第四章 铁碳合金相图

一、合金Ⅰ（共析钢）
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
二、合金Ⅱ（亚共析钢）
室温组织: F + 温组织: P + Fe3CII (400×)
四、 合金Ⅳ（共晶白口铸铁）
室温组织:(低温)
莱氏体 Ld′
（P + Fe3CII + 共晶 Fe3C ） (500×)
奥氏体在高温状态存在； 硬度为170～220HBW,伸长率为40%～50% 奥氏体的硬度较低而塑性
较高，易于锻压成形。
奥氏体的显微组织 （100×）
三、渗碳体(Fe3C)
Fe与C 形成的金属化合物Fe3C，其含碳量为6.69%，极 硬、脆。 熔点约为1227℃，渗碳体硬度很高（950～1050HV）， 而塑性与韧性几乎为零，脆性极大。 F、A 、 Fe3C都能溶入合金元素，形成合金固溶体或合金 渗碳体起到强化的作用。渗碳体在钢和铸铁中存在形式有 片状、球状、网状和板状，他的数量、形状、大小和分布 状况对钢的性能影响很大。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下会发生分解，形成 石墨状的自由碳。
碳的质量分数对碳钢力 学性能的影响
三、碳的质量分数对工艺性能的影响
1．铸造性能 由相图可知，共晶成分的合金，其凝固温度间隔最小（为零）， 故流动性好，分散缩孔较小，有可能得到致密的铸件。 2．锻造性能 钢材的锻造或轧制应选择在具有单相奥氏体的温度范围内进行， 才能有较好的塑性 。 3．焊接性能 焊接时在不同加热区域会获得不同的高温组织，随后的冷却也就 可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接后采用热处理方法加 以改善。 4．切削加工性能 生产中最常用的办法之一是通过适当的热处理工艺，改变材料的 金相组织，使材料的切削加工性得到改善，其依据也是铁碳相图。
含
义
二、相图中各线分析
液相线： AC线和CD线 固相线：AE和ECF 共晶线：ECF，Lc 1148℃ AE+Fe3C
ES线（Acm线） ：碳在奥氏体中的固溶线 GS线（A3线） ：奥氏体和铁素体的相互转变线 共析线 ：PSK线（A1线） As 727℃ Fp+Fe3C PQ线：碳在铁素体中的固溶线。
冲击韧度αk：160～200J/cm2 硬度： ～80HBW 组织：在显微镜下，呈明亮的等轴
多边形状。
二、奥氏体(A)：
碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体。 溶碳量较大，在1148℃时，溶碳 能力最大，可达ωC
在727℃时ωC=0.77%。
铁素体的显微组织 （100×） =2.11%;随着温度的下降使溶碳能力逐渐减小，
Fe-Fe3C相图
第一节 铁碳合金的基本相
Fe-C合金基本相： 铁素体(F)--固溶体、 奥氏体(A) --固溶体） 渗碳体（Fe3C)--金属化合物）
一、铁素体（F） ：
碳溶于α- Fe中的间隙固溶体，溶碳能力极差。727℃可达

0.0218%，室温仅有0.0008%。 铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。 抗拉强度σb： 180～280MPa 屈服点σs ： 100～170 MPa 伸长率δ×100； 30～50 断面收缩率ψ×100 ： 70～80
过共析碳钢：当钢中ω C>0.9%时，脆性
的二次渗碳体数量也相应增加，形成网 状分布，使其脆性增加，不仅使钢的塑 性、韧性进一步下降，而且强度也明显 下降。所以，工业上使用钢的碳质量分 数一般为ω C=1.3%～1.4%。 白口铸铁：特硬特脆，难以切削加工， 因此很少应用。但它耐磨性好，铸造性 能优良，适用于耐磨、不受冲击、形状 复杂的铸件。此外，还用作生产可锻铸 铁的毛坯。
三、铁碳合金的分类
铁碳合金根据其组织和性能的特点，常分为三类：
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 % 钢 —0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 室温组织： 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 % 铁素体+珠光体 珠光体 珠光体+二次渗碳体
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
第四章 铁碳合金相图
概 述 第一节 铁碳合金的基本相 第二节 铁碳合金相图分析 第三节 典型铁碳合金的平衡结晶过程 第四节 铁碳合金的成分、组织与性能 间的关系
概 述
铁碳合金相图是指在平衡条件下（极其缓慢加热
或冷却），不同成分的铁碳合金，在不同温度下 所处状态或组织的图形。 在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列稳定化合 物（Fe3C、Fe2C、FeC），由于ωC>6.69%的铁 碳合金材质很脆，在工业上无使用价值。所以， 我们仅研究ωC<6.69%的部分。而ωC=6.69%对应 的正好全部是铁碳体(Fe3C)，把他作为一个组元， 实际上我们研究的铁碳相图是Fe—Fe3C相图。
第二节 铁碳合金相图分析
简化后的铁碳相图
一、相图中各点分析
符号 温度/℃ 碳的质量分 数ω C×100 A C D E F G K P S Q 1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 727 室温 0 4.3 6.69 2.11 6.69 0 6.69 0.0218 0.77 0.0008 纯铁的熔点 共晶点 渗碳体熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 渗碳体的成分 α-Fe、γ-Fe同素异构转变点(A3) 渗碳体的成分 碳在α-Fe中的最大溶解度 共析点（A1） 碳在α-Fe中的溶解度
亚共晶白口铸铁＜4.3 % 共晶白口铸铁 ＝4.3 %
低温莱氏体+珠光体+二次渗碳体
室温组织： 低温莱氏体
过共晶白口铸铁＞4.3 %
低温莱氏体和一次渗碳体
亚共析钢 共析钢 过共析钢
几种常 见碳钢
钢号
碳质量分数／％
20
0.20
45
60
T8
0.80
T10
1.00
T12
1.20
0.45 0.60
第三节 典型铁碳合金平衡结晶过程
五、合金Ⅴ（亚共晶白口铁）
室温组织: Ld′+ P + Fe3CII (200×)
六、合金Ⅵ（过共晶白口铁）
室温组织:
Ld′+ Fe3CI
(500×)
第四节 铁碳合金的成分、组织 与性能间的关系
一、碳的质量分数对平衡组织的影响 随着碳的质量分数的增加，铁碳合金的室温组织变化顺 序为： F F+P P P+Fe3CⅢ P+Fe3CⅡ+L d Lˊd Lˊd+ Fe3CⅠ 碳的质量分数增高时，组织中不仅渗碳体的数量增加， 而且渗碳体的大小、形态和分布情况也随着发生变化。 渗碳体由层状分布在铁素体基体内（如珠光体），变为 呈网状分布在晶界上（如Fe3CⅡ），最后形成莱氏体时， 渗碳体已作为基体出现 。 二、碳的质量分数对力学性能的影响
在铁碳合金中，渗碳体一般可看作是一种强化相。
基体是铁素体，随着渗碳体数量的增加，其强度和硬度升高，而塑性 与韧性相应降低。当硬而脆的渗碳体以网状分布在晶界，特别是作为基 体出现时，将使铁碳合金的塑性、韧性大大下降。
纯铁：塑性好、韧性很好，而强度和硬
度很低。
亚共析碳钢：随着碳的质量分数的增加，
钢的强度和硬度呈直线上升，而塑性、 韧性不断下降。