工程材料第五章

1、当渗碳体与铁素体构成片层状的珠光体时， 铁碳合金的强度、硬度得到提高，且珠光 体越多，强度、硬度越高。
2、当渗碳体沿珠光体晶界呈网状分布时，特别 是作为基体或以针状形态分布在莱氏体基体 上时，铁碳合金的塑性和韧性大大下降，强 度也随之下降
4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
3、当钢的含碳量≤1%时，随着含碳量的增加， 强度、硬度提高，塑性、韧性下降；当含
铁碳合金
典型合金的结晶过程
含碳量对钢组织与性能的影响
1相图
4.2Fe-Fe3C相图分析
1、主要特性点
2、 主要特性
（1）BC线 液体向奥氏体转变的开始线。即：L→A。 （2）CD线 液体向渗碳体转变的开始线。即：L→Fe3CⅠ。 ABCD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。 （3）JE线 液体向奥氏体转变的终了线。
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
1.特征点
铁碳合金
C 点：
共晶点 C=4.3%， 1148℃
L4.3
1148℃
Ld(A+Fe3C)
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
1.特征点
铁碳合金
S 点：
共析点 C=0.77%， 727℃
A0.77
727℃
P(F+Fe3C)
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
1.特征点
碳量＞1%时，因组织中出现网状渗碳体， 钢的强度下降，但钢的硬度不断增加。
4、工业用钢材，为了保证足够的强度和一定 的塑性、韧性，其含碳量一般不超过 1.3%-1.4%。
第五章
铁碳合金
三、铁碳合金相图的应用
1. 选材的依据 2. 制定热加工工艺的依据
一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影
1．Mn 2．Si 2.有害元素 1．S 2．P 3.气体元素 1．O 2．N 3．H
Fe3C总1
6.69% 2.11%
5% 2.11%
63.1%
Fe3C共晶 Fe3C总1 Fe3C I 63.1% 29.3% 33.8%
③ 当T→727+0℃
Fe3C总2
6.69% 0.77%
5% 0.77%
71.5%
Fe3CII Fe3C总2 Fe3C总I 71.5% 63.1% 8.4%
工业纯铁组织金相图
第五章
二、铁碳合金相图
1.共析钢
铁碳合金
典型合金的结晶过程
L → L+A → A → P（F+Fe3C)
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
共析钢金相组织图
图4-6
第五章
二、铁碳合金相图
2.亚共析钢
铁碳合金
典型合金的结晶过程
C↑F↓P↑
强度硬度↑
塑性韧性↓
L → L+A → A → A+F → F+P
（二）Si的影响
Si在钢中也是一种有益元素，Si溶于铁素 体中，使铁素体强化，钢的强度、硬度 提高， 而塑性、韧性降低。
（三）S的影响
S是有害杂质，S不溶于铁，而以FeS 形式存 在，FeS与Fe形成共晶体分布于奥氏体晶界上， 熔点较低（989℃），当钢在1000-1200 ℃下进 行锻造时，晶界已经熔化，使钢产生“热脆”现 象，故应严格控制硫的含量。
3、计算含碳量为5%的过共晶白口铸铁组织中 ① 一次渗碳体的相对含量 ② 共晶渗碳体的相对含量 ③ 二次渗碳体的相对含量 ④ 共析渗碳体的相对含量 ⑤ 三次渗碳体的相对含量
解： ① 当 T → 1148+0 ºC时
Fe3 C I
6.69% 4.3%
5% 4.3%
29.3%
② 当T→1148-0℃
渗碳体Fe3C
1.定义 2.晶格类型 3.含碳量
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
Fe、C按 3：1形成的金属化合物 复杂晶格类型 6.69%
4.性能
硬而脆
渗碳体
渗碳体
第五章
珠光体P
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
1.定义 F、Fe3C形成的共析体 2.结构 F、Fe3C片层相间 3.性能 介于F、Fe3C之间，较 高的强度硬度，一定的 塑性韧性，片层间距↓， 性能↑
④ 当T→727-0℃
Fe3C总3
6.69% 0.0218%
5% 0.0218%
74.7%
Fe3C共析 Fe3C总3 Fe3C总 2 74.7% 71.5% 3.2%
⑤ 室温时
Fe3C总
6.69% 0.008%
5% 0.008%
74.74%
3.区域组织
铁碳合金
两相区
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
3.区域组织
铁碳合金
三相共存 水平线
第五章
二、铁碳合金相图
铁碳合金的分类
工业纯铁
铁碳合金

钢

C＜0.0218% 0.0218～0.77% C＝0.77%
亚共析钢 共析钢
过共析钢 0.77～2.11% 高温固态有单一A组织
白口铸铁

亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁
氮在钢中以原子状态固溶于铁素体(591℃时溶解度0.1%)， 常温下（溶解度0.001%）易形成氮化物 FeN，导致时效脆性 （蓝脆），属于有害杂质。在钢中加入适量的铝，与氮形成 AlN 微粒，分布于钢中，可抑制晶粒粗化。
氢会增加钢的脆性（氢脆），严重降低钢的塑性、 韧性，属有害杂质。导致钢中产生大量细微裂纹缺陷——白点。 氧是以化合物形态存在于钢中，这些氧化物杂质 使铸锭中出现偏析，破坏了钢基体的连续性，成为变形过程中裂纹 的起点故氧也是有害杂质。
第五章
奥氏体A
2.晶格类型
铁碳合金
一、铁碳合金的基本百度文库织与性能
面心立方晶格
第五章
奥氏体A
3.含碳量
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
727℃时：0.77%
1148℃时：2.11%
第五章
奥氏体A
4.性能
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
强度硬度高于F
塑性韧性较好 （面心立方晶格）
奥氏体
第五章
第五章
莱氏体Ld
1.定义
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
A和Fe3C形成的共晶体
1148℃
L4.3
Ld(A+Fe3C)—— 高温莱氏体
727℃
L’d(P+Fe3C)—— 低温莱氏体
2.结构
3.性能
含有大量Fe3C
硬而脆
4.2Fe-Fe3C相图分析
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
铁碳合金的分类
线
（4）ECF水平线 共晶线。 AHJECF线统称为固相线，
液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。 （5）ES线 又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：γ→Fe3CⅡ。
（6）GS线 又称A3线，奥氏体向铁素体转变的开始线。
（7）GP线 奥氏体向铁素体转变的终了线。 （8）PSK水平线 共析线（727℃），又称A1线。 （9）PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线 α→Fe3CⅢ。
过共析钢组织金相图
说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很 脆，工程中使用并不希望出现这种组织。
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
铁碳合金组织特征图
(a) 0.01%C铁素体 500×
(b) 0.45%C铁素体+珠光体 500×
(c).0.77%C珠光体 500× d). 1.2%C 珠光体+二次渗碳体 500×
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
亚共析钢组织金相图
第五章
二、铁碳合金相图
3.过共析钢 C↑P↓ Fe3CⅡ↑
强度硬度↑ 塑性韧性↓
铁碳合金
典型合金的结晶过程
当C≥0.9%时， Fe3CⅡ连续分布 强度↓↓
L → L+A → A → A+Fe3CⅡ → P+Fe3CⅡ
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第五章
铁碳合金
含碳量对钢组织与性能的影响
4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
（二）对力学性能的影响 随C%提高, 强度、硬度升高， 塑韧性下降。当含碳量 不超过1%时,晶界上析出的二 次渗碳体不成网状析出,对性 能影响不大,当超过1%,呈网状 析出,对碳钢力学性能造成影 响,故强度降低
4.4含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
铁碳合金
E 点：
C在γ—Fe 中的最大溶 解度点 （2.11%)
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
1.特征点
铁碳合金
P 点：
C在α—Fe 中的最大溶 解度点 （0.0218%)
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
1.特征点
铁碳合金
G 点：
γ—Fe与 α—Fe同素 异构转变点 （912℃）
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
ACD 线：
液相线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
AECF 线：
固相线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
ECF 线：
共晶线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
PSK 线：
共析线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
亚共晶白口铁组织金相图
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
7、过共晶白口铁(C%=4.3-6.69%)
组织转变
L
L+Fe3CI
Fe3CI+Ld
Fe3CI+L’d
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
过共晶白口铁组织金相图
图4-17
三、组织组成物相对含量计算
1、计算共析钢珠光体组织中铁素体和渗碳 体的相对含量。 解：
GS 线：
A→F转变 开始线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
GP 线：
A→F转变 终了线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
2.特征线
铁碳合金
ES 线：
C在A中最大 溶解度线
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
3.区域组织
铁碳合金
单相区：
L、A、F、 Fe3C
第五章
二、铁碳合金相图
相图分析
1.有益元素
响
1. 钢中杂质的来源
Si和Mn是在钢的冶炼过程中必须加入 的脱氧剂，而S、P、O、N、H等则是从原料 或大气中带来而在冶炼中不能去净的杂质。
（一）Mn 的影响
Mn在碳钢中是一种有益元素，碳钢中含Mn量一 般低于0.8%，Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固 溶体，使铁素体强化，小部分Mn溶于渗碳体中形成 合金渗碳体，使渗碳体的脆性降低。Mn能增加珠光 体的相对含量，并使珠光体细化，使钢的强度提高， Mn 与S化合成 MnS，可减轻硫的危害。
2.11～4.3% C＝4.3% 4.3～6.69%
过共晶白口铸铁 高温液态下有共晶反应
2 平衡结晶过程及其组织
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
典型合金（7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及 其相对量计算。
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
1 工业纯铁结晶过程
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
5、共晶白口铁(C%≈4.3%)
组织转变
L
(L＋Ld)
Ld
L’d
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
共晶白口铁组织金相图
4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
6、亚共晶白口铁(C%=2.11-4.3%)
组织转变 L L＋A
A＋Ld
A＋Fe3CII＋Ld
P＋Fe3CII＋L’d
第五章
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
二、铁碳合金相图 三、铁碳合金相图的应用
小结
第五章
铁素体F
奥氏体A
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
渗碳体Fe3C
珠光体P
莱氏体Ld
第五章
铁素体F
1.定义
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
C在α—Fe中的 间隙固溶体
第五章
铁素体F
2.晶格类型
铁碳合金
F
6.69% 0.0218%
6.69% 0.77%
88%
Fe3C 1 88% 12%
2、计算含碳量为1.0%的过共析钢组织中二 次渗碳体和珠光体的相对含量。 解：
1.0% 0.77% 3.9% Fe3C II 6.69% 0.77%
P 1 3.9% 96.1%
（四）P的影响
磷在钢中也是一种有害杂质，磷全部溶 于铁素体中，虽然可使铁素体的强度、硬度 有所提高，但却使 塑性、韧性急剧降低（冷 脆），并使钢的冷脆性转变温度提高，同时 钢的焊接性能变坏。另外磷在钢中的扩散速度 很小，因此具有严重的偏析倾向。故应严格 控制磷的含量。
钢中白点
（五）氮、氢、氧的影响
一、铁碳合金的基本组织与性能
体心立方晶格
第五章
铁素体F
3.含碳量
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
最大0.0218% （727℃）
第五章
铁素体F
4.性能
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
强度硬度极低
塑性韧性很好
铁素体
第五章
奥氏体A
1.定义
铁碳合金
一、铁碳合金的基本组织与性能
C在γ—Fe中的 间隙固溶体
Fe3CIII Fe3C总 Fe3C总3 74.74% 74.7% 0.04%
4、计算含碳量为2%的过共析钢组织 中，珠光体的相对含量。 解： 珠光体的含量等于奥氏体的含量， 因此：T→727+0℃
P
6.69% 0.77%
6.69% 2%
79.2%
二、铁碳合金相图