汽车材料3 金属与合金的结构及铁碳状态图
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
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
铁碳合金的基本组织及合金相图分析
Lc
Ld（A+Fe3C）
精选ppt
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模块二 金属学的基本知识
PSK：共析线，含C量在0.0218 % --6.69%的 铁碳合金至此反生共析转变，产生珠光体P ， 又称A1线。
727ºC
As P(F+Fe3C) E二S：次C渗在碳γ体-F析e中出的。溶解度曲线，又称Acm线。
GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入
课题五 铁碳合金相图
引言： 关于铁碳合金状态图
1、概念：表示铁碳合金在不同成分和不同温度下 的 组织、性能以及它们之间相互关系的图形，又称铁 碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法 建立起来的。 2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压 力加工和热处理等工艺的重要工具。 3F、eCF、e-CF相eC图-C包等括几：部F分e-。Fe仅3C研、究FFee3C-F-eF3eC2C。、 Fe2C-
A，又称A3线。
PQ ： C在α-Fe中的溶解度曲线，三次渗碳体 析出。
精选ppt
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模块二 金属学的基本知识
5、相区及其组织 4个单相区、5个两相区、2个三相共存线
1）4个单相区：
①液相区ACD线以上区域：L
②AESGA区：A
③GPQG区：F
④DFK直线区：Fe3C
2）5个单相区：
①ACEA区域：L+A
精选ppt
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模块二 金属学的基本知识
4、特性线
ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加
热至此全部转化为液相。冷至AC线开始结晶出A； 冷至CD线，开始结晶出一次渗碳体。
AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相， 固相加热至此开始转化为液相。反应式：
《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
03 铁碳合金相图
二、铁碳合金的基本相
1.铁素体 ( F或α )
碳溶于α–Fe中的间隙 固溶体，呈体心立方晶格 ， 它的晶格间隙小，因而溶解 碳的能力较低。在727℃时 溶碳量最大，可达0.0218％。 随着温度的降低，它的溶碳 能力继续降低，在室温约为 0.0008％。 铁素体的组织为多边形 晶粒，性能与纯铁相似,即 铁素体的强度、硬度不高， 但塑性、韧性良好。
S ⇄FP+ Fe3C
• ⑶ 其它相线
3、铁碳合金状态图中的相区
（1）五个单相区 ABCD线以上的液相区（L）；AHNA线围着的δ固溶体相 区（δ）；NJESGN线围着的奥氏体相区（A）；GPQG 线围着的铁素体相区（F）；DFKL线垂线代表的渗碳体 相区（Fe3C）。 （2）七个双相区 ABＨA线围着的L+δ相区；JBCEJ线围着的L+A相区； DCFD线围着的L+Fe3CⅠ相区；HJNH线围着的δ+A相区； EFKSE线围着的A+Fe3C相区；GSPG线围着的A+F相区； QPSKLQ线围着的F+Fe3C相区。 （3）三个三相共存区 HJB线为L 、δ、A三相区；ECF线为L、A、Fe3C三相区； PSK线为A、F、Fe3C三相区。
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
铁碳合金相图是
研究铁碳合金最 基本的工具，是 研究碳钢和铸铁 的成分、温度、
组织及性能之间
关系的理论基础,
是制定热加工、
热处理、冶炼和
铸造等工艺依据.
2.5.2 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本相的结构与性能
一、组元
* 铁 (Fe)
机械性能特点是强度、硬度低，塑性 好 * 渗碳体 (Fe3C ) 机械性能特点硬而脆
铁碳合金状态图中主要特性点的含义
Fe-Fe3C状态图特性点符号温度/℃含碳量/% 含义A 1538 0 纯铁熔点C 1148 共晶点LC→A E+Fe3CD 1227 渗碳体的熔点E 1148 碳在γ-Fe中的最大溶解度G 912 0 纯铁的同素异构转变点α-Fe→γ-FeS 727 共析点As→Fp+Fe3CP 727 碳在α-Fe中的最大溶解度Q 室温室温时碳在α-Fe中的溶解度ACD为液相线，此线以上的合金为液态，冷却到此线开始结晶。
AECF为固相线，此线以下的合金为固态，合金加热此线开始熔化。
GS是冷却时从不同含碳量的奥氏体中开始析出铁素体的温度线，又称A3线。
ES是碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线。
ECF线是共晶线，含碳量大于%的铁碳合金冷却至此温度线（1148℃），在恒温下发生共晶转变，即从液态合金中结晶奥氏体和渗碳体晶体的机械混合物，故此线是一条水平线。
PSK是共析线，又称A1线。
Wc=%的奥氏体，冷却至此线（727℃），在恒温下同时析出铁素体和渗碳体晶体的机械混合物成为共析体，称为珠光体。
含量在%—%之间的所有铁碳合金，缓慢冷却到PSK线，都会在恒温下发生共析反应，生成一定数量的珠光体。
共晶转变Wc=%的液相在1148℃温度下，同时结晶处含碳量为%的奥氏体和含碳量为%的渗碳体，这种转变叫做共晶转变。
共析转变Wc=%的奥氏体，在727℃（723℃）温度下，同时析出铁素体与渗碳体，这种转变为共析转变。
平衡组织根据常温下的平衡组织又可分为三类：（1）亚共析钢—含碳量%%之间的铁素体+珠光体；（2）共析钢—含碳量%的珠光体；（3）过共析钢—含碳量%之间的珠光体+渗碳体Ⅱ。
白口铸铁含碳量%%，根据常温组织也可分为三种：（1）亚共晶白口铸铁（C<%）：珠光体+渗碳体Ⅱ+莱氏体；（2）共晶白口铸铁（C=%）：莱氏体；（3）过共晶白口铸铁（C>%）：莱氏体+渗碳体Ⅰ。
发生相变转变的温度成为临界点：Ac1—加热时，珠光体转变为奥氏体温度；Ac3—加热时，铁素体转变为奥氏体的终了温度；Accm—加热时，二次渗碳体在奥氏体中溶解的终了温度；Ar1—冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度；Ar3—冷却时，奥氏体转变为铁素体的开始温度；Arcm—冷却时，二次渗碳体从奥氏体中析出的开始温度。
chapter-3-1(材料科学基础)
• 相：合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成 部分。 • 大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体， 因此只具有一个液相。 • 在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中 可能会出现不同的相结构。 • 根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可 以分为两类：固溶体和金属间化合物。 固溶体：solid solution 置换式： 间隙式：
硬度和强度低，但塑性和韧性好。 奥氏体 (A: austenite)： 碳溶解在-铁中的间隙固溶体， -铁是面心立 方结构，碳在-铁中的溶解度比在-铁中大，C%2.11%（1148℃） 塑性和可锻性好。 渗碳体（cementite）：铁和碳以稳定化合物形态Fe3C出现的碳化铁,含 碳量为6.67％，晶体结构很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性 几乎为零，脆性极大。
(2)
(3)
(4)
马氏体 （Martensite）：钢和铁从高温奥氏体状态急冷 （淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体，称为马氏 体。马氏体和奥氏体具有同样的化学成分。在马氏体转 变过程中，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成 体心立方晶格。马氏体是非平衡组织，具有很高的硬度 和强度。
(5) 珠光体 （P: pearlitic) 铁素体和渗碳体二者组成的机械 混合物； (6) 莱氏体（Le）：奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混 合物）；
补充：
吸热合金Ni-Cu 放热合金Pd-Ag 通过测定Ni和Pd在形成合金前后的d带空穴数，可以推测 这两种合金不同的结构方式：前者以Ni-Ni和Cu-Cu为主，Ni 的d带空穴数没明显变化；后者以Pd-Ag为主，Pd的d带空穴 数有很大变化。 电子化合物一般具有很高的熔点和硬度，并有导电性
Interstitial compound C 间隙化合物：
3-2晶体结构与铁碳相图
§3-2晶体结构与铁碳相图
知识梳理
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知识要点
学习目标
题解析
一、晶体结构与晶体 二、金属晶体与结晶 三、常见金属的晶体结构 四、合金的晶体结构
五、铁碳合金与铁碳相图
1材料力学基础知识
1、了解晶体、金属晶体的结构。 2、掌握科学分析铁碳相图。
一、晶体与非晶体 存在状态
气态
物质
液态
固态
（结构特点） 晶体
七、合金的基本组织 马氏体：碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，体心正方结构；
常见的马氏体形态：板条、片状；
板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多成群的、相互平行排列的板条所组成的板条束。 空间形状是扁条状的，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）；
片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中；当最大尺寸的马氏体片 小到光学显微镜无法分辨时，便称为隐晶马氏体。在生产中正常淬火得到的马氏体，一般都是隐 晶马氏体。
正是由于铁能够发生同素异构转变，才能使钢铁通过热处理的方法改变其组织和性能。
六、合金的结构种类 概念 合金：是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。 例：碳钢是铁和碳组成的合金。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般来说，组元就 是组成合金的元素。
晶格为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，将原子简化为一个质点，
再用假想的线将它们连接起来，形成一个能反映原子排列规律的空间格架
晶胞——晶格中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单元。
体心立方晶格：立方中心还有一个原子
铬、钒、钨、钼和a-铁
面心立方晶格：六个面中心各有一个原子
(完整版)铁碳合金相图(一)
理论课教案2、纯铁的同素异构转变(1)金属的晶格体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格(2)纯铁的同素异构转变同素异构转变的概论：金属在固态下，随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变。
具有同素异构转变的金属有：铁、钻、钛、锡、锰等。
引导学生分析寸铁的冷却过程纯铁的冷却曲线1394 CS — Fe体心立方晶格Y — Fe面心立方晶格3、铁碳合金的基本组织与性能(1) 铁素体：概念：碳溶解在a -Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体。
符号：F 体心立方晶格 存在温度区间：室温 912C溶解能力：溶解度很小，在7270C 时，碳在a -Fe 中的最大 溶碳量为0.0218%,随温度的降低逐渐减小。
性能：由于铁素体的含碳量低，所以铁素体的性能与纯铁相 似。
即有良好的塑性和韧性，强度和硬较低。
(2) 奥氏体：概念：碳溶解在丫一 Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
符号：A面心立方晶格存在温度区间：大于727C溶碳能力：较强。
在11480C 时可溶C 为2.11%,在7270C 时，可溶 C 为0.77%。
(0.0218% ——2.11%)性能：强度、硬度不高，具有良好的塑性，是绝大多数钢在 高温进行锻造和扎制时所要求的组织。
(3) 渗碳体：概念：含碳量为6.69%的铁与碳的金属化合物。
符号：Fe3C复杂的斜方晶体存在温度区间：室温 ------ 1148C 溶碳能力： C=6.69%912 C体心立方晶格结合纯铁 冷却曲线 得到铁碳 合金五种 组织。
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℃L4.3 → A2.11+ 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℃A0.77→ F0.0218 + 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0.0218%.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0.001%.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（<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+FL → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) → Ld(A+Fe3C+ Fe3CⅡ) → Ld′(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)5、亚共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + A → Ld+A+ Fe3CⅡ→ Ld′+P+ Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L → Ld(A+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≤2.11%，并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。
铁碳合金相图
线缺陷
线缺陷是指晶体内沿某一条线附近原子的排列偏离了完整晶格 所形成的线形缺陷区，常见的线缺陷是线位错。
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面缺陷
面缺陷的种类繁多，金属晶体中的面缺陷主要有两 种：晶界和亚晶界 。结构复杂，对于晶体的物理 性能有着广泛的影响。
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金属的结晶过程
结晶 金属自液态经冷却转变为固态的过程称为金属的 结晶。金属结晶后形成的组织影响金属材料的性能。
二、铁碳合金的基本组织
晶格结构：面心立方晶格
2.奥氏体
奥氏体是碳在 γ-Fe 中的间隙固 溶体，用 A 或 γ 表示。
最大溶解度：2.11% （1148℃）
性能组织：强度、硬度不
高，塑性好，适用于锻造
奥氏体的显微组织
二、铁碳合金的基本组织
3.渗碳体
渗碳体是铁与碳形成的 金属化合物，用 Fe-3C 表示， 属于斜方晶格，其碳的质量 分数为 6.69%，熔点为 1227 ℃，硬度很高，塑性、 韧性几乎为零，极脆。
④ 溶解度点： E：碳在γ铁中的最大溶解度 P：碳在α铁中的最大溶解度 Q：碳在α铁中的溶解度 ⑤ 同素异晶转变点： G：α— Fe
γ— Fe
2）相图中的特征线
：
① 液相线： ACD线：结晶出Fe3CⅠ
② 固相线： AECF线：全部结晶为固相
③ 共晶线(ECF)：含C量2.11 % --6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出
A与Fe3C混合物---莱氏体Ld
④ 共析线（PSK）：共析线，含C量在0.0218 % --6.69%
的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。
⑤ 碳在γ铁中的溶解度曲线（Acm线）：ES线 ⑥ 碳在α铁中的溶解度曲线：PQ线 ⑦ GS线（A3线）：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线 ⑧ GP线： A F 转变线终结线