铁碳合金相图与共析钢结晶过程.
铁碳合金相图(详解)
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源 和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体 结构和本身的性质均相同。
相图中AHN线和GPQ线的左方分别为δ和α的铁素 体区域；NJESG包围的范畴为奥氏体区域。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量 和组织的不同，分成下列三类：
合物，
称此共晶混合物为莱氏体，用字母Ld表示； 冷至室温时成为变态莱氏体，用L′d表示。 此反应发生于所有含碳量 > 2.06％ < 6.67％的 铁碳合金范围内。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
相图中各主要点的涵义：
相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温 反应：
(3)在723℃(PSK水平线)发生共析反应，其反应式为
1147℃，此时可溶解2.06％C，而在723℃时只能溶解 0．80％C。故凡含碳量大于0.80％的铁碳合金自 1147℃冷至723℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳 体，称此渗碳体为二次渗碳体(Fe3CⅡ)，以区别于从液 体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CⅠ)。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
此外，值得注意的是ES和PQ线：
(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析
合金②冷凝后得到A组织，继续冷至GS线(3点温度)时，便会发生A F的转变，同时引起母相A中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，A 的含碳量沿GS线逐渐增浓而趋近于S点，即合金冷至723℃时，A的含碳量 增为0.80％，故当合金冷至稍低于723℃时，其组织中剩余的A，便会按 共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为F+P。
铁碳相图详解
三、典型铁碳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（<% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵ 碳钢（%~%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（%~%C）、共析钢（%C）和过共析钢（%~%C）。
⑶ 白口铸铁（%~%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（%~%C）、共晶白口铸铁（%C）和过共晶白口铸铁（—%C）下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。
图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。
继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间，不发生组织转变。
冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变。
温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3CIII。
7点以下，随温度下降，Fe3CIII量不断增加，室温下Fe3CIII的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢCFeQ。
图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程共析钢的含碳量为%，超过了包晶线上最大的含碳量%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。
合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反应转变为奥氏体。
在2 ~ 3点之间,不发生组织转变。
铁碳相图对共析钢-亚共析钢和过共析钢的详细分析
共析钢的结晶过程是一个扩散控制的过程，需要足够的时间来
03
完成。
共析钢的物理性质和机械性能
1
共析钢的物理性质和机械性能与其化学成分和组 织结构密切相关。
2
共析钢具有较高的强度和硬度，良好的耐磨性和 耐腐蚀性，以及较好的塑性和韧性。
3
这些性能使得共析钢在机械制造、汽车、航空航 天等领域得到了广泛应用。
过共析钢的物理性质和机械性能
01
02
03
由于过共析钢的碳含量 较高，其强度和硬度相 对较高，但韧性较差。
过共析钢在高温下具有 良好的抗氧化性和耐腐 蚀性，但在低温下容易
发生脆化。
由于组织中存在大量的 二次渗碳体，过共析钢 的耐磨性和高温疲劳强
度较好。
05
铁碳相图对共析钢-亚共 析钢和过共析钢的应用
在这个温度范围内，铁碳相图中的共析反应是放热反应，即 随着温度的降低，液态铁碳合金会逐渐发生共析反应，生成 铁素体和渗碳体。
共析钢的结晶过程
01
共析钢的结晶过程是在一定的温度下，液态的铁碳合金开始发 生共析反应，生成铁素体和渗碳体。
02
随着温度的降低，共析反应会继续进行，直到所有的液态合金
都转变为固态的铁素体和渗碳体。
铁碳相图为制定热处理工艺提供了依据，通过控制加热、保温和冷却过
程，实现对钢材内部组织结构的调控，从而改善其物理和机械性能。
在材料科学中的应用
研究相变行为
铁碳相图揭示了钢在加热和冷却过程中的相变行为，有助 于材料科学家了解材料在不同温度下的组织结构和性能变 化。
探索微观结构与性能关系
通过铁碳相图，可以研究不同成分和温度条件下钢材的微 观结构，进一步探索微观结构与性能之间的关系，为新材 料的开发提供理论支持。
铁碳相图及相变过程
下贝氏体：过冷奥氏体在350℃~Ms的转变产物。由过饱和针状铁素体和渗碳体形成的混合物，但渗碳体在铁 素体针内；
特征：呈黑色针状或竹叶状；
粒状贝氏体：过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁 素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相 混合物，称为M-A组织。
铁素体：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，溶碳能力极差； 特征：具有良好的韧性和塑性；呈明亮的多边形晶粒组织；
马氏体：碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，体心正方结构； 常见的马氏体形态：板条、片状；
板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多成群的、相互平行排列的板条所组成的板条束。空间形状是 扁条状的，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）；
粒状珠光体：由铁素体和粒状碳化物组成。它是经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。 特征：碳化物成颗粒状分布在铁素体上。
上贝氏体：过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，由过饱和针状铁素体和渗碳体形成的混合物， 渗碳体在铁素体针间；
特征：典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，脆性，硬度较高
渗碳体：碳与铁形成的一种化合物Fe3C 特征：含碳量为6.67%，具有复杂的斜方晶体结构；硬度很高，脆性极大，韧性、塑性几乎为零；
珠光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体组成的片层相间的机械混合物； 特征：呈现珍珠般的光泽；力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好；
铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
47.8%
( WγE = 1-47.8% = 52.2% )
第四节 含碳量对铁碳合 金平衡组织和性能的影响
一、含碳量对平衡组织的影响
随C含量 ，铁碳合金组织变化：
α+Fe3C α+P P P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’
P+Fe3CⅡ Ld’+Fe3CⅠ
C% ，Fe3C
Fe3C的形态及分布：随C
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
亚共晶白口铁 2.11%<C%<4.3%
t1 t2
t3
L
L 初
L 共晶+Fe3C即Ld
共晶 转变
初Fe3CⅡ 共晶Fe3CⅡ
共+Fe3C即P 初+Fe3C即P
室温组织 ：
共析 转变
P +Fe3CⅡ+L'd(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)
组织：P+ Fe3CⅡ +L’d （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
三、杠杆定律的应用
1、0.4%C钢
K
组织组成物：α+P
S 0.4 0.77 0.4
Wα
PS
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.。
铁碳合金相图解析
b
14
三、过共析钢的结晶过程分析
图1-36 过共析钢结晶过程示意图
图1-37 过亚 共析钢的显 微组织
b
15
四、共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-38 共晶白口铸铁结晶过程示意图
图 1-39 共 晶 白 口 铸铁的显微组织
b
16
五、亚共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-40 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
b
5
知识点二 Fe- Fe3C相图分析
b
6
图1-30 Fe- Fe3C相图
简化的Fe- Fe3C相图
b
7
1、主要特性点
表1-4简化Fe- Fe3C相图中的特性点
特性点 符号
A
温度/℃ ωc（%）
1538
0
含义 熔点：纯铁的熔点
C
1148
4.3 共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)
四个单相区。
（2）两相区 简化的Fe- Fe3C相图中有五个两相区，即
L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相
区和F+ Fe3C两相区。
每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，
即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F
和Fe3C三相共存。
b
10
图1-46 铁碳相图与铸锻 工艺间的关系
b
22
3、在锻压生产上的应用
钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强 度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时， 要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损 严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消 耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢 较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃； 终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温 度，以便打碎网状二次渗碳体。
铁碳合金相图
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
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↓
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过相图
图4-17
二、碳对铁碳合金平衡组织和性 能的影响
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
Ⅲ 3 Ⅱ
3
Ⅰ
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§4铁碳合金的成分—组织—性能
关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
1、含碳量——相相对量 C%↑→F%↓，Fe3C%↑ 2、含碳量——组织 F--->F+P--->P--->P+Fe3CII-->P+Fe3CII+Le’--->Le’-->Le’+Fe3CII--->Fe3C
第四章 铁碳合金相图
§1铁碳合金的基本相 §2 铁碳相图 §3典型铁碳合金的结晶过程及其组织 §4铁碳合金的成分—组织—性能关系
§1铁碳合金的基本相
• 一、铁碳合金相图中组元的性质和相的类
铁碳合金相图与共析钢结晶过程
珠光体
室温下，珠光体中两
相的相对重量百分比
1
2
是多少？
4L Q QL
3
6 .6 9 0 .7 7 8 8 .5 % 6 .6 9 0 .0 0 0 8
Q4
9
Q Fe3C 1 0 0 % 8 8 .5 % 1 1 .5 %
共析钢的结晶过程
总结：钢的结晶过程
1、共析钢的结晶过程 L → L+A → A → P 相组成物：F，Fe3C 2、亚共析钢的结晶过程 L→L+A → A → A+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 3、过共析钢的结晶过程 L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C
相图中有很广阔的奥氏体 区，面心立方晶格的高温 奥氏体有优良的塑性和较 好的强度，塑性变形抗力 很低，是热锻、热轧极好 的组织，轧、锻温度一般 选在图中影线部分。
（4)在焊接方面的应用
含碳量越低的钢焊接性越 好，含碳量增加时，随着 焊件壁厚的增加，需要预 热和焊后回火处理。
直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。
高温组织为单相A ⒈ 含碳量对室温平衡组织的影响
11%C)高温组织为单相A ⑵ 两相区: L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C
即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线
L+ Fe3C
共析转变的产物是 F与
Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
珠光体
铁碳合金相图与共析钢结晶过程
预测材料的性能与组织结 构
揭示铁碳合金的相变规律
为研究新型钢铁材料提供 基础
共析钢结晶过程
共析钢结晶过程是在冷却过程中发生的，随着温度的降低，固相和液相之间的转变开 始发生。
在共析温度以下，碳原子开始有序排列形成晶体结构，同时其他合金元素也会影响结 晶过程。
共析钢结晶过程需要一定的时间和冷却速率，不同的冷却速率会导致不同的晶体结构 和机械性能。
合金元素：合金元素可以改变钢的结 晶过程和组织结构，例如加入铬、镍 等元素可以提高钢的淬透性和抗腐蚀 性。
钢铁冶金：共析钢结晶过程是钢铁冶金中的重要环节，通过控制结晶过程可以获得高质量的 钢铁材料。
机械制造：共析钢结晶过程在机械制造中应用广泛，如制造汽车、飞机等高性能零部件。
建筑行业：共析钢结晶过程在建筑行业中用于生产高强度建筑结构材料，提高建筑物的安全 性和稳定性。
共析钢是一种碳 含量接近于共析 点的钢种，其结 晶过程非常复杂， 受到温度、成分 和冷却速率等多 种因素的影响。
铁碳合金相图与共 析钢结晶过程密切 相关，通过相图可 以预测不同成分和 温度下钢的相组成 和相对含量，从而 指导钢的生产和加 工过程。
在共析钢结晶过程 中，铁碳合金相图 可以提供结晶过程 中的温度和成分变 化信息，有助于深 入理解共析钢的结 晶机制和性能特点。
铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，通过它可以了解不同成分的铁碳合金在不同温度下 的组织结构和性能。
在共析钢结晶过程中，铁碳合金相图可以用来确定结晶温度和冷却速度等工艺参数，从而控制 结晶过程和最终产品的组织结构。
共析钢结晶过程中，铁碳合金相图上的共析点是一个重要的特征点，它表示在一定的温度和成 分下，钢中会发生共析反应，即铁素体和渗碳体的同时生成。
铁碳相图结晶过程
三条水平线
§2 典型铁碳合金结晶过程分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 ①纯铁 :wc <0.0218%
②钢
亚共析钢: wc= 0.0218~0.77%
共析钢: wc= 0.77% 过共析钢: wc= 0.77~2.11% 亚共晶白口铁: wc= 2.11~4.3% 共晶白口铁: wc= 4.3%
2.为制定热加工工艺提供依据
对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计
铸造性能的好坏.
对于锻造：确定锻造温度。 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来
减轻或消除组织不均匀性。
对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。
§3 碳 钢
一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响
4.含碳1.2%的过共析钢（合金④）
5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金⑤） 6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金⑥）
7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
3.亚共析钢结晶过程
二、碳钢的分类、编号和用途
1.碳钢的分类
(1)按含碳量分类 低碳钢:wc=0.01~0.25% 中碳钢:wc= 0.25~0.6% 高碳钢:wc= 0.6~1.3% (2)按质量分类 普通碳素钢:ws≤0.055% wp≤0.045% 优质碳素钢:ws、wp ≤0.035~0.040% 高级优质碳素钢:ws ≤0.02~0.03%；wp ≤ 0.03~0.035% (3)按用途分类 碳素结构钢:用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件 等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。
铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
E(2.11C%)~ K(6.69C%)
共晶白口铁C
过共晶白口铁(CK之间)
2.11~4.3 4.3
4.3~6.69
二、典型合金的平衡结晶过程
曲工
线业
和纯 平铁
(C<0.02%)
衡
结
晶
过 程
的 冷
却
组织：F或F+ Fe3C Ⅲ ，Fe3C Ⅲ 通常沿 晶界析出。 性能：σb 、HBS↓，δ 、Ak↑
组织：P+ Fe3CⅡ 组织特征：Fe3CⅡ呈网状分布于层片状P周围 性能特点：硬度高，塑、韧性低
P Fe3C Ⅱ
T12钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀）
共 线晶 和白 平口 衡铁 结的 晶冷 过却 程曲
共晶白口铸铁（Wc =4.3%）
高温组织：高温莱氏体（Ld→ A+Fe3C ） 室温组织：低温莱氏体（L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 性能：硬而脆
晶界
F
工业纯铁的室温平衡组织 250×
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
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第三节 铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
一、铁碳合金的分类
名称
C含量%
工业纯铁(P以左)
<0.0218
钢P(0.02C%） 亚共析钢(PS之间) ~E(2.11C%)
典型铁碳合金的结晶过程
一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。
原铁素体不变保留了在基体中。
4点以下不再发生组织变化。
故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
铁碳合金相图
⑶ 三个三相区：即HJB
(L++)、ECF (L++ Fe3C)、 PSK (++ Fe3C)三条水平线
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。
重量百分比为：
w( ) SK 6.69 0.77 88.8%,
PK 6.69 0.0218
w(Fe3C) 100% 88.8% 11.2%
1 2
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
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。
3 QQ 4
2.11
4.3
6.69
组织组
100
铁素体
成物相
对量% 0
三次渗碳体
相组成 100
物相对
量% 0
珠光体
二次渗碳体
莱氏体
一次渗碳体
Fe3C
三、典型合金的平衡结晶过程
⒉ 含碳量对力学性能的影响 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。
铁碳合金相图是 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。
二、铁碳合金相图
⒈ 特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
二、铁碳合金相图
⒉ 特征线
⑴ 液相线—ABCD， 固相线—AHJECFD
铁碳合金相图1
一、铁碳合金相图 铁碳合金相图是研究钢 和铸铁的基础，对于钢铁材 料的选用以及热加工和热处 理工艺的制订也具有重要的 指导意义。 铁和碳可以形成一系列 化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC 等, 有实用意义并被深入研 究的只是Fe-Fe3C部分。 ☆ 老师提示：重点内容
二、 铁碳合金中的基本相及组织 1、纯铁的同素异构转变
铁碳 合金
钢
含碳量为2.11%—6.69%的铁碳合金。 白口铸铁 共晶白口铸铁：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；
3、典型铁碳合金的结晶过程分析
工业纯铁的结晶过程
（1） 共析钢 [w(C) = 0.77%]平衡结晶过程
渗碳体的显微组织
奥氏体的晶格结构
渗碳体的晶格结构
5、珠光体（ pearlite ）： 铁素体（F）和渗碳体（Fe3C）组成的机械混合物。 用符号P表示。 性能---力学性能介于两者之间。常见的形态是铁素体与渗碳 体片层相间分布的，片层越细密，强度越高。
珠光体的显微组织
珠光体的显微组织
6、莱氏体（ ledeburite ）： 奥氏体（A）和渗碳体（Fe3C）组成的机械混合物。 用符号Ld表示。 性能---硬度高，塑性差。
（3）过共析钢[0.77%<w(C) ≤2.11%]平衡结晶过程
L→L+A→A→A+Fe3CII→As+Fe3CII →P+Fe3CII
因此室温平衡组织为Fe3CII +P。 在显微镜下, Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。
T12钢的室温平衡组织 Fe3CII +P 含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C； 组织组成物为 Fe3CII和 P, 它们的质量分数为多少？
机械工程材料：第五章 铁碳合金相图及碳钢
Q
5K 100% PK
组织组成物的相对重量为
QP
P5 PS
100%，Q
5S PS
100%
室温下相的相对重量
百分比为：
Q6 QFe3C QL
C 0.0008 100% 6.69 0.0008
Q
6L 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
从 Fe-FesC 相图中可知 ,铸 钢的凝固温度区间较宽 ,故流动性 差 ,化学成分不均匀 ,易形成分散 缩孔 。一般采用提高浇注温度来 改善流动性 , 这样会使高温奥氏 体晶粒粗大 ,且冷却速度又比较 快 , 迫使铁素体沿奥氏体一定晶 面以针状组织析出 , 这种组织称 为魏氏组织(如图所示) 。
同素异晶转变：固态金属随温度的变化，由一种晶体结构转变成另一种晶 体结构的过程。 具有同素异晶转变的金属：Fe、Co、Ti、Mn Sn等。
二、铁碳合金的组元和相
⒈ 组元 Fe、 Fe3C
⒉相
液相L、高温铁素体δ 、奥氏体A（ ）、 （低温）铁素体F （ ）、渗碳体Fe3C （Cm）
(1)铁素体 （符号：F） 碳在体心立方的α-Fe或δ-Fe的晶格间隙中形成的间隙固溶体。
三铁碳合金相图a1538铁的熔点c1148含碳量43共晶点d1227渗碳体的熔点e1148含碳量211碳在奥氏体中最大溶解度点s727含碳量077共析点p727含碳量00218碳在铁素体中最大溶解度点q室温含碳量00008室温时碳在铁素体中最大溶解度点1特性点g912铁的同素异构转变点2特性线ecf共晶反应线psk共析反应线符号abcd液相线es碳在奥氏体中的溶解度线符号acmpq碳在铁素体中的溶解度线gs冷却时奥氏体开始析出铁素体加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线符号fefe工业纯铁含碳量000218亚共析钢含碳量00218077共析钢含碳量077
共析钢结晶过程示意图
Wc=0.45%的过共析钢过程示意图 Wc=0.77%的过共析钢过程示意图
的过共析钢过程示意图top相关主题公司组织机构示意图骨的结构及其组成成分合作社组织机构示意图共析钢结晶过程示意图共析钢结晶过程示意图过共析钢平衡结晶过程铁碳合金相图与共析钢结晶过程铁碳合金相图与共析钢结晶过程铁碳合金相图与共析钢结晶过程共35页铁碳合金相图与共析钢结晶过程ppt课件10讲典型合金的结晶过程及组织铁碳合金相图与共析钢结晶过程过共析钢平衡结晶过程ppt课件讲ห้องสมุดไป่ตู้型合金的结晶过程及组织
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晶粒，晶界较直。强
度低、塑性好，钢材
热加工都在A 区进行.
碳钢室温组织中无奥
氏体。
奥氏体
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异 构转变。同素异构转变属于
纯铁的同素异构转变
相变之一—固态相变。
铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次
晶体结构变化，其变化为： -Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
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.
一、铁碳合金的基本相和性能
⑴ 铁素体： 碳在-Fe中的固溶体称 铁素体, 用F 或 表示。 碳在δ-Fe中的固溶体称 δ -铁素体，用δ 表示。
点间转变为 A。
到 S 点发生共析
转变：
AS⇄FP+Fe3C,
A 全部转变为
珠光体。
1点以上：L
℃
+
1～2点：LA
2～3点：A
+
+
3～3'点： AP
3'点以下：P
珠光体在光镜下呈指纹状. 转变结束时，珠光体中相 的相对重量百分比为：
SK 6.69 0.77 QF 88.8%, PK 6.69 0.0218 Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体
珠光体：共析反应的产物，是 F与 Fe3C片层相间的两 莱氏体：共晶反应的产物，高温莱氏体是A与Fe3C两 相混合物, 室温莱氏体是珠光体与Fe3C的两相混合物
二、铁碳合金相图的分析
相图的简化
⒈ 特征点
⇄
L+Fe3C
⇄ ⇄ ⇄
⇄
⇄
⒉ 特征线
⑴ 液相线—ACD， 固相线—AECF
② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢 (0.77~2.11%C)
⑶ 白口铸铁
(2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆
① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C) ② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁
(4.3~6.69%C)
(一) 共析钢的结晶过程
合金液体在 1-2
铁素体
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。
⑵ 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%。 组织为不规则多面体
铁碳合金相图与共析钢结晶过程 1、铁碳合金的基本相与性能
2、铁碳合金相图与共析钢结晶过程
3、含碳量对铁碳合金组织性能的影响
4、铁碳合金相图的应用
铁碳合金—碳钢和 铸铁，是工业应用
最广的金属材料。
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，它们都可以作为相图的组元看待。 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。
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
三个基本相：铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一 般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金平衡 组织中只有两个相，就是铁素体和渗碳体。 五种组织组成物：
是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或者 多相混合物。
铁素体 相混合物
四、 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
⒈ 含碳量对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
⑶ 两个三相区：
即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程
铁碳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A
① 亚共析钢
(0.0218~0.77%C)
⑵ 两条水平线： ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C 共晶产物是A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。
莱氏体
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C
L+ Fe3C
共析转变的产物是 F与 Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，体。 S点以下，共析 F 中析出 Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合
不易分辨。室温组织为P。
室温下，珠光体中两 相的相对重量百分比 是多少？
4L Q QL 6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008
Q
1 2
3
4
9
Q Fe3C 100% 88.5% 11.5%
共析钢的结晶过程
总结：钢的结晶过程
1、共析钢的结晶过程
L → L+A → A → P
相组成物：F，Fe3C 2、亚共析钢的结晶过程 L→L+A → A → A+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 3、过共析钢的结晶过程
L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII
相组成物：F，Fe3C
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 。
珠光体
⑶ 其它相线
GS—A⇄ F 固溶
体转变线, GS又
称A3 线。
ES—碳在 -Fe中 的固溶线。又称 Ac m线。 PQ—碳在-Fe 中的固溶线。
⒊ 相区
⑴ 单相区： L、A、F、Fe3C
⑵ 两相区: L+A、 L+Fe3C、A+Fe3C、 A+F、F+Fe3C
1394℃ 912℃
⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。
Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 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
由于碳在-Fe中的溶解度