铁碳合金

过共晶白口铸铁（含碳量4.3%～6.69％） 组织：L'd+ Fe3CІ （L'd→P+Fe3CⅡ+Fe3C） 性能：硬而脆。
L'd
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
15
45
65
钢
钢
钢
T12
Wc↑，则Fe3C↑，且其形态由点状→层片状→网状 →基体 →粗
大板片状，而 F↓且其形态由大块 状→断续网状→层片状。
一、典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织
1、共析钢
L L→γ
γ→α+Fe3C
γ
室温组织:P 室温相：α+Fe3C
2、亚共析钢
γ→α+Fe3C
L L→δ
L→γ
γ
γ→α
室温组织:P+F 室温相：α+Fe3C
3、过共析钢
γ→α+Fe3C
L L→γ γ γ→ Fe3CⅡ
室温组织:P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
δ－Fe 1394℃ γ－Fe 912℃ α－Fe
bcc
fcc
bcc
二、铁碳相图分析（相图结构，点线区，三种反应）
1、铁碳相图中主要的点、线、区 分析
L+
+
+
L
L+
L+ Fe3C
+ Fe3C
+ Fe3C
以相组成物表示的Fe-Fe3C相图
(1) 点
(见P69)
(2) 线
液相线 固相线 三条水平线 三条特征线
3.随碳含量的增大，F量不断减少，合金的塑性、韧 性连续下降。
工业上广泛使用的钢含碳量≤1.3％～1.4％。
对于应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、
强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：
硬度≈80×F%+180×P% (HB) 或硬度≈80×F%+800×Fe3C% (HB) 延伸率(δ)≈50×F%+20×P% (%)
3、S 热脆
4、P 冷脆
二、钢的分类、编号及应用
（一）钢的分类
低碳钢（Wc ≤ 0.25%） 按含碳量分 中碳钢（Wc 0.25 ~ 0.60%）
高碳钢（Wc ≥ 0.60%）
普通碳钢（Ws ≤ 0.055%，Wp ≤ 0.045%） 按质量分 优质碳钢（Ws ≤ 0.040%，Wp ≤ 0.040%）
温度范围：727 ℃ ~1495 N
D
℃力学性能：强度、硬度低；
E
C
F
塑性好。
G
2.11
钢材加热到奥氏体区后进行锻造
PS
727℃
K
和轧制。
奥氏体不锈钢（18－8型不锈钢）
Q
2、铁素体（F）——C溶于-Fe形成的固溶体
相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号表示。 组织：称为铁素体，用符号F表示。
γ
L
α
βα
β
共析转变：γ → α+β 共晶转变：L → α+β
转变产物：共析组织
转变产物：共晶组织
三、基本组织及其性能（组织名称、特点、性能）
1、奥氏体（A） —— C溶于-Fe形成的固溶体
相：面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号γ表示。 组织：称为奥氏体，用符号A表示。
含碳量：0~2.11%
J B 1495℃
G
1148℃
LC
γE+Fe3C P S
➢ 在727℃发生共析转变
γS
727℃ P+Fe3C Fe
L
1227℃
D
C
F
1148℃
K
727 ℃
Fe3C
注意：共析转变与共晶转变的区别
共析转变：在一定温度下，一定成分的固相同时转变 成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。 共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转变 成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。
F
F
P
P PF
15钢
45钢
65钢
在显微分析中常以P与F的面积数量比来 估计亚共析钢的含碳量。
例如，一种未知钢号的碳钢(退火态)，利用 金相法估算此钢的碳含量。
磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现： 组织中含有50％P和50％F，
钢中含碳量%＝Vp×0.77%＋VF×0.0008%
可忽略
即：C％＝50％P×0.8％C＝0.40％ 此钢含碳量约为0.40％，即40钢。
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+L'd
Fe3CⅠ+L'd
二、杠杆定律的应用
例：共析钢珠光体组织中F和Fe3C的相对量。
0.0008 0.77
F P
6.69 Fe3C
F%=（6.69-0.77）/（6.69-0.0008） Fe3C%=1-F%
三、铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能 之间的关系
1、工业纯铁 （C%＜0.0218％ ） 组织：F或F+ Fe3C Ⅲ ，Fe3C Ⅲ 通常沿晶界析出。 性能：σb 、HBS↓δ 、Ak↑ 晶界
强度≈230×F%+770×P% (MPa)
四、铁碳相图的应用
1、在铸造上的应用 2、在锻造上的应用 3、在热处理上的应用
第三节 碳钢及合金钢概述
一、钢中常存在的杂质元素及其影响 二、钢的分类、编号及应用
一、钢中常存在的杂质元素及其影响
1、Mn 脱氧；减轻S的影响；固溶强化。
2、Si 固溶强化
6、过共晶白口铁
L γ→ Fe3CⅠ
L→γ+Fe3C
γ→α+Fe3C 室温组织:L'd+Fe3CⅠ 即(P+Fe3CⅡ+Fe3C)+Fe3CⅠ 室温相：α+Fe3C
+L
+A A
L+ A
L L+ Fe3CⅠ
F F+A F+Fe3CⅢ F+P
A+Fe3CⅡ
A+Fe3CⅡ+Ld Fe3CⅠ+Ld
Fe3C
度室温时约为0.0008%，600℃时为
γ
0.0057%，在727℃时为0.0218%。其性
能特点是强度低、硬度低、塑性好
⑷γ相 是碳在γ—Fe中的间隙固溶
α+γ
γ+Fe3C
体，呈面心立方晶格。其中碳的固溶
度在1148℃时为2.11%。其性能特点是 α
强度较低，硬度不高，易于塑性变形
⑸Fe3C相 是一个金属化合物（又称
0.0218%<Wc<2.11%称为钢，2.11%<Wc < 6.69%称
为铁或铸铁。不特意加入合金元素的钢称为碳素钢 （简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金 元素的钢称为合金钢。
钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会 中最为重要的金属材料。为了熟悉并合理利用钢铁 材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的 本质及其成分、组织结构与性能之间的关系。
含碳量：0~0.0218%(727 ℃)
B
0~0.0008%(室温) N J
D
温度范围：<912℃
912 ℃
E
C
F
G
力学性能：强度、硬度低；
K
塑性好。
PS 0.0218
工业纯铁——<0.02%C， 冷轧提高强度，得到冷轧板。
0.0008 Q
3、珠光体（P）——和Fe3C形成的机械混合物
相：+ Fe3C两种相组成
第五章 铁碳合金
第一节
第二节 第三节
铁碳合金基本组元、组织及 其性能 铁碳相图分析 碳钢及合金钢概述
第一节 铁碳合金基本组元、组织及其性能
一、铁碳合金基本组元 二、铁碳相图分析（认识相图结构，点线区，
三种反应） 三、基本组织及其性能（组织名称、特点、
性能）
钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称。铁和碳 是钢铁材料两个最基本的组元。碳的质量分数
(3) 区
4个单相区 1条垂直线 7个双相区
铁碳合金中的相
⑴液相L 铁与碳的液溶体。 ⑵δ相 是碳在δ—Fe中的间隙固溶
体，呈体心立方晶格，在1394℃以上 δ 存在，1495℃时溶碳量为0.09%。
⑶α相 是碳在α—Fe中的间隙固溶
δ+L
δ+
L
γ
γ+L
L+Fe3C
体，呈体心立方晶格。其中碳的固溶
P
Fe3C Ⅱ
T12钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀）
3、白口铸铁
碳含量为2.11％～6.69％，白口铸铁(简称白口 铁)又可分为三类：亚共晶白口铁C%为2.11％～ 4.3％，共晶白口铁C%为4.3％，过共晶白口铁 C%为4.3％～6.69％。
共 晶 白 口 铁
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
亚共晶白口铸铁 （含碳量2.11%～4.3％）
L’d
Q
4.3
L'd [(P+Fe3CⅡ)+Fe3C]
共晶白口铸铁的室温组织
5、渗碳体
L L
Fe3CⅡ
Fe3CⅠ
Fe3CⅢ
Fe3C共析 片状
Fe3C共晶 基
体
第二节 铁碳相图分析
一、典型合金的平衡结晶过程及室温平衡组织 二、杠杆定律的应用 三、铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能 之间的关系 四、铁碳相图的应用
组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号L’d表示。 含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁)
温度范围：<727℃
B
⇌ 1148℃
LC
Ld（ E+Fe3C）
N
G
727 ℃+t s + Fe3CⅡ
727 ℃-t P 室温组织: L’d(P + Fe3CⅡ +Fe3C）
J
E
PS +Fe3C
D
F C 1148℃ Ld
K 727℃
渗碳体），根据其生成条件不同有条
α+Fe3C
Fe3C
状、网状、片状、粒状等形态，对铁 碳合金的力学性能有很大影响。
Fe
Wc（%）
6.69
2、铁碳相图中三种基本转变
Hale Waihona Puke Baidu
包晶转变
匀
晶
转
变
共晶转变
共析转变
铁碳相图中三种基本的转变
➢在1495 ℃发生包晶转变
A
1495 ℃
1495℃
LB+H
γJ
H N
J
B
E
➢在1148℃发生共晶转变
含碳量与力学性能的关系（P79）
由图可知： Wc≤1.0%时：随钢中Wc↑，则 其HB、σb↑，δ、ΨAk↓；
当 Wc>1.0%时：σb↓而HB↑。 为什么？
因钢中出现Fe3CⅡ网而导 致钢的σb ↓，但HB ↑
为保证工业用钢应具有 足够的σb 和一定的δ 、Ak ， 故其碳含量一般都不超过
Wc1.3% ~1.4%。
一、铁碳合金基本组元
⑴ Fe 铁是过渡族元素， 熔点为1538℃，密度是 7.87g/cm3。
⑵ Fe3C 是一种具有复杂 结构的间隙化合物，通常 称渗碳体。含碳量6.69%， 硬度很高，强度低，塑性 韧性很差。理论熔化温度 1227℃。是介稳定化合物， 条件适当时，会分解成单 质状态的石墨C 。
F 工业纯铁室温组织
2、碳钢
C%为0.0218％～2.11％，碳钢根据碳含量又可分为 三类：亚共析钢0.0218％～0.77％；共析钢0.77％； 过共析钢0.77％～2.11％。
共
析
工
钢
业
纯
铁 亚共析钢
过共析钢
亚共析钢 （C%为0.0218％～0.77％）
组织特征：P+F 随含C量增加， P量逐渐增加， F量逐 渐减少；形态从块状→断续网状。 性能特点：塑性、韧性好。
共析钢（含碳量0.77%的铁碳合金）
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）
P
共析钢室温组织
过共析钢（含碳量0.77%～2.11％的铁碳合金） 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
Ψ HB σb
δ Ak
1.0
1.硬度 主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬
度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线 关系增大。
2.强度 对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共
析钢中 P 增多而 F 减少。P的强度比较高，所以亚共 析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc=0.9％时， Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。
T Fe3C Fe2C FeC
碳质量分数超过 6.69%的铁碳合金 脆性很大，没有使 用价值,所以有使用 意义并被深入研究 的只有Fe-Fe3C这一 部分。
Fe
C%
C
6.69%C
所研究的Fe-Fe3C相图的位置
固态铁的特性——同素异构转变
固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格 的现象，称为同素异构转变。该特性是钢铁材料通过 热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。
高优碳钢（Ws ≤ 0.030%，Wp ≤ 0.035%）
结构钢（主要用于工程构件、机器零件） 按用途分 工具钢（主要用于刀具、量具、模具）
4、共晶白口铁
L
L→γ+Fe3C γ→ Fe3CⅡ
γ→α+Fe3C 室温组织:L'd 即 P+Fe3CⅡ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
γ→α+Fe3C
L L→γ L→γ+Fe3C γ→ Fe3CⅡ
室温组织:L'd+P+Fe3CⅡ 即(P+Fe3CⅡ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
组织：珠光体，用符号P表示
B
含碳量：0.77% (称为共析钢)N J
D F
温度范围：<727℃
G
EC
⇌727℃
S
P（P+Fe3C）
PS
K
力学性能：强度、硬度较高；
+Fe3C
塑性较好。 钢丝绳
Q 0.77
P
共析钢室温组织珠光体（P）
4、莱氏体（L’d）—P和Fe3C形成的机械混合物
相：+ Fe3C两种相。
组织：P+ Fe3CⅡ +L'd （L'd →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 性能：硬而脆。
A
P
L'd Fe3CⅡ
共晶白口铸铁（含碳量4.3％） 室温组织：低温莱氏体（L'd →P+Fe3CⅡ +Fe3C ） 高温组织：高温莱氏体（Ld → A+Fe3C ） 性能：硬而脆 L'd
共晶白口铸铁的室温组织