珠光 体更细密。在高倍显微镜下才能分辨清楚。它的 强度和硬度比珠光体高。 • ③屈氏体（T）：在600～550℃温度范围内形成 的，是片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物， 片层比索氏体更细密，只有在电子显微镜下，才 能分辨其中的片层。 • 珠光体、索氏体和屈氏体三者实质是同一种组织， 只是铁素体与渗碳体层片间的厚度不同。
上贝氏体
下贝氏体
马氏体
• 马氏体（M）是碳在α－Fe中的过饱和固溶 体，马氏体是奥氏体快速冷却到Ms点以下 形成的。 马氏体
片针状马氏体
回火
• 低温回火 • 中温回火 • 高温回火
回火马氏体
回火屈氏体
回火索氏体