第三章 铁碳合金(二、三)

§3-2铁碳合金的基本组织和性能
钢和铁是工业上应用最广泛的金属材料，它们都是铁碳合金。

不同成分的钢和铸铁的组织都不相同，因此，它们的性能和应用也不一样。

铁碳合金中碳原子和铁原子可以有几种不同的结合方式：一种是碳溶于铁中形成固溶体；另一种是碳和铁化合形成化合物；此外，还可以形成由固溶体和化合物组成的混合物。

一、铁素体(F)
它是碳溶解于α-Fe中的间隙固溶体称为铁素体(简称α固溶体)。

通常用符号F表示。

晶体结构呈体心立方晶格，碳在α铁中的溶解度极小，随温度的升高略有增加，在室温时的溶解度仅有0.008%，在727℃时最大溶解度为0.0218%。

铁素体的性能几乎与纯铁相同，它的强度和硬度较低，σb=250MPa，HBS=80，塑性和韧性则很高，δ= 50%。

二、奥氏体(A)
碳溶解于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体(简称γ固溶体)，通常用符号A表示。

晶体结构呈面心立方晶格。

由于γ铁晶格中间隙较大，因此在727℃时能溶解0.77%碳，在1148℃时的最大溶解度达到2.11%，奥氏体存在于727℃以上的高温区间，具有一定的强度和硬度，以及很好的塑性，是绝大多数钢在高温进行锻造或轧制时所要求的组织。

三、渗碳体(Fe3C)
它是铁与碳形成的金属化合物Fe3C，含碳量为6.69%，其晶胞是八面体，晶格构造十分复杂。

渗碳体的性能很硬很脆，HBW≈800，δ≈0。

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。

四、珠光体(P)
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示，它是由硬的渗碳体片和软的铁素体片层片相间，交错排列而成的组织。

所以其性能介于它们二者之间，强度较
高,σb=750MPa ，HBS=180，同时保持着良好的塑性和韧性δ=（20～25）%。

五、莱氏体(L d)
奥氏体与渗碳体的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。

它是C=4.3%的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。

因奥氏体在727℃时将转变为珠光体，所以在727℃以下，莱氏体由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。

莱氏体的机械性能和渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

§3-3铁碳合金相图
铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。

它是研究铁碳合金的成分、温度和组织结构之间关系的图形。

铁碳合金相图是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的。

由于C>6.69%的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因此相图成分轴仅标出含碳量小于6.69%的合金部分，如图所示是简化了的铁碳合金相图。

一、铁碳合金相图的主要点、线、区
1、主要特性点
Fe-C相图中主要特性点的温度、含碳量及其含义见下表。

2.主要特性线
ACD线：液相线，在此线以上的区域为液相，当合金液冷却到此线时开始结晶。

AECF线：固相线，合金熔液冷却到此线时结晶完毕，此线以下为固相区。

ECF线：共晶线，它是一条重要的水平线，温度为1148℃，液态合金冷却到此线时，在恒温条件下，将从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即发生共晶反应：
1148℃
L←-----------→A+Fe3C(莱氏体Ld)
所形成的共晶体为莱氏体。

PSK线：共析线，代号A1。

也是一条重要的水平线，温度为727℃，当合金冷却到此线时，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，即共析反应：
727℃
A←------→F+Fe3C(珠光体P)
所形成的共析体为珠光体。

ES线：代号A cm。

是碳在奥氏体中的溶解度线。

在1148℃时奥氏体中的溶碳能力最大为2.11%，随着温度降低溶解度沿此线降低，而在727℃时仅为0.77%C，所以含碳量大于0.77%的铁碳合金，自1148℃冷至727℃的过程中，由于奥氏体含碳量的减少，将从奥氏体中析出二次渗碳体(Fe3C II)，以区别于自液体中结晶出的一次渗碳体(Fe3C I)。

GS线：代号A3，奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体，使奥氏体含碳量沿此线向0.77%递增。

3、相图中的主要相区
Fe-C相图中的主要相区见下表。

二、钢和生铁的划分
E点成分是钢与生铁的分界线，E点左边的铁碳合金称为钢( 含碳量小于0.0218%的称为纯铁)。

E点右边的称为生铁。

工业纯铁（＜0。

0218℅C）
亚共析钢（0.0218﹪-0.77﹪C）
铁碳合金钢
（0.0218—2.11﹪C）共析钢 (0.77﹪C)
过共析钢（0.77-2.11﹪C）
亚共晶白口铁（2.11-4.3﹪C）白口铁（生铁）共晶白口铁（4.3﹪C）（2.11﹪-6.69﹪C）过共晶白口铁（4.3-6.69﹪C）1.工业纯铁（C<0.0218%）
常温组织为F，Fe3C III数量极少，经常忽略。

2.钢(0.0218～2.11) %C
钢的共同特点是在AESG区域中全是A组织，当温度下降时A 发生如下的转变：若钢的含碳量等于0.77%时，A在727 ℃时全部转变为珠光体，即A →P；若含碳量小于0.77%时，则A在GS 线首先析出F，冷却到PSK线时剩余的A发生共析反应转变为P，最后的组织为F+P；若含碳量大于0. 77%时，则A在ES线首先析出二次渗碳体，冷却到PSK线时，A发生共析反应变成P，最后的组织为P+Fe3C II，所以根据A析出的情况，钢可分为三种：亚共析钢：(0.0218～0.77) %C,常温组织为F+P。

共析钢：C=0.77%，常温组织为P。

过共析钢：(0.77～2.11) %C，常温组织为P+Fe3C II。

3.生铁(白口铁) (2.11～6.69) %C
生铁的共同特点是在ECF线上都有共晶反应，都有莱氏体的组织存在。

生铁也分为三种：
亚共晶生铁：(2.11～4.3)%C，常温组织为：P+Fe3C II+L d′。

共晶生铁：C=4.3%，常温组织为L d′。

过共晶生铁：(4.3～6.69)%C，常温组织为L d′+Fe3C I 。

在1148～727℃之间的莱氏体是A 与渗碳体组成的混合物，在727℃以下的莱氏体是P与渗碳体组成的混合物，莱氏体的性能基本上与渗碳体相同，因此，上述这三种不同的组织的铸铁统称为白口铸铁。

三、典型铁碳合金的结晶过程分析
(一)钢的组织转变
1.共析钢的组织转变
含碳量0.77%的共析钢冷却过程中的组织转变如图所示。

共析钢的结晶过程
当液态合金温度降到1点以后，开始结晶出奥氏体，直至2点结晶完毕，在2-3点间是单相奥氏体的冷却，当温度降到3点(S点)，奥氏体在恒温下发生共析反应，形成珠光体。

温度继续下降至室温，珠光体不再发生组织变化。

所以，共析钢室温时的平衡组织为珠光体。

如图为共析钢的显微组织示意图。

2.亚共析钢的组织转变
亚共析钢冷却过程中的组织转变如图所示。

亚共析钢的结晶过程（点击观看动画）
当温度降到1点以后，开始从合金液中结晶出奥氏体，奥氏体的数量随温度的降低而逐渐增多，温度降到2点，合金液全部凝固，在2-3点之间是单一奥氏体冷却。

温度降到3点后，从奥氏体中不断析出铁素体。

温度降到4点，剩余的奥氏体在恒温下转变成珠光体。

4点以下不再发生组织变化，所以亚共析钢的室温平衡组织是由铁素体和珠光体组成的。

其显微组织如图所示。

亚共析钢中含碳量愈高，铁素体愈少，而珠光体量则愈多，反之亦然。

铁素体F
3.过共析钢的组织转变
过共析钢冷却过程中的组织转变如图所示。

过共析钢的结晶过程（点击观看动画）
当温度降到1点以后，开始从合金液中结晶出奥氏体，直到2点结晶完毕。

在2-3点之间为单相奥氏体。

到3点时从奥氏体中析出二次渗碳体。

随着温度的下降，析出的二次渗碳体不断增加，奥氏体的数量与含碳量却逐渐减少，4点时，剩余的奥氏体的数量进行共析反应，生成珠光体。

4点以后组织不再发生变化，所以过共析钢的室温平衡组织是由珠光体和呈网状的二次渗碳体
组成，其显微组织如图所示。

珠光体P
(二)生铁的组织转变
可用分析钢的同样方法来分析生铁的组织转变。

这里仅以共晶生铁为例。

1.共晶生铁的组织转变
共晶生铁冷却过程中的组织转变如图所示。

当温度降到1点(C点)时，在恒温下发生共晶反应，全部液体均转变为莱氏体，即共晶渗碳体基体上分布着奥氏体的共晶体。

在1-2点之间从奥氏体中不断析出二次渗碳体，但因它混合于基体之中而无法分辨，当冷却到2点时，剩余的奥氏体在恒温下发生共析反应，转变成珠光体。

因此，共晶白口铁的平衡组织是由珠光体和渗碳体组成的低温莱氏体。

共晶生铁的显微组织如图。

共晶生铁的显微组织
亚共晶生铁的结晶过程
亚共晶
过共晶生铁的显微组织生铁的显微组织
亚共晶生铁的组织转变如图所示，其常温组织为珠光体，二
次渗碳体和低温莱氏体。

过共晶生铁的结晶过程如图所示，其常温组织为一次渗碳体
和低温莱氏体。

生铁组织的特点都含有莱氏体，其性能基本上与
渗碳体相同，因此上述的三种不同组织的铸铁都是很硬很脆的。

在生产上把这三种铸铁统称为白口铸铁。

在727℃以上的白口铸
铁组织由奥氏体和渗碳体组成。

727℃以下的白口铸铁组织是由
珠光体和渗碳体组成。

四、铁碳合金相图的应用
1 .在选材方面的应用
铁碳合金相图总结了铁碳合金组织和性能随成分的变化规律。

这样，就可以根据零件的服务条件和性能要求，来选择合适的材料。

碳对铁碳合金的组织和性能有着重大的影响，如右图所示。

不同成份的铁碳合金在机械性能和工艺性能等方面产生了极大的差异。

根据图中成分―组织―性能关系的规律，可以按照零件或工具性能要求，进行合理的选材。

如果需要塑性好韧性高的材料时，则可选用铁素体组织多的碳钢；对于要求综合机械性能较高的材料，可选用组织是铁素体加珠光体的碳钢。

当需要硬度高、耐磨性好的材料时，则应选含碳更高的其组织是珠光体加渗碳体的碳钢。

2.在铸造方面的应用
根据铁碳合金相图确定浇铸温度，一般在液相线以上150℃左右。

并且还可选择流动性好的合金，即接近共晶成分的合金应用最广泛。

因其熔点低，结晶温度间隔小，流动性好，组织致密。

3．在锻造方面的应用
可以确定钢材在锻造时必须选择在奥氏体区的适当温度范围内进行，因为奥氏体单相变形均匀，强度较低，塑性较好，便于塑性变形。

4．在焊接方面的应用
焊接时从焊缝到母材各区域的加热温度是不同的，可根据铁碳合金相图分析低碳钢焊接接头的组织变化情况。

5．在热处理方面的应用
根据铁碳合金相图拟订淬火、退火、正火等各种热处理加热规范，有着特别重要的意义。

这将在后续章节中详细介绍。