铁碳合金相图浅析

ｌ铁碳合金相图简介
铁碳合金相图是以温度为纵坐标、碳量为横坐标绘含
制的图形５如图ｃ所示，中包品转变部分实际应用较，其少，简化为Ａ点。Ｔ业纯铁在实际应用中非常少，Ｑ故对
金相图是该课程教学中的重点和难点，其内容抽象、念但概
第一步，立以横坐标表示含碳量，坐标表示温度的建纵
标同繁多，生很难完全理解，是机械地、记硬背地把铁碳坐标系；出纯铁的熔点Ａ，素异构转变温度点Ｇ画出学只死
铁碳合金相图浅析
徐道芬叶东杜春平
（林航天＿业高等专科学校桂Ｔ－机械工程系，西桂林广５１０）４０４
摘要关键词
铁碳合金相图是研究钢和铸铁的重要理论基础，掌握在平衡状态下铁碳合金成分——组织——性能之间的关
＊
作者简介：道芬（９２）女，川隆吕人。助教，士徐】８，四硕
。
研究方向：料加工＿程。材丁
３０８
２１年第３期０１桂林航天工业高等专科学校学报（总第６３期）ＪＵＮＬＯＵＬＮＣＩＥＥＯＥＯＰＣＥＨＯＯＹ徐道芬ＯＲＡＦＧＩＩＯＧＦＡＲＳＡＥＴＣＮＬＧＬ
点的研究米见报道，文献中米给确定位置。由于含碳量大于６６的铁．９
碳合金脆性非常大，Ｔ业上无实用价值，目前应用的铁在故
碳合金午的碳质量分数不是０１（的完整图形，是甘～［）］而只研究碳质量分数在０６６的一部分，以Ｆ～．９即ｅ作为一组元，质量分数为６６的Ｆ。碳．９ｅｃ作为另一组元的Ｆ — ｅＦ二元合金梢图。ＦＦ。相图是经过长期多次实验ｅＣｅｅｃ得到的，形已基本确定，图图上所有特性点的符号已全部得
本将《程材料与热处理》程是高职院校机械专业一门十想。为此，人在铁碳合金相图教学中做了一些尝试，绘工课ｚ］分重要的专业基础课程，教学中占有重要地位。铁碳合制过程分为以下三个步骤ｌ：在
碳合金成分、织和性能之问的关系，指导钢材的选用和相线ＡＥＦ然后再找出共析点Ｓ连接Ｇ，ＳＧ即可组并Ｃ；，ＳＥ，Ｐ
制定热处理、加Ｔ工艺。热（图ｂ。如）
第三步，出组织，分析过程如下。标其
叶东杜春平／文
人手，Ｃ量为０结合工业纯铁的同素异晶转变，Ａ点含，知
Ｆｅ
２１．１
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基金项目：西区教育厅敦改项日《广以模具工国家职业标准为导向，建模具设计与制造专理实一体化教学体构Ｉ
系》编号：００ＧＡＩ０（２１Ｊ）２
２１０１年第３期
桂林航天工业高等专科学校学报
ＪＵＲＬＯＦＧｌＮＣＥＥＯＲＯＰＥＴＣＯＮＡＵｌＩＯＩＧＦＡＥＳＡＣＥＨＮＯＩＹＩＯＧ机电技术应用
（第６总３期）
合金相图中各区域的组织记下来，本没掌握各组织的转共晶线和共析线并标上符号点，合第二章共品转变和共根结变规律。知其然不知其所以然，很难利用铁碳合金相图析转变定义可以确定共晶点ｃ在Ｅ就Ｆ之间，析点ｓ在Ｐ共Ｋ
系及变化规律，于钢铁材料的应用及热加工工艺的制定具有指导意义。对
铁碳合金相图；成分；组织；性能
中图分类号：Ｇ４．Ｔ６２０
文献标志码：Ａ
文章编号：０９１３（０１０３８３１０—０３２１）３００— ０
来解决实际问题。本文通过利用Ｆ — Ｆ。相图对典型成之间（图ａ。ｅｅＣ如）分的铁碳合金的结品过程进行分析，学生进一步掌握铁使第二步，画出液相线ＡＤ，连接Ａ线，有了固先Ｃ再Ｅ就
到学术界公认和肯定。
２铁碳合金相图分析
２１绘制相图．钦碳合会相图是《程材料与热处理》课程的难点和重
点，求每个学生都应该能绘制，传统教学效果不是很理要但
０００１０７２８．７

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铁碳合金相图分析

1点以上
1～2点
2～3点
图3-3 共析钢结晶过程示意图
3点～室温
共析钢的室温组织全部为P，呈层片状，其室温下的显微组织如图3-4 所示。
图3-4 共析钢室温下的显微组织
（二）亚共析钢的结晶过程图 3-2 中的合金Ⅱ为 wC 0.45% 的亚共析钢，其结晶过程如图 3-5 所示。
1点以上
1～2点
A3 线合金冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的析出线
三、铁碳合金的结晶过程
图3-2 简化后的Fe-Fe3C相图
根据碳的质量分数和室温显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。
（一）共析钢的结晶过程在图 3-2 中，合金Ⅰ为 wC 0.77% 的共析钢，其结晶过程如图 3-3 所示。
图3-12 亚共晶白口铸铁室温下的显微组织
（六）过共晶白口铸铁的结晶过程图 3-2 中的合金Ⅵ为 wC 5.0% 的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图 3-13
所示。
1点以上
1～2点
2～3点
图3-13 过共晶白口铸铁的结晶示意图
3点～室温
过共晶白口铸铁室温下的显微组织如图 3-14 所示，图中白色条状为 Fe3CⅠ ，黑白相间的基体为 Ld′ 。所有过共晶白口铸铁的室温组织均为 Ld Fe3CⅠ，只是随着碳含量的增加， Fe3CⅠ量增加。
0.09
碳在 δ-Fe 中的最大溶解度
J
1 495
K
727
0.17 6.69
包晶点 LB δH
A 1495℃ J
Fe3C 的成分
符号 N P S Q
温度 T/℃ 1 394 727
727 室温

铁碳合金相图分析报告

Fe3CⅢ .
工业纯铁（ <0.0218%C ）钢（ 0.0218-2.11%C ） —— 亚共析钢、共析钢（ 0.77%C ）、过共析钢白口铸铁（ 2.11-6.69%C） —— 亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁
L → L+A → A → P(F+Fe3C)
L → L+A → A → A+F → P+F
Mn 溶入 Fe3C → 形成合金渗碳体（ Fe, Mn） 3C
2、硅
Si + FeO → S2iO + Fe （脱氧）
Si 溶入铁素体 → 固溶强化
Si<0.4% ，对性能影响不大
3、硫钢中 S+Fe → FeS。FeS 与 Fe 形成低熔点的共晶体（
Mn <0.8% ，对性能影响不大 985℃）分布在晶界上，当钢在热
标准实用
第四章铁碳合金
第一节铁碳合金的相结构与性能
一、纯铁的同素异晶转变 δ-Fe→γ-Fe→α-Fe 体心面心体心
同素异晶转变 —— 固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。
特点： ? 是形核与长大的过程（重结晶） ? 将导致体积变化（产生内应力） ? 通过热处理改变其组织、结构 → 性能二、铁碳合金的基本相
文案大全
轮、曲轴等。
标准实用
. 状态图中的特性点 Fe- Fe3C 相图中各点的温度、浓度及其含义
Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义
L → L+A → A → A+ Fe 3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ
4、共晶白口铸铁 L → Ld(A+Fe 3C) → Ld(A+Fe 3C+ Fe3CⅡ) → Ld′ (P+F3eC+ Fe3CⅡ)

铁碳合金相图

含碳量越高，钢的强度、
硬度越高，而塑性、韧性越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。
四、Fe－Fe3C相图的应用
在焊接工艺上的应用
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。
二、选择题 1、奥氏体是具有（）晶格的铁。 A 体心立方 B 面心立方 C密排六方 D 无规则几何形状 2、合金发生固溶强化的主要原因（）。 A晶格类型发生了变化 B 晶粒细化 C 晶格发生畸形 D 晶界面积发生变化 3、铁碳合金相图上的共析线是（）。 A、ACD B、ECF C、PSK 4、组成合金的最基本的独立物质称为（）。 A、相 B、组元 C、组织 5、单晶体的滑移变形是在（）的作用下发生的。 A、切应力 B、拉应力 C、压力
第三章
铁碳合金
学习目标：
一、铁碳合金相图的组成
二、Fe－Fe3C相图中特性点的含义
三、铁碳合金相图中特征线的含义及各区域内
的组织。
三、单相区、二相区和三相区分析
一、铁碳合金相图的组成
铁碳合金相图——表示在缓慢冷却（或缓慢加热）的条件下，

(完整word版)铁碳相图分析

二、铁碳合金相图的分析Fe-Fe3C相图如图3-25所示。

可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。

相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C。

这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ Fe3C。

图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。

相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。

Fe- Fe3CHJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53+ δ0.09→γ0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。

ECF水平线（1148︒C）为共晶线，与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + Fe3C。

转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。

莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。

PSK水平线（727︒C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218 + Fe3C。

转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。

珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。

共析线又称为A1线。

此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线：GS、GP为γ⇄α固溶体转变线，HN、JN为δ⇄γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。

GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。

ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。

在1148︒C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727︒C 时溶解度只有0.77%。

铁-碳合金相图

（4）如果两个恒温转变（三相反应）中有两个相同的相，则这两条三相水平线之间一定是由这两个相组成的两相区；（Fe-Fe3C合金两条水平线之间的两相区为γ+Fe3C）
（5）当两相区与单相区的分界线与三相等温线相交，则分界线的
延长线应进入另一两相区，而不会进入单相区。
2.相图分析方法
（1）若有稳定的中间相，可依此把相图分为几个部分；（2）根据相区接触法则填写各相区； n = C-ΔP C-组元数；ΔP-相邻相区相数目差；n-相邻相区接触的维数 n=0为点接触；n=1为线接触；n=2为面接触（3）分析典型成分合金的结晶过程及组织转变，并利用杠杆定律计算各相相对含量，杠杆定律只适用于两相区。
对镇静钢锰可以提高硅和铝的脱氧效果；
锰大部分溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度，一部分锰能溶于渗碳体中形成合金渗碳体。
锰在钢中是一种有益元素。碳钢中，含锰量一般为0.25%～ 0.8%，对钢性能影响不大。
• 硅是来自生铁和脱氧剂。硅能与钢液中的FeO生成炉渣，消除FeO对钢质量的影响。硅能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度而塑性韧性下降不明显。硅在碳钢中含量<0.50％，也是一种有益元素。镇静钢中，硅作为脱氧元素，ωsi=0.1%～0.4%，含量较高 (0.12％-0.37％)时增大钢液的流动性；
含碳量与工艺性能的关系
• 可锻性低碳钢的可锻性能较好，随碳含量增加，性能变差。
• 流动性
• • 热处理
浇注温度一定时，随含碳量增加而提高；
结晶的温度间隔越小，性能越好。相图上无组织转变或无固溶度变化的合金，无法进行。
七、碳钢中杂质元素的影响
• 碳钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金。 • 常用的碳钢除Fe、C元素外，还含有极少量的由

铁碳合金相图分析

第四章铁碳合金第一节铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变δ-Fe→γ-Fe→α-Fe体心面心体心同素异晶转变——固态下,一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象.特点：是形核与长大的过程重结晶将导致体积变化产生内应力通过热处理改变其组织、结构→ 性能二、铁碳合金的基本相基本相定义力学性能溶碳量铁素体 F碳在α-Fe中的间隙固溶体强度,硬度低,塑性,韧性好最大%奥氏体 A碳在γ-Fe中的间隙固溶体硬度低,塑性好最大%渗碳体Fe3C Fe与C的金属化合物硬而脆800HBW,δ↑=αk=0%第二节铁碳合金相图一、相图分析两组元：Fe、 Fe3C上半部分图形二元共晶相图共晶转变：1148℃ 727℃→ + Fe3C →P + Fe3C莱氏体Ld Ld′2、下半部分图形共析相图两个基本相：F、Fe3C共析转变：727℃→ + Fe3C珠光体P二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.工业纯铁<%C钢——亚共析钢、共析钢%C、过共析钢白口铸铁——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁L → L+A → A → PF+Fe3CL → L+A → A → A+F →P+FL → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C →LdA+Fe3C+ Fe3CⅡ → Ld′P+Fe3C+Fe3CⅡ5、亚共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + A →Ld+A+ Fe3CⅡ → Ld′+P+ Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响四、铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用2、在铸造、锻造和焊接方面的应用3、在热处理方面的应用第三节碳钢非合金钢碳钢是指ωc≤%,并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金.铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能,且价格低廉,故广泛应用.一、杂质元素对碳钢性能的影响1、锰Mn + FeO → MnO + Fe 脱氧Mn+ S → MnS 炉渣去硫Mn溶入铁素体→ 固溶强化Mn溶入Fe3C → 形成合金渗碳体Fe, Mn3C Mn <%,对性能影响不大2、硅Si + FeO → SiO2 + Fe 脱氧Si溶入铁素体→ 固溶强化Si<%,对性能影响不大3、硫钢中S+Fe → FeS.FeS与Fe形成低熔点的共晶体985℃分布在晶界上,当钢在热加工1000~1200℃时,共晶体熔化,导致开裂——热脆消除热脆：Mn+ S → MnS熔点高1620℃并有一定塑性硫是一种有害元素4、磷钢中磷全部溶于铁素体,产生强烈固溶强化,低温时更加严重——冷脆磷是一种有害元素二、碳钢的分类按含碳量分：低碳钢～、中碳钢～、高碳钢～%按质量分类：普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢S、P含量按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢三、碳钢的牌号、性能和应用1、碳素结构钢GB700-88 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275五大类,20个钢种GB700-79 A1, A2, A3, A4, A5Q235-AF表示：σs≥235Mpa,质量等级为A,沸腾钢.应用：Q195, Q215——塑性高,用于冲压件、铆钉、型钢等； Q235——强度较高,用于轴、拉杆、连杆等；Q255, Q275——强度更高,用于轧辊、主轴、吊钩等.2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢：优质钢、高级优质钢A、特级优质钢E 牌号：08F ——冲压件；45——齿轮、连杆、轴类；65 Mn——弹簧、弹簧垫圈、轧辊等.3、碳素工具钢牌号：T8、T8A——木工工具；T10、T10A——手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模；T12、T12A——锉刀、绞刀、量具.4、铸钢表示方法：用力学性能表示ZG200-400σs≥200Mpa,σb≥400Mpa用化学成分表示ZG30%C用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件,如轧钢机架、缸体、制动轮、曲轴等.. 状态图中的特性点Fe- Fe3C相图中各点的温度、浓度及其含义Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义二. 状态图中的特性线Fe-C合金相图中的特性线三. 状态图中的相区在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.五个单相区是:ABCD以上——液相区LAHNA——δ固溶体区δα、δNJESGN——奥氏体区γ或AGPQG——铁素体区α或FDFKL——渗碳体区Fe3C或Cm两相区是:L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+ Fe3C和α+ Fe3C.三个三相区是:HJB线、ECF线和PSK线.1. 工业纯铁含C≤%——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.2. 钢含C在~%——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:① 亚共析钢< C <%——其组织是铁素体+珠光体② 共析钢C=%——其组织为珠光体③ 过共析钢< C≤%——其组织为珠光体+渗碳体3. 铁在1538ºC结晶为δ-FeX射线结构分析表明它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394ºC时δ-Fe转变为面心立方晶格的γ- Fe通常把δ-Fe←→γ- Fe的转变称为A4转变转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912ºC时面心立方晶格的γ- Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe把γ- Fe←→α-Fe的转变称为A3转变转变的平衡临界点称为A3点.4. 三条重要的特性曲线① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727ºC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300ºC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727ºC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.四. 名词1. 铁素体:是碳在α-Fe中形成的固溶体常用“δ”或“F”表示.铁素体在770ºC以上具有顺磁性在770ºC以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体在1495ºC时其最大溶碳量为%.2. 顺磁性:就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩无外磁场时由于热运动各分子磁矩的取向无规宏观上不显示磁性;在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性.3. 铁磁性:就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性.4. 奥氏体:是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe 中是有限溶解其最大溶解度为%1148ºC.5. 渗碳体:是铁与碳的稳定化合物Fe3C 用“C”表示.其含碳量为%.由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230ºC以上铁磁性就消失了所以230ºC是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.渗碳体的熔点为1227ºC.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C石墨6. 珠光体:是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示.珠光体存在于727ºC以下至室温.五. 铁碳合金相图的应用一在选材方面的应用若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢含碳为~%;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢含碳为~%;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢含碳为~%.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.二在制定热加工工艺方面的应用铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.六. 应用铁碳相图应注意的几个问题1. 铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.2. 可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.3. 相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.第二部分晶体结构一. 金属键1. 金属键:金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键.2. 在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.二. 晶体结构1. 晶体:凡是原子或离子、分子在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.2. 晶体结构:是指晶体中原子或离子、分子、原子集团的具体排列情况也就是晶体中这些质点原子或离子、分子、原子集团在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.3. 三种典型的金属晶体结构a. 体心立方晶格:晶胞的三个棱边长度相等三个轴间夹角均为90º构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外在立方体的中心还有一个原子.b. 面心立方晶格:在晶胞的八个角上各有一个原子构成立方体在立方体6个面的中心各有一个原子.c. 密排六方晶格:在晶胞的12个角上各有一个原子构成六方柱体上底面和下底面的中心各有一个原子晶胞内还有3个原子.三. 固溶体1. 固溶体:合金的组元以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体.2. 置换固溶体:是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.3. 间隙固溶体:是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中.4. 金属化合物:是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称为中间相其晶格类型和性能均不同于任一组元一般可以用分子式大致表示其组成.除了固溶体外合金中另一类相是金属化合物.四. 金属的结晶1. 金属的结晶:金属由液态转变为固态的过程称为凝固由于凝固后的固态金属通常是晶体所以又将这一转变过程称之为结晶.2. 杠杆定律的应用.在合金的结晶过程中合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量就需要应用杠杆定律.对于二元合金两相共存时两个平衡相的成分固定不变.五. 同素异构转变当外部条件如温度和压强改变时金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变.六. 晶体的各向异性各向异性是晶体的一个重要特性是区别于非晶体的一个重要标志.晶体具有各向异性的原因是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同意味着原子之间的距离不同从而导致原子之间的结合力不同使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.第三部分元素的影响1. 锰和硅的影响:锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的F eO还原成铁并生成MnO和SiO2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中冷至室温后即溶于铁素体中提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响它能提高钢的强度和硬度当含锰量低于%时可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.碳钢中的含硅量一般小于%它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用显著的提高了钢的强度和硬度但含量较高时将使钢的塑性和韧性下降.2. 硫的影响:硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中在固态中几乎不能溶解而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰形成MnS可以避免产生热脆.硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中含硫量通常为%~%同时含锰量为%~%.3. 磷的影响:一般来说磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温磷在铁中具有较大的溶解度所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用它使钢的强度、硬度显著提高但剧烈地降低钢的韧性尤其是低温韧性称为冷脆磷的有害影响主要就在于此.4. 氮的影响:一般认为钢中的氮是有害元素但是氮作为钢中合金元素的应用已日益受到重视.5. 氢的影响:氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的.6. 氧及其它非金属夹杂物的影响:氧在钢中的溶解度非常小几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性在静载荷和动载荷的作用下往往成为裂纹的起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此对非金属夹杂物应严加控制.第四部分热处理一. 热处理的作用1. 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下来的一种热加工工艺.钢中组织转变的规律是热处理的理论基础称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体.钢在加热和冷却时临界温度的意义如下:Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度;Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度;Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度;Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度.通常把加热时的临界温度加注下标“C”而把冷却时的临界温度加注下标“r”.2. 珠光体转变——是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变.珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组.由于相变在较高温度下发生铁、碳原子都能进行扩散所以珠光体转变是典型的扩散型相变.无论珠光体、索氏体还是屈氏体都属于珠光体类型的组织.它们的本质是相同的都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物.它们之间的差别只是片层间距的大小不同而已.珠光体的片层间距:450～150 nm形成于A1～650℃温度范围内.索氏体的片层间距:150～80nm形成于650～600℃温度范围内.屈氏体的片层间距:80～30nm形成于600～550℃温度范围内.3. 马氏体转变——是指钢从奥氏体化状态快速冷却抑制其扩散性分解在较低温度下低于Ms点发生的转变.马氏体转变属于低温转变.钢中马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体具有很高的强度和硬度.由于马氏体转变发生在较低温度下此时铁原子和碳原子都不能进行扩散马氏体转变过程中的Fe的晶格改组是通过切变方式完成的因此马氏体转变是典型的非扩散型相变.二. 热处理工艺1. 退火和正火:将金属及其合金加热保温和冷却使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或回火.A. 低温退火去应力退火:是指钢材及各类合金为消除内应力而施行的退火.加热温度< A1 碳钢及低合金钢550～650℃高合金工具钢600～750℃B. 再结晶退火:加热温度> Tr Tr+150～250℃C. 扩散退火:是指为了改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性而实行的退火.1 通过扩散退火可以使在高温下固溶于钢中的有害气体主要是氢脱溶析出这时称为脱氢退火.2 均匀化退火的任务在于消除枝晶成分偏析改善某些可以溶入固溶体夹杂物如硫化物的状态从而使钢的组织与性能趋与均一.扩散退火的加热温度> Ac3 Acm 在固相线以下高温加热同时也要考虑不使奥氏体晶粒过于长大.碳钢1100～1200℃D. 完全退火:是指将充分奥氏体化的钢缓慢冷却而完成重结晶过程的退火.加热温度 Ac3+30～50℃E. 等温退火:是指将奥氏体用较快的速度冷却到临界点以下较高温度范围进行珠光体等温转变的退火. 加热温度 Ac3～Ac12. 正火:是指将碳合金加热到临界点Ac3以上适当温度并保持一定时间然后在空气中冷却的工艺方法.过共析钢正火后可消除网状碳化物而低碳钢正火后将显著改善钢的切削加工性.所有的钢铁材料通过正火均可使锻件过热晶粒细化和消除内应力.正火比退火的冷却速度快正火后的组织比退火后的组织细.3. 淬火与回火1. 淬火:是指将钢通过加热、保温和大于临界淬火速度Vc的冷却是过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法.2. 钢的淬透性:就是钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的一个属性.3. 当淬火应力在工件内超过材料的强度极限时在应力集中处将导致开裂.4. 回火:本质上是淬火马氏体分解以及碳化物析出、聚集长大的过程.它与淬火不同点是由非平衡态向平衡态稳定态的转变.4. 化学热处理:是将工件放在一定的活性介质中加热使非金属或金属元素扩散到工件表层中、改变表面化学成分的热处理工艺.如:渗入碳、氮、硼、钒、铌、铬、硅等元素第五部分宏观检验一. 宏观检验主要可分为低倍组织及缺陷酸蚀检验、断口检验、硫印检验等.二. 酸蚀试验在宏观检验领域中酸蚀检验是最常用的检验金属材料缺陷、评定钢铁产品质量的方法.如果一批钢材在酸蚀中显示出不允许存在的缺陷或超过允许程度的缺陷时其它检验可不必进行.1. 酸蚀试验:是用酸蚀方法来显示金属或合金的不均匀性.1 热酸浸蚀实验方法2 冷酸浸蚀实验方法3 电解腐蚀实验方法2. 酸蚀试验所检验的常见组织和缺陷A:偏析:是钢中化学成分不均匀现象的总称.在酸蚀面上偏析若是易蚀物质和气体夹杂物析集的结果将呈现出颜色深暗、形状不规则而略凹陷、底部平坦的斑点;若是抗蚀性较强元素析集的结果则呈颜色浅淡、形状不规则、比较光滑微凸的斑点.根据偏析的位置和形状可分为中心偏析、锭型偏析或称方框偏析、点状偏析、白斑和树枝状组织.中心偏析:出现在试面中心部位形状不规则的深暗色斑点.锭型偏析:具有原钢锭横截面形状的、集中在一条宽窄不同的闭合带上的深暗色斑点.B. 疏松:这种缺陷是钢凝固过程中由于晶间部分低熔点物最后凝固收缩和放出气体而产生的孔隙.在横向酸蚀面上这种孔隙一般呈不规则多边形、底部尖狭的凹坑这种凹坑多出现在偏析斑点之内.根据疏松分布的情况可分为中心疏松和一般疏松.C. 夹杂:宏观夹杂可分为外来金属、外来非金属和翻皮三大类.D. 缩孔:由于最后凝固的钢液凝固收缩后得不到填充而遗留下来的宏观孔穴.E. 气泡:由于钢锭浇注凝固过程中所产生和放出气体所造成的.一般可分为皮下气泡和内部气泡两类.a. 皮下气泡: 由于浇注时钢锭模涂料中的水分和钢液发生作用而产生的气体.b. 内部气泡:又可分为蜂窝气泡和针孔气泡.蜂窝气泡是由于钢液去气不良所导致一般为不允许存在的缺陷存在钢坯内部在试面上较易浸蚀象排列有规律的点状偏析但颜色更深暗些;针孔是因为较深的皮下气泡在锻轧过程中未焊合而被延伸成细管状在横试面上呈孤立的针状小孔.白点:也称发裂是由于氢气脱溶析集到疏松孔中产生巨大压力和钢相变时所产生的局部内应力联合造成的细小裂缝.在横试面上呈细短裂缝三. 硫印检验是一种定性检验是用来直接检验硫元素并间接检验其它元素在钢中偏析或分布情况的操作.硫印检验时先用5~10%的稀硫酸水溶液浸泡相纸5分钟左右后取出去除多余的硫酸溶液把湿润的相纸感光面贴到受检表面上应确保相纸与试样面的紧密接触不能发生任何滑动排除相纸与试样面的气泡和液滴.其化学反应大致为:MnS+H2SO4→MnSO4+H2S↑FeS+H2SO4→FeSO4+H2S↑H2S+2AgBr→2HBr+Ag2S↓几秒到几分钟后将从试面上揭下的相纸在水中冲洗约10分钟然后放入定影液中定影10分钟以上取出后在流动水中冲洗30分钟以上干燥后既成.四. 断口检验1. 脆性断口:通常工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂发生脆性断裂的断口为脆性断口.脆性断口也称晶状断口是指出现大量晶界破坏的耀眼光泽断口断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比则是脆性断面率也称晶状断面率.2. 结晶状断口:此种断口具有强烈的金属光泽有明显的结晶颗粒断面平齐而呈银灰色.是一种正常的断口.属于脆性断口.3. 纤维状断口:这种断口呈无光泽和无结晶颗粒的均匀组织.通常在断口的边缘有明显的塑性变形.一般情况下是允许存在的.属于韧性断口.4. 瓷状断口:是一种类似瓷碎片的断口呈亮灰色、致密、有绸缎的光泽和柔和感.是一种正常的断口.5. 台状断口:这种断口出现在纵向断面上呈比基体颜色略浅、变形能力稍差、宽窄不同、较为平坦的片状平台状.多分布在偏析内.6. 撕痕状断口:这种断口出现在纵向断面上沿热加工方向呈灰白色、变形能力差致密而光滑的条带.7. 层状断口:这种断口出现在纵向断面上呈劈裂的朽木状或高低不平的、无金属光泽的、层次起伏的条带条带中伴有白亮或灰色线条.8. 缩孔残余断口:出现在纵向断口的轴心区是非结晶状条带或疏松区有时伴有非金属夹杂物或夹杂沿条带常带有氧化色.9. 石状断口:在断口表面呈现粗大而凹凸不平的沿晶界断裂的粗晶颜色暗灰而无金属光泽象有棱角的沙石颗粒堆砌在一起.。

铁碳合金相图

1,上半部分-------共晶转变 1,上半部分-------共晶转变
• • • • 在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变: Lc (AE+Fe3C), 转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示. 存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体, 用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃ 以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号 Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成. 低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ 和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.
•
二、铁碳合金相图分析
• 1．Fe- Fe3C相图中的特性点图4-14是Fe- Fe3C相图。图中各点的温度、含碳量及其意义示于表4-1中。Fe- Fe3C相图中的特性点均采用固定的字母表示。
图4-14 Fe-Fe3C相图 Fe-Fe3C相图
2．Fe-Fe3C相图中的特性线 Fe-Fe3C相图中的特性线
•
三、铁碳合金的结晶过程
• 下面以几种典型的铁碳合金为例，分析其平衡结晶过程及组织。由于工业纯铁的实际应用较少，所以这里不分析其结晶过程。所选合金的成分如图4-15所示。
图4-15 6个典型的铁碳合金结晶过程分析 6个典型的铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢的结晶过程分析
• 图4-15中，合金①是共析钢，其结晶过程示于图 4-16。
2.奥氏体(Austenite 2.奥氏体(Austenite )
• 奥氏体奥氏体晶胞如上图示 • 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%. •

铁碳合金相图讲解

铁碳合金二元相图
海洋材料科学与工程研究院
刘LO伯G洋O
纯铁
屈服强度(σ0.2)：100~170MPa
抗拉强度(σb)：180~270MPa
伸长率(δ)：30％~50％
纯铁
断面收缩率(ψ)；70％~80％
的冷
冲击韧度(αK)；160~200J/cm2
却
硬度HBS：50~80
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢（316L）
与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，导热系数高，具有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。
含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12
的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的强度最高。
绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用 60、65、70、75 等钢制成）
绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；
珠光体性能：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。
重要固态转变线
GS线：GS线又称A3线，冷却时，γ析出α的开始线，或加热时α全部溶入γ的终了线。
ES线：碳在γ中的固溶度曲线。常称 Acm 线。当温度低于此线，γ将析出Fe3C、即二次渗碳体Fe3CⅡ，从液相中经CD线析出一次渗碳体Fe3CⅠ 。
对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。

附录1- 铁碳合金相图解析

附件1：铁碳合金相图解析•铁碳合金:钢和铸铁都是以铁和碳两种元素为主所组成的铁碳合金。

含碳量小于２．１１％的铁碳合金叫钢，含碳量大于２．１１％的铁碳合金叫铸铁。

根据含碳量的不同，铁碳合金可分为以下几种基本组织。

•铁素体---碳溶于α－Ｆｅ晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为铁素体。

用Ｆ表示。

由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的组织与纯铁相似，具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。

（另有δ铁素体，是碳溶于δ－Ｆｅ晶格间隙中形成的间隙固溶体）•奥氏体---碳溶于γ－Ｆｅ晶格间隙中形成的间隙固溶体，称为奥氏体。

用Ａ表示。

由于奥氏体的溶碳比铁素体多，因此奥氏体的强度和硬度较铁素体高，并且是单一的固溶体，所以其塑性较好，变形抗力较低。

绝大多数钢在进行压力加工和热处理时，都加热到奥氏体区域。

•渗碳体---渗碳体是Ｆｅ和Ｃ的金属化合物。

当碳的含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳和铁以一定的比例化合，形成Ｆｅ３Ｃ，称为渗碳体。

其含碳量为６．６９％。

渗碳体具有复杂的晶格，它的硬度很高，而塑性和韧性很差，脆性很大。

•珠光体---铁素体和渗碳体组成的机械混合物，称为珠光体，用Ｐ表示。

珠光体的含碳量为０．７７％，由于它是硬的渗碳体和软的铁素体相间组成的机械混合物，所以其机械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---奥氏体和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体，用Ｌｄ表示。

含碳量在４．３％，莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

相图中几个特性点的意义•Ａ点纯铁的熔点。

该点的温度是1５38℃，含碳量为零。

在此点温度以上，纯铁为液态，在此点温度以下，纯铁为固态。

•B点 1493 ℃ ,包晶转变时,液态合金的碳溶度(0.53)•Ｃ点共晶点。

该点的温度为１１４８℃，含碳量为４．３％，即含碳量为４．３％的液态合金，当温度下降到Ｃ点时，将从液态合金中结晶出奥氏体和渗碳体，所以Ｃ点称为共晶点。

含碳为４．３％的铁碳合金，在１１４８℃时同时结晶出奥氏体和渗碳体的转变称为共晶转变。

铁碳相图分析