第04章 铁碳合金相图

γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高(相当于700 HBW)，塑 性很差。莱氏体的显微组织可以看成是在渗碳体的基体上分布
着颗粒状的奥氏体(或珠光体)。
4.2
铁碳合金相图
4.2.1 二元相图的建立 4.2.2 Fe-Fe3C相图分析 4.2.3 典型合金的平衡结晶过程
4.2
铁碳合金相图
众所周知，合金通常是由不同的金属熔化在一起形 成的合金溶液，再冷却结晶而得到。在合金溶液冷却结 晶过程中，会形成什么样的组织呢？利用相图可以回答 这一问题，利用合金的相图可知某一特定成分的合金在 某一特定温度下能形成什么样的组织。
4.1.4
珠光体
珠光体(P)是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形 成的，其立体形状为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状 复相组织。
珠光体的组织是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混
合物，用符号P表示。在放大倍数较高的显微镜下，可清楚地 看到它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物， 形成的显微组织形态酷似珍珠贝外壳形纹，故称之为珠光体组 织。如图4-6所示是珠光体的显微组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-6
珠光体显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
在缓慢冷却条件下，珠光体碳的质量分数是 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，所以其力 学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，介于铁素体和渗碳体之 间，大体上是两者性能的平均值，故珠光体具有一定的强度和 塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织，其
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
不同。
渗碳体的熔点为1 227 ℃，硬度很高(约为800 HBW)，塑 性很差，伸长率和冲击韧度几乎为零，是一个硬而脆的组织。 渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳 体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-5
渗碳体的晶体示意图
4.1
铁碳合金的基本组织
现分别介绍如下。
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.1
铁素体
纯铁在912℃以下为具有体心立方晶格的 α -Fe。碳溶解在α
-Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体(F)，用符号F来表示。它
仍保持 α -Fe的体心立方晶格结构，其晶胞如图4-1所示，它的 晶格间隙很小，因而溶碳能力极差。由于铁素体中碳的质量分 数低，所以铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧 性，而强度和硬度较低，经测试其室温下的机械性能为：强度 极限 =180～280 MPa；屈服极限 s=100～170 MPa；伸长率
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体，用符号 Ld表示。由于奥氏体在727℃时还将转变为珠光体，所以在 727℃以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将
727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体(Ld)，在727℃以下的莱
氏体称为低温莱氏体(Ld')或变态莱氏体。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
b=750
40%。
=30% ～ =20% ～ 25% ， MPa ，硬度为 160 ～ 180 HBS ，
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.5
莱氏体
莱氏体(Ld)是指高碳的铁碳合金在结晶过程中发生共晶 转变而形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，碳的质量分数
为4.3%。
wC﹥2.11%的铁碳合金从液态缓冷至1 148℃时，从液相中
图4-3
奥氏体的晶胞示意图
4.1
铁碳合金的基本组织 奥氏体具有一定的强度和硬度，但具有良好的塑性，其力
s≈400 MPa； 学性能为： ≈40%～50%；硬度为160～200 HBS。
奥氏体是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织， 因其组织塑性好而便于成形。 用高温金相显微镜观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒 状态，晶界较铁素体平直，奥氏体的显微组织如图4-4所示。
第 4 章
铁碳合金相图
第 4 章
4.1 4.2 4.3 4.4
铁碳合金相图
铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图 碳对碳钢组织和性能的影响 碳合金状态图的应用 实训 习题
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 莱氏体
4.1
铁碳合金的基本组织
b
Fra Baidu bibliotek
=30%～50%；断面收缩率ψ =70%～80%；布氏硬度50～80 HBS。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-1
铁素体的晶胞示意图 图4-2
铁素体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.2
奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，常用 符号A来表示。它仍保持γ-Fe的面心立方结构，其晶胞如图