4.铁碳合金
铁碳合金相图
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 类型 钢号 碳质量分数／％ 亚共析钢 20 45 60 0.20 0.45 0.60 共析钢 T8 0.80 过共析钢 T10 T12 1.00 1.20
(4)各相的质量： QL= 50×2/3 = 33.3（kg) Qα = 50-33.3 = 16.7（kg)
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（Yes ）
5. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
c. 以砂型代金属型
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织
P + Fe3CII
400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织 （低温）莱氏体 （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C） 莱氏体 Le′的性能
《金属材料与热处理》第四章铁碳合金
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
数控技术《4.4-典型铁碳合金结晶过程分析》
第4章铁碳合金典型铁碳合金的结晶过程分析开场：大家好，欢迎来到“金属材料与热处理”课堂，今天我们一起学习典型铁碳合金的结晶过程分析。
在上一节我们学习到，含碳量不同的铁碳合金，从高温下的液态，缓慢冷却到室温后，其室温组织不同。
为此我们可以根据室温组织将铁碳合金分为以下几种类型：（1）工业纯铁（WC＜%）含碳量 wC < 0 0218%的铁碳合金称为工业纯铁，其室温组织为铁素体。
（2）碳钢（WC=%~%）含碳量wC = %~%的铁碳合金称为钢。
可分为：亚共析钢（% <wC< %）、共析钢（wC=%）、过共析钢（% <wC< %）。
（3）白口铸铁（WC＝%~%）含碳量wC=%~%的铁碳合金称为白口铸铁。
有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。
可分为：亚共晶白口铸铁（%<wC<%）、共晶白口铸铁（wC=%）、过共晶白口铸铁（%<wC<%）。
下面我们一起来分析下几种典型的铁碳合金的结晶过程。
1、工业纯铁结晶过程（wC = % （flash动画）合金液体在1-2点间转变为δ，2点δ→γ，3-4点间γ→F，4点到5点之间为F，到7点，从F中析出Fe3C。
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。
Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F Fe3CⅢ。
室温下Fe3CⅢ的最大量为:凡是亚共析钢结晶过程均与此过程相似，只是由于碳的质量分数不同，组织中铁素体和珠光体的相对量也不同，随着含碳量增多，珠光体含量增加。
%6.22%10077.069.677.011.23=⨯--=II C Fe Q过共析钢的结晶过程均与此过程相似，只是随着碳的质量分数不同，组织中珠光体和渗碳体的相对量不同。
5、共晶白口铸铁（ wC ≈% ）以含碳量为％的共晶白口铸铁为例。
合金Ⅳ在温度1点以上为单一液相；当温度降至与ECF 线相交时，液态合金发生共晶反应，即LC →Ld （Fe3C ），结晶出莱氏体。
第四章 铁碳合金
铁碳合金基本组织比较
名称 符号
结构
铁素体 F或α
间隙固溶体
奥氏体 A或γ
间隙固溶体
渗碳体 Fe3C
珠光体
P
金属化合物 机械混合物
莱氏体
Ld
机械混合物
性能
强度、硬度低，塑性、 韧性好。
强度、硬度比铁素体高， 塑性韧性也好。
硬度很高、塑性、韧 性很差
强度较高、硬度适中介 于铁素体和渗碳体之间
硬度很高，塑性很差 与渗碳体接近
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符 号“A”（或γ）表示，面心立方晶格；
虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体 积较大，所以它的溶碳量较大，最多有 2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。
在一般情况下， 奥氏体是一种高温组织，稳定存 在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、 塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工， 如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态， 所谓“趁热打铁”正是这个意思。Rm=400MPa， 170~220HBW，A=40%~50%。
质硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸 蚀后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味 酸溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。
渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不 同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形 态，它们的大小、数量、分布对铁碳合金
性能有很大影响。
总结：
在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥 氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温 下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个 相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的 含碳量非常少，所以可以认为铁碳合金中的 碳绝大部分存在于渗碳体中。这一点是十分 重要的。
➢水平线ECF为共晶反应线。 碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金,
课题四铁碳合金相图课件
市场需求的预测
汽车工业需求
随着电动汽车和智能网联汽车的发展，对高性能、轻量化铁碳合 金材料的需求将不断增加。
航空航天需求
随着航空航天技术的进步，对高强度、耐高温的铁碳合金材料的 需求也将不断增长。
基础设施建设需求
随着全球基础设施建设的不断推进，对高强度、耐腐蚀的铁碳合 金材料的需求也将持续增加。
THANKS
化学成分和组织结构等。
数据处理
对实验数据进行整理、分析和处 理，利用数学方法绘制出相图。
图形绘制
将处理后的数据用图形的方式表 示出来，形成铁碳合金相图。
相图的解读
平衡状态
根据相图可以确定不同成分的铁碳合金在不同温度下的平衡状态 ，如单相区、两相区、固溶体区等。
相变规律
相图描述了铁碳合金在不同温度和成分下的相变规律，包括同素异 晶转变、共晶反应和共析反应等。
感谢观看
生产工艺的改进
高效成形技术
01
采用先进的成形工艺，如精密铸造、粉末冶金等，提高铁碳合
金材料的生产效率和产品质量。
节能减排技术
02
在生产过程中引入节能减排技术，降低铁碳合金生产的能耗和
污染物排放，实现绿色制造。
智能化生产
03
利用物联网、大数据等先进技术，实现铁碳合金生产的智能化
和自动化，提高生产效率和产品质量。
相图中的各个区域代表了不同成分 的铁碳合金在不同温度下的平衡状 态，包括液相区、固相区和两相区 。
特性线
特性线是相图中的一些关键温度线 ，如熔点线、共晶点线、共析点线 等，它们对确定合金的平衡状态和 相变过程具有重要意义。
相图的绘制
实验数据
铁碳合金相图的绘制需要大量的 实验数据，包括不同成分的铁碳 合金在不同温度下的物理性质、
铁碳合金的基本组织
铁碳合金是一种常见的金属材料，由碳和铁组成，具有良好的力学性能和耐磨性能，广泛用于工程机械和航空航天等行业。
其基本组织可以分为三类：
一、铁碳合金的晶粒组织
晶粒组织是铁碳合金的基本组织，其晶粒主要由铁组成，其中碳以合金钢中的碳化物形式存在。
这种组织结构经过热处理后可以改善铁碳合金的力学性能。
例如，合金钢中的碳化物可以改善钢的强度、韧性以及耐磨性等特性，使钢具有更好的抗拉强度和抗压强度。
二、铁碳合金的析出相组织
析出相组织是铁碳合金中的另一种基本组织，其中析出相是由另一种金属元素（如铬、钛、锰等）和碳组成的合金组分，它们可以改变铁碳合金的物理性能，如硬度、耐磨性等。
例如，加入适量的铬可以提高铁碳合金的硬度，提高耐腐蚀性，而加入钛可以提高铁碳合金的抗拉强度和抗压强度。
三、铁碳合金的纤维组织
纤维组织是铁碳合金最常见的组织形式之一，其中碳纤维可以改变铁碳合金的力学特性，如抗拉强度、抗压强度和耐磨性等。
例如，现代航空航天航空钢中的碳纤维可以提高钢的抗拉强度，耐磨性和抗压强度，从而提高航空器的安全性。
总之，铁碳合金的基本组织有晶粒组织、析出相组织和纤维组织等，它们均可以改善铁碳合金的力学特性，广泛应用于工程机械和航空航天行业。
4 铁碳合金的相图的详细讲解
P,钢的性能即P的性能
b. ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。 c. ＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld,合金太脆.
45
3 含碳量对工艺性能的影响
(1) 切削性能: 中碳钢合适 (2) 可锻性能: 低碳钢好 (3) 焊接性能: 低碳钢好 (4) 铸造性能: 共晶合金好
二次渗碳体
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
铁素体 珠光体 莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
0
44
2 含碳量对力学性能的影响
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升
高，塑性、韧性下降。
a. 0.77%C时，组织为100%
Fe3CⅠ+Ld
K
F + P
L'd
Fe3CⅠ+L'd
F+Fe3CⅢ
Fe
1.0
2.0
3.0
Fe3C 4.0
wc(%)
5.0
6.0
6.69
17
(一)铁碳合金相图中主要点和线的意义
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: EF、ES、GS、PSK。 • 三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析 转变。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
L+δ
δ+
L+ L+ Fe3C + + Fe3C
F+ Fe3C
材料科学基础-第四章_铁碳合金与铁碳相图
⑥
1 2
3
4
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
第四章 铁碳合金
wγ ＝
6.69 4.30 100% 6.69 2.11
＝52%
＝1-52%＝48% 含碳量在2.11%～6.69%之间的合金，都要进行共晶转变，这类合 金叫做铸铁，因组织中都含有莱氏体，并因断口呈银白色而叫做白口 铸铁。
3
wFe C
其中，碳含量在2.11%～4.30%之间的合金叫亚共晶白口铸铁 。这类合金由液相开始凝固时，从BC线开始析出先共晶奥氏体， 然后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先共晶奥氏体 一般具有树枝晶的形貌。值得指出的是在共晶温度1148℃与共析 温度727℃之间，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中的碳含量都将从 2.11%降至0.77%，并析出二次渗碳体(用Fe3CⅡ表示)，随后又都 在727℃转变为珠光体。 含碳量为4.3%～6.69%范围内的合金叫过共晶白口铸铁。这 类合金冷却时，冷却到CD线开始从液相中析出先共晶渗碳体，然 后剩余液相在共晶温度通过共晶转变为莱氏体。先共晶渗碳体呈 板片状，也称为一次渗碳体(用Fe3CⅠ)。
图4.4
渗碳体晶胞中的原子数
4.2
4.2.1
Fe-Fe3C相图分析
相图中的点、线、区及其意义
图4.5
Fe-Fe3C相图
相图上的液相线是ABCD，固相线是AHJECF，相图中有五个单相 区，分别是： ABCD以上——液相区(L) AHNA——δ 固溶体区(δ ) NJESGN——奥氏体区(γ ) GPQG——铁素体区(α ) DFKL——渗碳体区(Fe3C或Cm) 相图上有七个两相区，它们分别存在于相邻两个单相区之间， 这些两相区分别是： ABJHA——液相＋δ 固溶体区(L＋δ ) JBCEJ——液相＋奥氏体区(L＋γ ) DCFD——液相＋渗碳体区(L＋Fe3C) HJNH——δ 固溶体＋奥氏体区(δ ＋γ ) GSPG——铁素体＋奥氏体区(α ＋γ ) ECFKSE——奥氏体＋渗碳体(γ ＋Fe3C)
4铁碳合金相图
工程材料及其热处理-2 8
3、单相的基本组织
在铁碳合金中,各个独立存在的相,也可以看成是单 相的基本组织。例如：铁素体组织，渗碳体组织。
4
3、渗碳体
Fe和C形成的间隙化合物。
具有固定的熔点1227℃，固定的化学成分，碳的
质量分数ωc=6.69%， 分子式Fe3C。 Fe3C在铁碳合金中是一种独立的相。性能特点硬而 脆， 相对固溶体，Fe3C属于强化相。渗碳体的数量、 形态、分布对钢的性能影响很大。
工程材料及其热处理-2
5
说明： 高温相：A 室温相主要是：F、Fe3C
3、相区
工程材料及其热处理-2 17
三、铁-渗碳体相图中各点、线含义的小结
根据上述分析结果，把铁-渗碳体相图中主要特 性点和线分别列表归纳总结。见表4-1和表4-2。
工程材料及其热处理-2
18
四、铁碳合金的分类 按含碳量不同，铁碳合金分为：工业纯铁、钢 和铸铁三大类。
工程材料及其热处理-2
19
工程材料及其热处理-2
13
2、图中各线的分析
ACD线—液相相
线—固相线
ECF线为共晶线，液相合金冷却到共晶线时， 将发生共晶转变。 ES线为C在A中的溶解度曲线。最大溶解度是E 点，随着温度下降，溶解度减小，直到S点为最小 溶解度点。 3、相区
工程材料及其热处理-2 14
二、下半部分图 形——固态下的结 晶
工程材料及其热处理-2
工程材料及其热处理-2
金属学热处理4-11思考题
第四章铁碳合金(一)填空题1．Cr、V在γ-Fe中将形成置换固溶体。
C、N则形成间隙固溶体。
2．渗碳体的晶体结构是复杂正交晶系，按其化学式铁与碳原子的个数比为3:1 3．当一块质量一定的纯铁加热到912℃温度时，将发生a-Fe向γ-Fe的转变，此时体积将发生缩小。
4．共析成分的铁碳合金平衡结晶至室温时，其相组成物为α+ Fe3C，组织成物为P。
5．在生产中，若要将钢进行轧制或锻压时，必须加热至γ单相区。
6．当铁碳合金冷却时发生共晶反应的反应式为，其反应产物在室温下被称为。
7．在退火状态的碳素工具钢中，T8钢比T12 钢的硬度，强度。
8．当W(C)＝0．77％一2．11％间的铁碳合金从高温缓冷至ES线以下时，将从奥氏体中析出，其分布特征是。
9．在铁碳合金中，含三次渗碳体最多的合金成分点为，含二次渗碳体最多的合金成分点为。
10．对某亚共析碳钢进行显微组织观察时，若估计其中铁素体约占10％，其W(C) = ，大致硬度为11．奥氏体是在的固溶体，它的晶体结构是。
12．铁素体是在的固溶体，它的晶体结构是。
13．渗碳体是和的金属间化合物。
14．珠光体是和的机械混合物。
15．莱氏体是和的机械混合物，而变态莱氏体是和的机械混合物。
16．在Fe—Fe3C相图中，有、、、、五种渗碳体，它们各自的形态特征是、、、、。
17．钢中常存杂质元素有、、、等，其中、是有害元素，它们分别使钢产生、。
18．纯铁在不同温度区间的同素异晶体有(写出温度区间) 、、。
19．碳钢按相图分为、、；按W(C)分为(标出W(C)范围) 、、。
10．在铁—渗碳体相图中，存在着四条重要的线，请说明冷却通过这些线时所发生的转变并指出生成物。
ECF水平线、；PSK水平线、；ES 线、；GS线、。
21 标出Fe—Fe3C相图(图4—3)中指定相区的相组成物：①，②，③，④，⑤。
；22．铁碳合金的室温显微组织由和两种基本相组成。
23．若退火碳钢试样中先共析铁素体面积为41．6％，珠光体的面积为58．4％，则其W(C)＝。
金属材料与热处理第4章铁碳合金课件.ppt
4.2 二元合金相图
4.2.1 二元合金相图的表示方法 4.2.2 二元合金匀晶相图分析 4.2.3 二元合金共晶相图分析
4.2.1 二元合金相图的表示方法
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温 度和成分之间的关系，简称相图或状态图。
它是了解合金中各种组织的形成与变化规律的有效工 具，是合金在极缓慢冷却、接近平衡条件下测绘的，又 称平衡图。
a)间隙固溶体 b)置换固溶体 溶质原子对晶格畸变影响示意图
4.1.3 金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质 称为金属化合物。
金属化合物可用化学分子式来表示。金属化合物的晶格类 型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构，其性能具有 “三高一稳定”的特点，即高熔点、高硬度、高脆性和良好 的化学稳定性。
相：合金中化学成分、结构相同的组成部分称为相，相与 相之间具有明显的界限。
合金的组织是指合金中不同相之间相互组合而成的综合 体 。各相的数量、形状、大小及分布方式的不同形成了 合金组织。
4.1.2 固溶体
固溶体：一种组元的原子溶入另一组元的
晶格中所形成的均匀固相，称为固溶体。溶入
的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶
1点以上
1～2点
2～3点
共析钢结晶示意图
3点以下
珠光体显微组织
2. 亚共析钢的结晶过程分析
亚共析钢（含碳量0.0218%＜C＜0.77%）的冷却过程如 图4-15结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕。在2点到3点之 间，奥氏体组织不发生转变；冷却到与GS线相交的3点时， 从奥氏体中开始析出铁素体。当温度降至与PSK线相交的 4点时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77%，此时奥氏体发 生共析转变，转变为珠光体。亚共析钢室温组织由珠光体 P和铁素体F组成。
工程材料 4 铁碳合金相图
铁碳合金相图
二、 铁碳合金中的相与组织
δ相 （高温铁素体 ） γ相 （奥氏体 A ） α相 （铁素体 F ） Fe3C相（渗碳体 Cem，Cm ） G 石墨
一）铁素体
铁素体是碳在α-Fe中的固溶体，用 符号“F‖表示。 其组织结构与组织形态如图所示。 1）铁素体的特点：
铁素体
1）铁素体的特点：
六、合金Ⅵ（过共晶白口铸铁）
过晶白口铸铁结晶过程的基本转变： 匀晶转变+共晶转变+二次相析出转变+共析转变 室温组织： 一次渗碳体+低温莱氏体
显 微 组 织
主要组织组成物
铁素体
珠光体
钢铁分界线
莱氏体
渗碳体
A
L+
H
温N 度
J
A
B
主要组织组成物
L L+A
A+
D
L+ Fe3C
E S
P A+ Fe3CⅡ
因此整个 Fe － C 相图包括 Fe － Fe3C 、 Fe3C － Fe2C 、 Fe2C － FeC 、 FeC－C等部分组成。 鉴于含碳量为6.69%的Fe3C硬而 脆，超过6.69％的铁碳合金没有实用 价值。所以我们研究的铁碳相图， 实际上是Fe和Fe3C二个基本组元组 成的Fe－Fe3C相图或Fe和自由碳组 成的Fe－G相图。
0.77 6.69
6.69 0.45 100 % 94% 6.69 0.0218
Fe3C = 1 - wF = 6% 答：……..
三、合金Ⅲ（过共析钢）
三、合金Ⅲ（过共析钢） 过共析钢结晶过程的基本转变：
匀晶转变、二次相析出转变、 共析转变
室温组织：珠光体P+二次渗碳体Fe3CⅡ
金属材料与热处理含答案
金属材料与热处理含答案IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】《金属材料与热处理》期末考试试卷（含答案）班级焊接班姓名学号分数一、填空题（每空1分，满分30分）1.通常把以及为主的合金称为黑色金属。
2.金属材料可分为、和硬质合金。
3.形变强化、、都是强化金属的手段。
4.铁碳合金的基本组织有铁素体、、、珠光体和莱氏体。
5.铁素体具有较好的塑性和，较低的强度和。
6.铁碳合金是研究铁碳合金的、和组织结构之间关系的图形。
7.按含碳量不同，铁碳合金的室温组织可分为、和白口铸铁。
8.钢中的常存元素有锰、、、磷、氢。
9.热处理是强化金属材料、和的主要途径之一。
10.热处理不改变工件的和，只改变工件的性能。
11.热处理可以提高材料的强度和，增加。
12.热处理分为和。
13.常规热处理有退火、、、回火。
14.钢在加热时的组织转变主要包括奥氏体的和两个过程。
15.合金钢按用途分为合金结构钢、、。
二、判断题（每题1分，满分20分）1.铁素体是体心立方晶格。
（）2.奥氏体有室温组织。
（）3.渗碳体的塑性和韧性几乎为零。
（）4.铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。
（）5.下贝氏体具有较高的耐磨性和组织稳定性。
（）6.马氏体的含碳量越高，其硬度也越高。
（）7.正火的目的是细化晶粒，均匀组织提高机械性能。
（）8.淬火常常是决定产品最终质量的关键。
（）9.淬火的目的是为了获得马氏体组织。
（）10.回火一般是热处理的最后一道工序。
（）11.过烧后的工件只能报废，无法补救。
（）12.低碳钢的淬硬性好。
（）13.表面淬火是一种仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。
（）14.钢的渗碳目的是提高钢件表层的含碳量。
（）15.最终热处理的工序位置一般安排在半精加工之后。
（）16.合金钢的强度等性能比相同含碳量的碳素钢要高。
（）17.合金调质钢的热处理工艺是调质。
（）18.金属的腐蚀大多数是由化学腐蚀引起的。
第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金和铁碳相图铁碳合金中的主要元素是铁和碳，它包括工业纯铁、碳钢和白口铸铁。
铁碳合金是世界上产量最大、使用最广泛的金属材料—钢铁材料的发展基础，因此，铁碳合金相图是所有相图中最基本，最重要的相图。
铁碳合金中，碳的存在形式有两种，渗碳体和石墨。
渗碳体是一个亚稳定的化合物，在一定条件下可分解为铁和石墨。
所以，铁碳相图有两个，一个是Fe —Fe 3C 相图，是工业用钢的基础；另一个是Fe —石墨相图，是工业用铸铁的基础。
本章主要介绍Fe —Fe 3C 相图，关于Fe —石墨相图在金属材料学中会介绍。
§4.1 纯铁和铁碳合金中的相一、纯铁铁是钢铁材料最主要和最基本的元素。
铁的原子序数为26，原子量为56，属于过渡族元素。
铁的熔点为1538℃，温度20℃时的密度为7.873/cm g .1. 铁的同素异构转变（重结晶或多晶型转变）同素异构转变是指外界温度和压力改变时，固态金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象，它是一个相变过程。
同素异构转变同液相结晶一样，也是一个晶核形成和晶核长大的过程。
为了区别于液相结晶，同素异构转变又称为重结晶或多晶型转变。
铁就具有同素异构转变的现象。
如图4.1是纯铁的冷却曲线。
从图中可以看出：当液态铁缓慢冷却至1538℃时，结晶为体心立方结构的δ—Fe 。
当温度降至1394℃时，δ—Fe 转变为面心立方结构的γ—Fe ，这个转变称为A 4转变，转变的平衡温度（1394℃）称为A 4点。
当温度降至912℃时，γ—Fe 转变为无磁性的体心立方结构的α—Fe ，这个转变称为A 3转变，转变的平衡温度（912℃）称为A 3点。
当温度降至770℃时，无磁性的α—Fe 转变为有磁性的α—Fe ，这个转变称为A2转变，转变的平衡温度称为A2点，也称居里点。
总之，固态纯铁有三种同素异构体。
随着温度的降低，依次为δ—Fe ，γ—Fe 和α—Fe ，其中δ—Fe 和α—Fe 是体心立方结构，而γ—Fe 是面心立方结构，图4.2是纯铁平衡结晶冷至室温的组织变化图。
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第四章 铁碳合金
纯铁的冷却曲线及 晶体结构变化
第四章 铁碳合金
碳在γ－Fe晶格中的位置
第四章 铁碳合金
奥氏体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁素体的显微组织
第四章 铁碳合金
铁的固溶体
晶格类型 最大含碳量
性质
铁素体 （F）
体心立方 0.0218%
室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
奥氏体 （A）
面心立方 2.11%
高温铁素 体 （δ）
体心立方 0.09%
奥氏体具有良好的 塑性、韧性和一定 的强度、硬度。
第四章 铁碳合金
二、渗碳体(铁碳化合物)
渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物(Fe3C) 形式出现的。它具有复杂的晶格(正交晶系)。Fe3C是 由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六个Fe原 子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个八面体 共有，Fe:C=3:1。
片状石墨＋铁素体和珠光体的混合组织。
灰铸
石
铁的
墨 片
的
显微
三 维
形
铁 素 体 灰 铸 铁
组织
貌
铁
素
珠 光 体 灰 铸 铁
体 加 珠 光 体 灰 铸
铁
球墨铸铁的显微组织
铁
素 体 球 墨 铸 铁
珠 光 体 球 墨 铸
铁
铁
素
体
球加墨Fra bibliotek珠铸
光
铁
体
中
球
的
墨
石
铸
墨
铁
球
第四章 铁碳合金
石墨晶体长大时，沿层面的长大速度较快，即层面 的扩大快而层的加厚慢，导致其结晶形态通常发展成片 状。
第四章 铁碳合金
纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetic transformation）。纯铁的强度低，塑性好(软)，很少 用于结构材料。主要利用铁磁性（ferromagnetism）。 α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α 相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。 γ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ 相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。 δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相 出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素 体。
6.69 Fe3C的熔点 2.11 碳在 γ-Fe中的最大溶解度
F 1148 G 912
6.69 Fe3C的成分
0
α与γ同素异构转变点(A3)
第四章 铁碳合金
表 铁碳相图中的特征点（续）
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义
θ-碳化物称为渗碳体，一般用Fe3C 表示。 χ-碳化物又称Hagg碳化物，一般用Fe2.2C或Fe5C化学式 表示。具有底心单斜点阵。其存在温度低于θ-碳化物。 ε-碳化物一般用Fe2.4C或FexC化学式表示，具有密排六方 点阵。当碳在α-Fe过饱和固溶体于250℃以下加热时，可析 出ε-碳化物，并随加热温度提高而转变为χ或θ-碳化物。 三、石墨
Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳 原子之间可能同时存在金属键和离子键
第四章 铁碳合金
Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下，渗碳体可以 分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。 所以Fe—Fe3C相图为介稳定系相图，Fe－C相图为稳 定系相图，若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一 图上，称为Fe－C合金双重相图。 • Fe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临界点。 • Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗碳 体硬而脆(HB800)，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁 材料中的主要强化相。 • F体溶e3。体C中F，e碳被称和C为rF、合e可 M金n以渗等被碳原其体子它。金元属素置替换代，形形成成以以FFee3C3C为为基基的的固固溶
在铁碳合金中，当条件适当时，碳原于也可以单质状 态——石墨形式存在，且多出现于铸铁组织中。
第四章 铁碳合金
石墨(Graphite)具有简单六方晶格。同一晶面上碳原子 以共价键结合,间距0.142nm结合力较强，两层晶面的间 距为0.34nm，结合力弱。
第四章 铁碳合金
石墨组织记G(Graphite)。
石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑 性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。
第四章 铁碳合金
思考题： 下列说法正确的是： A.铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，具有体心立 方晶体结构；
B.渗碳体是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体，具有体心立方 晶体结构； C.奥氏体是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体，具有面心立方 晶体结构。
第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金
在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、 Fe2C、FeC。通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
第四章 铁碳合金
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材 料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有 重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、 Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是 Fe- Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相 图的组元为Fe和Fe3C。
第四章 铁碳合金
§ 4-2 Fe - Fe3C相图分析
图 铁碳相图
第四章 铁碳合金
一、相图中的点、线、区及意义
1．相图分析
表 铁碳相图中的特征点
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义
A 1538
0
纯铁的熔点
B 1495
0.53 包晶转变时液态合金的成分
C 1148
0.43 共晶点
D 1227 E 1148
第四章 铁碳合金
渗碳体wc=6.69%，熔点为 1227℃，渗碳体不发生同素 异晶转变；230℃以下时有弱 铁磁性，硬度很高 （950~1050HV），而塑性和 韧性几乎为零。 渗碳体是一个独立的相。 因其性能又脆又硬，没有单 独用它做为组织使用，而是 多与铁素体或奥氏体共同组 成双相组织。
第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金
图 铁碳相图
第四章 铁碳合金
§ 4-1 铁碳合金的组元及基本相 一、纯铁
铁碳相图的组元为纯铁和碳。 纯铁（pure iron） 熔点1538℃，汽化点2738℃，密度 7.87g/㎝³。 纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc) 结构, 1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。