第三章-铁碳合金相图
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铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
第三章 铁碳合金相图
第三章铁碳合金相图非合金钢[（GB／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。
Fe3C的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-Fe3C相图。
相图的两个组元是Fe和Fe3C。
3.1 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为7.87⨯103kg/m2。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：α-Fe（体心）γ-Fe（面心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度σb=180～230MPa，屈服强度σ0.2＝100～δ-Fe （体心）170MPa，伸长率δ=30～50％，硬度为50～80HBS。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵Fe3C Fe3C是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表示。
Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度σb=30MPa，伸长率δ=0。
3.1.2 基本相Fe-Fe3C相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。
F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
第3章 铁碳合金相图
ωc>0.9% →σ↓
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
2020/5/12
晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
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晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
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3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
第三章铁碳合金相图详解版
第 二 节 铁碳合金状态图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C 亚共晶白口铸铁<4.3% C
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
第三章 铁碳合金相图
上一级
二、Fe-Fe3C合金的结晶过程及组织转变
1 2
1 2
1 2
3
3
3
上一级
1.合金Ⅰ（共析钢）
1点→2点 与匀晶相图完全相同。
2点为奥氏体
2点→3点 组织不变
3点
F
S ( F Fe 3 C )
SK PK 6.69 0.77 6.69 0.0218 100% 88.8%
金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的
倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低 碳钢和低碳合金钢。
上一级
（三） 切削加工性 金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易 程度。 钢的硬度在160～230HB时，切削加工性最好。
上一级
四、Fe-Fe3C相图的应用
第三章 铁碳合金相图 第一节 典型合金的结晶及其组织
一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金相 图分为三大类：工业纯铁、碳钢、白口铸铁。 1．工业纯铁 成分P点以左（Wc<0.0218%），即含碳量小于0.0218％ 的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。
上一级
2、碳钢 成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合 金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进 行热加工。 根据含碳量不同又可分为三类： （1） 共 析 钢——含碳量=0.77% （2） 亚共析钢——含碳量<0.77%
（3） 过共析钢——含碳量>0.77%
上一级
上一级
3．合金Ⅲ（过共析钢）
1点→3点间的结晶过程与共析钢相同。
3点 开始析出二次渗碳体。 3点→4点 不断析出二次渗碳体。 4点 发生共析转变而形成珠光体。
第三章 铁碳合金相图
2、有益元素 Mn、Si
锰Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素 体中，具有固溶强化效果，少部分形成 合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了 硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中
1.0%- 1.2%。
硅Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强 化作用；可增加钢液流动性。碳钢中 <0.4%
工程材料及热加工基础课件
3、非金属夹杂物的影响
① N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中 以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N 固定，消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，
易成为疲劳裂纹源。 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时， 降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
工程材料及热加工基础课件
第五节
碳素钢
碳素钢是指ωc≤2.11%，并含有少量Mn、Si、S、P等杂质元素的铁碳合金。
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响（ Mn、Si、S、P）
1、有害元素 S、P 硫S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低 熔点（985）共晶体FeS→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑，改 善切削加工性能。
A+F F P
( F+ Fe3C ) P
Q 0.0218%C Fe
P+F
4.3%C
6.69%C Fe3C
工程材料及热加工基础课件 1、 Fe-Fe3C 相图中的特性点
第3章 铁碳合金相图
珠光体（P）
Pearlite
HBS＝170～230 （纯铁HBS＝50～80）
工程材料及热加工
莱氏体 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物
含碳量:4.3% 共晶反应式:
L 4 .3 % C (A+Fe3C)
1148 C
性能：硬度高，塑性、韧性差
莱氏体(L)
Ledeburite
工程材料及热加工
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
工程材料及热加工
合金液体在 1-2点间转变 为。到S点 发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
工程材料及热加工
4)过共析钢结晶动态示意图 液相
奥氏体
析 出
奥氏体+二次渗碳体
共析 转变
珠光体+二次渗碳体
从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示
组成物标注区别 主要在+ Fe3C和
+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物
区， +Fe3C 相区
+ Fe3C
+ Fe3C
中有七个组织组
成物区。
工程材料及热加工
A
H
L+
温N A+ 度
A
J
B
L
D
L+A
E S
P A+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
工程材料及热加工
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 第二节 Fe-Fe3C相图 第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
3-材料的凝固与铁碳合金相图的分析及应用-机械工程学院
则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =1×x
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x对 重量百分比为：
第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线
金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
2、过冷与过冷度
xx2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx2 Q x1 x ao
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于 该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于 形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大，而长大速度越小，单位 体积中晶核的数目越多，每个晶核来不 及长大，从而得到的晶粒越细小。 细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的 强度、硬度越高，塑性和韧性越好。
QL x1 + Q x2 =1×x
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x对 重量百分比为：
第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线
金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
2、过冷与过冷度
xx2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx2 Q x1 x ao
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于 该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于 形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大，而长大速度越小，单位 体积中晶核的数目越多，每个晶核来不 及长大，从而得到的晶粒越细小。 细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的 强度、硬度越高，塑性和韧性越好。