第三章 铁碳合金相图
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铁碳 合金相图
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。 ⑵ 钢(0.0218~2.11%C) 高温组
织为单相，易于变形， ① 亚共析钢(0.0218~0.77%C) ② 共析钢(0.77%C) ③ 过共析钢(0.77~2.11%C)
二、铁碳合金相图的分析
1、特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
J
N
L+
G
+
L
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
2、特征线 ⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD
⑵ 三条水平线：
HJB：包晶线LB+δH⇄ J
ECF：共晶线LC⇄ E+ Fe3C
莱氏体
共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用 Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F
相组成物：F，Fe3C
F%=
Fe3C%=
体温监测
学习目标
• 1、能阐述体温变化的临床意义 • 2、能掌握常用体温监测的方法 • 3、能选择正确的监测体温的方法 • 4、及时了解体温情况，为病情变化提供治疗
依据
体温是人体四大生命体征之一。
含1.4%C钢的组织
5．共晶白口铁（C%=4.3%）
L--->L+Le--->Le (A+Fe3C共晶)--->Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII)-->Le’(P+Fe3CII+Fe3C)
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。
铁碳合金相图详解
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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3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 -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3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2/m kg 3107.87⨯。
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：δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，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。
⑵C Fe 3 C Fe 3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。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3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
2020/5/12
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。
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
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
机械工程材料 第3章 铁碳合金相图及碳钢
P＋Fe3CⅡ＋Ld’
第二节 铁碳合金相图
3) 过共晶白口铸铁的结晶过程
Ld’＋Fe3CⅠ
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图
工业纯铁
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
第二节 铁碳合金相图
第二节 铁碳合金相图
3.2.3、铁碳合金含碳量与组织、性能的变化规律
第二节 铁碳合金相图
d -Fe1394°Cg -Fe912°Ca -Fe
● 晶格类型 bcc
fcc
bcc
● 致密度 0.68
0.74 →（胀大） 0.68
● 符合形核、长大结晶规律
● 转变过程恒温、可逆
纯铁在凝固后的冷却过程中，经两次同素异构转变后晶粒 得到细化，对于钢的性能提高具有十分重要的意义，是制 定热处理工艺和合金化的理论基础。
第一节 铁碳合金的相与组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢
第3章 铁碳合金相图及碳钢
重点：
1）铁碳合金相图的绘制 2）铁碳合金基本相与基本组织 3）碳素钢的牌号及应用
难点：
1）铁碳合金平衡结晶过程 2）铁碳合金相图的分析及应用
课时：
4 学时
第一节 铁碳合金的相与组织
3.1.1、纯铁的同素异构转变
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
第二节 铁碳合金相图
3) 过共晶白口铸铁的结晶过程
Ld’＋Fe3CⅠ
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图
工业纯铁
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
第二节 铁碳合金相图
第二节 铁碳合金相图
3.2.3、铁碳合金含碳量与组织、性能的变化规律
第二节 铁碳合金相图
d -Fe1394°Cg -Fe912°Ca -Fe
● 晶格类型 bcc
fcc
bcc
● 致密度 0.68
0.74 →（胀大） 0.68
● 符合形核、长大结晶规律
● 转变过程恒温、可逆
纯铁在凝固后的冷却过程中，经两次同素异构转变后晶粒 得到细化，对于钢的性能提高具有十分重要的意义，是制 定热处理工艺和合金化的理论基础。
第一节 铁碳合金的相与组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢
第3章 铁碳合金相图及碳钢
重点：
1）铁碳合金相图的绘制 2）铁碳合金基本相与基本组织 3）碳素钢的牌号及应用
难点：
1）铁碳合金平衡结晶过程 2）铁碳合金相图的分析及应用
课时：
4 学时
第一节 铁碳合金的相与组织
3.1.1、纯铁的同素异构转变
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
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
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
第三章 铁碳相图
铁碳相图的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用，对指导铸锻焊 和热处理工艺有直接意义。 1. 铸造方面 可根据相图上液相线确定铸件的合理浇 注温度。一般选在液相线以上 50-150℃，共晶成 分铸铁铸造性能好。 2. 锻压方面 从相图可以知道把钢加热到A3和Acm线 之上都会变成单相奥氏体。奥氏体钢塑性好，强 度较低，适用于变形量大的热变形加工。 3. 焊接方面 可根据铁碳相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊 接应力。 4. 热处理方面 相图中的A1，A3和Acm三条相变线是 确定热处理工艺加热温度的依据。
2、碳的质量分数对平衡状态下碳钢机械性能的影响
1、硬度随含碳量 的增加而增加 2、强度随含碳量 的增加而增加， 到0.9%左右达到 最大，而后下降。 3、塑性、韧性随 含碳量的增加而 下降。
名称
组织
性能
铁素体 F/α相 奥氏体 A/γ相 珠光体 P 渗碳体 Fe3C
莱氏体 Ld 变态莱氏 体L’d
室温下各种相的相对含量，同理可求。
小结：标注组织的铁碳相图
小结：标注组织的铁碳相图
Ld
Ld
Ld
Ld′
Ld′
Ld′
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
铁碳合金的成分-组织-性能关系
三、铁碳合金的成分-组织-性能关系
1、碳的质量分数对平衡组织的影响
6.69 - 5 L'd % 100 % 70.7% 6.69 - 4.3 5 4.3 Fe3C(%) 100 % 29.3% 6.69 - 4.3
6.69 - 5 F% 100 % 25.3% 6.69 - 0.0218 5 0.0218 Fe3C(%) 100 % 74.7% 6.69 - 0.0218
第三章 铁碳合金相图
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：
0.77%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
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5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体
第3章+铁碳合金相图及钢的热处理
图3.27 加热温度对晶粒尺寸的影响 l一本质粗晶粒钢；2一本质细晶粒钢
基本概念 1. 过冷奥氏体等温转变图 2. 过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT图) 珠光体类型组织 3. 过冷奥氏体的转变产物及性能 马氏体类型组织 贝氏体类型组织
钢在奥氏体化后的冷却 过程决定了冷却后钢的 组织类型和性能。 钢在奥氏体化后的冷却 方式通常分为两种：一 种是连续冷却；另一种 是等温处理 。 过冷奥氏体的转变可分 为三种基本类型，即珠 光体型转变(扩散型转 变)、贝氏体型转变(过 渡型或半扩散型转变)和 马氏体型转变(无扩散型 转变)。
2)亚共析钢(Ⅱ)
鉴于铁素体中的含碳量很少，通常用下式来估算亚共 析钢的含碳量： wC 0.8% QP (珠光体相对量)
图3.11 亚共析钢显微组织
3)过共析钢 ( Ⅲ )
~ 2' '~ 3 A 1~2 A Fe3C 2 A0.8% Fe3C P(F0.02% Fe3C) 2 P Fe3C (网状）
钢中马氏体一般有两种形态：
a)板条马氏体
b)片状马氏体 图3.33 马氏体显微组织
马氏体的力学性能特点是高硬度。
高碳马氏体具有高硬度，但塑性、韧性很低，脆性大， 而且马氏体片越粗大脆性也越大。 低碳马氏体具有较高的强度和韧性
图--- 碳钢含碳量与马氏体硬度的关系
贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体(或碳化物)组 成的两相混合物。 贝氏体一般分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)两种
共析转变产物称为珠光体，用P表示。
a)
b) 图3.4 Mn（Ni）、Cr（Mo）对铁碳合金相图的影响
第三章-铁碳合金相图【详解版】
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
• ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
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4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。
＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
1
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• 三、 含碳量对工艺性能的影响
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2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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20钢组织
40钢组织
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• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
60钢组织
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bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
第三章 铁碳相图
A
E
1148℃
( A+Fe3C )
S A+F F P ( F+ Fe3C )
A+ Fe3CⅡ
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C
K
Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C
P
Q P+F P+Fe3CⅡ 0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
基本相 定义 力学性能 溶碳量
铁素体 碳在α-Fe中 强度,硬度低, 最大为 F 的间隙固溶体 塑性,韧性高 0.0218% 奥氏体 碳在γ-Fe中 强度,硬度较 最大为 A 的间隙固溶体 低,塑性,韧性 2.11% 较高 渗碳体 Fe与C的金属 硬而脆 6.69% Fe3C 化合物
奥氏体组织金相图
作 业
义，并填写各区域组织。
三
1.默画简化的 Fe－Fe3C相图，说明相图中各特性点、线的含
2.含碳量分别为0.20％，0.45％，0.80％，1.3％的碳钢，自 液态缓冷至室温后，所得组织有何区别？并定性地比较这四种 钢的σ b和HRC 。
含碳量
室温组织 σb HRC
0.20％
0.45％
0.80％
第三章 铁碳合金相图
纯铁的同素异构转变 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。 Fe - Fe3C 相图的应用。
第一节 铁碳合金的组元与基本相
1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1538℃ 1394℃
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二.制定热加工工艺方面的应用
钢铁的冶炼
铸铁锭 高炉 炼铁 炼钢生铁
生产铸铁件
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
电弧炉炼钢
1.炼铁的冶金反应特点: 1.炼铁的冶金反应特点 炼铁的冶金反应特点: 还原反应
Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe
高温 CO气体 气体
2.炼钢的冶金反应特点: 2.炼钢的冶金反应特点 炼钢的冶金反应特点:
第三章
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铁碳合金相图
纯铁的同素异晶转变 Fe – C 相图的基础知识。 相图的基础知识。 形成Fe 相图组元和基本组织的结构与性能。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响。 Fe - Fe3C 相图的应用。 相图的应用。
一.选择材料方面的应用
1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金成分、 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金成分、 组织、性能之间的变化规律进行选择材料。 组织、性能之间的变化规律进行选择材料。
2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化 根据铁碳合金成分、组织、 确定选定材料的工作范围。 规律 , 确定选定材料的工作范围。
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% ) 6.亚共晶白口铁
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% ) 7.过共晶白口铁
过共晶白口铁组织金相图
组织组成物: 组织组成物 F ; P 0.77-0.45 F= ×100%=43% 0.77-0.02 0.45-0.02 P=
A
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
P+Fe3CⅡ Q P+F 0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
• • • •
五个重要的成份点: P、 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式。 两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
氧化反应
炼钢生铁
氧化反应
钢
1.镇静钢 ( killed steel ) 1.镇静钢
钢液在浇注前用锰铁、 钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧 ,Wo = 浇注前用锰铁 0.01%左右 成分较均匀、组织较致密。 0.01%左右, 成分较均匀、组织较致密。主要用于机械 左右, 性能要求较高的零件 2.沸腾钢 ( boiling steel ) 沸腾钢 钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧 钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo = 0.03%～0.07%, ～ 浇注仅前进行轻度假脱氧 成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀, 成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀 冲击 韧 性差, 常用于要求不高的零件。 性差 常用于要求不高的零件。 3.半镇静钢 ( balanced steel ) 半镇静钢 半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢 脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用 半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢 是用 锰铁和硅铁进 行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢 可代替部分镇静钢,一般 行脱氧。其质量也介于二者之间 可代替部分镇静钢 一般 不适于做重要零件。 不适于做重要零件。
0.02 0.45 0.77 6.69
×100% = 57%
P = 1 – WF = 57%
0.77-0.02 相组成物: F ; Fe3C 相组成物 6.69-0.45 F= ×100% = 94% Fe3C = 1 - WF = 6% 6.69-0.02
第四节 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影 碳的质量分数对铁碳合金组织、 响
1.铁素体 ( F ) 1.铁素体
碳溶于α Fe中的间隙固 碳溶于α–Fe中的间隙固 溶 体。
2.奥氏体 ( A ) 奥氏体 碳溶于γ-Fe中形成 中形成 碳溶于 的间隙固溶体。 的间隙固溶体。
奥氏体组织金相图
3. 渗碳体 ( Fe3C ) 铁与碳形成的金 属化合物。 属化合物。
渗碳体组织金相图
Fe - Fe3C 相图
T° °
Fe
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
L
1148℃ C
共晶相图
D L+ Fe3CⅠ F Ld+Fe3CⅠ 727℃ K Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C
G 共析相图
A
E A+ Fe3CⅡ
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C
1.纯铁的 1.纯铁的的同素异晶转变 纯铁的的同素异晶转变
1394 °C 912 °C
δ - Fe
体心立方
γ - Fe
面心立方
α - Fe
密排六方
纯铁的冷却曲线
温 度 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1534℃ ℃ 1394℃ ℃
• • • • • • •
工业纯铁 ( ingot iron ) ( eutectoid steel ) 共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 亚共析钢 ( hypereutectoid steel ) 过共析钢 共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 亚共晶白口铁( 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁( 过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
。
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
P+Fe3CⅡ Q P+F 0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
Fe - Fe3C 相图
A T°
L L+A
G E A+ Fe3CⅡ 1148℃ C ( A+Fe3C )
D L+ Fe3CⅠ F Ld+Fe3CⅠ 727℃ K Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C
δ - Fe γ - Fe
912℃ ℃
α - Fe
2.Fe2.Fe- C相图
温 度
Fe
Fe3C Fe2C (6.69%C)
FeC
C
第二节 形成Fe 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结构与性 能
一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
二.基本组织
4.珠光体 ( P ) 4.珠光体
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
5.莱氏体 ( Ld ) 5.莱氏体
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
第 三 节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析
一.Fe - Fe3C 相图的建立
共晶反应相图 共析反应相图
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% ) 1.工业纯铁
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相 图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% ) 3.亚共析钢
亚共析钢组织金相图
4.过共析钢 ( Wc = 1.2% ) 4.过共析钢
过共析钢组织金相图
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% ) 5.共晶白口铁
1.包晶转变反应式 包晶转变反应式: 包晶转变反应式
LB + δH
1148℃ ℃
1495℃ ℃
AJ
2.共晶转变反应式 共晶转变反应式: 共晶转变反应式
LC
( AE + Fe3C )
Le
3.共析转变反应式 共析转变反应式: 共析转变反应式
AS
727℃ ℃
( FP + Fe3C )
P
三.典型铁碳合金的结晶过程分析
第一节 Fe - C相图的基础知识
1.纯铁的同素异晶转变 1.纯铁的同素异晶转变
2.铁与碳可以形成 2.铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合 FeC等一系列化合 物。
3.稳定的化合物可以作为一个独的组元。 3.稳定的化合物可以作为一个独的组元。 稳定的化合物可以作为一个独的组元 4.Fe – C 二元相图。
三.碳的质量分数对工艺性能的影响
• • • •
对铸造性能的影响。 铸造性能的影响。 的影响 锻造性能的影响 的影响。 对锻造性能的影响。 焊接性能的影响 的影响。 对焊接性能的影响。 切削加工性能的影响 的影响。 对切削加工性能的影响。
第五节 Fe - Fe3C 相图的应用
选择材料方面的应用
制定热加工工艺方面的应用
• 碳的质量分数对平衡组织的影响。 碳的质量分数对平衡组织的影响。 平衡组织的影响 • 碳的质量分数对力学性能的影响。 碳的质量分数对力学性能的影响。 力学性能的影响 • 碳的质量分数对工艺性能的影响。 碳的质量分数对工艺性能的影响。 工艺性能的影响
一.碳的质量分数对平衡组织的影响
二.碳的质量分数 对 力学性能的影响