铁碳合金相图和常用钢铁材料综述
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开始析出F转变曲线。 • ES线：碳在γ铁中的溶解度曲线。1148℃，
Wc=2.11%；727℃,Wc=0.77%。缓冷时， 析出Fe3CⅡ。 • PQ线：F中开始析出Fe3C线。 F冷却到该 线时将析出Fe3C。
三、常用钢铁材料
碳素结构钢 碳素钢 碳素工具钢
钢
合金结构钢
合金钢 合金工具钢
特殊性能钢
FP
700
S
727
3
4
K
Q
F+ Fe3CIII
P+Fe3CII
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.5
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Wc%
0.0218
0.77
2.11
4.3
6.69
图1-16 简化的Fe—Fe3C相图
相图分析——特征点与特性线
温度/℃
100%
70%
50%
1452
WNi=30%
c
b
a 0%
a’ 1083
Fra Baidu bibliotek
c’ b’
1083
L
b
a L+α
b’ a’
α
1452 c c’
a) 冷却曲线
时间
Cu
30 50 70
Ni
WNi%
b) 相图
1）匀晶相图
两组元在液态和固态下均可以以任意 比例相互溶解，在固态下形成无限固 溶体的合金相图。 如Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo等
2. 合金钢
•合金钢：在碳钢的基础上有意识地加入一 种或几种合金元素，使其性能（使用性能 和工艺性能）得以提高的铁基合金。 •在选择与使用工业用钢时，在满足机械零 件使用性能要求的前提下应尽量使用碳钢， 必要时才使用合金钢。
1）合金结构钢
2）合金工具钢
合金元素平均质 量的百分数，小 于1.5%不标出
1. 碳素钢
分为低(ωc＜0.30％)、中(0.3%～ 0.6%) 、高碳钢(ωc＞0.6％) 。 ωc ↑,则HB ↑,δ↓。 钢中有害杂质 S：热脆 P：冷脆
牌号
1）普碳钢： Q195～Q275五类 Q235-A：屈服点σs≥235MPa(试样尺寸≤16mm)， 质量等级为A级的普碳钢。 2）优质碳素结构钢：以两位数字（平均含碳 量的万分数）表示牌号 45钢—平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。 3）碳素工具钢： T+平均含碳量的千分数 T8—平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。 T12—平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。
相图分析.1（Pb-Sn为例）
温度/℃
400 327.5
A 300
200 α
100 F
Pb 10
L
L+α M 183 19
L+β E 61.9
α＋β
20 30 40 50 60 70 80 WSn / %
231.9 B
N 97.5 β
G 90 Sn
相图分析.1
特性线与特性点 A——327.5℃，纯Pb的熔点； B——231.9℃；纯Sn的熔点； E——共晶点，WSn=61.9%。 AEB——液相线； AMENB——固相线； MEN——共晶线 ； 成分＞M点合金，在此温度线，均发生共晶转 变。
• A点、D点 • C点：共晶点, 发生共晶反应
LC →Ld(A+Fe3C) • S点：共析点, 发生共析反应
A →P(F + Fe3C) 特性线
ACD线、AECF线 ECF线：共晶线，共晶反应产生Ld。
2. 相图分析-特性线
PSK线：共析线，产生P。 • GS线：Wc<0.77%的铁碳合金，缓冷时，
§3 铁碳合金相图与常用钢铁材料
一、合金相图
• 相：同一聚集状态，同一化学成分、同一 结构并与其他部分有界面分开的均匀组成 部分。
• ：平衡状态下，不同成分的合金，在不同 温度下，合金的状态、显微组织形成规律 的图形。
• 相图的建立：实验法或理论计算法 eg: 热分析法建立Cu－Ni
Cu－Ni合金相图的建立
200 α
100 F
Pb 10
L
L+α M 183 19
L+β E 61.9
α＋β
20 30 40 50 60 70 80 WSn / %
231.9 B
N 97.5 β
G 90 Sn
二、Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金中的基本组织结构 • 铁素体(F)—碳原子溶入α-Fe中形成的间隙
固溶体，具有BCC晶格。强度硬度低，塑 韧性好。
3.1 铸铁的特征 WC>2.11%，不能进行锻造或塑性变形的铁 碳合金，其杂质元素Si、Mn、S、P等含量 比碳钢多。
相图分析（Cu-Ni）
A——纯铜的熔点，
1083℃；
温度 →
B——纯镍的熔点，
1452℃；
tt21
A1B——液相线；
tt34
L BB
1 L+α
4’
A4’B——固相线； AA
α
α——Ni溶入Cu形成 的置换固溶体。
Cu l4 l3 l2 l1 α3 α2 α1 Ni
α4
WNi%→
2）共晶相图
两组元在液态下无限互溶，在固态时 有限互溶并发生共晶反应（转变）， 形成共晶组织的二元相图。 Pb-Sn、 Pb-Sb、 Al-Si、Ag-Cu等
• 奥氏体(A)—碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙 固溶体，具有FCC晶格。硬度不高，塑性 好。
渗碳体(Fe3C)—由铁和碳形成的一种具有复 杂晶格的金属化合物。其中ωc=6.69％，硬度 很高，塑性差、脆性大，熔点为1227℃。弥 散强化可提高力学性能。
珠光体(P)—由铁素体和渗碳体组成的两相 层片状机械混合物。 ωc=0.77％,共析产物。
相图分析.2
α相，Sn溶入Pb形成的固溶体； β相，Pb溶入Sn形成的固溶体。 共晶反应：一定温度下，由一定成分的液
相同时结晶出成分各自固定的两个新固 相的转变过程。
LE 183C M N
相图分析.3
相区与基本相 单相区：
L、α、β 两相区：
L+α L+β α+β
温度/℃
400 327.5
A 300
数字 + 合金元素符号 + 数字
含碳量的千分数， ωc≥1%不标
5CrMnMo: ωc=0.5%，Cr、Mn、Mo平均含量 均小于1.5%。
例外：高速钢即使其平均含碳量小于1%数字 也不标出。如W18Cr4V-高速工具钢，含 W18%，Cr4%，V小于1.5%。含碳0.7～0.8%， 不标出。
3. 铸铁
莱氏体—Ld(A+Fe3C) 或Ld′ (P+ Fe3C)机械混 合物。 Fe3C含量多，因而硬度高，脆性大， 塑性差。
2. 相 图 分 析
温度 t /℃ P
Ⅱ
1500 A 1538
1
1
1400
L
1300 1200 1100
2
L+A
1227
2
D
E
1148 C
F
A
1000 912 900 G
3 A+Fe3CII
Wc=2.11%；727℃,Wc=0.77%。缓冷时， 析出Fe3CⅡ。 • PQ线：F中开始析出Fe3C线。 F冷却到该 线时将析出Fe3C。
三、常用钢铁材料
碳素结构钢 碳素钢 碳素工具钢
钢
合金结构钢
合金钢 合金工具钢
特殊性能钢
FP
700
S
727
3
4
K
Q
F+ Fe3CIII
P+Fe3CII
100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.5
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 Wc%
0.0218
0.77
2.11
4.3
6.69
图1-16 简化的Fe—Fe3C相图
相图分析——特征点与特性线
温度/℃
100%
70%
50%
1452
WNi=30%
c
b
a 0%
a’ 1083
Fra Baidu bibliotek
c’ b’
1083
L
b
a L+α
b’ a’
α
1452 c c’
a) 冷却曲线
时间
Cu
30 50 70
Ni
WNi%
b) 相图
1）匀晶相图
两组元在液态和固态下均可以以任意 比例相互溶解，在固态下形成无限固 溶体的合金相图。 如Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、W-Mo等
2. 合金钢
•合金钢：在碳钢的基础上有意识地加入一 种或几种合金元素，使其性能（使用性能 和工艺性能）得以提高的铁基合金。 •在选择与使用工业用钢时，在满足机械零 件使用性能要求的前提下应尽量使用碳钢， 必要时才使用合金钢。
1）合金结构钢
2）合金工具钢
合金元素平均质 量的百分数，小 于1.5%不标出
1. 碳素钢
分为低(ωc＜0.30％)、中(0.3%～ 0.6%) 、高碳钢(ωc＞0.6％) 。 ωc ↑,则HB ↑,δ↓。 钢中有害杂质 S：热脆 P：冷脆
牌号
1）普碳钢： Q195～Q275五类 Q235-A：屈服点σs≥235MPa(试样尺寸≤16mm)， 质量等级为A级的普碳钢。 2）优质碳素结构钢：以两位数字（平均含碳 量的万分数）表示牌号 45钢—平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。 3）碳素工具钢： T+平均含碳量的千分数 T8—平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。 T12—平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。
相图分析.1（Pb-Sn为例）
温度/℃
400 327.5
A 300
200 α
100 F
Pb 10
L
L+α M 183 19
L+β E 61.9
α＋β
20 30 40 50 60 70 80 WSn / %
231.9 B
N 97.5 β
G 90 Sn
相图分析.1
特性线与特性点 A——327.5℃，纯Pb的熔点； B——231.9℃；纯Sn的熔点； E——共晶点，WSn=61.9%。 AEB——液相线； AMENB——固相线； MEN——共晶线 ； 成分＞M点合金，在此温度线，均发生共晶转 变。
• A点、D点 • C点：共晶点, 发生共晶反应
LC →Ld(A+Fe3C) • S点：共析点, 发生共析反应
A →P(F + Fe3C) 特性线
ACD线、AECF线 ECF线：共晶线，共晶反应产生Ld。
2. 相图分析-特性线
PSK线：共析线，产生P。 • GS线：Wc<0.77%的铁碳合金，缓冷时，
§3 铁碳合金相图与常用钢铁材料
一、合金相图
• 相：同一聚集状态，同一化学成分、同一 结构并与其他部分有界面分开的均匀组成 部分。
• ：平衡状态下，不同成分的合金，在不同 温度下，合金的状态、显微组织形成规律 的图形。
• 相图的建立：实验法或理论计算法 eg: 热分析法建立Cu－Ni
Cu－Ni合金相图的建立
200 α
100 F
Pb 10
L
L+α M 183 19
L+β E 61.9
α＋β
20 30 40 50 60 70 80 WSn / %
231.9 B
N 97.5 β
G 90 Sn
二、Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金中的基本组织结构 • 铁素体(F)—碳原子溶入α-Fe中形成的间隙
固溶体，具有BCC晶格。强度硬度低，塑 韧性好。
3.1 铸铁的特征 WC>2.11%，不能进行锻造或塑性变形的铁 碳合金，其杂质元素Si、Mn、S、P等含量 比碳钢多。
相图分析（Cu-Ni）
A——纯铜的熔点，
1083℃；
温度 →
B——纯镍的熔点，
1452℃；
tt21
A1B——液相线；
tt34
L BB
1 L+α
4’
A4’B——固相线； AA
α
α——Ni溶入Cu形成 的置换固溶体。
Cu l4 l3 l2 l1 α3 α2 α1 Ni
α4
WNi%→
2）共晶相图
两组元在液态下无限互溶，在固态时 有限互溶并发生共晶反应（转变）， 形成共晶组织的二元相图。 Pb-Sn、 Pb-Sb、 Al-Si、Ag-Cu等
• 奥氏体(A)—碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙 固溶体，具有FCC晶格。硬度不高，塑性 好。
渗碳体(Fe3C)—由铁和碳形成的一种具有复 杂晶格的金属化合物。其中ωc=6.69％，硬度 很高，塑性差、脆性大，熔点为1227℃。弥 散强化可提高力学性能。
珠光体(P)—由铁素体和渗碳体组成的两相 层片状机械混合物。 ωc=0.77％,共析产物。
相图分析.2
α相，Sn溶入Pb形成的固溶体； β相，Pb溶入Sn形成的固溶体。 共晶反应：一定温度下，由一定成分的液
相同时结晶出成分各自固定的两个新固 相的转变过程。
LE 183C M N
相图分析.3
相区与基本相 单相区：
L、α、β 两相区：
L+α L+β α+β
温度/℃
400 327.5
A 300
数字 + 合金元素符号 + 数字
含碳量的千分数， ωc≥1%不标
5CrMnMo: ωc=0.5%，Cr、Mn、Mo平均含量 均小于1.5%。
例外：高速钢即使其平均含碳量小于1%数字 也不标出。如W18Cr4V-高速工具钢，含 W18%，Cr4%，V小于1.5%。含碳0.7～0.8%， 不标出。
3. 铸铁
莱氏体—Ld(A+Fe3C) 或Ld′ (P+ Fe3C)机械混 合物。 Fe3C含量多，因而硬度高，脆性大， 塑性差。
2. 相 图 分 析
温度 t /℃ P
Ⅱ
1500 A 1538
1
1
1400
L
1300 1200 1100
2
L+A
1227
2
D
E
1148 C
F
A
1000 912 900 G
3 A+Fe3CII