铁碳合金成分组织性能之间的关系
铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
（一） 铸造性能
共晶成分的铸铁，不仅液相与固相线的距离最 小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔
小，偏析小，是铸造性能好的铁碳合金。
上一级
（二） 可锻性和可焊性
金属的可锻性是指金属压力加工时，能改变形 状而不产生裂纹的性能。 低碳钢的可锻性优于高碳钢，铸铁不可锻造。 金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊 缝裂纹的倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢 主要是低碳钢和低碳合金钢。
上一级
二、含碳量与力学性能间的关系
随着含碳量的增加，渗碳体增加，应力增加， 塑性下降。 当含碳量小于0.9%时，随着钢中含碳量的增加， 钢的强度硬度值直线上升，而塑性、韧性不断 降低；当钢中含碳量大于0.9%时，因沿晶界形 成的二次渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、 韧性进一步降低，而且强度也明显下降。
当含碳量小于09时随着钢中含碳量的增加钢的强度硬度值直线上升而塑性韧性不断降低当钢中含碳量大于09时因沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整不仅使钢的塑性韧性进一步降低而且强度也明显下降
§4-4
铁碳合金的成分、组织、 性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
随着含碳量的增加，组织变化趋势为：
F F P P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C
上一级
（三） 切削加工性
金属的切削加工性能是指其经切削加工
成工件的难易程度。
钢的硬度在 160 ～ 230HBS 时，切削加工
性最好。
上一级
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析
实验一平衡态铁碳合金成分、组织、性能之间关系的分析1.1典型铁碳合金的平衡组织观察与分析一、实验目的1．通过实验能识别铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2．掌握碳含量对铁碳合金平衡组织形貌及相组成比例的影响。
二、实验原理简介利用金相显微镜观察金属的内部组织和缺陷的方法称为显微分析（或金相分析）。
合金在极其缓慢的冷却条件（如退火状态）下所得到的组织称为平衡组织。
铁碳合金平衡组织的观察与分析，要依据Fe-Fe3C相图来进行。
1．室温下铁碳合金基本组织特征（1）铁素体（F）铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。
经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现白亮色多边形晶粒。
在亚共析钢中，铁素体呈块状分布，当合金的含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体晶界上。
（2）渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的一种化合物。
经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下为白亮色；若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈暗黑色，而铁素体仍为白亮色，由此可以区别铁素体和渗碳体。
由于铁碳合金的成分和形成条件不同，渗碳体可以呈现不同的形状,一次渗碳体是由液相中直接结晶出来，呈板条状游离分布；二次渗碳体是从奥氏体中析出的，呈网状分布在珠光体晶界上；三次渗碳体是从铁素体中析出，呈窄条状分布在铁素体晶界上。
（3）珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体的两相复合物。
在平衡状态下，它是由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。
经3%～5%的硝酸酒精溶液浸蚀后，铁素体和渗碳体皆为白亮色，而两相交界呈暗黑色线条。
在不同的放大倍数下观察时，组织特征有所区别。
如在高倍（600倍以上）下观察时，珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体都呈白亮色，而两相交界为暗黑色；在中倍（400倍左右）下观察时，白亮色的渗碳体被暗黑色交界所“吞食”，而呈现为细黑条，这时看到的珠光体是宽白条铁素体和暗黑细条渗碳体的相间复合物；在低倍（200倍以下）下观察时，无论是宽白条的铁素体还是暗黑细条的渗碳体都很难分辨，这时珠光体呈现暗黑色块状组织。
铁碳合金相图2
一、合金的使用性能与相图的关系 固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关, 溶质的溶入量越多,
晶格畸变越大, 则合金的强度、硬度越高, 电阻越大。当溶质原子 含量大约为50%时, 晶格畸变最大, 而上述性能达到极大值, 所以 性能与成分的关系曲线具有透镜状。
两相组织合金的机械性能和物理性 能与成分呈直线关系变化, 两相单独的 性能已知后, 合金的某些性能可按组成 相性能依百分含量的关系叠加的办法求 出。如硬度：HB=HBα α ％＋HBβ β ％
对组织较敏感的某些性能如强度等, 与组成相或组织组成物的形态有很大关 系。组成相或组织组成物越细密, 强度 越高。当形成化合物时，则在性能-成分
曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。
二、合金的工艺性能与相图的关系 合金的铸造性能与相图的关系：
纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造 性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶 的温度范围越窄，对浇注和铸造质 量越有利。合金的液、固相线温度 间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性 大；同时先结晶出的树枝晶阻碍未 结晶液体的流动，而降低其流动性， 增多分散缩孔。所以，铸造合金常 选共晶或接近共晶的成分。
2. 在铸造工艺方面的应用 根据Fe- Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般
在液相线以上50 ℃～100 ℃。从相图上可看出, 纯铁和共晶白 口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性 好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以铸铁在生产上总是 选在共晶成分附近。在铸钢生产中, 碳质量分数在0.15%-0.6%之 间, 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小, 铸造性能较好。 3. 在热锻、热轧工艺方面的应用
钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或轧制 选在单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下 100 ℃～200 ℃范围内。一般始锻温度为1150 ℃～1250 ℃, 终 锻温度为750 ℃～850 ℃。
金属学课程-第4章 习题答案
第4章 习题4-1 分析w C =0.2%、w C =0.6%、w C =1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。
解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe （碳的质量分数是0.008%）和Fe 3C （碳的质量分数是6.69%），故（1） w C =0.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.2%100%97.13%6.690.008%197.13% 2.87%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下α-Fe 碳的成分是0.0218%，P 的碳的成分为0.77%，故w C =0.2%的合金在室温时组织中P 和α的相对量分别为0.20.0218%100%23.82%0.770.0218%123.82%76.18%P α-=⨯=-=-= （2）w C =0.6%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.6%100%91.14%6.690.008%191.14%8.86%Fe C α-=⨯=-=-= w C =0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，在室温时组织中P 和α的相对量为0.60.0218%100%77.28%0.770.0218%177.28%22.72%P α-=⨯=-=-= （3）w C =1.2%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.69 1.2%100%82.16%6.690.008%182.16%17.84%Fe C α-=⨯=-=-= w C =1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是P 和Fe 3C ，在室温时组织中P 的相对量为3 6.69 1.2%100%92.74%6.690.77%192.74%7.3%P Fe C -=⨯=-=-=4-2 分析w C =3.5%、w C =4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。
Fe—C合金的组织和性能
Fe-Fe3C相图
1.Fe—C合金中的组元 铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）
(1)
纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数26， 原子相对质量 55.85 ，纯铁的熔点 1538℃，汽 化点2738℃，密度7.87g/㎝³ 。 纯铁固态下具有 同素异构转变 （ allotropic transformation ） ： 912°C 以 下 为 体 心 立 方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心 立方(fcc)结构, 1394°C到熔点之间为体心立 方(bcc)结构。 纯 铁 具 有 磁 性 转 变 （ 768℃ 磁 性 转 变 、 magnetic transformation ）。纯铁的强度低， 塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁 磁性（ferromagnetism）。
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图全貌部分考虑：左上角的包晶部分，右边的共晶 部分，左下角的共析部分。 分析点、 线、区特别是重要的点、三条水平恒温转变 线 、重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（1）Fe—Fe3C相图的点
B. 两条磁性转变线
① 230℃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 ② 770℃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，又称居 里点。
C. 几条重要的相界线(固态转变线)
（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： ·4个单相区：L、δ、γ、α · 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、 γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C ·3个三相共存区：L+γ+ Fe3C（ECF线）、 L+δ+γ（HJB线）、γ+α+ Fe3C（PSK线）
金属学与热处理答案
4-1分析w c=0.2%、w c=0.6%h w c=1.2%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。
解：在室温下，铁碳合金的平衡相是a-Fe（碳的质量分数是0.008%）和Fe s C（碳的质量分数是 6.69%），故（1） w C=0.2%的合金在室温时平衡状态下a相和Fe3C相的相对量分别为w^=0.2%的合金在室温下平衡态下的组织是 a -Fe和P,其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下a -Fe碳的成分是0.0218%,P的碳的成分为0.77%,故w c=0.2% 的合金在室温时组织中P和a的相对量分别为⑵w C=0.6%的合金在室温时平衡状态下a相和Fe3C相的相对量分别为W C=0.6%的合金在室温下平衡态下的组织是 a -Fe和P,在室温时组织中 P和a的相对量为⑶w C=1.2%的合金在室温时平衡状态下a相和F Q C相的相对量分别为w c=1.2%的合金在室温下平衡态下的组织是P和F Q C,在室温时组织中 P的相对量为4-2分析w c=3.5%、w c=4.7%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图,并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。
解：w c=3.5%的铁碳合金在室温平衡相是 a -Fe（碳的质量分数是0）和F Q C（碳的质量分数是 6.69%），故（1） w C=3.5%的合金在室温时平衡状态下a相和F Q C相的相对量分别为因为刚凝固完毕时，初生丫相和Ld中碳的成分分别为2.11%和4.3%,所以刚凝固完毕时初生丫相和Ld的相对量分别为碳的成分为 2.11%的初生丫相从共晶温度冷却到共析温度后，它的成分变为0.77%，在冷却过程中它析出F Q C I，每份丫相析出Fe3G的量为现在初生丫相的量是36.53%,所以到共析温度析出的F Q C相对于整体的相对量为因为合金中的初生丫相到共析温度析出F Q C,初生丫相的相对量减少8.27%，余下的丫相在共析温度都转变为P,所以P的相对量为⑵w C=4.7%的合金在室温时平衡状态下a相和F Q C相的相对量分别为因为刚凝固完毕时，初生FeC和Ld中碳的成分分别为 6.69%和4.3%，所以刚凝固完毕时初生FeC和Ld的相对量分别为4-3计算铁碳合金中二次渗碳体和三次渗碳体最大可能含量。
铁碳球实验报告
一、实验目的1. 了解铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。
2. 掌握铁碳球实验的基本操作方法。
3. 分析不同碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
二、实验原理铁碳合金是由铁和碳组成的合金，其性能和成分密切相关。
随着碳含量的增加，铁碳合金的硬度、强度和耐磨性逐渐提高，但韧性和塑性逐渐降低。
本实验通过铁碳球实验，观察不同碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
三、实验材料及设备1. 实验材料：生铁、纯铁、碳粉、石蜡、砂纸等。
2. 实验设备：高温炉、天平、铁碳球模具、冷却水槽、砂纸、放大镜等。
四、实验步骤1. 准备铁碳球模具，将生铁、纯铁和碳粉按一定比例混合均匀。
2. 将混合好的铁碳球材料放入铁碳球模具中，压实。
3. 将铁碳球模具放入高温炉中，加热至一定温度（如1200℃），保温一段时间。
4. 取出铁碳球模具，将铁碳球放入冷却水槽中快速冷却，使其凝固。
5. 使用砂纸对铁碳球表面进行打磨，使其光滑。
6. 观察不同碳含量铁碳球的宏观组织和性能。
五、实验结果与分析1. 宏观组织观察（1）低碳铁碳球：表面光滑，颜色呈银白色，硬度较低，韧性较好。
（2）中碳铁碳球：表面光滑，颜色呈灰黑色，硬度较高，韧性较差。
（3）高碳铁碳球：表面粗糙，颜色呈黑色，硬度最高，韧性最差。
2. 性能分析（1）低碳铁碳球：具有良好的韧性和塑性，但硬度较低，耐磨性较差。
（2）中碳铁碳球：具有良好的强度和硬度，但韧性较差，耐磨性一般。
（3）高碳铁碳球：具有很高的硬度和耐磨性，但韧性和塑性较差。
通过实验结果分析可知，随着碳含量的增加，铁碳球的硬度、强度和耐磨性逐渐提高，但韧性和塑性逐渐降低。
这是因为碳在铁碳合金中形成碳化物，增加了合金的硬度和耐磨性，但降低了韧性和塑性。
六、实验结论1. 铁碳球实验可以直观地观察到不同碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。
2. 随着碳含量的增加，铁碳合金的硬度、强度和耐磨性逐渐提高，但韧性和塑性逐渐降低。
3. 在实际应用中，应根据需要选择合适的碳含量，以获得最佳的性能。
铁碳合金的基本组织
由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以 进行热处理。并且可以正确选择加热温度。
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7
GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。
ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。 ECF：共晶线，含C量2.11 % --6.69%的铁碳合金至此发生共
晶反应，结晶出A与Fe3C混合物---莱氏体Ld。 PSK：共析线，含C量在0.0218 % --6.69%的铁碳合金至此反
生共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。
引言： 关于铁碳合金状态图
1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下 的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。 又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通 过实验的方法建立起来的。 2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸 造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。
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2
第3章 铁碳合金
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6
第3章 铁碳合金
第三节 铁碳相图的应用
1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，
从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求 的性能来选择不同含碳量的材料。 2、叛断切削加性能：
低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体 含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺：
3
第3章 铁碳合金
一、铁碳相图分析
1、相图的坐标
纵坐标：代表温度。
铁碳合金平衡组织实验报告
铁碳合金平衡组织实验报告一、实验目的1、识别和研究铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。
2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，理解成分、组织与性能之间的相互关系。
二、实验原理碳钢合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。
碳钢合金平衡状态的组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态）所得到的组织，其相变过程均按相图进行，因此可以根据该相图来分析碳钢合金的平衡组织。
如图1所示，含碳量小于2.11％的合金为碳钢，含碳量大于2.11％的合金为白口铸铁。
所有碳钢和白口铸铁在室温下的组织均有铁素体（Fe）和渗碳体（Fe3C）这两个基本相所组成。
只是因含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对数量及分布形态有所不同，因而呈不同的组织形态。
图1简化后的Fe-Fe3C状态图三、实验原理分析1、碳钢和白口的基本组织（1）铁素体(F) 是碳在铁中的固溶体。
铁素体为体心立方格。
具有磁性及良好的塑性，硬度较低。
用3％～4％硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒。
（2）渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，含碳量为6.69％。
用3％～4％硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色。
式中：P和F分别为珠光体和铁素体所占面积的％。
四、实验报告要求（1）实验目的。
（2）在直径为50mm的圆内画出所观察样品的显微组织示意图（用箭头和代表符号表明各组织组成物，并注明样品成分、腐蚀剂，放大倍数）。
（3）根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响规律。
（4）根据杠杆定律计算未知样品的碳含量。
Fe—C合金的组织和性能
（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： ·4个单相区：L、δ、γ、α · 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、 γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C ·3个三相共存区：L+γ+ Fe3C（ECF线）、 L+δ+γ（HJB线）、γ+α+ Fe3C（PSK线）
4. Fe—C合金分类
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。
5.碳素结构钢的分类和编号
关于钢和铸铁的命名法则，国内和国际上都有强制性标准。 下面给大家介绍一下碳素结构钢的分类和牌号。 一.分类 1.根据钢的含碳量分类 （1）低碳钢 Wc≤0.25% （2）中碳钢 Wc=0.25～0.60% （3）高碳钢 Wc≥0.60% 2.根据钢的质量（钢中含杂质S、P的量）分类 （1） 普通碳素钢 Ws≤0.055% Wp≤0.045% （2） 优质碳素钢 Ws≤0.040% Wp≤0.040% （3） 高级优质碳素钢 Ws≤0.030% Wp≤0.030% 3.根据钢的用途分类 （1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢
铁碳合金 成分 组织 性能之间的关系
相图分析——典型合金结晶——铁碳合金成分与性能关系、应用三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。
任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。
1、碳的质量分数对组织的影响铁碳合金的室温组织随碳的质量分数的增加，组织的变化规律如下：F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ从以上变化可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。
具体来说，对钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体量随着减少，过共析钢中的二次渗碳体量随着增加；对铸铁部分而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量随着增加。
铁碳合金室温组织的相组成相对量、组织组成物相对量如图所示。
2、碳的质量分数对力学性能的影响铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。
当碳的质量分数Wc<%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度呈直线上升，而塑性、韧性随之降低。
原因是钢组织中渗碳体的相对量增多，铁素体的相对量减少；当碳的质量分数Wc>%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。
原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。
导致了钢脆性的增加。
为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于%。
Wc>%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。
五、Fe-Fe3C相图的应用1、在钢铁材料选材方面的应用Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。
铁碳合金的基本组织
铁碳合金的基本组织1、铁素体（F或α）铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格。
碳在α-Fe中的溶解度专门小，727℃时0.0218%；室温时为0.0008%,几乎为零。
其强度和硬度专门低，塑性、韧性好。
显微组织是明亮的多边形晶粒。
2、奥氏体（A或γ）奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格。
碳在γ-Fe中的溶碳量较高，1148℃时2.11%；1148℃时为0.77%。
其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。
其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。
3、碳体（Fe3C）渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含量是6.69％，具有复杂的晶体结构。
其硬度专门高，塑性和韧性专门差，δ、A k接近于零，脆性专门大。
4、珠光体（P）奥珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
是奥氏体冷却时，在727℃恒温下发生共析转变的产物。
显微组织是铁素体与渗碳体片层状交替排列。
性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性5、莱氏体（Ld或Ld'）莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
是在1148℃恒温下发生共晶转变的产物，平均碳含量4.3%。
铁碳合金状态图分析目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。
右图为简化后的Fe－Fe3C状态图。
铁碳合金状态图分析1、要紧特性点1）A点纯铁的熔点，温度1538℃,Wc=02）G点纯铁的同素异晶转变点，冷却到912℃时,发生γ-F→α-Fe3）Q点600℃时,碳在α-Fe中的溶解度,Wc=0.0057%4）D点渗碳体熔点,温度1227℃,Wc=6.69%5）C点共晶点，温度1148℃，Wc=4.3%成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：Lc→Ld（AE+Fe3C）6）E点碳在γ-Fe中的最大溶解度,温度1148℃，Wc=2.11%7）S点共析点，温度727℃，Wc=0.77%成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：As→P （Fp+Fe3C）8）P点碳在α-Fe中的最大溶解度,温度727℃，Wc=0.0218% 2、特性线1）ACD线液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。
铁 碳 合 金
铁碳合金
铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应 用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合 金的成分、组织和性能之间的关系。
1.1 铁碳合金的基本组织
铁碳合金中含有质量分数为0.10%～0.20%的杂质，称之为 工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适 宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入 少量碳元素，可形成等五种基本组织。
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K
727
P
727
6.69 0.0218
Fe3C的成分点 碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点
Q 600（室温） 0.0057（0.0008） 600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度
铁碳合金分类
通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由Fe—Fe3C相图中的P 点和E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体
1.2 铁碳合金相图
表2-1 Fe—Fe3C相图中的特性点
符号 温度（℃） 含碳量（%）
说明
A
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
4ห้องสมุดไป่ตู้30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
6.69
渗碳体的成分点
G
912
0
Α-Fe与γ-Fe同素异构转变点
工业纯铁 是指P点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%），室温组织为铁素 体+少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较 低。 钢 是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P点成分与E 点成分之间的铁碳合金（含碳量0.0218%～2.11%），具有良好的塑性， 适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共 析钢和过共析钢三种。 白口铸铁 是指E点成分以右（含碳量2.11%～6.69%）的铁碳合金。白口铸铁有 较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白 口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。
含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响规律
2．为制定热加工工艺提供依据：
对锻造和轧制：根据相图可以确定锻造温度。钢处于奥氏 体状态时，强度低、塑性高，便于塑性变形。因此，锻造或轧 制温度必须选择在单相奥氏体区的适当温度范围内。一般控制 在固相线以下100～200℃。而终轧和终锻温度也不能过高，以 免奥氏体的晶粒粗大。但又不能过低，以免钢材塑性差导致产 生裂纹。一般对亚共析钢的终锻和终轧温度控制在稍高于GS线 （A3线）；过共析钢控制在稍高于PSK线（A1线）。实际生产上 各种碳钢的始轧温度为1150~1250℃，终锻和终轧温度为 750~850℃
对焊接：由于焊缝到母材在焊接过程中处于不同的温度条 件，因而整个焊缝区会出现不同组织，引起性能不均匀，可根 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。
铁碳合金相图与铸造、锻造工艺的关系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
浇注区
锻轧区
1300
850
若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，应 选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强度、塑性、 韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢（0.25~0.60%C）； 若零件要求硬度高、耐磨性好，如工具等，应选用高碳钢 （0.6~1.3%C）。
白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具 有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲击 的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。
含碳量对铁碳合金的组织和性能的影响规律
四、 铁碳合金的含碳量(C%)与其组织和性能的影响关系
从相图中得知铁碳合金在室温下的组织如下：
727℃
而室温下的珠光体（P）和低温莱氏体（L’d）也是由铁素体（F） 和渗碳体（Fe3C）组成的，所以铁碳合金在室温的组织都是由铁素体 （F）和渗碳体（Fe3C）两相组成的。
铁碳合金的基本组织与性能
铁碳合金的基本组织与性能
渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存 在形式，是亚稳定的金属化合物，在一 定条件下（如高温长期停留或极缓慢冷 却）能分解为铁和石墨，这一过程对铸 铁的形成过程具有重要意义。
铁碳合金的基本组织与性能
图1-6 珠光体的显微组织
铁碳合金的基本组织与性能
五、 莱氏体
莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符号Ld表 示。莱氏体是碳的质量分数为4.3％的液态铁碳合金在1 148 ℃时发生共晶转变的产物。当温度降到727 ℃时，由于莱氏体 中的奥氏体转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗 碳体组成，称为低温莱氏体，用Ld′表示。低温莱氏体的显微 组织如图1-7所示，图中黑色相为珠光体，白色相为渗碳体基 体。莱氏体的性能与渗碳体的相似，即硬度高、塑性差。
铁碳合金的基本组织与性能
四、 珠光体
珠光体是奥氏体在高温缓慢冷却时发生共析转变所形成 的，由铁素体和渗碳体组成的混合物，用符号P表示。其中， 渗碳体和铁素体呈片层相间、交替排列的形式。珠光体的显微 组织如图1-6所示，其中白色相为铁素体基体，黑色相为渗碳 体。在缓慢冷却条件下，珠光体中碳的质量分数为0.77％，由 于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，因此其 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合力学性能良好，即强 度较高，硬度适中，具有一定的塑性。
铁碳合金的基本组织与性能
图1-1 铁素体的晶胞示意图
图1-2 铁素体的显微组织
铁碳合金的基本组织与性能
二、 奥氏体
论铁碳合金组成成份对其性能的影响
论铁碳合金组成成份对其性能的影响钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。
普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴，而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁碳合金，所以其主要组成元素除铁和碳外，还有其它次要元素如硅、锰、磷、硫、铬、钼、钨、铝、铜、钛、钒、镍、镁、钒、硼、氮，还有稀土等等，它们对铁碳合金性能的影响程度大多与其在合金中的质量分数成正比，也就是说碳元素的影响最大，其它次之，下面分述之：一.碳对铁碳合金性能的影响合金材料的性能包括使用性能和工艺性能。
使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
这里着重介绍随着碳在铁碳合金中的质量分数（即含碳量）从0~6.69%的提高，铁碳合金的力学性能不断发生的质的飞跃，其阶段性名称是：0~0.0218%工业纯铁→0.0218%~0.77%亚共析钢（0.0218%~0.25%低碳钢→0.25%~0.60%中碳钢→0.60%~0.77%高碳钢）→0.77%共析钢→0.77%→2.11%过共析钢→2.11%~4.3%亚共晶白口铸铁→4.3%共晶白口铸铁→4.3%~6.69%过共晶白口铸铁。
这个过程中铁碳合金的含碳量与力学性能之间的关系如下：1.硬度：随含碳量增加，硬度不断升高。
2.强度：在0.9%以下，强度随含碳量增加而不断上升。
3.塑性和韧性：随含碳量增加，塑性和韧性不断下降。
4.含碳量在2.11%以上的白口铸铁性能硬脆,难以加工,因此在机械工业中应用不多。
二. 其它元素对铁碳合金性能的影响由于全面论述其它元素对铁碳合金性能的影响篇数太大，这里仅以钢为例述说其它元素对其综合性能的影响：1.硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性。
材料科学基础铁碳合金的组织及其性能
组元: Fe, Fe3C
L+Fe3C
0.0218 2
组元: Fe, Fe3C
L+Fe3C
0.0218 3
基本相
高温铁素体：碳溶于δ-Fe中的间 隙固溶体，体心立方，符号： ；最大溶碳量：0.09%
L+Fe3C
奥氏体：碳溶于γ-Fe中的间隙固 溶体，面心立方，符号：A或γ ；最大溶碳量：2.11%
但随着成分的不同，合金经历的转变不同， 因而相的相对量、相的形态、分布差异很大，也 就是说不同成分的铁碳合金的组织有很大的差异 。因为合金的性能是由其组织决定的，所以人们 更关注合金的组织。
温度
A
L+
H
B
NJ
A+
L
D
L+A
A
E
C
L+ Fe3C F
A+ Fe3C
G
A+
Ld
F
A+F
S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld
3333
(6) 亚共晶白口铸铁( WC = 3.0% 的合金)
室温组织：P+Fe3CII+Ld’
34
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：
N
1
D
2
C
E
F
3
4
(7) 过共晶白口铸铁( WC = 5.0% 的合金)
室温组织：Fe3CI+Ld’
37
以上分析可知，铁碳合金不管其成分如何， 其室温下的相组成都是铁素体和渗碳体。
始析出线。
工程材料实验报告--碳钢成分-组织-性能实验
实验日期：成绩：工程材料综合实验报告工程材料综合实验----碳钢成分-组织-性能实验●金相显微镜的构造及使用●金相显微试样的制备●铁碳合金平衡组织观察●碳钢的热处理操作、组织观察及硬度测定一．实验目的1.研究铁碳合金在平衡状态下的显微组织。
2.分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系。
3.了解碳钢的热处理操作。
4.研究加热温度、冷却速度、回火温度对碳钢性能的影响5.观察热处理后钢的组织及其变化。
6.了解常用硬度计的原理，初步掌握硬度计的使用。
二．实验设备及材料1.显微镜、预磨机、抛光机、热处理炉、硬度计、砂轮机等；2.金相砂纸、水砂纸、抛光布、研磨膏等；3.三个形状尺寸基本相同的碳钢试样（低碳钢20＃、中碳钢45＃、高碳钢T10）。
三、实验内容概述1．钢的热处理热处理是将钢加热到一定温度，经过一定时间的保温，然后以一定速度冷却下来的操作，通过这样的工艺过程钢的组织和性能将发生改变。
通常加热、保温的目的是为了得到成分均匀的细小的奥氏体晶粒，亚共析碳钢的完全退火、正火、淬火的加热温度范围是AC3+30~50℃，过共析钢的球化退火及淬火加热温度是AC1+30~50℃，过共析钢的正火温度是ACcm+30~50℃，保温时间根据钢种，工件尺寸大小，炉子加热类型等由经验公式决定。
碳钢的过冷奥氏体在Ac1~550℃范围内发生珠光体转变，形成片状铁素体和渗碳体的机械混合物。
依据片层厚薄的不同有粗片状珠光体（P），细片状珠光体——索氏体（S）和极细片状珠光体——屈氏体（T）之分。
硬度随片距的减小（转变温度的降低）而升高。
碳钢的过冷奥氏体在550~350℃之间发生贝氏体转变，生成由平行铁素体条和条间短杆状渗碳体构成的上贝氏体（B上）。
在光学显微镜下呈黑色羽毛状特征。
过冷奥氏体在350℃~Ms之间等温得到黑色针状的下贝氏体（B下），它是由针状铁素体和其上规则分布的细小片状碳化物组成。
过冷奥氏体以超过临界速度的快冷至Ms以下温度，将发生马氏体转变，生成碳在α-Fe中的过饱和固溶体——马氏体。
金属学与热处理答案
第4章 习题4-1 分析w C =%、w C =%、w C =%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的转变过程，用冷却曲线和组织示意图说明各阶段的组织，并分别计算室温下的相组成物和组织组成物的含量。
解：在室温下，铁碳合金的平衡相是α-Fe(碳的质量分数是%)和Fe 3C(碳的质量分数是%)，故(1) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.2%100%97.13%6.690.008%197.13% 2.87%Fe C α-=⨯=-=-= w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，其组织可近似看做和共析转变完时一样，在共析温度下α-Fe 碳的成分是%，P 的碳的成分为%，故w C =%的合金在室温时组织中P 和α的相对量分别为0.20.0218%100%23.82%0.770.0218%123.82%76.18%P α-=⨯=-=-= (2) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.690.6%100%91.14%6.690.008%191.14%8.86%Fe C α-=⨯=-=-= w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是α-Fe 和P ，在室温时组织中P 和α的相对量为0.60.0218%100%77.28%0.770.0218%177.28%22.72%P α-=⨯=-=-= (3) w C =%的合金在室温时平衡状态下α相和Fe 3C 相的相对量分别为3 6.69 1.2%100%82.16%6.690.008%182.16%17.84%Fe C α-=⨯=-=-= w C =%的合金在室温下平衡态下的组织是P 和Fe 3C ，在室温时组织中P 的相对量为3 6.69 1.2%100%92.74%6.690.77%192.74%7.3%P Fe C -=⨯=-=-=4-2 分析w C =%、w C =%的铁碳合金从液态平衡冷却至室温的平衡结晶过程，画出冷却曲线和组织变化示意图，并计算室温下的组织组成物和相组成物的含量。
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相图分析——典型合金结晶——铁碳合金成分与性能关系、应用
三、铁碳合金成分、组织、性能之间的关系
从对Fe-Fe3C相图的分析可知，在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织又决定了合金的性能。
任何铁碳合金室温组织都是由铁素体和渗碳体两相组成，但成分（含碳量）不同，组织中两个相的相对数量，相对分布及形态也不同，因而不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。
1、碳的质量分数对组织的影响
铁碳合金的室温组织随碳的质量分数的增加，组织的变化规律如下：
F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+Ldˊ→Ldˊ+Fe3CⅠ
从以上变化可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。
具体来说，对钢部分而言，随着含碳量的增加，亚共析钢中的铁素体量随着减少，过共析钢中的二次渗碳体量随着增加；对铸铁部分而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少；过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量随着增加。
铁碳合金室温组织的相组成相对量、组织组成物相对量如图所示。
2、碳的质量分数对力学性能的影响
铁碳合金的力学性能决定于铁素体与渗碳体的相对量及它们的相对分布状况。
当碳的质量分数Wc<%时，随碳的质量分数的增加，钢的强度，硬度呈直线上升，而塑性、韧性随之降低。
原因是钢组织中渗碳体的相对量增多，铁素体的相对量减少；当碳的质量分数Wc>%时，随碳的质量分数的继续增加，硬度仍然增加，而强度开始明显下降，塑性、韧性继续降低。
原因是钢中的二次渗碳体沿晶界析出并形成完整的网络。
导致了钢脆性的增加。
为保证钢有足够的强度和一定的塑性及韧性，机械工程中使用的钢其碳质量分数一般不大于%。
Wc>%的白口铸铁，由于组织中渗碳体量太多，性能硬而脆，难以切削加工，在机械工程中很少直接应用。
五、Fe-Fe3C相图的应用
1、在钢铁材料选材方面的应用
Fe-Fe3C相图揭示了铁碳合金的组织随成分变化的规律，由此可以判断出钢铁材料的力学性能，以便合理地选择钢铁材料。
例如：用于建筑结构的各种型钢需要塑性、韧性好的材料，应选用Wc<%的钢材。
机械工程中的各种零部件需要兼有较好强度、塑性和韧性的材料，应选用Wc=%~%范围内的钢材。
而各种工具却需要硬度高，耐磨性好的材料，则多选用Wc=%~%范围内的高碳钢。
2、在制订热加工工艺方面的应用
（1）在铸造方面的应用从Fe-Fe3C相图可以看出，共晶成分的铁碳合金熔点最低，结晶温度范围最小，具有良好的铸造性能。
因此，铸造生产中多选用接近共晶成分的铸铁。
根据Fe-Fe3C相图可以确定铸造的浇注温度，一般在液相线以上50~100℃，铸钢（Wc=%~%）的熔化温度和浇注温度要高得多，其铸造性能较差，铸造工艺比铸铁的铸造工艺复杂。
（2）在锻压加工方面的应用由Fe-Fe3C相图可知钢在高温时处于奥氏体状态，而奥氏体的强度较低，塑性好，有利于进行塑性变形。
因此，钢材的锻造、轧制（热轧）等均选择在单相奥氏体的适当温度范围内进行。
（3）在热处理方面的应用 Fe-Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。
热处理常用工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是根据Fe-Fe3C相图确定的。
这将在下一章中详细阐述。
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