第4章 铁碳合金分析
铁碳合金相图分析报告
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+F
Mn 溶入 Fe3C → 形成合金渗碳体（ Fe, Mn） 3C
2、硅
Si + FeO → S2iO + Fe （脱氧）
Si 溶入铁素体 → 固溶强化
Si<0.4% ，对性能影响不大
3、硫 钢中 S+Fe → FeS。FeS 与 Fe 形成低熔点的共晶体（
Mn <0.8% ，对性能影响不大 985℃）分布在晶界上，当钢在热
标准实用
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
文案大全
轮、曲轴等 。
标准实用
. 状态图中的特性点 Fe- Fe3C 相图中各点的温度、浓度及其含义
Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义
L → L+A → A → A+ Fe 3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ
4、 共晶白口铸铁 L → Ld(A+Fe 3C) → Ld(A+Fe 3C+ Fe3CⅡ) → Ld′ (P+F3eC+ Fe3CⅡ)
金属学与热处理 第四章 铁碳合金
共析反应: 727oC, 0.77--------0.0218+ Fe3C (P珠光体) W 0.0218 =(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88% W Fe3C =1-88%=12%
三.亚共析钢(Wc=0.40%)
L---L+--- ---- ------L +(奥氏体)--- --- + (铁素体) -------------+P(珠光体)----- + P+Fe3CIII(三次渗碳体) 省略Fe3CIII, 最终组织: (铁素体) + P (珠光体) 包晶反应: L+ (奥氏体)
六.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)
L---L +(初晶奥氏体) ------- -- -- (初晶奥氏体) + Ld(莱氏体) –----- (初晶奥 氏体) + Ld(莱氏体) + Fe3CII (二次渗碳体)-----------------P(珠光体)+ Ld’(低温莱 共析反应 氏体）+Fe3CII (二次渗碳体)
相组成物: L、、、、Fe3C 组织组成物： L、、、、P、 Ld、Ld’ Fe3CI 、Fe3CII 、 Fe3CIII、 成分变化 相变化 组织变化
二.对机械性能的影响 三.对工艺性能的影响
(二)铁素体和奥氏体 •铁素体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为BCC结构,表示:F或. •奥氏体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为FCC结构,表示:A或. (三)纯铁的性能与应用 塑性和韧性好,强度低. 二.滲碳体 铁和碳的间隙化合物Fe3C, 含碳量6.69%.表示Cm. 正交晶系. 硬度很高, 塑性和差.
五.共晶白口铁(Wc=4.3%)
共晶反应
材料科学基础-铁碳合金
（2）奥氏体(γ或 A ) 定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体 溶碳量较大： 0.77% (727℃) ~2.11% (1148℃) 性能: 强硬度较低； 塑性较好, 变形抗力较低, 易于锻压成形; 顺磁性。 ——热加工(塑性变形) 相 ——合金化后成为室温基体相(无磁性)；
（3）渗碳体(Fe3C) Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C， 复杂正交晶系。 性能 强度低：σb= 30MPa; 硬度高：800HB 无塑性：δ=0; ψ=0; Ak=0 弱的铁磁性(<230 ℃)
单 相 组 织
两 相 组 织 （6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe3C
二、Fe―Fe3C相图分析
实际组元：
Fe-Fe3C
L+δ
1538℃A
δ
N
1495℃ 0.17 0.53 H J B
铁碳相图 L
2.11 E
L +Fe3C
4.3 C
T
912℃ G
L+γ
D
γ α+γ
0.77 P S 0.0218
1148℃ F
（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要 线意义；铁碳合金中各种相的本质与特征；
（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织 中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征 （4）掌握铁碳合金的成分—组织－性能之间的关系
§1 铁碳合金与铁碳相图
铁碳合金——应用最广泛的合金 一 铁碳合金中的基本相和基本组织 (一) 纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁冷却中晶体结构的变化： L → δ－Fe → γ－Fe → α－Fe bcc fcc bcc —— 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变
铁碳相图 L
2.11 E
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、铁碳合金的基本相基本相定义力学性能溶碳量铁素体 F碳在α-Fe中的间隙固溶体强度,硬度低,塑性,韧性好最大%奥氏体 A碳在γ-Fe中的间隙固溶体硬度低,塑性好最大%渗碳体Fe3C Fe与C的金属化合物硬而脆800HBW,δ↑=αk=0%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℃→ + 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℃→ + 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%.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%.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<%C钢——亚共析钢、共析钢%C、过共析钢白口铸铁——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁L → L+A → A → PF+Fe3CL → L+A → A → A+F →P+FL → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C →LdA+Fe3C+ Fe3CⅡ → Ld′P+Fe3C+Fe3CⅡ5、亚共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + A →Ld+A+ Fe3CⅡ → Ld′+P+ Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L → LdA+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≤%,并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金.铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能,且价格低廉,故广泛应用.一、杂质元素对碳钢性能的影响1、锰Mn + FeO → MnO + Fe 脱氧Mn+ S → MnS 炉渣去硫Mn溶入铁素体→ 固溶强化Mn溶入Fe3C → 形成合金渗碳体Fe, Mn3C Mn <%,对性能影响不大2、硅Si + FeO → SiO2 + Fe 脱氧Si溶入铁素体→ 固溶强化Si<%,对性能影响不大3、硫钢中S+Fe → FeS.FeS与Fe形成低熔点的共晶体985℃分布在晶界上,当钢在热加工1000~1200℃时,共晶体熔化,导致开裂——热脆消除热脆：Mn+ S → MnS熔点高1620℃并有一定塑性硫是一种有害元素4、磷钢中磷全部溶于铁素体,产生强烈固溶强化,低温时更加严重——冷脆磷是一种有害元素二、碳钢的分类按含碳量分：低碳钢～、中碳钢～、高碳钢～%按质量分类：普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢S、P含量按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢三、碳钢的牌号、性能和应用1、碳素结构钢GB700-88 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275五大类,20个钢种GB700-79 A1, A2, A3, A4, A5Q235-AF表示：σs≥235Mpa,质量等级为A,沸腾钢.应用：Q195, Q215——塑性高,用于冲压件、铆钉、型钢等； Q235——强度较高,用于轴、拉杆、连杆等；Q255, Q275——强度更高,用于轧辊、主轴、吊钩等.2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢：优质钢、高级优质钢A、特级优质钢E 牌号：08F ——冲压件；45——齿轮、连杆、轴类；65 Mn——弹簧、弹簧垫圈、轧辊等.3、碳素工具钢牌号：T8、T8A——木工工具；T10、T10A——手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模；T12、T12A——锉刀、绞刀、量具.4、铸钢表示方法：用力学性能表示ZG200-400σs≥200Mpa,σb≥400Mpa用化学成分表示ZG30%C用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件,如轧钢机架、缸体、制动轮、曲轴等.. 状态图中的特性点Fe- Fe3C相图中各点的温度、浓度及其含义Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义二. 状态图中的特性线Fe-C合金相图中的特性线三. 状态图中的相区在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.五个单相区是:ABCD以上——液相区LAHNA——δ固溶体区δα、δNJESGN——奥氏体区γ或AGPQG——铁素体区α或FDFKL——渗碳体区Fe3C或Cm两相区是:L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+ Fe3C和α+ Fe3C.三个三相区是:HJB线、ECF线和PSK线.1. 工业纯铁含C≤%——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.2. 钢含C在~%——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:① 亚共析钢< C <%——其组织是铁素体+珠光体② 共析钢C=%——其组织为珠光体③ 过共析钢< C≤%——其组织为珠光体+渗碳体3. 铁在1538ºC结晶为δ-FeX射线结构分析表明它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394ºC时δ-Fe转变为面心立方晶格的γ- Fe通常把δ-Fe←→γ- Fe的转变称为A4转变转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912ºC时面心立方晶格的γ- Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe把γ- Fe←→α-Fe的转变称为A3转变转变的平衡临界点称为A3点.4. 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%.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%.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.四. 名词1. 铁素体:是碳在α-Fe中形成的固溶体常用“δ”或“F”表示.铁素体在770ºC以上具有顺磁性在770ºC以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体在1495ºC时其最大溶碳量为%.2. 顺磁性:就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩无外磁场时由于热运动各分子磁矩的取向无规宏观上不显示磁性;在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性.3. 铁磁性:就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性.4. 奥氏体:是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe 中是有限溶解其最大溶解度为%1148ºC.5. 渗碳体:是铁与碳的稳定化合物Fe3C 用“C”表示.其含碳量为%.由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230ºC以上铁磁性就消失了所以230ºC是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.渗碳体的熔点为1227ºC.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C石墨6. 珠光体:是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示.珠光体存在于727ºC以下至室温.五. 铁碳合金相图的应用一在选材方面的应用若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢含碳为~%;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢含碳为~%;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢含碳为~%.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.二在制定热加工工艺方面的应用铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.六. 应用铁碳相图应注意的几个问题1. 铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.2. 可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.3. 相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.第二部分晶体结构一. 金属键1. 金属键:金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键.2. 在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.二. 晶体结构1. 晶体:凡是原子或离子、分子在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.2. 晶体结构:是指晶体中原子或离子、分子、原子集团的具体排列情况也就是晶体中这些质点原子或离子、分子、原子集团在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.3. 三种典型的金属晶体结构a. 体心立方晶格:晶胞的三个棱边长度相等三个轴间夹角均为90º构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外在立方体的中心还有一个原子.b. 面心立方晶格:在晶胞的八个角上各有一个原子构成立方体在立方体6个面的中心各有一个原子.c. 密排六方晶格:在晶胞的12个角上各有一个原子构成六方柱体上底面和下底面的中心各有一个原子晶胞内还有3个原子.三. 固溶体1. 固溶体:合金的组元以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体.2. 置换固溶体:是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.3. 间隙固溶体:是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中.4. 金属化合物:是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称为中间相其晶格类型和性能均不同于任一组元一般可以用分子式大致表示其组成.除了固溶体外合金中另一类相是金属化合物.四. 金属的结晶1. 金属的结晶:金属由液态转变为固态的过程称为凝固由于凝固后的固态金属通常是晶体所以又将这一转变过程称之为结晶.2. 杠杆定律的应用.在合金的结晶过程中合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量就需要应用杠杆定律.对于二元合金两相共存时两个平衡相的成分固定不变.五. 同素异构转变当外部条件如温度和压强改变时金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变.六. 晶体的各向异性各向异性是晶体的一个重要特性是区别于非晶体的一个重要标志.晶体具有各向异性的原因是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同意味着原子之间的距离不同从而导致原子之间的结合力不同使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.第三部分元素的影响1. 锰和硅的影响:锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的F eO还原成铁并生成MnO和SiO2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中冷至室温后即溶于铁素体中提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响它能提高钢的强度和硬度当含锰量低于%时可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.碳钢中的含硅量一般小于%它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用显著的提高了钢的强度和硬度但含量较高时将使钢的塑性和韧性下降.2. 硫的影响:硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中在固态中几乎不能溶解而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰形成MnS可以避免产生热脆.硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中含硫量通常为%~%同时含锰量为%~%.3. 磷的影响:一般来说磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温磷在铁中具有较大的溶解度所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用它使钢的强度、硬度显著提高但剧烈地降低钢的韧性尤其是低温韧性称为冷脆磷的有害影响主要就在于此.4. 氮的影响:一般认为钢中的氮是有害元素但是氮作为钢中合金元素的应用已日益受到重视.5. 氢的影响:氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的.6. 氧及其它非金属夹杂物的影响:氧在钢中的溶解度非常小几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性在静载荷和动载荷的作用下往往成为裂纹的起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此对非金属夹杂物应严加控制.第四部分热处理一. 热处理的作用1. 热处理:是将钢在固态下加热到预定的温度保温一定的时间然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺.钢中组织转变的规律是热处理的理论基础称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体.钢在加热和冷却时临界温度的意义如下:Ac1——加热时珠光体向奥氏体转变的开始温度;Ar1——冷却时奥氏体向珠光体转变的开始温度;Ac3——加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度;Ar3——冷却时奥氏体开始析出先共析铁素体的温度;Accm——加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度;Arcm——冷却时奥氏体开始析出二次渗碳体的温度.通常把加热时的临界温度加注下标“C”而把冷却时的临界温度加注下标“r”.2. 珠光体转变——是过冷奥氏体在临界温度A1以下比较高的温度范围内进行的转变.珠光体转变是单相奥氏体分解为铁素体和渗碳体两个新相的机械混合物的相变过程因此珠光体转变必然发生碳的重新分布和铁的晶格改组.由于相变在较高温度下发生铁、碳原子都能进行扩散所以珠光体转变是典型的扩散型相变.无论珠光体、索氏体还是屈氏体都属于珠光体类型的组织.它们的本质是相同的都是铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物.它们之间的差别只是片层间距的大小不同而已.珠光体的片层间距:450～150 nm形成于A1～650℃温度范围内.索氏体的片层间距:150～80nm形成于650～600℃温度范围内.屈氏体的片层间距:80～30nm形成于600～550℃温度范围内.3. 马氏体转变——是指钢从奥氏体化状态快速冷却抑制其扩散性分解在较低温度下低于Ms点发生的转变.马氏体转变属于低温转变.钢中马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体具有很高的强度和硬度.由于马氏体转变发生在较低温度下此时铁原子和碳原子都不能进行扩散马氏体转变过程中的Fe的晶格改组是通过切变方式完成的因此马氏体转变是典型的非扩散型相变.二. 热处理工艺1. 退火和正火:将金属及其合金加热保温和冷却使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺称为退火或回火.A. 低温退火去应力退火:是指钢材及各类合金为消除内应力而施行的退火.加热温度< A1 碳钢及低合金钢550～650℃高合金工具钢600～750℃B. 再结晶退火:加热温度> Tr Tr+150～250℃C. 扩散退火:是指为了改善和消除在冶金过程中形成的成分不均匀性而实行的退火.1 通过扩散退火可以使在高温下固溶于钢中的有害气体主要是氢脱溶析出这时称为脱氢退火.2 均匀化退火的任务在于消除枝晶成分偏析改善某些可以溶入固溶体夹杂物如硫化物的状态从而使钢的组织与性能趋与均一.扩散退火的加热温度> Ac3 Acm 在固相线以下高温加热同时也要考虑不使奥氏体晶粒过于长大.碳钢1100～1200℃D. 完全退火:是指将充分奥氏体化的钢缓慢冷却而完成重结晶过程的退火.加热温度 Ac3+30～50℃E. 等温退火:是指将奥氏体用较快的速度冷却到临界点以下较高温度范围进行珠光体等温转变的退火. 加热温度 Ac3～Ac12. 正火:是指将碳合金加热到临界点Ac3以上适当温度并保持一定时间然后在空气中冷却的工艺方法.过共析钢正火后可消除网状碳化物而低碳钢正火后将显著改善钢的切削加工性.所有的钢铁材料通过正火均可使锻件过热晶粒细化和消除内应力.正火比退火的冷却速度快正火后的组织比退火后的组织细.3. 淬火与回火1. 淬火:是指将钢通过加热、保温和大于临界淬火速度Vc的冷却是过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的工艺方法.2. 钢的淬透性:就是钢在淬火时能够获得马氏体的能力它是钢材本身固有的一个属性.3. 当淬火应力在工件内超过材料的强度极限时在应力集中处将导致开裂.4. 回火:本质上是淬火马氏体分解以及碳化物析出、聚集长大的过程.它与淬火不同点是由非平衡态向平衡态稳定态的转变.4. 化学热处理:是将工件放在一定的活性介质中加热使非金属或金属元素扩散到工件表层中、改变表面化学成分的热处理工艺.如:渗入碳、氮、硼、钒、铌、铬、硅等元素第五部分宏观检验一. 宏观检验主要可分为低倍组织及缺陷酸蚀检验、断口检验、硫印检验等.二. 酸蚀试验在宏观检验领域中酸蚀检验是最常用的检验金属材料缺陷、评定钢铁产品质量的方法.如果一批钢材在酸蚀中显示出不允许存在的缺陷或超过允许程度的缺陷时其它检验可不必进行.1. 酸蚀试验:是用酸蚀方法来显示金属或合金的不均匀性.1 热酸浸蚀实验方法2 冷酸浸蚀实验方法3 电解腐蚀实验方法2. 酸蚀试验所检验的常见组织和缺陷A:偏析:是钢中化学成分不均匀现象的总称.在酸蚀面上偏析若是易蚀物质和气体夹杂物析集的结果将呈现出颜色深暗、形状不规则而略凹陷、底部平坦的斑点;若是抗蚀性较强元素析集的结果则呈颜色浅淡、形状不规则、比较光滑微凸的斑点.根据偏析的位置和形状可分为中心偏析、锭型偏析或称方框偏析、点状偏析、白斑和树枝状组织.中心偏析:出现在试面中心部位形状不规则的深暗色斑点.锭型偏析:具有原钢锭横截面形状的、集中在一条宽窄不同的闭合带上的深暗色斑点.B. 疏松:这种缺陷是钢凝固过程中由于晶间部分低熔点物最后凝固收缩和放出气体而产生的孔隙.在横向酸蚀面上这种孔隙一般呈不规则多边形、底部尖狭的凹坑这种凹坑多出现在偏析斑点之内.根据疏松分布的情况可分为中心疏松和一般疏松.C. 夹杂:宏观夹杂可分为外来金属、外来非金属和翻皮三大类.D. 缩孔:由于最后凝固的钢液凝固收缩后得不到填充而遗留下来的宏观孔穴.E. 气泡:由于钢锭浇注凝固过程中所产生和放出气体所造成的.一般可分为皮下气泡和内部气泡两类.a. 皮下气泡: 由于浇注时钢锭模涂料中的水分和钢液发生作用而产生的气体.b. 内部气泡:又可分为蜂窝气泡和针孔气泡.蜂窝气泡是由于钢液去气不良所导致一般为不允许存在的缺陷存在钢坯内部在试面上较易浸蚀象排列有规律的点状偏析但颜色更深暗些;针孔是因为较深的皮下气泡在锻轧过程中未焊合而被延伸成细管状在横试面上呈孤立的针状小孔.白点:也称发裂是由于氢气脱溶析集到疏松孔中产生巨大压力和钢相变时所产生的局部内应力联合造成的细小裂缝.在横试面上呈细短裂缝三. 硫印检验是一种定性检验是用来直接检验硫元素并间接检验其它元素在钢中偏析或分布情况的操作.硫印检验时先用5~10%的稀硫酸水溶液浸泡相纸5分钟左右后取出去除多余的硫酸溶液把湿润的相纸感光面贴到受检表面上应确保相纸与试样面的紧密接触不能发生任何滑动排除相纸与试样面的气泡和液滴.其化学反应大致为:MnS+H2SO4→MnSO4+H2S↑FeS+H2SO4→FeSO4+H2S↑H2S+2AgBr→2HBr+Ag2S↓几秒到几分钟后将从试面上揭下的相纸在水中冲洗约10分钟然后放入定影液中定影10分钟以上取出后在流动水中冲洗30分钟以上干燥后既成.四. 断口检验1. 脆性断口:通常工程上把没有明显塑性变形的断裂统称为脆性断裂发生脆性断裂的断口为脆性断口.脆性断口也称晶状断口是指出现大量晶界破坏的耀眼光泽断口断口中晶状区的面积与断口原始横截面积的百分比则是脆性断面率也称晶状断面率.2. 结晶状断口:此种断口具有强烈的金属光泽有明显的结晶颗粒断面平齐而呈银灰色.是一种正常的断口.属于脆性断口.3. 纤维状断口:这种断口呈无光泽和无结晶颗粒的均匀组织.通常在断口的边缘有明显的塑性变形.一般情况下是允许存在的.属于韧性断口.4. 瓷状断口:是一种类似瓷碎片的断口呈亮灰色、致密、有绸缎的光泽和柔和感.是一种正常的断口.5. 台状断口:这种断口出现在纵向断面上呈比基体颜色略浅、变形能力稍差、宽窄不同、较为平坦的片状平台状.多分布在偏析内.6. 撕痕状断口:这种断口出现在纵向断面上沿热加工方向呈灰白色、变形能力差致密而光滑的条带.7. 层状断口:这种断口出现在纵向断面上呈劈裂的朽木状或高低不平的、无金属光泽的、层次起伏的条带条带中伴有白亮或灰色线条.8. 缩孔残余断口:出现在纵向断口的轴心区是非结晶状条带或疏松区有时伴有非金属夹杂物或夹杂沿条带常带有氧化色.9. 石状断口:在断口表面呈现粗大而凹凸不平的沿晶界断裂的粗晶颜色暗灰而无金属光泽象有棱角的沙石颗粒堆砌在一起.。
金属工艺学 第四章--铁碳合金
如:Q235DTZ,表示屈服强度为235MPa质量等级为D级 的特殊镇静钢
Q196Bb
１
表示屈服强度为196MPa的B级半镇静钢
Q265DF
表示屈服强度为265MPa的D级沸腾钢
普通碳素结构钢的应用
Q185 Q225 Q235
Q255
Q275
应 用
一般桥梁、建筑结构， 普通机械零件，如螺 钉、螺母等。
杂质元素总结 Mn
Si
P
S
总结
元素有益与有害是相对的：硅锰虽有 益，但也不是多多益善；硫磷虽有害， 但炼铁过程中又不可避免其存在，因 此应严格控制其含量
二、碳素钢的分类
按质量 按含碳 量 低碳钢 中碳钢 高碳钢 按用途 按脱氧 程度 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢
普通碳钢
优质碳钢
高级优质碳钢
结构钢
工具钢
1) 奥氏体是： a. 碳在γ - Fe 中的间隙固溶体 中的间隙固溶体 c. 碳在α - Fe 中的有限固溶体
b. 碳在α - Fe
2) 珠光体是一种： a. 单相固溶体 b. 两相混合物 c. Fe 与 C 的化合物 3) T10 钢的碳的质量分数为： a. 0.1 % b. 1.0 % c. 10 % 4) 铁素体的机械性能特点是： a. 强度高、塑性好、硬度低 性差、硬度低 c. 强度低、塑性好、硬度低 b. 强度低、塑
.
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
含碳量与相的相对量关系： C %↑→F %↓，Fe3C %↑ 含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
复习提问
1、恨“铁”不成“钢”
第04章 铁碳合金
第四节 碳钢
金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合 金分为两大类：
黑色金属
金）；
铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合 包括黑色金属以外的所有金属及其合
有色金属
金。
在铁碳合金中，碳质量分数小于2.11%的合金称为钢。 常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%，其强度和韧 性均较好，工程性能比较优越。
（到约0 .8wt%c达
到峰值）。塑性
和韧性随含碳 量增加而下降 。
二、 铁碳合金相图的应用
设计选材
铁碳合金的性能是随含碳量而变化的，根据 零件的性能要求，可以确定铁碳合金的成分范围。 塑性、韧性
塑性、韧性、强度
低碳钢 wC%(0.10,0.25) 中碳钢 wC%(0.25,0.60) 高碳钢 wC%(0.60,1.30)
组织组成物
是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可 一是两相或者多相混合物。
铁碳合金中的组织组成物
铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体：F与Fe3C片层相间的两相混合 物 莱氏体：A与Fe3C两相混合物
F
P
高 温 铁 素 体
奥氏体
铁 素 体
渗 碳 体
钢中的基本相
。
二、铁碳相图分析
E
P
S
K
r
Q
室温下有α＋P两种组织
rS 0.77 0.4 w 49.4% PS 0.77 0.0218 Pr 0.4 0.0218 wP 50.6% PS 0.77 0.0218
r ’
K ’
4. 过共析钢[0.77%<w(C) ≤2.11%]平衡结晶过程
T12钢的室温平衡组织
碳质量分数在 2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均 发生共晶反应。 水平线PSK为共析反应线 碳质量分数为 0.0218%～6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发 生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线 , 通常称A3线。 ES线 是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线。
第四章 铁碳合金(李)
1193℃ 989℃
分布于晶界处（[S] ＞0.020%）
“热脆”
其他作用：降低焊接性能，引起高温龟裂，恶化钢的耐蚀性，偏析最为 严重的元素；
P——有害元素（炼钢原料和燃料）
以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在于晶界
引起钢的塑性和韧性急剧 下降，尤其在低温时脆性 更大，这种现象称为冷脆。
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%） 性能：σb≈750MPa HBS=180 δ≈20%～25% ak=30～40J/cm 2 综合性能
莱氏体（Ld、
或 Le 、
）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量： 4.3%） 性能：硬而脆
应
用
T10、
用于需要较高 耐磨性和一定 韧性的工具， 如手工锯条、 剪金属用剪刀。
T7、T8、
承受振动、 冲击的工 具，如冲 头、大锤、 木工工具。
T12、T13A
不受振动和冲 击的耐磨工具， 如丝锥、锉刀、 乔刀、板牙、 量具等。
第四节 铸 铁
铸铁的概念：含碳量大于2.11%(一般为2.5%~4.0%) 铁碳合金含Si、Mn、S、P等元素） 铸铁的特点： 历史上使用较早 最便宜的金属材料之一 铸造性能极好，且只能用铸造成形 生产成本低，工艺简单，减震性耐磨性好，切削 加工性好 主要用于制造各种 机器零件
应
用
08F、
冷冲压件， 如汽车和 仪表外壳、 容器、罩 子等。
20、
45、
65
弹性件和 耐磨件： 小尺寸弹 簧、低速 车轮等
冷冲压件、 调质件：机 焊接件和 床齿轮、机 标准件、 床主轴、曲 渗碳件等 轴、连杆等 零件。 重要零件。
第四章 铁碳合金rr
Fe-Fe3C相图
一、 Fe-Fe3C相图中的组元
（一）铁 常压下，铁的熔点为 1538 ℃，在相图中 用A表示，固态下铁的同素异构转变式：
L Fe Fe Fe
1538C 1394C 912C
体心立方
面心立方
体心立方
铁具有同素异构转变的特性是钢铁在热处理 后获得多种多样结构、组织与性能的理论依据。
图4-2 铁的冷却曲线
纯Fe的机械性能大致如下：
抗拉强度极限( )
抗拉屈服极限( 0.2 ) 延伸率(δ) 断面收缩率(ψ) 硬度
b
176～274MPa
98～166MPa 30%～50% 70%～80% 50～80
可以看出：强度、硬度很低，塑性很高。
(二) 渗碳体
渗碳体： Fe3C 是一种复杂结构的间
第一节 铁碳合金相图
铁碳合金相图是研究平衡条件下铁碳合金 的成分、温度和组成相之间的关系及其变化规 律的图形。 铁是铁碳合金的基本成分，碳虽然很少， 但碳可溶入Fe中形成固溶体，还可和Fe化合形 成多种金属化合物，例如Fe3C、Fe2C，具有实 际使用意义的只有Fe-Fe3C部分，通常称为FeFe3C相图。本章以Fe-Fe3C相图为工具来研究 铁碳合金，并学习有关碳钢的基本知识。
J点反应后全部是γ固溶体，C点是莱氏体， 而S点是珠光体。离开这三点成分的合金分别 所发生转变产物的量都相对减少，而且离开这 三点成分越远的合金，其转变产物量越少，直 到没有。
(二) 图中的线
液相线：ABCD，在此线以上 合金为液体。 固相线：AHJECF，在此线以下 合金为固体。 三条重要转变水平线： (1)HJB线 包晶反应线 包晶线 LB+ H AJ (HJB)包 晶反应或包晶转变。 (2) ECF线 共晶反应线： 共晶线 Lc AE+Fe3C (ECF) 共晶反应或共晶转变。莱氏体， 用符号Le表示。 (3) PSK线 共析反应线： 共析线 As FP+Fe3C (PSK) A1 共析反应或共析转变。 珠光体，用符号P表示。
材料科学基础-第四章_铁碳合金与铁碳相图
⑥
1 2
3
4
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
第04章 铁碳合金
Fe-Fe3C合金相图
包晶反应，发生在高温，并且在随后的 冷却过程中组织还会发生变化，不作讨 论。
共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体， 记录Ld(Ledeburite)
共析反应，产物为两相层片交替分布的 共析体组织称为珠光体，记录 P(Pearlite)
工程材料学 12
第一节 铁碳合金系相图
2、相图中各点的参数及含义
J 温N A+ 度
A
A
H
L+
B
L L+A
D
L+ Fe3C
E S
P
G
F A+F
P
Q Fe
Ld A+ A+ Fe3CⅡ+Ld Le+ Fe3CⅠ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
F K
P+F
Ld’ P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ld’ Le’+ Fe3CⅠ
F+ Fe3C
C%
F+ Fe3CⅢ
工程材料学 24
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织转变
L → L＋A → A → F+A → F+P
工程材料学 25
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢的结晶过程
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织相对数量计算： 根据杠杆定律可以推得，P在钢中的相对量与钢的含碳量 x的近似关系是：WP＝ x / 0.77 ， WF＝1－WP
造等工艺依据。
工程材料学
4
第一节 铁碳合金系相图 铁。
第四章铁碳合金
第四章铁碳合金第四章铁碳合金第一节铁碳合金的组元与基本相（二）铁素体与奥氏体二、渗碳体Fe3C第二节Fe-Fe3C相图分析相图中点的含义A.三条水平恒温转变线①包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点，wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均发生包晶反应，即：L0.53+δ0.09→α0.17（LB+δH→αJ）②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即：L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（Ledeburite），用Ld表示。
③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。
凡wc>0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线均发生共析反应，即：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠光体（pearlite），用P表示。
共析转变温度常用A1表示。
B.两条磁性转变线①230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。
常用A0表示②770℃为α的铁磁性转变线。
770℃以上无铁磁性，770℃以下为铁磁体。
常用A2表示C.几条重要的相界线(固态转变线)①GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时)γ的转变线。
常用A3表示。
因这条线在共析转变线以上，故又称为先共析α相开始析出线。
常称为A3线或A3温度。
②E S线：C在γ中溶解度曲线。
常用Acm表示，称为Acm温度。
低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。
为了区别自液(CD线)态合金中直接析出的一次Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为二次Fe3C。
③PQ 线：C在α中溶解度曲线。
在727℃时，C在α中的最大溶解度0.0218%，但温度下降，C在中溶解度下降，会析出少量的渗碳体，，称为三次Fe3C。
第四章铁碳合金
• 碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。 • 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，石墨，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
F P
3.亚共析钢
3.亚共析钢
共析温度下
1）相的相对重量为：
P5 QFe3C PK 100%,
QF
5K PK
100%
2）组织组成物的相对重量为：
S’
QP
P5 PS
100%
WC 0.0218 0.77 0.0218
100%
QF
5S PS
100%
3.亚共析钢
室温下
1）相的相对重量百分比为：
5.共晶白口铁
室温下相的相对量为：
QF
6.69 4.3 100%=35.7% 6.69
QFe3C 100% 35.7% 64.3%
室温下组织为： Le’（100%）
6.亚共晶白口铁
室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’
P（粗大块状） +Fe3CⅡ（网状）+Le’
Fe3CⅡ
P Le’
合物，称作莱氏体, 用Le表示。 为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能 硬而脆。
10
莱氏体
⑵ 三条水平线：
• PSK：共析线(A1线)
• S ⇄(FP+ Fe3C)—珠光体（P） • 是 与Fe3C的机械混合物。
珠光体
屈服强 抗拉强 延伸 硬度 度/MPa /MPa /% /HB
(4) 第4章 铁碳合金
室温，F中：C=0.0008%。
一定温度下，如F中含C量 〉溶解度时，多余的C 从F中以Fe3C形式析出，即A→Fe3CIII，称三次Fe3C。 因其数量少，常忽略。
●相区
5个单相区：L（ABCD以上）;δ（AHNA）;γ（NJESGN); α（GPQG）;Fe3C（DFK） 7个两相区：L + δ; L + Fe3C; L + γ; δ+γ;
最大溶碳量C = 2.11%(1148℃)； C= 0.77%（727℃）奥氏体的 性能：强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。
5. Fe3C相 Fe3C相是一个化合物相, 其晶体结构和性能 已于前述, 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、 粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
§2
注：C< 0.09%的合金不发生包晶转变，C = 0.53-2.11% 的合金也不发生包晶转变。
2）ECF（1148℃）——共晶转变线 在1148℃的恒温下，C = 4.3%的L相将发生共晶转变，生 成含C = 2.11%的奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其反应式 为： LC → （γE + Fe3C）或Ld 共晶转变所形成的共晶体(γE + Fe3C)称为莱氏体，以符 号Ld表示。故共晶转变反应式又可写为：
结晶过程见图：
亚共析钢结晶过程示意图
室温平衡组织：α + P F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时呈黑色块状。 钢的含碳量越高，则珠光体P数量越多，而先共析铁素体 α越少
亚共析钢的室温组织
(a)C=0.15% (b)C=0.40% (c)C=0.60%
组织组成物F和P的相对量：
组成相F和Fe3C的相对量；
γ+ Fe3C;
工程材料学 第4章 铁碳合金
727
L
4.3 1148 C
L+Fe3C D
F
+Fe3C
K
400
200
0Q
Fe
1
a+ Fe3C
Fe3C
2
3
4
5
6 6.69
Fe－Fe3C相图
Wc(%)
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析
1、奥氏体（A） —— C溶于-Fe形成的固溶体
含碳量：0~2.11% 温度范围：727 ℃ ~1495 ℃
NJ
D
温度范围：<912℃
912 ℃
EC
F
G
力学性能：强度、硬度低；塑性好。
K
PS
0.0218
工业纯铁——<0.02%C，
冷轧提高强度，得到冷轧板。
0.0008
Q
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 3、珠光体（P）——a和Fe3C形成的机械混合物
相：a+ Fe3C两种相组成 组织：珠光体，用符号P表示
3、 C ： 游离的碳有石墨和金
刚石两种晶体结构，在铁 碳合金中的游离态是石墨。 石墨(Graphite)具有简单 六方晶格,两层晶面间的结 合力弱。石墨的性能特点 为耐高温，可导电，有一 定的润滑性，但其强度、 硬度、塑性和韧性都极低。
工程材料学 7
第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金中的基本相
铁素体 C在α -Fe中的间隙固溶体，记为α 或F(Ferrite)，晶体结构为 bcc。铁素体溶碳能力极微，其性能是软、韧。 奥氏体 C在γ-Fe中的间隙固溶体，记为γ或A(Austenite)，晶体结 构为fcc。奥氏体溶碳能力也低，其性能也是软、韧。 δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度 较高，组织形貌一般丌观察，也有称高温铁素体。 渗碳体 Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，含碳量6.69%，晶体结 构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，记为Fe3C， 也有写为Cm(Cementite)。性能：硬、脆。 石墨 在铁碳合金中以游离状态存在的碳，G(Graphite)。 液相 碳在高温下的熔融液体，相图中标记 L(Liquid)。
工程材料 第四章 铁碳合金ppt课件
重要的点J、C、S
A A
A 室温
A
A+Fe3CⅡ+ Ld
P+Fe3CⅡ+L′ d
L+Fe3C Ⅰ
J点为包晶点 ， 反响式： LBH 14 9 C 5 A J
C点为共晶点 ，反响式：LC 11 4C 8AEF3eC(共晶渗碳
S点为共析点 ，反响式：AS 72 7CFPFe3C(共析渗
重要的线： ABCD—液相线； AHJECF—固相线； 程度线HJB—包晶线；程度线ECF—共晶线； 程度线PSK —共析反响线〔A1 线〕； GS—合金冷却时自A中开场析出F的临界温度线〔A3线〕; ES—碳在A中的固溶 线〔Acm线〕 ； PQ—碳在F中的固溶线。
0.35%；它能溶于F中，使F强化，从而使钢的强度、硬
度、弹性提高，而塑性、韧性降低。 〔3〕硫的影响 硫在钢中是有害杂质，它不溶于铁，而以FeS方式存在，
会使钢产生热脆性。
〔4〕磷的影响 磷在钢中是有害杂质，它 全部溶于铁素体中，虽可使
铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、 韧性急剧降低，并使钢产生冷脆性。
在运用此相图时应留意以下两点： 〔1〕此相图只反映铁碳二元合金中相的平衡形状，如含
其它元素，相图将发生变化。 〔2〕此相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的形状，
假设冷却或加热速度较快时，其组织转变就不能只 用
相图来分析了。
第三节 碳钢 一、钢中常存杂质元素的影响 〔1〕锰的影响
在钢中它是一种有益元素，在碳钢中含锰量通常＜
其钢号以“已〞或“B〞字加上阿拉伯数字表示，共有 7级即B1、B2、B3 、… B7〔或已1、已2、已3、 …已7〕， 数字愈大的已类钢，其含碳量愈高。
第4章铁碳合金
均具有顺磁性。
***提出问题？ 体心立方晶格的致密度小于面心立 方晶格，为什么铁素体的溶碳能力却 远远小于奥氏体？？
§4.2 Fe-Fe3C 相图分析
相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表：
图中 ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。 整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温 转变所组成：
§4.6应用Fe-Fe3C 相图应注意的问题 1、相图只能反映相的平衡状态 2、相图只能反映相的组成，不能反映相的形状、大小和分布
11
铁碳合金相图练习题
一、 名词解释
铁素体 奥氏体 珠光体 渗碳体 二、问答题 1、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？ 2、按铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织 是什么？ 3、含碳量为0.4％、0.77％、1.2％、三种钢在700℃ 770℃、 900℃时分别各为何组织？ 4、计算一下50钢和T10钢在室温下 HBw、 σb
二、共析钢 合金溶液在 1-2 点温度区间结晶出γ固溶体，在 2 点凝固完毕，合金为单相γ。冷至 3 点（727℃） 时，在恒温下发生共析转变： 转变产物为珠光体，即 P，是α和 Fe3C 的层片 状混合物。P 中的 Fe3C 称为共析渗碳体。因此共析 钢的室温组织为 P。 P 中的α和 Fe3C 的相对量可用杠杆定律求得：
2、渗碳体
渗碳体是铁与碳形成的具有复杂结构的间隙化 合物，分子式为Fe3C；含碳 6.69wt%， 性能:它的硬度很高，脆性大，塑性和韧性几 乎为零。
拉伸强度σb：30N/mm2 延伸率δ：0% 断面收缩率ψ：0% 冲击值：0 布氏硬度 ：800 HBW
3、基本相---铁素体与奥氏体
碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体;
常用符号 F 或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C
Chapter4 铁碳合金解析
Chapter4 铁碳合金本章要点：1．Fe-Fe3C相图分析及应用2．铁碳合金的基本组织与性能特征3．铁碳合金含碳量对组织、性能的影响4．常用非合金钢（碳素钢）的牌号、性能及应用第一节铁碳合金的基本组织铁碳合金中的 Fe 和 C 可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。
另外，这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。
铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。
一、铁素体（ferrite）[铁素体]：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，呈体心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，在727℃时达到最大溶解度0.0218%。
铁素体的显微组织为多边形晶粒。
[铁素体性能]：铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。
（δ=30%~50%，A KU=128~160J）σb=180~280MPa，50~80HBS）。
图1 铁素体晶体结构图2 铁素体显微组织图3 奥氏体晶体结构图4 奥氏体显微组织二、奥氏体（Austenite）[奥氏体]：是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，呈面心立方晶格。
碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。
[奥氏体性能]：具有一定的强度和硬度（σb=400 MPa，170~220HBS），塑性和韧性也好（δ=40%~50%）。
奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（昌粒的平行的直线条），生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。
三、渗碳体（Cementite）[渗碳体]：是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。
它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃，[渗碳体性能]：其力学性能特点是硬度高，脆性大，塑性几乎为零。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.Fe－Fe3C合金
图
相图 1/3
1）相图形式
§4.1 相图分析—4.Fe－Fe3C合金相图 2/3
2）相图中各点的参数及含义
§4.1 相图分析—4.Fe－Fe3C合金相图 3/3
3）相图中相区
五个单相区：液相区 L 奥氏体 (A) 渗碳体 Fe3C
高温固溶体 铁素体 (F)
七个双相区：L＋ ＋ ＋
组织转变：L
L＋A
A
A＋Fe3CII P＋Fe3CII
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---4.亚共析钢 7/13
续4、过共析钢(C%=0.77~2.11%)
说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很 脆，工程中使用并不希望出现这种组织。
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---5.共晶白口铁 8/13
L＋
＋ Fe3C ＋Fe3C
L＋ Fe3C
三个三相区：HJB线 L＋＋
ECK线 L ＋ ＋ Fe3C PSK线 ＋ ＋Fe3C
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---1 工业纯铁 1/13
铁碳合金按组织、性能、应用特点分为以下类型：
工业纯铁 (C%<0.02%)
钢
(C%<2.11%) 亚共析钢 共析钢 及其组织---7.过共晶白口铁 13/13
续7、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)
Fe3C的形式 一次渗碳体Fe3CI 三次渗碳体Fe3CIII (共析)珠光体中
二次渗碳体Fe3CII (共晶)莱氏体中
§4.3 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 1/4 1、碳对室温平衡组织的影响
§4.1 相图分析—3.铁碳合金三相平衡转变 1/1
这是一包晶反应，发生在高温， 并且在随后的冷却过程中组织还 会发生变化，不作讨论。 共晶反应，产物共晶体组织称为 莱氏体，记录Ld(Ledeburite)
共析反应，产物为两相层片交替 分布的共析体组织称为珠光体， 记录P(Pearlite)
§4.1 相图分析—
石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但 其强度、硬度、塑性和韧性都极低。
§4.1 相图分析—2.铁碳合金中的基本相 1/1
α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相 形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。
γ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相 形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---6.亚共晶白口铁 11/13
续6、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---7.过共晶白口铁 12/13
7、过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)
组织转变 L
L+Fe3CI Fe3CI+Ld Fe3CI+L’d
3、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)
组织转变 L－……－ A F+A
F+P
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---3.亚共析钢 5/13
续3、亚共析钢(C%=0.02~0.77%)
组织相对数量计算：
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---4.过共析钢 6/13
4、过共析钢(C%=0.77~2.11%)
白口铸铁 (C%>2.11%) 亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁
灰口铸铁
亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁
1、工业纯铁(C%<0.02%)
含碳量大于Q点(0.008%)时，理论上将从α－Fe中析出的 Fe3C称为三次渗碳体，但这个转变大多被抑制，形成微量的过 饱和状态。 通常的组织为单一铁素体。
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---2 共析钢 2/13
§4.1 相图分析—1. 组元特性 2/2
2）碳
游离的碳有石墨和金刚石两 种晶体结构，在铁碳合金中的游 离态是石墨。石墨(Graphite)具 有简单六方晶格。同一晶面上碳 原子以共价键结合,间距0.142nm 结合力较强，两层晶面的间距为 0.34nm，结合力弱。
石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面的扩大 快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片状。
第四章 铁碳合金
§4.1 相图分析—1. 组元特性 1/2 1）纯铁 纯铁的同素异晶转变
铁素体的磁性转变温度为770℃(居 里点)，曾经把770－912℃无磁性 (顺磁性)的铁称为β－Fe。
工业纯铁的力学性能特点是强度、硬度 低，塑性、韧性好。
抗拉强度 σb＝180－230Mpa 延伸率 δ＝30－50％ 断面收缩率ψ＝70－80％ 冲击韧性 ak＝160－200J/cm2 硬度 50－60HB
δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出 现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。
Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为 6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称 为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。 石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记 G(Graphite)。 L相 碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。
2、共析钢 (C%≈0.77%)
相转变过程
组织转变过程 L
L+A
P
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---2 共析钢 3/13
续2、共析钢(C%≈0.77%)
共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组 织为单一的珠光体。两相的重量比≈两相的厚度比≈8:1
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---3.亚共析钢 4/13
5、共晶白口铁(C%≈4.3%)
组织转变 L
(L＋Ld)
Ld
L’d
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---5.共晶白口铁 9/13
续5、共晶白口铁(C%≈4.3%)
§4.2 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织---6.亚共晶白口铁 10/13
6、亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)
组织转变 L L＋A A＋Ld A＋Fe3CII＋Ld P＋A＋Fe3CII＋L’d
§4.3 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 2/4
续1、碳对室温平衡组织的影响
§4.3 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 3/4