典型零件选材热处理及铁碳合金
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金属材料及热处理第四单元 铁碳合金相图
表4-4 铁碳合金分类
第四单元 铁碳合金相图
铁碳合金的平衡组织是由铁 素体和渗碳体两相所构成的。当碳 的质量分数w(C)<0.9%时，随着碳 的质量分数的增加，钢的强度和硬 度提高，而塑性和韧性降低；当碳 的质量分数w(C)>0.9%时，由于Fe3 CⅡ的数量随着碳的质量分数的增 加而急剧增多，并明显地呈网状分 布于奥氏体晶界上，这样不仅降低 了钢的塑性和韧性，而且也降低了 钢的强度，如图4-9所示。
心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方 晶格，碳在γ-Fe中的位置如图4-3所示。
在金相显微镜下观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒状态，但晶界 比铁素体的晶界平直些，并且晶粒内常出现孪晶组织(图中晶粒内的平行 线)，如图4-4所示。
第四单元 铁碳合金相图
图4-3 奥氏体的晶胞示意图
特征为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。由于珠光体的 显微组织形态酷似珍珠贝母外壳形纹，故称之为珠光体组织，如图4-6所示。
图4-6 共析钢中珠光体的金相显微组织
第四单元 铁碳合金相图
能力知识点五 莱氏体(Ld) 莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成
的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为4.3%。 莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度高，塑性很差，脆性大。莱氏
图4-7 简化后的Fe-F3C相图
第四单元 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图中的特性点 铁碳合金相图中的主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见
表4-1。
表4-1 铁碳合金相图中的特性点
第四单元 铁碳合金相图
二、铁碳合金相图中的主要特性线 1.液相线ACD 2.固相线AECF 3.共晶线ECF 4.共析线PSK 5.GS线 6.ES线 7.GP线 8.PQ线
第四单元 铁碳合金相图
铁碳合金的平衡组织是由铁 素体和渗碳体两相所构成的。当碳 的质量分数w(C)<0.9%时，随着碳 的质量分数的增加，钢的强度和硬 度提高，而塑性和韧性降低；当碳 的质量分数w(C)>0.9%时，由于Fe3 CⅡ的数量随着碳的质量分数的增 加而急剧增多，并明显地呈网状分 布于奥氏体晶界上，这样不仅降低 了钢的塑性和韧性，而且也降低了 钢的强度，如图4-9所示。
心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方 晶格，碳在γ-Fe中的位置如图4-3所示。
在金相显微镜下观察，奥氏体的显微组织呈多边形晶粒状态，但晶界 比铁素体的晶界平直些，并且晶粒内常出现孪晶组织(图中晶粒内的平行 线)，如图4-4所示。
第四单元 铁碳合金相图
图4-3 奥氏体的晶胞示意图
特征为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。由于珠光体的 显微组织形态酷似珍珠贝母外壳形纹，故称之为珠光体组织，如图4-6所示。
图4-6 共析钢中珠光体的金相显微组织
第四单元 铁碳合金相图
能力知识点五 莱氏体(Ld) 莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成
的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为4.3%。 莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度高，塑性很差，脆性大。莱氏
图4-7 简化后的Fe-F3C相图
第四单元 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图中的特性点 铁碳合金相图中的主要特性点的温度、碳的质量分数及其含义见
表4-1。
表4-1 铁碳合金相图中的特性点
第四单元 铁碳合金相图
二、铁碳合金相图中的主要特性线 1.液相线ACD 2.固相线AECF 3.共晶线ECF 4.共析线PSK 5.GS线 6.ES线 7.GP线 8.PQ线
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
34
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
31
学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
29
学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
30
学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
学习情境四：铁碳合金 4.3
4、在焊接方面的应用 焊接时由焊缝到母材各区域的温度是不同的，根据Fe－Fe3C 相图可知，受到不同加热温度的各区域在随后的冷却中可能 会出现不同的组织和性能。这需要在焊接之后采用相应的热 处理方法加以改善。 5、在热处理方面的应用
Fe－Fe3C相图是制订热处理工艺的依据。应用Fe－Fe3C相 图可以正确选择各种碳钢的退火、正火、淬火等热处理的 加热温度范围。由于含碳量的不同，各种碳钢热处理的加 热温度和组织转变也各不相同，都可从状态图中求得。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
1、在钢铁材料选用方面的应用
Fe－Fe3C相图反映了铁碳合金的组织、性能随成分的变化 规律，为钢铁材料的选用提供了依据。如各种型钢及桥梁、船 舶、各种建筑结构等，都需要强度较高、塑性及韧性好、焊接 性能好的材料，故一般选用含碳量较低（WC＜0.25％）的钢材； 各种机械零件要求强度、塑性、韧性等综合性能较好的材料， 一般选用碳含量适中（WC＝0.30％～0.55％）的钢；各类工具、 刃具、量具、模具要求硬度高，耐磨性好的材料，则可选用含 碳量较高（WC＝0.70％～1.2％）的钢。纯铁的强度低，不宜 用作工程材料。白口铸铁硬度高、脆性大，不能锻造和切削加 工，但铸造性能好，耐磨性高，适于制造不受冲击、要求耐磨、 形状复杂的工件，如冷轧辊、球磨机的铁球等。
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学习情境四：铁碳合金 4.4
低碳钢：Wc=0.1-0.25% 中碳钢：Wc=0.25-0.6% 高碳钢：Wc=0.6-1.4% 随着Wc的增加，硬度、强度都增加。
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学习情境四：铁碳合金 4.3
三、铁碳合金状态图的应用
1、在钢铁材料选用方面 2、在铸造生产上的应用 3、在锻造方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理方面的应用
《金属工艺学》铁碳合金
主要线
二条平行线（ECF、PSK）表示恒温反应： ECF：1148 ℃发生共晶反应 Lc --- AE + Fe3C PSK: 727 ℃发生共析反应 As ----- FP + Fe3C
ES线（Acm线）:C在A中的固溶线。 1148 ℃：C在A中最大溶解度2.11% 727 ℃: C在A中最大溶解度0.77%
在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或粒 状。 Fe3C的形状、大小、分布和数量对钢的性 能有极大的影响。
Fe3C在一定条件下可分解成铁和石墨。
（4）珠光体 P
含碳量为0.77%的A同时析出F和Fe3C的机械 混合物。（共析反应）
P是软的F片和硬的Fe3C片相间的机械混合物。 性能介于两者之间：δ=20～25%，σb =600～800MPa，HBS=170～230
（2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶 格。其基本性能也同溶剂。
（3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：
① 置换固溶体（下页图）
一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代替。 在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶格会 发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升高， 这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象， 叫固溶强化。——提高合金机械性能的一个途径。
目的： ① 细化晶粒（可提高σ、δ、ak） ② 降低硬度（便于切削加工） ③ 消除内应力（以及加工硬化）、（可防变形和
开裂）
1、完全退火
将亚共折钢加热到AC3以上30-50℃，保温 后缓冷。
加热得细晶粒的A，冷却后得细晶粒F＋P。 目的：
①细化晶粒；②降低硬度；③消除内应力。
2、球化退火
重要特性点 P19 B1-4
特性点 A C D E F G
铁碳合金及其热处理-1
1.
11 1111
飞行器制造材料演变
最新型的材料：复合材料
复合材料其实是很多种材料的统称，最典型的就 是玻璃钢、碳纤维等之类的材料，它具有比强度高、
刚度高、质量轻的特点，并具有抗疲劳、减振、耐高
温、可设计等一系列优点。它可以使飞机在维持原强 度的前提下减轻重量，或在同样的重量下，强度更高。
1.
1. 99 9
飞行器制造材料演变
米格25截击机，是世界上第一款能够突破3马赫 的飞机。镍基合金钢，质量大的惊人。然而却突破了 热障，令当时的西方惊恐万分，事实上，简单的钢材 以及强大的推力，是米格25成功的关键。
1.
10 1010
飞行器制造材料演变
最纠结的材料：钛合金
钛合金重量轻（密度大概是钢的一半）、强度高 （超过很多钢材）、耐腐蚀（浓硫酸都不怕）、耐高 温（在500° C依然能保持高强度），缺点是冶炼和加 工特别困难，由于加工技术不断长进，越来越多的飞 机开始大量采用钛合金，比如F-22有40%的结构是钛 合金制作的。
电阻率
钨
Wu
19.3
3380
166.2
4.6
5.1
21
3、材料的化学性能
材料的化学性能是指材料在常温或高温时抵抗各种 化学作用的能力。反映了材料与各种化学试剂发生化学 反应的可能性和反应速度大小的相关参数。
1）耐腐蚀性—金属抵抗氧、水蒸气、酸、碱等介质
侵蚀的能力。 2）热安定性—金属在高温下对氧化的抵抗能力。 根据不同的工况选用不同的材料。
工业上没有实用价值。
Fe-Fe3C相图是研究（碳）钢/铁的成分—温度—
组织结构间关系的工具。
1.
36 3636
1.
金属材料及热处理 第1-0章 铁碳合金相图(补充)
二、Fe-Fe3C相图中的相
铁素体F或α: F是碳在α-Fe中的间隙固溶体,体
心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积 较大，但单个间隙体积较小，所以它 的溶碳量很小，最多只有0.0218% (727℃时)，室温时几乎为0.0008%， 因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度 低而塑性高，并有铁磁性。
二、Fe-Fe3C相图中的相
共析反应：由特定成分的单相固态合金，在恒定的温度下，分解成两个新的， 具有一定晶体结构的固相的反应。
三、相图分析
2．液固相线 液相线A（B）CD 固相线A(HJ)ECF
三、相图分析
3．溶解度线 ES线 碳在A中的固溶线， 1148℃，2.11%—— 727℃, 0.77%,Fe3CII
PQ线 碳在F中的固溶线， 727摄氏度,0.0218%—— 0.0008%室温，Fe3CIII
铁碳合金
内容
CONTENTS
01 Fe-Fe3C相图的组元 02 Fe-Fe3C相图中的相 03 相图分析 04 Fe-C合金分类
铁碳相图—图文详解
教学目标：
01
1.了解并熟悉铁基材料中应用最多的一类——碳钢
和铸铁，掌握铁碳合金材料的组成、相的分类及形成
条件。
2.熟练掌握铁碳相图的所有相关知识点：温度点、
三、相图分析
1．三条水平线和三个重要点 （3）共析转变线PSK，727℃ ， C%=0.0218---6.69%
As----FP+Fe3C（共析渗碳体）
A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光体） 珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间 Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体 Le’
金属材料与热处理 模块四 课题三 铁碳合金的组织和Fe-C合金相图
渗碳体的晶格
渗碳体的显微组织
必备知识
5.珠光体（P） 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物， 用符号P表示。它是铁素体和渗碳体层 片相间、交替排列形成的混合物。其 显微组织图如图4-18所示其中白色为 铁素体基体，黑色线条为渗碳体。珠 光体的含碳量为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，所以其力学性能是两者的综 合，强度较高，硬度适中，具有一定 的塑性。
Fe—Fe3C相图中七个特性点的温度、含碳量以及含义
点的符号
A C D E G S P
温度℃ 1538 1148 1227 1148 912 727 727
含碳量（%）
含义
0
纯铁熔点
4.3
共晶点，L⇌Ld(A+Fe3C)
6.69
渗碳体的熔点
2.11
碳在奥氏体（γ-Fe）中的最大溶解度点
0
纯铁的同素异构转变点，α—Fe⇌γ-Fe
（2）AECF线。 固相线，对应成分的液态合金冷却到此线上的对应点时完成结晶过程，变为固态，此线之下为 固相区域。在液相线与固相线之间是液态合金从开始结晶到结晶终了的过渡区，所以此区域液相与固相并存。AEC 区内为液相合金与固相奥氏体，CDF区内为液相合金与固相渗碳体。
（3）GS线 。奥氏体冷却时析出铁素体的开始线 （或加热时铁素体转变成奥氏体的终止线），又称A3线。奥氏 体向铁素体的转变是铁发生同素异构转变的结果。
（4）ES线 。 碳在奥氏体（γ-Fe）中的溶解度曲线，又称ACm线。 奥氏体的溶碳能力沿该线上的对应点变化。 在1148℃时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11%（E点的含碳量），在727℃时降到0.77%（S点的含碳量）。在AGSE区 内为单相奥氏体。含碳量较高（>0.77%）的奥氏体，在从1148℃缓冷到727℃的过程中，由于其溶碳能力降低，多 余的碳会以渗碳体的形式从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。
热处理中最重要的铁碳合金相图的知识总结
铁碳合金相图1、纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。
钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。
但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。
金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
图a 面心立方晶体 图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。
液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。
继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。
在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。
正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。
图1 纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。
但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。
另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。
如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。
磁性转变不是相变，晶格不发生转变。
770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。
2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。
在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。
（1）液相 用”L”表示。
是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
《金属材料及热处理》-5.铁碳合金相图
1、二元合金相图的建立 二元合金相图是通过热分析实验法建立的。如图所示。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
二元合金相图的建立方法
• 配制一组不同成分的合金。 • 用热分析法测定各组合金的冷却曲线。 • 找出各冷却曲线上的相变点。 • 建温度—成分坐标。 • 找成分点、画成分线。 • 标相变点。 • 将相同意义的点用一条光滑的曲线连接起来。 • 在每个分区标上相或组织名称。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
根据以下资料建立PbSn合金的二元合金相图
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
2、二元合金相图的基本类型
Material Science
（1）包晶相图
包晶转变 一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固
相。 以Pt-Ag相图为例： LC +αD à βP
（2）匀晶相图
匀晶转变 由液相直接析出单相固溶体的过程。（Làα)
（典型：Cu-Ni相图）
（3）共晶相图
（2）共晶相图
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
(a)共晶合金
Material Science
此时所发生的反应均为共晶反应，共晶反应生成共晶体。 即：Le→(αm +βn)
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
二元合金相图的建立方法
• 配制一组不同成分的合金。 • 用热分析法测定各组合金的冷却曲线。 • 找出各冷却曲线上的相变点。 • 建温度—成分坐标。 • 找成分点、画成分线。 • 标相变点。 • 将相同意义的点用一条光滑的曲线连接起来。 • 在每个分区标上相或组织名称。
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
根据以下资料建立PbSn合金的二元合金相图
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
2、二元合金相图的基本类型
Material Science
（1）包晶相图
包晶转变 一定成分的液相和一定成分的固相在恒温下转变成为另一固
相。 以Pt-Ag相图为例： LC +αD à βP
（2）匀晶相图
匀晶转变 由液相直接析出单相固溶体的过程。（Làα)
（典型：Cu-Ni相图）
（3）共晶相图
（2）共晶相图
Material Science
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
(a)共晶合金
Material Science
此时所发生的反应均为共晶反应，共晶反应生成共晶体。 即：Le→(αm +βn)
材料科学基础5、铁碳合金相图
作者：陈儒军
汽车零件常用热处理
1.铁碳相图和铁碳合金
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体， 然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不 同的组织，得到钢的不同性能。因此掌 握热处理规律，首先要研究钢在加热时 的变化。
1.铁碳相图和铁碳合金
钢淬火后的组织是马氏体及少量残余奥 氏体,它们都是不稳定的组织,都有向稳 定的组织(铁素体和渗碳体两相混合物) 转变的倾向.但在室温下,原子活动能力 很差,这种转变速度极慢.随着回火温度 的升高,原子活动能力加强,组织转变便 以较快的速度进行.由于组织的变化,钢 的性能也发生相应的变化.
此转变温度称为A3转变温度，
1.铁碳相图和铁碳合金
对于碳含量小于％铁碳合金，该转变温 度随碳含量的增加而降低；碳含量为％ 时的转变温度称为A1转变温度；碳含 量大于％时的转变温度称为Acm转变温 度，该转变温度随碳含量的增加而升高。 AC1和AC3代表加热时的转变温度， Ar1和Ar3代表冷却时的转变温度。这 些转变温度简称为临界点，或叫临界温 度。有时还把AC3称为上临界点。
共晶白口铁(Eutectic white iron)：含碳4.30%，
组织是莱氏体Ld'。
过共晶白口铁(Hyper-eutectic white iron)：含碳
4.3%~6.69%，组织是渗碳体Fe3C+莱氏体Ld'。
1.铁碳相图和铁碳合金
根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却 到室温要发生三次组织转变：匀晶转变
1.铁碳相图和铁碳合金
3.白口铁——含碳量2.11%～6.69%，特点是液态结 晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但 是即使在高温也是脆性材料，Hypo-eutectic white iron)：含碳
2.11%～4.30%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C+莱氏体 Ld'。
项目2-1力学性能与铁碳合金
铁碳合金的 分类：
白口铸铁：碳全部以渗透碳体（Fe3C）形式存在，因断 口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3c， 白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用 方面很少直接使用，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制 件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁 的坯料
灰口铸铁；含碳量大于4.3％，铸铁中的碳大部或全部以 自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性 能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料 简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件
铁碳合金的结构：
1、 固溶体——
0.0218%~0 0~2.11%
碳含量较少时：铁素体α(F) 、奥氏体γ(A) 。 2、金属化合物——
6.69%
碳含量较多时，如Fe3C(渗碳体)， Fe2C，FeC，其中后两种太脆。
3、 机械混合物
珠光体：P=F+Fe3C
0.77%
莱氏体：高温Ld=A+Fe3C， 4.3% 低温Ld’=P+Fe3C，
左图为拉伸试验机 下图为拉伸试验过 程中试样的变形及 断裂。
拉伸曲线
分四个阶段 弹性变形阶段 屈服阶段 塑性变形阶段 缩颈——断裂阶段
注意：塑性好的材料如低碳钢在拉断前发生较大 的塑性变形，而脆性材料如灰铸铁、淬火高碳钢 等拉断前塑性变形量很小，甚至几乎不发生塑性 变形。 两种拉伸曲线的区别
二、塑性
1、概念——
在断裂前发生的永久变形的能力。
2、测试方法——
3、指标—— 4、意义——
拉伸试验法
断后伸长率δ和断面收缩率Ψ
①.塑性好的材料容易进行压力加工； ②.塑性好的材料在工作过程中不会因稍有超载 而突然断裂，即更安全可靠。
金属材料及热处理(第5版)课件第5章 铁碳合金相图和碳钢
第1节 纯铁、铁碳合金的相结构及其性能
一、纯铁的同素异构转变 二、Fe-Fe3C合金的相结构及其性能
1.纯铁的的同素异构转变
•纯铁的冷却曲线上有三种同素异构体，如图5-1 所示。液态纯铁（L）在1538℃时开始结晶出具 有体心立方晶格的δ-Fe；继续缓冷到1394℃时δFe开始转变为具有面心立方晶格的γ-Fe；再冷却 到912℃时又由γ-Fe转变为α-Fe
• 抗拉强度σb =180~280MPa • 屈服点σs=100~170MPa
• 伸长率δ×100 30~50%
• 断面收缩率ψ×100
70~80%
• 冲击韧度ak = 160~200J/cm2
• 硬度
~80HBW
铁素体在770℃以下具有磁性，在
770℃以上则失去铁磁性。
2.奥氏 ( A )
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。
•共晶白口铸铁的室温组织是渗碳体和珠 光体组成的机械混合物 （P+Fe3CⅡ+Fe3C），称为低温莱氏体， 用符号L´d表示。
•（二）亚共晶白口铸铁的组织转变
•参考图5-12，亚共晶白口铸铁（WC＞ 2.11~＜4.3%），液态合金缓冷至1处的亚 共晶白口铸铁组织为（A+Ld）。
•在点1~点2之间缓冷时，奥氏体含碳量沿 ES线而减少，因此，从奥氏体（包括Ld中 的A）中不断以Fe3CⅡ形式析出碳，这个 温度区域的组织是（A+ Fe3CⅡ+Ld）。 •再冷却到点2处，奥氏体含碳量降到共析 点S（WC=0.77％）发生共析转变，所有的 奥氏体都转变为珠光体（P）；再冷却到 点2以下直到室温，亚共晶组织不再转变。
PSK（A1）。 • 两个重要转变: • 共晶转变反应式 • 共析转变反应式 • 二个重要温度:共晶转变温度 1148 ℃ 、共析
第3章+铁碳合金相图及钢的热处理
图3.27 加热温度对晶粒尺寸的影响 l一本质粗晶粒钢；2一本质细晶粒钢
基本概念 1. 过冷奥氏体等温转变图 2. 过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT图) 珠光体类型组织 3. 过冷奥氏体的转变产物及性能 马氏体类型组织 贝氏体类型组织
钢在奥氏体化后的冷却 过程决定了冷却后钢的 组织类型和性能。 钢在奥氏体化后的冷却 方式通常分为两种：一 种是连续冷却；另一种 是等温处理 。 过冷奥氏体的转变可分 为三种基本类型，即珠 光体型转变(扩散型转 变)、贝氏体型转变(过 渡型或半扩散型转变)和 马氏体型转变(无扩散型 转变)。
2)亚共析钢(Ⅱ)
鉴于铁素体中的含碳量很少，通常用下式来估算亚共 析钢的含碳量： wC 0.8% QP (珠光体相对量)
图3.11 亚共析钢显微组织
3)过共析钢 ( Ⅲ )
~ 2' '~ 3 A 1~2 A Fe3C 2 A0.8% Fe3C P(F0.02% Fe3C) 2 P Fe3C (网状）
钢中马氏体一般有两种形态：
a)板条马氏体
b)片状马氏体 图3.33 马氏体显微组织
马氏体的力学性能特点是高硬度。
高碳马氏体具有高硬度，但塑性、韧性很低，脆性大， 而且马氏体片越粗大脆性也越大。 低碳马氏体具有较高的强度和韧性
图--- 碳钢含碳量与马氏体硬度的关系
贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体(或碳化物)组 成的两相混合物。 贝氏体一般分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)两种
共析转变产物称为珠光体，用P表示。
a)
b) 图3.4 Mn（Ni）、Cr（Mo）对铁碳合金相图的影响
金属材料与热处理-铁碳合金相图
一、建立二元合金相图
2.二元合金相图的建立方法 为了建立相图，首先要测定合金系中一系列成分不同的相变温度，即临界点。 然后，根据临界点的数据，画出各种线条，形成该合金系的相图。测定二元合金相 图的具体步骤如下: （1）临界点的测定方法 临界点是表示物质结构状态发生本质变化临界相变 点。利用合金在相结构变化时，引起物理性能、力学性能及金相组织变化的特点来 测定。临界点的测定方法主要有: ①动态法:热分析法、硬度法、膨胀法、电阻法、磁性法; ②静态法:金相法、X-ray衍射分析法。 其中热分析法是最常采用的方法。通常以热分析法为主，其他方法配合使用。 尤其对固态下转变热效应很小的合金，常采用后几种方法测定固态下相变临界点。
一、建立二元合金相图
图中的合金Ⅰ，其成分为Sb 11%+Pb 89%。在 C点以上，合金处于液体状态， 当缓慢冷却到 C点时，发生共晶转变，在恒温下从液相中同时结晶出Sb和Pb的混合 物（共晶体）。继续冷却，共晶体不再发生变化。这一合是成分在 C点以左（Sb<11%）的合金称为亚共晶合金，如图中的合金Ⅱ，合 金成分点在 C点以右（Sb>11%）的合金称为过共晶合金，如图中的合金Ⅲ。亚共晶 和过共晶合金的结晶过程不同的是:从液相线到共晶转变温度之间，亚共晶合金要 先结晶出Pb晶体，过共晶合金要先结晶出Sb晶体，因而它们的室温组织分别为Pb+ （Sb+Pb）和Sb+（Sb+Pb）。
目录
CONTENT
CONTENT
01 二元合金相图 02 铁碳合金的基本组织 03 绘制 Fe-Fe3C 相图 04 钢的结晶过程 05 铁的结晶过程 06 Fe-Fe3C 相图的应用
任务一
二元合金相图
合金比纯金属结晶过程复杂，随着合金中元 素种类的变化，其组织和性能随之变 化，这种 变化规律可以借助于相图认识。合金相图是生 产中分析研制合金材料的理论 基础，也是制定 合金熔炼、铸造、焊接、锻造及热处理工艺的 重要依据。
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典型零件选材热处理及铁碳合 金非平衡组织观察
实验目的
• 学会根据零件的工艺性能和使用性能要求， 正确选择材料制定预备热处理和最终热处 理工艺，并深入理解热处理过程中钢的组 织与性能的变化规律； 初步掌握基本热处理操作方法； 认识和掌握不同成分铁碳合金的非平衡组 织。
• •
钢的热处理
• 是将钢在固态下加热到预定的温度，保温 一定的时间，然后以预定的方式冷却到室 温的一种热加工工艺。通过热处理可以改 变钢的内部组织结构 ，从而达到改善其工 艺性能和使用性能的目的。
• • • •
退火 正火 淬火 回火
热处理工艺曲线
温度 / ℃
保温 加热 冷却
温度 / ℃
保温 加热 冷却
时间
淬 火工 艺 曲 线
时间
回火 工 艺 曲 线
C曲线
• ①珠光体（P）：在A1～650℃过冷奥氏体等温分 解为片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物 • ②索氏体（S）：在650～600℃等温转变的片状 铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层比珠光 体更细密。在高倍显微镜下才能分辨清楚。它的 强度和硬度比珠光体高。 • ③屈氏体（T）：在600～550℃温度范围内形成 的，是片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物， 片层比索氏体更细密，只有在电子显微镜下，才 能分辨其中的片层。 • 珠光体、索氏体和屈氏体三者实质是同一种组织， 只是铁素体与渗碳体层片间的厚度不同。
上贝氏体
下贝氏体
马氏体
• 马氏体（M）是碳在α－Fe中的过饱和固溶 体，马氏体是奥氏体快速冷却到Ms点以下 形成的。 马氏体
片针状马氏体
回火
• 低温回火 • 中温回火 • 高温回火
回火马氏体
回火屈氏体
回火索氏体
实验目的
• 学会根据零件的工艺性能和使用性能要求， 正确选择材料制定预备热处理和最终热处 理工艺，并深入理解热处理过程中钢的组 织与性能的变化规律； 初步掌握基本热处理操作方法； 认识和掌握不同成分铁碳合金的非平衡组 织。
• •
钢的热处理
• 是将钢在固态下加热到预定的温度，保温 一定的时间，然后以预定的方式冷却到室 温的一种热加工工艺。通过热处理可以改 变钢的内部组织结构 ，从而达到改善其工 艺性能和使用性能的目的。
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退火 正火 淬火 回火
热处理工艺曲线
温度 / ℃
保温 加热 冷却
温度 / ℃
保温 加热 冷却
时间
淬 火工 艺 曲 线
时间
回火 工 艺 曲 线
C曲线
• ①珠光体（P）：在A1～650℃过冷奥氏体等温分 解为片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物 • ②索氏体（S）：在650～600℃等温转变的片状 铁素体与片状渗碳体的机械混合物，片层比珠光 体更细密。在高倍显微镜下才能分辨清楚。它的 强度和硬度比珠光体高。 • ③屈氏体（T）：在600～550℃温度范围内形成 的，是片状铁素体与片状渗碳体的机械混合物， 片层比索氏体更细密，只有在电子显微镜下，才 能分辨其中的片层。 • 珠光体、索氏体和屈氏体三者实质是同一种组织， 只是铁素体与渗碳体层片间的厚度不同。
上贝氏体
下贝氏体
马氏体
• 马氏体（M）是碳在α－Fe中的过饱和固溶 体，马氏体是奥氏体快速冷却到Ms点以下 形成的。 马氏体
片针状马氏体
回火
• 低温回火 • 中温回火 • 高温回火
回火马氏体
回火屈氏体
回火索氏体