第四章 铁碳合金

相图中的相区
1）单相区5个：L、δ、A、F、Fe3C 2）双相区7个：δ+L、 δ+A、 A+L、 L+ Fe3C、 A+ Fe3C、 A+F、 F+ Fe3C
3）三相区3个：L+δ+A、 L+A+ Fe3C、 A+F+ Fe3C
包晶线 共晶线 共析线
1、工业纯铁 Wc≤0.02% 2、碳素钢 0.02%＜ Wc≤2.11% 1）共析钢 Wc=0.07% 2）亚共析钢 0.02%＜ Wc＜0.77% 3）过共析钢 0.77%＜ Wc≤2.11% 3、白口铸铁 2.11% ＜ Wc ＜6.69% 1）共晶白口铸铁 Wc=4.3% 2）亚共晶白口铸铁 2.11%＜ Wc＜4.3% 3）过共晶白口铸铁4.3%＜ Wc ＜6.69%
，而以化合物 FeS 的形式存在，其熔点为 1190℃，而FeS又能于Fe形成共晶体分布于 A晶界上，其熔点仅为985℃。）
S对钢的焊接性能也有不良影响，容易导致
焊缝热裂。所以，S在钢中是有害杂质，其 含量一般要求不大于0.05%。但是，S能改善 钢材的切削性能。
P 会引起钢的“冷脆”。（ P 在钢中全部溶

名词解释 同素异构、铁素体、渗碳体、珠光体

铁素体为碳在 中的间隙固溶体，具有 在 中的间隙固溶体，具有 结构。
为避免热脆，钢中含 量必须严格控制。
结构；奥氏体为碳

钢中常在杂质有：Si、Mn、S、P和氧、氢、氮等气体。 量必须严格控制；为避免冷脆，钢中的含
根据共析钢的“C”曲线，过冷奥氏体在A1温度以下等温转变的组织 产物可分为三大类，即__________ 类型组织、_________ 类型组 织和_________ 类型组织等。 二元合金常见的相图有__________、__________、__________和 具有共析反应的二元合金相图。 Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类？ 合金工具钢按分别按含碳量、质量、用途可分为？ 写出下列牌号数字及文字的含意，T10A 、45 、 Q235-AF、60Mn 画出 Fe-Fe3C 相图，填出图中各区的相和组织。并分析 含碳量为 0.4％、0.77％、1.5％、4.3％的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结 晶过程和室温组织。
含 义 纯铁熔点 包晶转变时的液相成分 共晶点 LC --------- (AE+Fe3C) ≡ Ld Fe3C熔点 C在γ-Fe中的最大溶解度 共晶Fe3C成分点 γ-Fe-----α-Fe同素异构转变点 C在δ-Fe中的最大溶解度 包晶成分点 LB+δH -------- AJ 共析Fe3C成分点 δ-Fe-----γ-Fe同素异构转变点 C在α-Fe中的最大溶解度 共析点 AS --------- (FP+Fe3C) ≡ P
第一节 第二节 第三节
铁碳合金中的相与基本组织 铁碳合金相图 碳素钢
同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以后继
续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变 化的现象，也称同素异构转变。
L-Fe 液相
1538℃
δ-Fe 体心
1394℃
γ-Fe 面心
912℃
α-Fe 体心
1）在固态下进行； 2）同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶 界处形成； 3）同素异构转变有较大的过冷度； 4）同素异构转变往往要产生较大的内应力
1点以上 L； 1~2点 L+A； 2~3点 A； 3点 共析转变AS
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
QFe3 C
（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团
3~4点 F+ Fe3CIII+ Fe3C ≡ P
0.77 11.5% 6.69 0
室温下：相组成物F、Fe3C；
组织组成物 P
点 A B C D E F G H J K N P S Q
温度 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727 727 室温
碳量 0 0.53 4.3 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69 0 0.0218 0.77 0.0008
2 ）铸铁件的化学成分多选在共晶点附近，此成 分的铁碳合金结晶温度区间较小，流动性好、 分散缩孔小。
在锻压生产上的应用
钢在室温时的组织为两相 混合物，塑性较差，变形困难，只有将其加热 到单相奥氏体状态，才具有较低的强度，较好 的塑性和较小的变形抗力，易于成形。
从铁碳相图可知：铁碳合金在固态加热或冷却过
1点以上： L； 1~2点： L+A； 2点： 共晶转变L4.3 A0.77 727℃ (FP+Fe3C) ≡ P
1148℃
(A2.11+Fe3C) ≡ Ld Ld Ld’
2~3点： A+ Fe3CII + Ld； 3点 ： 先共晶A共析转变 3~4点 ： P+ Fe3CII + Ld ‘； 室温下：相组成物 F、Fe3C ； 组织组成物 ：P、Fe3CII 、Ld’
于α-Fe中，使钢的强度和硬度增高，同时室 温下，塑性和韧性显著降低。当钢中含P量 达0.3%时，钢完全变脆，这种脆性现象在低 温时更为严重。） P还降低钢的焊接性能。所以，P在钢中是 有害杂质，其含量一般要求不大于0.045%。 但是，S能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性 能。
1、按钢中含碳量分 （1）低碳钢 WC≦0.25% （2）中碳钢 0.25%<WC≦0.6% （3）高碳钢 WC>0.6% 2、按钢的质量分（S、P） （1）普通碳素钢 WS≦0.05% 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≦0.035%
2、优质碳素结构钢 主要用途：重要机件。可以通过热处理调整 零件的力学性能。出厂状态可以是热轧后空 冷，也可以是退火、正火等状态。随用户需 要而定。 命名：用两位数字表示，两位数字表示钢中 含碳量的万分之几。 如：45钢 WC=0.45% 常用牌号：08F、15、45、60、60Mn等。
3 、碳素工具钢（ WC=0.65%~1.35% 属高碳钢） 主要用途：制作各种量具、刃具、模具，可 进行淬火、低温回火处理获得高硬度高耐磨 性。分为优质级和高级优质级两大类。 命名：标志符号T+含碳量的，以0.10%为单位。 如：T10 WC=1.0% 高级优质级在钢号尾部加A，如T10A
L；
L+A； A；
4点 共析转变A0.77
4~5点
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
P+ Fe3CII
室温下：相组成物F、Fe3C
3~4点 A+ Fe3CII
组织组成物P、Fe3CII
显 微 照 片
1点以上： L； 1~2点：
1点 ： 共晶转变L4.3
727℃
1148℃
(A2.11+Fe3C) ≡ Ld ；
铁过 显共 微晶 照白 片口
1点以上： L；
1~2点： L+ Fe3CI ； （ 先共晶渗碳体，呈粗大条状） 1148℃ (A +Fe C) ≡ L ； 2~3点 ： Fe C + L ； 2点： 共晶转变L4.3 2.11 3 d 3 I d
3点： Ld
Ld’、 Fe3CI； 3~4点： Fe3CI + Ld’；
727℃ (FP+Fe3C) ≡ P
F+ Fe3CIII +P————F+P （Fe3CIII含量很少，可以忽略不计）
室温下：相组成物F、Fe3C ；组织组成物F、P
QFe3CII
Wc 0.77 6.69 0.77
QP
显微组织照片 1点以上
1~2点 2~3点
6.69 Wc 6.69 0.77

根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）: 1）要求塑性、韧性好而强度不高的机件—— 低碳钢（WC<0.25%）；（如冷冲压件） 2）要求强度、塑性、韧性等综合性能好的 机件———中碳钢（WC=0.3%~0.55%）并进行 适当的热处理；（如机床主轴） 3）各种工具用钢——高碳钢 。（如锉刀）
1）确定合理的浇注温度 铸件的合理浇注温度一 般选在液相线以上50~100℃ ；
Ld’、Fe3CI
室温下：相组成物 F、Fe3C； Fra Baidu bibliotek织组成物
随着含碳量的增 加，合金的室温 组织中不仅渗碳 体的数量增加， 其形态、分布也 有变化，回此， 合金的力学性能 也相应发生变化。 铁碳合金的成分、 组织、相组成、 组织组成、力学 性能等变化规律 如图 3－13所示。
当钢中 Wc﹥0.9％时，二次渗碳体将沿晶界形 成完整的网状形态，此时虽然硬度继续增高，但因 网状二次渗碳体割裂基体，故使钢的强度呈迅速下 降趋势。至于塑性和韧性，则随着含碳量的增加而 不断降低。实际生产为了保证碳钢具有足够的强度 ，一定的塑性和韧性，Wc一般不应超过1.3～1.4％ 。 Wc﹥2.11％的铁碳合金，基本上都已成了硬脆 的渗碳体，强度很低，塑性和韧性随渗碳体相对量 的增加呈迅速下降趋势。
程中均有相的变化，所以钢和铸铁可以进行有相 变的退火、正火、淬火和回火等热处理
A1
一、钢中常存杂 质元素的影响 二、碳素钢的分类、钢号和主要用途
钢中常在杂质有：Si、Mn、S、P和氧、氢、 氮等气体。
Mn 是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在
钢中的元素。 锰有较强的脱氧能力，锰大部分溶于 F，使 钢强化，锰对钢有益。 锰能降低S对钢的危害。 一般碳素钢中把锰控制在1.0%~1.2%范围内。
珠光体（P）
珠光体为铁素体与渗碳体两相 的机械混合物， 珠光体的力学性能介于F和 P的金相显微镜组织 Fe3C之间，强度较高，硬 度适中，有一定的塑性。 可知，铁素体的塑性和韧性最好，硬度最低； 珠光体的强度最高，塑性、韧性和硬度介于渗 碳体和铁素体之间。
一、Fe-Fe3C相图的分析 二、典型铁碳合金的结晶过程 三、含碳量对铁碳合金组织与性能的影响 四、Fe-Fe3C相图的应用
A+ Fe3CII + Fe3C ≡ Ld
二次渗碳体与共晶渗碳体 混成一体；
2点 ； 共析转变A0.77
(FP+Fe3C) ≡ P； 2~3点： (P+ Fe3CII+ Fe3C) ≡ Ld’；
室温下：相组成物 F、Fe3C；
组织组成物 Ld’
渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体
显 微 组 织 照 片
QF
6.69 0.77 88.5% 6.69 0
0.77 Wc QF 0.77 0
Wc 0 QP 0.77 0
1点以上 L； 2点 包晶转变δ0.09+ L0.53 5点 共析转变A0.77 5~6点
1495℃
A0.17
1~2点 L+δ； 2~3点 A+L； 3~4点 4~5点 A； A+F；
主要线 ABCD AHJECF HJB ECF PSK ES PQ GS GP
温 度（℃） 1538~1227 1538~1148 1495 1148 727 1148~727 727~600 912~727 912~727
含 义 液相线 固相线 包晶转变线 共晶线 共析线 A1 C在γ-Fe中的溶解度线 Acm C在α-Fe中的溶解度线 A向F转变的开始线 A3 A向F转变的终了线
3、按钢的用途分 （1）碳素结构钢 （2）碳素工具钢
1、普通结构钢
① 由 Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号 组成。 它的钢号冠以 “ Q ” ，代表钢材的屈服点，后面 的数字表示屈服点数值，单位是 MPa例如Q235表 示屈服点（ σ s）为235 MPa的碳素结构钢。 ② 必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧 方法的符号。质量等级符号分别为 A、B、C、D。 脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z 表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符 号，即Z和TZ都可不标。例Q235-AF表示A级沸腾钢。 ③ 专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等， 基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后 附加表示用途的字母。
Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。 Si 比锰脱氧能力强，硅溶于 F，提高钢的强
度和硬度，但会使塑性和韧性降低。 硅促进Fe3C分解成石墨，若钢中出现石墨会 使钢的韧性严重下降，产生所谓的“黑脆”。 硅在碳素钢中一般控制在0.17~0.37%范围内。
S可使钢的“热脆”性增加。（S不溶于α-Fe