第五章铁碳合金相图及碳素钢

Q

6.69 4.3 6.69 0.77

100%

40.4%，QFe3C
59.6%
在2点, 共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由P
与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体, 用Ld表示. 2点以 下，共晶体中P 的变化同共析钢。
37
共晶白口铁室 温组织为Ld (P+ Fe3C), 它保留了共晶 转变产物的形 态特征。
铁碳合金相图：表 示在平衡状态下铁碳合 金的化学成分、相、组 织与温度的关系图。利 用它可以研究钢和铸铁 的内部组织及其变化规 律，从而为更好的利用 它们，并为制定热处理、 压力加工等工艺规程打 下基础。在工程中一般 研究的铁碳合金状态图 实际上都是铁与渗碳体 两组元构成的状态图， 如图所示。
8
9
N
1
D
E2
E
2C
F QLe' QLe EC
L t1 L A t2 A Ld A Fe3C
t2 t3 A Fe3CII Ld A Fe3CII Fe3C t3 P Fe3CII Ld' P Fe3CII Fe3C
40
亚共晶白口铁的结晶过程
41
亚共晶白口铁室温组织 为P+Fe3CⅡ+Ld。 室温下组织组成物相对 重量百分比为 ：
20
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表 示。Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
室温下组织为
F+ Fe3CⅢ。
室 温 下 Fe3CⅢ
最大量为:
QFe C 3 III

0.0218 0.0008 100% 6.69 0.0008
第五章 铁碳合金相图及碳素钢
※一铁碳合金中的相与基本组织
一 Fe的同素异晶转变及晶格结构
铁的同素异晶转变
金属在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶 （构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程， 有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大 两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。铁的同素 异构转变如下所示。
0.3%
21
2 共析钢 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。
L t1L A t2A t37270CP F Fe3C
22
共析钢的结晶过程
23
珠光体在光镜下呈指纹状. 相变结束时，珠光体中相 的相对重量百分比为：
34
5 共晶白口铁 合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体
(Ld),莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂 窝状.
L t1 Ld A Fe3C t1t2 Ld A Fe3CII Fe3C
t27270CLd' P Fe3CII Fe3C
17
亚共 过 共析 共 析钢 析 钢钢 工 业 纯 铁
亚
共
过
共
晶
共
晶
白
晶
白
口
白
口
铁
口
铁
铁
18
1 工业纯铁
合 金 液 体 在 1-2
L+

H
B
J
点 间 转 变 为 ， N +
3-4 点 间 → ，
5-6 点 间 → 。
到7点，从中 析出 Fe3CⅢ 。
+ S
19
工业纯铁的结晶过程
二 Fe-Fe3C相图分析 点：14个 线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条
线：GS,ES,PQ 相区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图; 组织图标注:组织组成物标注的相图。
10
1 特征点
J
N
L+

G
+
L +Fe3C
L+Fe3C
+Fe3C
11
莱 氏 体 在 7270C 以 上 ， 由奥氏体与渗碳体组成的 机械混合物，称为高温莱 氏 体 Ld ； 在 7270C 以 下 ， 该组织转变为由珠光体与 渗碳体组成的机械混合物， 称 为 低 温 莱 氏 体 Ld’ 。 其 显微组织如图，其力学性 能与渗碳体相似，硬度较 高，脆性较大。
图莱氏体的显微组织
组织为不规则多面体晶 粒，晶界较直。强度 低、塑性好，钢材热 加工都在 区进行.
碳钢室温组织中无奥氏 体。
奥氏体
3
3 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69% Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 乎为零
脆性大,
塑性几
Fe3C是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe+C(石墨), 该 反应对铸铁有重要意义。 钢中的渗碳体
室温下，珠光体中两
1
相的相对重量百分比
2
是多少？
Q

4L QL
3
6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008
Q Fe3C 100% 88.5%
Q4
11.5%
9 25
3 亚共析钢 0.09～0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应. 以0.45%C的钢为例 合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为。 到4点，由 中析出 。到5点, 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析 出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合, 量少, 忽略不计.
L t1L A t2 A t3A F
t4 7 270 CF P F Fe3C26
亚共析钢的结晶过程
Ⅲ
A
H
B
J
G S
P
+Fe3C
27
共析温度下相的相对重量为：
P5
5K
QFe3C PK 100%, Q PK 100%
组织组成物的相对重量为：
a. 亚共析钢 (0.0218～0.77%C) b. 共析钢 (0.77%C) c. 过共析钢 (0.77～2.11%C)
白口铸铁 (2.11～6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆
a. 亚共晶白口铸铁 (2.11～4.3%C)
b. 共晶白口铸铁 (4.3%C)
c. 过共晶白口铸铁 (4.3～6.69%C)
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
珠光体的组织特点是
两相呈片层相间分布,
性能介于两相之间。
PSK线又称A1线 。
14
⑶ 其它相线 GS,GP— ⇄ 固溶体 转变线, GS又称A3线。 HN,JN—δ⇄ 固溶体 转变线， ES—碳在 -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 PQ—碳在-F P F Fe3C
过共析钢：室温组织为P+ Fe3CⅡ。
Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ
量最大：
QFe C 3 II
2.11 0.77 100% 22.6% 6.69 0.77
31
过共析钢的结晶过程
室温下两相的
相对重量百分
比为：
Q

6.69 4.3 100% 6.69 0.0008
35.7%
QFe C 3
100% 35.7% 64.3%
38
共晶白口铸铁组织Ld
39
6 亚共晶白口铁 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。
6
※二 铁碳合金相图
一 Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218%～2.11%的称钢;含碳量为 2.11%～6.69%的称铸铁。 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。 7
15
3 相区
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
16
三 铁碳合金结晶过程分析
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。 钢(0.0218～2.11%C)高温组织为单相
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织 30
4 过共析钢
合金在1～2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从 奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶界呈网状分布. 温度下降, Fe3CⅡ量增加。到4点， 成分沿ES线变 化到S点，余下的 转变为P。
L t1 L A t2 A t3 A Fe3CII
由于碳在-Fe中的溶解度
很小，因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石
墨的形式存在。
铸铁中的石墨
4
三 铁碳合金中的基本组织
1 珠光体P：珠光体 是铁素体和渗碳体的 机械混合物。其显微 组织如图，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。
图 珠光体的显微组织
5
2 莱氏体Ld
32
过共析钢组织P+Fe3CII
33
室温下两相的相对
重量百分比：
Q

5L QL
6.69 C 100% 6.69 0.0008
Q5 QFe3C QL 100% Q
室温下两组织组成物
的相对重量百分比：
1 2
3 4
S’ 5
5L 6.69 C
S'5
QP S' L 6.69 0.77 100%,QFe3CⅡ S' L 100% QP
纯铁液体15380 Cδ Fe13940 Cγ Fe9120 Cα Fe
体心立 方晶格
面心立 方晶格
体心立 方晶格1
二 铁碳合金中的相
组元：Fe、 Fe3C 相
1 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素
体, 用F 或 表示。
铁素体
碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。
都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
2
2 奥氏体 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。
是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大， 1148℃时最大为2.11%。
35
共晶白口铁的结晶过程
36
共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
Q

6.69 4.3 6.69 2.11

100%

52.2%，QFe3C
47.8%
C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ与共晶Fe3C 结合，不易分辨。
温度降到2点, 成分达到0.77%, 此时相的相对重量:
6L
Q QL 100% QFe3C
S’
室温下组织组成物的相对重量百分比为：
QP

Q6 QS'

C 0.0008 100%, 0.77 0.0008
Q

6S' QS'
100% QP
29
含0.20%C钢的组织
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。
12
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
共晶产物是 与Fe3C的机 械混合物，称作莱氏体, 用Ld表示。为蜂窝状, 以 Fe3C为基，性能硬而脆。
莱氏体
13
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与 Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
Q

SK PK

6.69 0.77 6.69 0.0218
88.8%,
Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
珠光体
S点以下，共析 中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不 易分辨。室温组织为P.具有较高的强度σ ＝800Mpa
硬度HBS=230,塑性较低δ＝12％ 24
QP

P5 PS

100%，Q

5S PS
100%
S’
利用平衡组织中珠光体所
占的面积百分比，可以近
似估算亚共析钢的含碳量:
C%=P面积%×0.77% (忽略 中含碳量，P面积%=QP)
28
室温下相的相对重量百 分比为：
QFe3C

Q6 QL
C 0.0008 100% 6.69 0.0008