第四章铁碳合金相图和碳钢
第四章 铁碳合金相图(上)
§4.1 固态合金的相结构
一、固溶体
——组元间相互溶解，溶质原子溶入固态溶剂。 特点：保持溶剂晶格类型
1.分类
(1)按溶质原子在晶格中的位置：置换固溶体、间隙固溶体
§4.1 固态合金的相结构
(2) 按固溶度:有限固溶体、无限固溶体
固溶强化： 溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度升高， 塑性、韧性降低。 产生原因：晶格畸变
六、共析相图
由一个某一成分的固溶体相，在某一恒定温度下，同时分解出两个 新的固相的相图。
§4.2 二元合金相图
六、几种恒温转变对比
1、共晶转变：
L
（分解反应）
2、包晶转变：
L
（合成反应）
3、共析转变：
（分解反应）
谢 谢！
§4.1 固态合金的相结构
组元之间相互溶解——固溶体：铁素体(F)、奥氏体(A)
组元之间相互反应——金属化合物：渗碳体（Fe3C)
组元间既不溶解，也不反应——？？？？
三、机械混合物
珠光体：F＋Fe3C
§4.2 二元合金相图
相图：合金系中，相组成－合金成分－温度之间关系的图解。
一、相图的建立
热分析法测定相图：
强化效果：间隙固溶体＞置换固溶体
回忆：我们已 经学了几种强 化手段了？
§4.1 固态合金的相结构
二、金属化合物
合金组元间按一定比例发生相互反应而形成化合物 特点： 晶格类型与性能均不同于任一组元。 一般可用分子式表示，有些成分可在一定范围内变动。 具有一定的金属性质，又称金属化合物。 三高(高熔点、高硬度、高脆性)
区：
液相（L）区
固相（α）区
液固两相共存（L+ α）区
第04章 铁碳合金相图
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
4 铁碳合金相图
一、共析钢
1 C 2
•珠光体中铁素体与渗碳体的
相对量可用杠杆定律求得。
w FP SK 6.69 0.77 100%
PK 6.69 0.0218 88.8%
PS 0.77 - 0.0218
3
w Fe 3 C
PK 6.69 0.0218 11 .2 % (1 - w FP ) 100%
σb
750~900MPa
δ
20%~25%
αk
24~32J/㎝2
第四章 铁碳合金相图
硬度
180~280HBS
共晶转变与共析转变比较
相同点： • 在恒温下，由一相转变成两相混合物
不同点：
• 共晶转变——从液相发生转变；共晶体-莱氏体Ld；
• 共析转变——从固相发生转变；共析体-珠光体P；
• 由于原子在固态下扩散困难，故共析体比共晶体 更细密。
第四章 铁碳合金相图
二、下半部分图形-固态的相变
2.图中各线的分析
• PQ-碳在铁素体中固溶线，碳在铁素体中的最大溶解度是P 点，随着温度降低溶解度减小。从727℃到室温，铁素体中
溶碳量从wC=0.0218%减小到wC=0.0008%。
第四章 铁碳合金相图
三次渗碳体（Fe3CⅢ）——由727℃冷却到室温的过程中，过 剩的碳将以渗碳体形式从铁素体中析出，称为三次渗碳体。 一次渗碳体（Fe3CⅠ）——自液态合金中直接析出的渗碳体。 二次渗碳体（Fe3CⅡ）——自奥氏体中析出的渗碳体。
第四章 铁碳合金相图
三、渗碳体
σb
30MPa
δ
0%
αk
0J/㎝2
硬度
800HBW
• 渗碳体是指晶体点阵为正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种 具有复杂晶格的间隙化合物，用符号Fe3C表示。 • 其含碳量为wc=6.69%，熔点为1227℃，不发生同素异构转变， 有磁性转变，在230℃以下具有弱磁性，230℃以上失去铁磁 性。 • 渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被 其他金属原子置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金 渗碳体。 • Fe3C在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或块 状。在碳钢中起强化相，其形态与分布对钢的性能有很大影 响。在一定条件下会分解成石墨状的自由碳。
4铁碳合金相图及碳素钢
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈤ 共晶白口铁的结晶过程 • 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是
共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状。
Fe3C
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ与 共晶Fe3C 结合，不易分辨。
• 组织组成物与相组 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
+ Fe3C
+Fe3C相区中有七
个组织组成物区。
A
L+
H
温N 度
J
A
B
1.3.4 铁碳合金的结晶
L
A+
L+A
D E S
P A+ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
3
共晶白口铁组织金相图
1.3.4 铁碳合金的结晶
• ㈥ 亚共晶白口铁的结晶过程 • 合金在1~2点间析出 。到2点，液相成分变到C点,并转变为
Le。2~3点间从 中析出Fe3CⅡ，一次的 Fe3CⅡ被共晶 衬
托出来。到3点， 转变为P。
1.3.4 铁碳合金的结晶
• 亚共晶白口铁室温组织为
+Fe3C
⇄
1.3.4 铁碳合金的结晶
• （2）特征线 • a、 液相线—ABCD， • 固相线—AHJECF
• b、 三条水平线： • HJB：包晶线LB+δH⇄ J • ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C
第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图
第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图一、铁碳合金系组元的特性1、纯铁纯铁的同素异构转变金属在固态下，晶格类型随温度变化的现象。
重结晶δ－Ｆｅ。
α－Ｆｅ，γ－Ｆｅ2、碳石墨：六棱柱体0.142纳米0.34纳米耐高温导电润滑强度、硬度、塑性、韧性极低金刚石:正四面体共价键巴基球:60个碳原子12个五边形和20个六边形球面结构三维超导体非线性光学材料二、铁碳双重相图碳在铁碳合金中的存在形式固溶体渗碳体石墨Fe3C Fe2C FeCFe－Fe3C与Fe－G三、Ｆｅ－Fｅ３C相图的特征1、图中的基本相（1）铁素体：碳溶于α－Ｆｅ中形成的间隙固溶体。
Fα强度、硬度低，塑性、韧性高2、奥氏体：碳溶于γ－Ｆｅ中形成的固溶体。
Aγ强度、硬度不高，塑性很好3、渗碳体：铁和碳形成的金属化合物。
Fｅ３C4、δ固溶体：碳溶于δ －Ｆｅ中形成的间隙固溶体。
5、液相L第二节铁碳合金平衡结晶过程分析一、铁碳合金的分类（一）工业纯铁：C＜０．０２１８％（二）钢共析钢：C＝０．７７％亚共析钢：０．０２１８％＜C＜０．７７％过共析钢：０．７７％＜C＜２．１１％（三）白口铸铁共晶白口铸铁：C＝４．３％亚晶白口铸铁：２．１１％＜C＜４．３％过共晶白口铸铁：４．３％＜C＜６．６９％第四节碳钢一、钢铁材料的生产过程1、碳钢中的常存元素碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的、且对性能有一定影响其它元素，在碳钢中一般指：Si、Mn 冶金时自然存在对性能无不利影响而保留S、P 冶金时难以彻底清除而存在于钢中一般钢中大致含量：Si 0.25~0.30%Mn 0.25~0.50%S <0.05% P <=0.045 三、碳钢的分类、牌号及应用第四节碳钢1、碳钢的分类：按含碳量分：低碳钢WC 0.25％中碳钢0.25％< WC 0.6％高碳钢WC>0.6％按质量分：普通碳素钢WP 0.045％WS 0.055％优质碳素钢WP 0.040％WS 0.040％高级优质碳素钢WP 0.035％WS 0.030％2、碳钢的牌号及应用（1）普通碳素结构钢：五类２０种。
铁碳合金及碳钢
第一节 铁碳合金相图
• 一般控制在奥氏体区ＧＳ 线以上. 以免锻、轧时铁素体呈带状组织. 降低钢的韧性ꎻ 对于过共析钢. 则选择在ＥＳ 线以下某温度范围和Ｐ ＳＫ 线以上某温度范围. 其目的是打碎网状二次渗碳体. 锻、轧终止 温度不宜太高. 否则. 再结晶后奥氏体的晶粒粗大.使钢的性能变坏. 通 常各种碳钢的始锻温度为１ １５０℃ ~１ ２５０℃. 终锻温度为７５ ０℃ ~８５０℃.
％. 钢与生铁即以Ｅ 点含碳量为界. 凡含碳量小于２.１１％ 的铁碳合 金. 称为钢. 含碳量大于２. １１％ 的铁碳合金. 称为生铁.
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第一节 铁碳合金相图
• Ｃ 点为共晶点. 这点上的液态合金将在恒温下同时结晶出奥氏体和渗 碳体所组成的细密的机械混合物(共晶体).
• Ｐ 点为在７２７℃时碳在α － Ｆｅ 中最大溶解度. • Ｓ 点为共析点. 这点上的奥氏体将在恒温下同时析出铁素体和渗碳体
• 由图可见. 当钢的含碳量小于０.９％ 时. 随着含碳量的增加. 钢的强 度、硬度直线上升. 而塑性、韧性不断下降. 当钢中的含碳量大于０. ９％ 时. 虽然由于渗碳体增多而使硬度升高. 但由于渗碳体呈网状沿 晶界分布. 不仅使钢的塑性、韧性进一步降低. 而且强度也明显下降.
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第一节 铁碳合金相图
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第一节 铁碳合金相图
• (四) Ｆｅ － Ｆｅ３ Ｃ 相图 中铁碳合金的分类 • Ｆｅ － Ｆｅ３Ｃ 相图中. 不同成分的铁碳合金具有不同的显微组织和
性能. 通常. 根据相图纯铁中Ｐ 点和Ｅ 点. 可将铁碳合金分为三大类: 工业纯铁、碳钢和白口铸铁. • 二、典型铁碳合金的结晶过程分析 • 下面以几种典型的铁碳合金为例. 分析它们的结晶过程和冷却过程中 发生的平衡相变的规律. • １. 共析钢 • 图４ －２ 中的Ⅰ为含碳量０.７７％的铁碳合金的成分垂线. 温度在 １ 点以上. 合金保持均匀液相(Ｌ) 状态. 缓冷稍低于１ 点温度. 开始从 液相中结晶出奥氏体(Ａ).
第04章 铁碳合金
Fe-Fe3C合金相图
包晶反应，发生在高温，并且在随后的 冷却过程中组织还会发生变化，不作讨 论。
共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体， 记录Ld(Ledeburite)
共析反应，产物为两相层片交替分布的 共析体组织称为珠光体，记录 P(Pearlite)
工程材料学 12
第一节 铁碳合金系相图
2、相图中各点的参数及含义
J 温N A+ 度
A
A
H
L+
B
L L+A
D
L+ Fe3C
E S
P
G
F A+F
P
Q Fe
Ld A+ A+ Fe3CⅡ+Ld Le+ Fe3CⅠ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
F K
P+F
Ld’ P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ld’ Le’+ Fe3CⅠ
F+ Fe3C
C%
F+ Fe3CⅢ
工程材料学 24
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织转变
L → L＋A → A → F+A → F+P
工程材料学 25
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢的结晶过程
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织相对数量计算： 根据杠杆定律可以推得，P在钢中的相对量与钢的含碳量 x的近似关系是：WP＝ x / 0.77 ， WF＝1－WP
造等工艺依据。
工程材料学
4
第一节 铁碳合金系相图 铁。
第四章铁碳合金
第四章铁碳合金第四章铁碳合金第一节铁碳合金的组元与基本相（二）铁素体与奥氏体二、渗碳体Fe3C第二节Fe-Fe3C相图分析相图中点的含义A.三条水平恒温转变线①包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+δ0.09→α0.17（LB+δH→αJ）②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即：L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（Ledeburite），用Ld表示。
③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。
凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。
共析转变温度常用A1表示。
B.两条磁性转变线①230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。
常用A0表示②770℃为α的铁磁性转变线。
770℃以上无铁磁性，770℃以下为铁磁体。
常用A2表示C.几条重要的相界线(固态转变线)①GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时)γ的转变线。
常用A3表示。
因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析α相开始析出线。
常称为A3线或A3温度。
②E S线：C在γ中溶解度曲线。
常用Acm表示，称为Acm温度。
低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。
为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为二次Fe3C。
③PQ 线：C在α中溶解度曲线。
在727℃时，C在α中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，，称为三次Fe3C。
机械工程材料第四章铁碳合金相图
第四章铁碳合金相图教学目的及其要求通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。
主要内容1．铁碳合金的相组成2．铁碳合金相图及其应用3．碳钢的分类、编号及应用学时安排讲课4学时教学重点1．铁碳合金相图及应用2．典型合金的结晶过程分析教学难点铁碳合金相图的分析和应用。
教学过程第一节纯铁、铁碳合金中的相一、铁碳合金的组元铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。
由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。
碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。
二、铁碳合金中的基本相相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。
铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。
固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。
这也是碳在合金中的两种存在形式。
1．铁素体碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度低。
2．奥氏体碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。
3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。
渗碳体对合金性能的影响：（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。
（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。
二、两相机械混合物珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。
莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。
(4) 第4章 铁碳合金
室温，F中：C=0.0008%。
一定温度下，如F中含C量 〉溶解度时，多余的C 从F中以Fe3C形式析出，即A→Fe3CIII，称三次Fe3C。 因其数量少，常忽略。
●相区
5个单相区：L（ABCD以上）;δ（AHNA）;γ（NJESGN); α（GPQG）;Fe3C（DFK） 7个两相区：L + δ; L + Fe3C; L + γ; δ+γ;
最大溶碳量C = 2.11%(1148℃)； C= 0.77%（727℃）奥氏体的 性能：强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。
5. Fe3C相 Fe3C相是一个化合物相, 其晶体结构和性能 已于前述, 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、 粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
§2
注：C< 0.09%的合金不发生包晶转变，C = 0.53-2.11% 的合金也不发生包晶转变。
2）ECF（1148℃）——共晶转变线 在1148℃的恒温下，C = 4.3%的L相将发生共晶转变，生 成含C = 2.11%的奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其反应式 为： LC → （γE + Fe3C）或Ld 共晶转变所形成的共晶体(γE + Fe3C)称为莱氏体，以符 号Ld表示。故共晶转变反应式又可写为：
结晶过程见图：
亚共析钢结晶过程示意图
室温平衡组织：α + P F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时呈黑色块状。 钢的含碳量越高，则珠光体P数量越多，而先共析铁素体 α越少
亚共析钢的室温组织
(a)C=0.15% (b)C=0.40% (c)C=0.60%
组织组成物F和P的相对量：
组成相F和Fe3C的相对量；
γ+ Fe3C;