金属材料及热处理第三章

L′d（P+ Fe3CⅡ）
《金属材料与热处理》
共晶白口铁组织金相图
珠光体
《金属材料与热处理》
渗碳体
5、亚共晶白口铸铁
A 1538℃
T
L+A
G
912℃ F
A
A+F
S
P
P Q F+ Fe3CⅢ P+F
E A+ Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ
1
L
2 1148℃ C
Ld A+Ld+Fe3CⅡ
3 727℃
P+Ld’+Fe3CⅡ
亮白色渗碳体
暗黑色斑点及细 条状为珠光体
性能：与渗碳体相似， 即硬度高，塑性差
《金属材料与热处理》
二、铁碳合金相图 1、铁碳合金相图的概念 铁碳合金相图——表示在缓慢冷却（或缓慢加 热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组 织随温度变化的图形。 铁碳合金相图意义：是研究铁碳合金的基础， 是研究铁碳合金的成分、温度和组织结构之间关 系的图形。
温度t/ ℃
1538 1227 1148
727 1148 727 912 室温
含碳量 wc%
0 6.69 0.77 4.3 2.11 0.0218
0 0.006
含义
纯铁的熔点
渗碳体的熔点
共晶点
共析点
碳在奥氏体中的最大溶解度
碳在铁素体中的最大溶解度
α -Te
γ -Te同素异晶转 变
碳在铁素体中的溶解度
第三章 合金
数控技术应用系
《金属材料与热处理》
目录
CONTENTS
01
合金的基本 组织与性能
02
铁碳合金相图
《金属材料与热处理》
金属材料概述
以铁及以铁碳为 主的合金（钢铁）
其他金属及 其合金
《金属材料与热处理》
Part.01
合金的基本 组织与性能
《金属材料与热处理》
一、合金的基本概念
合金——以一种金属为基础，加入其他金属或非金属， 经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两 种或两种以上的元素所组成的金属材料。 组元——组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在 的元物质，简称元。 相——合金中成分、结构及性能相同的组成部分。 组织——合金中不同相之间相互组合配置的状态。换言 之，数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的 组织。
铁素体（F）
固溶体
奥氏体（A）
渗碳体（Fe3C或Cm） 化合物
珠光体（P） 莱氏体（Ld）
混合物
《金属材料与热处理》
一、铁素体（F）
铁素体（F）：碳溶解在α —Fe中形成的间隙固溶 体，用符号 F 表示。
铁素体的晶胞示意图
铁素体的显微组织
特点：溶碳能力很 低，600℃ 溶碳量 0.008% ；727℃溶 碳量0.0218%。
A2.11%c
727 ℃ F+Fe3C
共析反应的产物即珠光体 P＝F+Fe3C
《金属材料与热处理》
三、铁碳合金的分类
工业 含碳量小于0.02%的铁碳合金。 纯铁
含碳量为0.02%—2.11%的铁碳合金
铁 碳钢 合 金
共析钢： 含碳量为0.77%; 亚共析钢：含碳量在0.02%—0.77%之间； 过共析钢：含碳量在0.77%—2.11%之间；
渗碳体的晶胞示意图
性能：硬度很高， 脆性很大，塑性 极差
组织：常以片状、 球（粒）状和网状 等不同形态存在
《金属材料与热处理》
四、珠光体（P）
珠光体：铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。
特点：ωc =0.77%
电子显微镜观察组织
性能：介于铁素 体与渗碳体之间， 即综合性能良好
组织：呈块状分布 的白亮部分即是铁 素体 ，黑色部分为 渗碳体组织
料强度、强硬化度金提属高三的方现象法称：为变固形溶强强化化。、固溶强化、 热处理。于有色金属来说，固溶强化是最 主要的强化方法。
间隙固溶体
置换固溶体 《金属材料与热处理》
2．金属化合物
金属化合物：在 合金中，构成的组元 相互作用，生成不同 与任何组元晶体结构 的有金属特性的新物 质。 金属化合物的特点：高 熔点、高硬度、高脆性 和良好的化学稳定性。
性能：有一定的 强度和硬度，塑 性和韧性好，适 于进行锻压加工
组织：与铁素体相 似，晶粒呈多边形， 但晶界较铁素体平 直
《金属材料与热处理》
三、渗碳体（Fe3C或Cm）
渗碳体：含碳量为6.69％的铁与碳的金属化合 物，其化学式为Fe3C。
片状 Fe3C
特点： ωc =6.69%， 熔点为1227℃
G
F
A+F
P
3 4
S
Q F+ P+F P Fe3CⅢ
Fe 0.0218 0.77
L+A E
A+ Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ
2.11
L
1148℃
C
A+Ld+Fe3CⅡ
727℃
Ld
L d P+Ld’+Fe3CⅡ ′ 4.3
1227℃ D
L+ Fe3CⅠ
F
Ld+Fe3CⅠ
K
L′d+Fe3CⅠ
Fe3C
L 1 L+A 2 A 3 A+F 4 P+F
白口 铸铁
晶白口铸铁： 含碳量为4.3%; 亚共晶白口铸铁：含碳量在2.11%—4.3%之间； 过共晶白口铸铁：含碳量在4.3%—6.69%之间；
含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金
《金属材料与热处理》
小练习：在图上标注出各类铁碳合金
A 1538℃
T° L+A
G 912℃
A
A+F
S
F
P
Q
F+
P+F
A
F A+F
S
E
A+ Fe3CⅡ
P
Q F+
P P+F
P+Fe3CⅡ
Fe3CⅢ
1148℃
C
Ld A+Ld+Fe3CⅡ
727℃
L d P+Ld’+Fe3CⅡ
′
L+ Fe3CⅠ Ld+Fe3CⅠ
1227℃ D
过 Fe3C
共 晶 铸 铁
《金属材料与热处理》
四、典型铁碳合金结晶过程分析
《金属材料与热处理》
1、共析钢
A 1538℃
1
L
T
912℃
G
A
F A+F S
2 L+A
E
3
A+ Fe3CⅡ
1148℃
C
Ld A+Ld+Fe3CⅡ
727℃
Q
F+Fe3CⅢ
P
P P+F P+Fe3CⅡ
L d P+Ld’+Fe3CⅡ ′
性能：与纯铁相似， 组织：呈明亮的多
强度、硬度低，而 边形晶粒，晶界曲
塑性和韧性好
折
《金属材料与热处理》
二、奥氏体（A）
奥氏体（A）：碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体， 用符号A表示。
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
特点：溶碳能力比 铁素体高，727℃溶 碳量0.77%，1148℃ 溶碳量2.11%
《金属材料与热处理》
A
T°
3、铁碳合金相图的特性线
E
C
G
S
QP
Fe
《金属材料与热处理》
D
F K
Fe3C
铁碳合金相图的特性线解读
ACD线—液相线
是不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。
AECF线—固相线 止线。
各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终
ECF水平线—共晶线 含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时， 在1148 ℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此 反应称为共晶反应。
《金属材料与热处理》
简化后的Fe－Fe3C相图
《金属材料与热处理》
2、铁碳合金相图的特性点
A 1538℃
T
G
912℃
S
QP
E 1148℃
C
727℃
Fe 0.0218 0.77
2.11
4.3
《金属材料与热处理》
1227℃ D
F K
Fe3C
铁碳合金相图的特性点解读
特性点的 符号
A D C S E P G Q
L′d
1227℃ D L+ Fe3CⅠ
F
Ld+Fe3CⅠ K
L′d+Fe3CⅠ
Fe0.0218 0.77
L1
2.11
4.3
2
3
L+A
A+Ld+Fe3CⅡ
《金属材料与热处理》
Fe3C P+Ld’+Fe3CⅡ
亚共晶白口铁组织金相图
《金属材料与热处理》
6、过共晶白口铸铁
A 1538℃
T°
L+A
L
G 912℃
《金属材料与热处理》
五、莱氏体（Ld）
莱氏体：奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。
高温莱氏体Ld——ωc=4.3%的 合金，缓慢冷却到1148℃时
从液相中同时结晶出奥氏体
和渗碳体的共晶组织用符号
Ld表示。
低温莱氏体的显微组织
低温莱氏体L′d ——室温下的 莱氏体，由珠光体和渗碳体
组成，用符号L′d 表示。
P
Fe3CⅢ
Fe工0.0218
亚
0.77
共
业 共析
纯 析钢
铁钢
E A+ Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ
2.11
#43;Ld+Fe3CⅡ
Ld
727℃
L d P+Ld’+Fe3CⅡ ′
4.3
亚
共
共
晶
晶 铸 铁
白 中 铸 铁
1227℃ D L+ Fe3CⅠ
F Ld+Fe3CⅠ
K L′d+Fe3CⅠ
L1+2F2e73℃CⅠ D F
Ld+Fe3CⅠ
K
L′d+Fe3CⅠ
Fe0.0218 0.77
2.11
4.3
L
1 L+A 2
A
3 A+ 4
Fe3CⅡ
《金属材料与热处理》
Fe3C
P+ Fe3CⅡ
过共析钢组织金相图
《金属材料与热处理》
亮白色为 渗碳体
珠光体
4、共晶白口铸铁
A 1538℃
L
T°
G 912℃
A
F A+F
S
L+A
E
A+ Fe3CⅡ
1148℃
A+Ld+Fe3CⅡ
727℃
P
Q F+
P+F
Fe3CⅢ
P P+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ
C1
Ld
2
L′d
1227℃
D
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
K
L′d+Fe3CⅠ
Fe0.0218 0.77
2.11
4.3
Fe3C
L
1 Ld （A+ 2
Fe3CⅡ）
《金属材料与热处理》
亚共析钢组织金相图
亮白色为 铁素体
《金属材料与热处理》
珠光体
3、过共析钢
A 1538℃
T°
1
2 L+A
A G 912℃
E
3 A+
A+F F
S 4 Fe3CⅡ
P
Q F+
P P+F
P+Fe3CⅡ
Fe3CⅢ
L
1148℃
C
A+Ld+Fe3CⅡ
Ld
727℃
L d′
P+Ld’+Fe3CⅡ
《金属材料与热处理》
合金的基本概念解析
元素1
元素2
元素…
至少有一种是金属元素
具有金属特 性的物质
合金
组元
元素 化合物
二元合金、三元合金及多元合金
合金中成分、结构
相 及性能相同的组成
部分。如α -Fe、 γ -Fe。
-Fe
-Fe
《金属材料与热处理》
组织——合金中不同相之间相互组合配置的状态。
换言之，数量、大小和分布方式不同的相构成了合
PSK水平线—共析线（A1线）
含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此
线时，在727 ℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称
为共析反应。
GS线—（A3线）
是冷却时奥氏体转变为铁素体的开始线。
ES线—称Acm线
是碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却
时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。
《金属材料与热处理》
《金属材料与热处理》
3．混合物
混合物：两种或两种以上的相按一定的质量百 分数组成的物质。
珠光体
铁素体 渗碳体 莱氏体
奥氏体 渗碳体
珠光体
莱氏体
混合物的性能取决于组成相的性能、数量、大小及分布形态
《金属材料与热处理》
Part.02 铁碳合金
《金属材料与热处理》
一、铁碳合金的基本组织与性能
铁碳合金 基本组织
金不同的组织。
单相组织
多相组织
铁素体
单相组织
奥氏体
注意：合金钢的组织不同， 性能也会发生改变
《金属材料与热处理》
珠光体
二、合金的组织与性能
单相组织
置换固溶体
合 固溶体
金
间隙固溶体
的 金属化合物
组
单相组织
织 混合物
多相组织
《金属材料与热处理》
1．固溶体
固溶体：一种组元的原子溶入另一组元的晶 格中所形成的均匀固相。
4、Fe－Fe3C相图中各区域内的组织
A 1538℃
T°
L+A
A 912℃
E
G
共析相图
A+
A+F
S
Fe3CⅡ
F
P
Q
P+F
F+
Fe3CⅢ
P+Fe3CⅡ
P
L 共晶相图
1148℃
C
1227℃ D
L+ Fe3CⅠ F
A+Ld+Fe3CⅡ
Ld
727℃
Ld+Fe3CⅠ K
P+Ld’+Fe3CⅡ
L′d
L′d+Fe3CⅠ
间隙固溶体
置换固溶体
碳、氮、硼等小直 径非金属元素容易 形成间隙固溶体 （有限固溶体）
铜与镍；铁与铬等 直径相当的金属元 素容易形成置换固 溶体（无限固溶体）
溶质原子分布于溶剂晶 格中而形成的固溶体。
溶质原子置换了溶剂晶格结点 上某些原子而形成的固溶体
《金属材料与热处理》