3_铁碳合金相图及应用
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第五章 铁 碳 合 金 相 图
§1相图的相关概念 §2铁碳合金基本相 （相图构成） §3 合金相图分析 §4 合金成分、组织与性能关系 §5 铁碳合金相图应用简介
§1相图的相关概念
1． 组元：组成合金的最简单、最基本，能 够独立存在的物质称为组元。但在所研究的 范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳 定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组 元。
热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。 对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介
绍。
作业题：
1 铁碳合金有哪三种基本相？ 2 画出铁碳平衡相图，并标注出钢的部分在室
温时的组织组成物和相组成物。
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§5 铁碳合金相图应用简介
1．为选材提供成分依据 2．为制定热加工工艺提供依据
1．为选材提供成分依据
若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等， 应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强 度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢 （0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性 好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。
3
1227
F
K
600
4
400 P
Ld
Q F+PP+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld'
Fe3CⅡ+Ld'
200
0.77 2.11
4.3
Fe3C
Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.06.69
WC × %
图4-2
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1.含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢（合金②） 3.含碳0.40%的亚共析钢（合金③） 4.含碳1.2%的过共析钢（合金④） 5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金⑤） 6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金⑥） 7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
912℃~1394℃面心立方（f、c、c）称 Fe 1394℃~熔点体心立方（b、c、c）称 Fe
二. 铁与碳构成的基本相
铁素体
铁素体是碳在 Fe中形成的固溶体。
奥氏体 奥氏体是碳在 Fe 中形成的固溶体
渗碳体
渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间 隙化合物，分子式Fe3C，是铁碳相图中的另一个组
白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其 具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而 不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁 球等。
2.为制定热加工工艺提供依据
对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相 线间距离估计铸造性能的好坏.
对于锻造：确定锻造温度。 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当
过共析钢组织金相图
图4-10
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 铁素体+二次渗碳体 500×
图4-11
5. 共晶白口铁的结晶过程
图4-12 共晶白口铁的结晶过程示意图
共晶白口铁组织金相图
元。
三．特性点、特性线
图4-1 Fe-Fe3C相图
§3 铁碳合金相图分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 二、典型铁碳合金结晶过程分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类
纯铁 钢
亚共析钢 共析钢 过共析钢
白口铸铁
亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁
2．合金系：由两个或两个以上组元按不同 比例配制成的一系列不同成分的合金，称为 合金系。
3．相图：用来表示合金系中各个合金的结 晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或 平衡图。
§2铁碳合金基本相
一.组元的性质 ——多晶型性
纯铁的同素异构转变:
室温~912℃ 体心立方（b、c、c）称 Fe
典型铁碳合金结晶过程图
①②③ ④
⑥ ⑤⑦
温 度
℃
1600δ δ +
1400A
A11538 L+δ
2H 1 4J32
1495
B1
1394℃ 2 L+A
1
1200 A
1148
L C1
1000 G 800F
P95F14+25A℃33SA34+Fe3CⅡEA+F23e3CⅡ+LdL2d
Dห้องสมุดไป่ตู้
1 L+Fe3C 2 Ld+Fe3CⅠ
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过程
图4-16 过共晶白口铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
图4-17
§4 合金成分、组织与性能关系
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
工业纯铁组织金相图
图4-4
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
共析钢金相组织图
图4-6
3.亚共析钢结晶过程
图4-7亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢组织金相图
图4-8
4.1.2%C的过共析钢的结晶过程
图4-9 过共析钢的结晶过程
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：
F F 3 C Ⅲ F e P P P F 3 C Ⅱ P e F 3 C Ⅱ L d ‘ e L d ‘ F 3 C Ⅲ L d ‘ e
Fe3C（Ⅲ 沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素 体内的片层状）→ Fe3C（Ⅱ 沿A晶界呈网状分布）→ 共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→ Fe3C（Ⅰ 分布在 莱氏体上的粗大片状）。
§1相图的相关概念 §2铁碳合金基本相 （相图构成） §3 合金相图分析 §4 合金成分、组织与性能关系 §5 铁碳合金相图应用简介
§1相图的相关概念
1． 组元：组成合金的最简单、最基本，能 够独立存在的物质称为组元。但在所研究的 范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳 定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组 元。
热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。 对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介
绍。
作业题：
1 铁碳合金有哪三种基本相？ 2 画出铁碳平衡相图，并标注出钢的部分在室
温时的组织组成物和相组成物。
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§5 铁碳合金相图应用简介
1．为选材提供成分依据 2．为制定热加工工艺提供依据
1．为选材提供成分依据
若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等， 应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强 度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢 （0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性 好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。
3
1227
F
K
600
4
400 P
Ld
Q F+PP+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld'
Fe3CⅡ+Ld'
200
0.77 2.11
4.3
Fe3C
Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.06.69
WC × %
图4-2
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1.含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢（合金②） 3.含碳0.40%的亚共析钢（合金③） 4.含碳1.2%的过共析钢（合金④） 5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金⑤） 6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金⑥） 7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
912℃~1394℃面心立方（f、c、c）称 Fe 1394℃~熔点体心立方（b、c、c）称 Fe
二. 铁与碳构成的基本相
铁素体
铁素体是碳在 Fe中形成的固溶体。
奥氏体 奥氏体是碳在 Fe 中形成的固溶体
渗碳体
渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间 隙化合物，分子式Fe3C，是铁碳相图中的另一个组
白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其 具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而 不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁 球等。
2.为制定热加工工艺提供依据
对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相 线间距离估计铸造性能的好坏.
对于锻造：确定锻造温度。 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当
过共析钢组织金相图
图4-10
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 铁素体+二次渗碳体 500×
图4-11
5. 共晶白口铁的结晶过程
图4-12 共晶白口铁的结晶过程示意图
共晶白口铁组织金相图
元。
三．特性点、特性线
图4-1 Fe-Fe3C相图
§3 铁碳合金相图分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 二、典型铁碳合金结晶过程分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类
纯铁 钢
亚共析钢 共析钢 过共析钢
白口铸铁
亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁
2．合金系：由两个或两个以上组元按不同 比例配制成的一系列不同成分的合金，称为 合金系。
3．相图：用来表示合金系中各个合金的结 晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或 平衡图。
§2铁碳合金基本相
一.组元的性质 ——多晶型性
纯铁的同素异构转变:
室温~912℃ 体心立方（b、c、c）称 Fe
典型铁碳合金结晶过程图
①②③ ④
⑥ ⑤⑦
温 度
℃
1600δ δ +
1400A
A11538 L+δ
2H 1 4J32
1495
B1
1394℃ 2 L+A
1
1200 A
1148
L C1
1000 G 800F
P95F14+25A℃33SA34+Fe3CⅡEA+F23e3CⅡ+LdL2d
Dห้องสมุดไป่ตู้
1 L+Fe3C 2 Ld+Fe3CⅠ
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过程
图4-16 过共晶白口铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
图4-17
§4 合金成分、组织与性能关系
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
工业纯铁组织金相图
图4-4
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
共析钢金相组织图
图4-6
3.亚共析钢结晶过程
图4-7亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢组织金相图
图4-8
4.1.2%C的过共析钢的结晶过程
图4-9 过共析钢的结晶过程
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：
F F 3 C Ⅲ F e P P P F 3 C Ⅱ P e F 3 C Ⅱ L d ‘ e L d ‘ F 3 C Ⅲ L d ‘ e
Fe3C（Ⅲ 沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素 体内的片层状）→ Fe3C（Ⅱ 沿A晶界呈网状分布）→ 共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→ Fe3C（Ⅰ 分布在 莱氏体上的粗大片状）。