第04章 铁碳合金
金属学与热处理 第四章 铁碳合金
共析反应: 727oC, 0.77--------0.0218+ Fe3C (P珠光体) W 0.0218 =(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88% W Fe3C =1-88%=12%
三.亚共析钢(Wc=0.40%)
L---L+--- ---- ------L +(奥氏体)--- --- + (铁素体) -------------+P(珠光体)----- + P+Fe3CIII(三次渗碳体) 省略Fe3CIII, 最终组织: (铁素体) + P (珠光体) 包晶反应: L+ (奥氏体)
六.亚共晶白口铁(Wc=3.0%)
L---L +(初晶奥氏体) ------- -- -- (初晶奥氏体) + Ld(莱氏体) –----- (初晶奥 氏体) + Ld(莱氏体) + Fe3CII (二次渗碳体)-----------------P(珠光体)+ Ld’(低温莱 共析反应 氏体）+Fe3CII (二次渗碳体)
相组成物: L、、、、Fe3C 组织组成物： L、、、、P、 Ld、Ld’ Fe3CI 、Fe3CII 、 Fe3CIII、 成分变化 相变化 组织变化
二.对机械性能的影响 三.对工艺性能的影响
(二)铁素体和奥氏体 •铁素体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为BCC结构,表示:F或. •奥氏体:碳溶于铁中的间隙固溶体,为FCC结构,表示:A或. (三)纯铁的性能与应用 塑性和韧性好,强度低. 二.滲碳体 铁和碳的间隙化合物Fe3C, 含碳量6.69%.表示Cm. 正交晶系. 硬度很高, 塑性和差.
五.共晶白口铁(Wc=4.3%)
共晶反应
第04章铁碳合金
第04章铁碳合金
1.根据Fe—Fe3C平衡状态图，确定下列钢在给 定温度时的组织：
温度 组织 含碳量 ℃ 0.2％ 770
0.77％ 680
1.2％ 700
温度℃ 组织
900 770 740
温度℃ 组织
20 20 20
第04章铁碳合金
珠光体的强度较高, 塑性、韧性和和硬度介于渗碳体和铁素体 之间, 其机械性能如下：
抗拉强度极限 σb 770 Mpa 延伸率δ 20%～35%
硬度 180 HB
第04章铁碳合金
２、 Fe-Fe3C相图中重要的线
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, 在平衡结晶过程中均 发生共晶反应。
说明 纯铁的熔点 包晶反应时液态合金的浓度 共晶点，LcA+Fe3C 渗碳体熔点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 -Fe-Fe 同素异构转变点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 碳在-Fe 中的最大溶解度 共析点
第04章铁碳合金
１、 重要的点
C点为共晶点
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和 物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。
过共晶白口铁的金相组织
Fe3CI
+
L’d 第04章铁碳合金
白口铁的金相组织
第04章铁碳合金
第04章铁碳合金
第04章铁碳合金
第三节 铁碳合金的成分—组织—性能关 系
一、含碳量与铁碳合金机械性能的关系
第04章铁碳合金
第04章铁碳合金
第04章铁碳合金
第04章铁碳合金
硬度随含碳量 增加而增加。 强度度随含碳 量增加而增加
工程材料04铁碳合金相图2
钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，其基本组元是铁和碳元素，因此称为铁碳合金。
为了掌握钢铁材料的成分、组织和性能之间的关系，为以后的生产应用做好准备，就必须学习和研究铁碳合金相图。
铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物（Fe3C、Fe3C、FeC 等），但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大，无实际应用价值，所以在铁碳合金相图中，只需研究Fe-Fe3C部分（含碳量≦6.69%）。
第一节铁碳合金的基本相在铁碳合金中，铁和碳元素的相互作用方式有两种：（1）碳原子溶解到纯铁的晶格中，形成固溶体，如铁素体和奥氏体；（2）铁和碳原子相互作用形成金属化合物，如渗碳体。
一、铁素体：α 、F碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，它仍保持α-Fe的体心立方结构。
由于铁素体的含碳量较低（室温下w=0.0008%），其性能与纯铁相近。
c铁素体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性和韧性。
抗拉强度σb：180~280MPa屈服强度σs：100~170MPa硬度HB：50~80HBW伸长率δ：30~50%冲击韧性A k：160~200J二、奥氏体：γ、A碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，它仍保持γ-Fe的面心立方结构。
奥氏体溶解碳原子的能力与温度有关，1148℃时w c=2.11%，727℃时w c=0.77%。
一般奥氏体的硬度约为170~220HBW，伸长率δ约为30~50%。
因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成型。
三、渗碳体：FeC3渗碳体是一种具有复杂晶格结构的金属间化合物，其性能特点是硬度很高（约1000HV），且脆性很大（δ，αk≈0）。
渗碳体在碳钢中不能作为基体相，而是作为强化相存在，它的存在形态（网、片、条、粒状等），对碳钢的性能有很大的影响。
例如，渗碳体以细小的颗粒状形态，均匀分布在固溶体基体相上，则碳钢的力学性能较好；但是，渗碳体呈较粗大形态或网状分布时，则碳钢的脆性会增大。
第二节铁碳合金相图分析分析相图：注意相图中的恒温反应！钢铁的分类：（1）工业纯铁w c＜0.0218%（2）钢0.0218%＜w c＜2.11%（3）白口铸铁2.11%＜w c＜6.69%简化的铁碳相图及各点说明：一、液相线：ACD固相线：AECF二、ECF 共晶反应线L C→ A E+ Fe3C共晶产物（A + Fe3C）称为莱氏体，用符号Ld 或Le表示。
铁碳合金
第四章铁碳合金第一节铁碳合金的组元和基本相一、铁碳合金中的组元和基本相1、铁碳合金相图中的组元（合金中最基本、最独立的物质，一般来说组元是元素或稳定化合物）：铁和渗碳体2、铁碳合金相图中的基本相（分为固溶体和化合物）：铁素体、奥氏体、δ铁素体、渗碳体。
3、钢经过一定的结晶过程都要变成奥氏体，所以通常不研究δ铁素体。
二、铁的同素异晶转变1、固态下的相变结晶过程称为重结晶。
2、A0转变渗碳体在230℃时发生磁性转变，由高温顺磁性转变为低温铁磁性。
3、A2转变α—Fe在770℃时发生磁性转变，由高温顺磁性转变为低温铁磁性。
晶格类型没有发生转变，不属于相变。
4、A3转变γ—Fe和α—Fe相互转变5、A 4转变δ—Fe和γ—Fe相互转变第二节铁碳合金相图分析详见课本1、相图是由包晶转变、共晶转变和共析转变拼接而成，是液态结晶与固态重结晶的综合结果。
2、NH线是δ—Fe转化成γ—Fe开始线。
NJ线是δ—Fe转化成γ—Fe终止线线。
是由铁的同素异构转变图中的A4演化来的。
3、PSK线是共析反应线。
又称A1线。
4、ECF线是共晶转变线。
产物莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物。
基体是渗碳体，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体上，由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。
5、GS线是γ—Fe开始转变成α—Fe的线，也是α—Fe转化成γ—Fe的终止线。
由铁的同素异构转变图中的A3演化来的。
又称A3线。
6、GP线是α—Fe转化成γ—Fe的开始线，γ—Fe转变成α—Fe的终止线。
7、SE线是碳在奥氏体中溶解度的曲线。
又称ACm线。
从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。
8、PQ线是碳在铁素体中溶解度的曲线。
从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。
9、同一种组成相由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但形态可以有很大差异。
10、从奥氏体中析出的铁素体－般且在块状，共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体相互制约，呈交替层片状，同时共析渗碳体也呈交替层片状。
第04章 铁碳合金相图
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
金属工艺学 第四章--铁碳合金
如:Q235DTZ,表示屈服强度为235MPa质量等级为D级 的特殊镇静钢
Q196Bb
１
表示屈服强度为196MPa的B级半镇静钢
Q265DF
表示屈服强度为265MPa的D级沸腾钢
普通碳素结构钢的应用
Q185 Q225 Q235
Q255
Q275
应 用
一般桥梁、建筑结构， 普通机械零件，如螺 钉、螺母等。
杂质元素总结 Mn
Si
P
S
总结
元素有益与有害是相对的：硅锰虽有 益，但也不是多多益善；硫磷虽有害， 但炼铁过程中又不可避免其存在，因 此应严格控制其含量
二、碳素钢的分类
按质量 按含碳 量 低碳钢 中碳钢 高碳钢 按用途 按脱氧 程度 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢
普通碳钢
优质碳钢
高级优质碳钢
结构钢
工具钢
1) 奥氏体是： a. 碳在γ - Fe 中的间隙固溶体 中的间隙固溶体 c. 碳在α - Fe 中的有限固溶体
b. 碳在α - Fe
2) 珠光体是一种： a. 单相固溶体 b. 两相混合物 c. Fe 与 C 的化合物 3) T10 钢的碳的质量分数为： a. 0.1 % b. 1.0 % c. 10 % 4) 铁素体的机械性能特点是： a. 强度高、塑性好、硬度低 性差、硬度低 c. 强度低、塑性好、硬度低 b. 强度低、塑
.
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
含碳量与相的相对量关系： C %↑→F %↓，Fe3C %↑ 含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
复习提问
1、恨“铁”不成“钢”
第四章_铁碳合金
精品资料
4.2 Fe-Fe3C相图(xiānɡ tú)分析
符号(fúhào) 温度℃ 碳量％
1、 相图中的点、线、区
奥氏体
碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为fcc晶格，用γ或A表示。奥氏体的最大
溶碳量在1148℃，为2.11%。
fcc晶格比bcc晶格具有较大的致密度，为什么A比F具有较大的溶碳能 力呢？
晶体结构的间隙尺寸有关：γ-Fe的a=0.3656nm (950℃) ，八面体间隙 半径为0.0535nm，和碳原子0.077nm较接近，所以碳在A中的溶解度较大。
fcc 的 γ - Fe；冷却到912℃时，fcc 的 γ- Fe又转变为bcc 的 α - Fe；912℃以下， 铁的结构(jiégòu)不再发生变化。
通常，把 δ - Fe ←→ γ - Fe 的转变(zhuǎnbiàn)称为A4转变(zhuǎnbiàn)， 转变(zhuǎnbiàn)的平衡临界点称为A4点。把 γ- Fe ←→ α - Fe 的转变 (zhuǎnbiàn)称为A3转变(zhuǎnbiàn)，转变(zhuǎnbiàn)的平衡临界点称为 A3点。
渗碳体具有很高的硬度，约 800HB，但塑性很差，延伸率接近于 零。根据理论(lǐlùn)计算，渗碳体的 熔点为1227℃。230℃以上铁磁性消 失，此温度为滲碳体的磁性转变温 度，称为A0转变。
精品资料
渗碳体是一个亚稳相，如在高温长时间加热，就要(jiù yào)分解为 铁(实际上是以铁为基的固溶体)和石墨。在钢中，当碳从铁基固溶体 （奥氏体或铁素体）中排出时，常以渗碳体的形式析出而不是石墨。是 由于形成渗碳体时需要碳原子的扩散距离比形成石墨时所需的扩散距离 短得多。
第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图
第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图一、铁碳合金系组元的特性1、纯铁纯铁的同素异构转变金属在固态下，晶格类型随温度变化的现象。
重结晶δ－Ｆｅ。
α－Ｆｅ，γ－Ｆｅ2、碳石墨：六棱柱体0.142纳米0.34纳米耐高温导电润滑强度、硬度、塑性、韧性极低金刚石:正四面体共价键巴基球:60个碳原子12个五边形和20个六边形球面结构三维超导体非线性光学材料二、铁碳双重相图碳在铁碳合金中的存在形式固溶体渗碳体石墨Fe3C Fe2C FeCFe－Fe3C与Fe－G三、Ｆｅ－Fｅ３C相图的特征1、图中的基本相（1）铁素体：碳溶于α－Ｆｅ中形成的间隙固溶体。
Fα强度、硬度低，塑性、韧性高2、奥氏体：碳溶于γ－Ｆｅ中形成的固溶体。
Aγ强度、硬度不高，塑性很好3、渗碳体：铁和碳形成的金属化合物。
Fｅ３C4、δ固溶体：碳溶于δ －Ｆｅ中形成的间隙固溶体。
5、液相L第二节铁碳合金平衡结晶过程分析一、铁碳合金的分类（一）工业纯铁：C＜０．０２１８％（二）钢共析钢：C＝０．７７％亚共析钢：０．０２１８％＜C＜０．７７％过共析钢：０．７７％＜C＜２．１１％（三）白口铸铁共晶白口铸铁：C＝４．３％亚晶白口铸铁：２．１１％＜C＜４．３％过共晶白口铸铁：４．３％＜C＜６．６９％第四节碳钢一、钢铁材料的生产过程1、碳钢中的常存元素碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的、且对性能有一定影响其它元素，在碳钢中一般指：Si、Mn 冶金时自然存在对性能无不利影响而保留S、P 冶金时难以彻底清除而存在于钢中一般钢中大致含量：Si 0.25~0.30%Mn 0.25~0.50%S <0.05% P <=0.045 三、碳钢的分类、牌号及应用第四节碳钢1、碳钢的分类：按含碳量分：低碳钢WC 0.25％中碳钢0.25％< WC 0.6％高碳钢WC>0.6％按质量分：普通碳素钢WP 0.045％WS 0.055％优质碳素钢WP 0.040％WS 0.040％高级优质碳素钢WP 0.035％WS 0.030％2、碳钢的牌号及应用（1）普通碳素结构钢：五类２０种。
第四章 铁碳合金(李)
1193℃ 989℃
分布于晶界处（[S] ＞0.020%）
“热脆”
其他作用：降低焊接性能，引起高温龟裂，恶化钢的耐蚀性，偏析最为 严重的元素；
P——有害元素（炼钢原料和燃料）
以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在于晶界
引起钢的塑性和韧性急剧 下降，尤其在低温时脆性 更大，这种现象称为冷脆。
珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%） 性能：σb≈750MPa HBS=180 δ≈20%～25% ak=30～40J/cm 2 综合性能
莱氏体（Ld、
或 Le 、
）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量： 4.3%） 性能：硬而脆
应
用
T10、
用于需要较高 耐磨性和一定 韧性的工具， 如手工锯条、 剪金属用剪刀。
T7、T8、
承受振动、 冲击的工 具，如冲 头、大锤、 木工工具。
T12、T13A
不受振动和冲 击的耐磨工具， 如丝锥、锉刀、 乔刀、板牙、 量具等。
第四节 铸 铁
铸铁的概念：含碳量大于2.11%(一般为2.5%~4.0%) 铁碳合金含Si、Mn、S、P等元素） 铸铁的特点： 历史上使用较早 最便宜的金属材料之一 铸造性能极好，且只能用铸造成形 生产成本低，工艺简单，减震性耐磨性好，切削 加工性好 主要用于制造各种 机器零件
应
用
08F、
冷冲压件， 如汽车和 仪表外壳、 容器、罩 子等。
20、
45、
65
弹性件和 耐磨件： 小尺寸弹 簧、低速 车轮等
冷冲压件、 调质件：机 焊接件和 床齿轮、机 标准件、 床主轴、曲 渗碳件等 轴、连杆等 零件。 重要零件。
工程材料学第4章 Fe-C合金
K
=160-200 J/cm2 , 硬度50-80HB
第一节 Fe - C相图的基础知识
1.铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、 FeC 等一系列化合物。 2.稳定的化合物可以作为一个独的组 元。 3.Fe – C 二元相图。
Fe – C 二元相图
温 度
Fe
Fe3C Fe2C (6.69%C)
1394℃
δ - Fe γ - Fe
912℃
α - Fe
时间
α
– Fe在700度（居里温度）发生磁 性转变，即在该温度以上磁性消失， 不属相变 工业纯铁力学性能特点：强度、硬 度低，塑性、韧性好
抗拉强度σ b =180-230MPa, 伸长率δ ≈ 30-50%，断面收缩率Ψ=70-90%，
一.选择材料方面的应用
1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。 2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢碳素钢的分类、编号及用途。
Fe
第一节 Fe - C相图的基础知识
金属的同素异构转变 纯铁的同素异构(
allomorph )转变反应
912 °C
式:
δ - Fe
bcc
1394 °C
γ - Fe
fcc
α - Fe
bcc
纯铁的冷却曲线
1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1534℃
二)钢锭的组织及其宏观缺陷
镇静钢
半镇静钢
第04章 铁碳合金
Fe-Fe3C合金相图
包晶反应，发生在高温，并且在随后的 冷却过程中组织还会发生变化，不作讨 论。
共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体， 记录Ld(Ledeburite)
共析反应，产物为两相层片交替分布的 共析体组织称为珠光体，记录 P(Pearlite)
工程材料学 12
第一节 铁碳合金系相图
2、相图中各点的参数及含义
J 温N A+ 度
A
A
H
L+
B
L L+A
D
L+ Fe3C
E S
P
G
F A+F
P
Q Fe
Ld A+ A+ Fe3CⅡ+Ld Le+ Fe3CⅠ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
F K
P+F
Ld’ P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ld’ Le’+ Fe3CⅠ
F+ Fe3C
C%
F+ Fe3CⅢ
工程材料学 24
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织转变
L → L＋A → A → F+A → F+P
工程材料学 25
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢的结晶过程
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织相对数量计算： 根据杠杆定律可以推得，P在钢中的相对量与钢的含碳量 x的近似关系是：WP＝ x / 0.77 ， WF＝1－WP
造等工艺依据。
工程材料学
4
第一节 铁碳合金系相图 铁。
第四章铁碳合金
• 碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。 • 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，石墨，它
们都可以作为纯组元看待。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
F P
3.亚共析钢
3.亚共析钢
共析温度下
1）相的相对重量为：
P5 QFe3C PK 100%,
QF
5K PK
100%
2）组织组成物的相对重量为：
S’
QP
P5 PS
100%
WC 0.0218 0.77 0.0218
100%
QF
5S PS
100%
3.亚共析钢
室温下
1）相的相对重量百分比为：
5.共晶白口铁
室温下相的相对量为：
QF
6.69 4.3 100%=35.7% 6.69
QFe3C 100% 35.7% 64.3%
室温下组织为： Le’（100%）
6.亚共晶白口铁
室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’
P（粗大块状） +Fe3CⅡ（网状）+Le’
Fe3CⅡ
P Le’
合物，称作莱氏体, 用Le表示。 为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能 硬而脆。
10
莱氏体
⑵ 三条水平线：
• PSK：共析线(A1线)
• S ⇄(FP+ Fe3C)—珠光体（P） • 是 与Fe3C的机械混合物。
珠光体
屈服强 抗拉强 延伸 硬度 度/MPa /MPa /% /HB
Chapter4 铁碳合金
Chapter4 铁碳合金本章要点：1．Fe-Fe3C相图分析及应用2．铁碳合金的基本组织与性能特征3．铁碳合金含碳量对组织、性能的影响4．常用非合金钢（碳素钢）的牌号、性能及应用第一节铁碳合金的基本组织铁碳合金中的 Fe 和 C 可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。
另外，这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。
铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。
一、铁素体（ferrite）[铁素体]：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，呈体心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，在727℃时达到最大溶解度0.0218%。
铁素体的显微组织为多边形晶粒。
[铁素体性能]：铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。
（δ=30%~50%，A KU=128~160J）σb=180~280MPa，50~80HBS）。
图1 铁素体晶体结构图2 铁素体显微组织图3 奥氏体晶体结构图4 奥氏体显微组织二、奥氏体（Austenite）[奥氏体]：是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，呈面心立方晶格。
碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。
[奥氏体性能]：具有一定的强度和硬度（σb=400 MPa，170~220HBS），塑性和韧性也好（δ=40%~50%）。
奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（昌粒的平行的直线条），生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。
三、渗碳体（Cementite）[渗碳体]：是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。
它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃，[渗碳体性能]：其力学性能特点是硬度高，脆性大，塑性几乎为零。
第四章 铁碳合金-孙学强主编
机械制造基础
第四章
碳在α-Fe中的溶解度很小，所以铁素体室温时的力 学性能与工业纯铁接近，其强度和硬度较低，塑性、韧性 良好。 二、奥氏体 ( A ) 碳溶入γ-Fe中的间隙 固溶体称为奥氏体，用“A” 表示。它仍保持γ-Fe的面 心立方晶格。 高温下，奥氏体的显 微组织也为明亮的多边形 晶粒，但晶界较平直，晶 粒内常有孪晶出现，如图 4-2所示。
机械制造基础
2、碳钢
第四章
成分为P点与E点之间 (wc = 0.0218％～2.11％) 的铁 碳合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的奥氏体，因 而可进行压力加工。根据相图中S点，碳钢又可分为以下 三类： (1) 共析钢。成分为S点 (wc = 0.77％) 的合金， 室温组织为珠光体。 (2) 亚共析钢。成分为S点左面 (wc = 0.0218％～ 0.77％) 的合金，室温组织为珠光体 + 铁素体。 (3) 过共析钢。成分为S点右面(wc = 0.77％～2.11％ )的合金，室温组织为珠光体 + 二次渗碳体。
(3) 过共晶白口铸铁。成分为C点右面 (ωc = 4.3 ％～6.69％) 的合金，室温组织为低温莱氏体 +一次 渗碳体。
机械制造基础
二、典型铁碳合金的结晶过程分析 钢的结晶过程分析：
(一) 共析钢（合金Ⅰ） 当合金温度在1点以上时，合 金处于液态。当合金缓冷到液 相线温度1点时，开始从液相中 结晶出奥氏体，1～2点之间为 液相不断结晶的过程，随着温 度的下降，奥氏体量不断增加， 其成分沿固相线AE变化；剩余 液相不断减少，其成分沿液相 线AC变化，到2点温度时结晶完 毕，全部转变为与原合金成分 相同的奥氏体。
第四章
机械制造基础
过共析钢的结晶过程 示意图如图4-12所示
铁碳合金
铁碳合金相图是研究在平衡条件下，铁 碳合金的成分、组织和性能之间的关系 及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢 的冷却。铁碳相图是长期的生产和科学 实验中总结出来的，是研究钢铁材料， 制定热加工工艺的重要理论依据和工具。
Fe + C → Fe3C、Fe2 C、FeC
铁和碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等金属化 合物。 ……整个铁碳相图可以看成是由等各部分相 图所组成。由于含碳量超过5%的铁碳合金机 械性能和工艺性能差，没有实用价值，因此 在铁碳相图中只研究相图部分，下面要分析 的铁碳相图实际上就是相图，实际上普遍应 用的——组织为 一次渗碳体和莱氏体； 纯铁的金相图 共析钢金相组织图 亚共析钢金相组织图 过共析钢金相组织图
工业纯铁的室温组织
共析钢金相组织图
亚共析钢金相组织图
过共析钢金相组织图
图4-13 共晶白口铁金相组织图
3．白口铸铁（2.11~6.69%）——其特点是 液相结晶时都有共晶转变，因共晶反应在恒 温下进行，故流动性好，成分偏析小，分散 缩孔少，具有较好的铸造性能，但由于渗碳 体量过多，脆性大，不能锻造、轧制，工业 上应用不广。 根据室温组织的不同又将其分为三类： 亚共晶白口铁（〈4.3%C〉）——组织为珠 光体、二次渗碳体和莱氏体； 共晶白口铁（4.3%C）） ——组织为莱氏 体；
1．纯铁（〈0.0218%C〉）显微组织为铁素体。 2．钢（0.0218%～2.11%C），其特点是高温组织 为单相奥氏体，具有良好的塑性，适用于锻造、轧 制，工业上应用广泛。根据其室温组织又将其分为 三类： 亚共析钢（〈0.77%C〉）——组织为铁素体和珠 光体； 共析钢（0.77%C）） ——组织为珠光体； 过共析钢（）〉0.77%C））——组织为珠光体和 二次渗碳体；
铁碳合金介绍
第四章铁碳合金Iron－Carbon Alloy碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。
了解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分重要的意义。
铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。
现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。
这不仅简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-FeC相图也是必要的。
3第一节铁碳合金的组元和基本相Fe 1 2 3 4 5 6 6.69C%Fe-Fe 3C 相图140012001000800600400200温度/ ℃CEFD BA J N S GP KQ γ＋δγL ＋δδL ＋γγ＋αL ＋Fe 3Cγ＋Fe 3Cα＋Fe 3C αH第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织L ＋δFe 1 2 3 4 5 6 6.69C / %典型的铁碳合金结晶过程分析140012001000800600400200温度/ ℃C EFD A J NS G P KQ γ＋δγδL ＋γγ＋αL ＋Fe 3Cγ＋Fe 3Cα＋Fe 3C αB ②④⑥⑤⑦①1③56754123124123312123δγLδ1以上工业纯铁结晶过程示意图L δγααFe 3CⅢγα1—22—33—44—55—66—77以下共析钢结晶过程示意图γLLγP1以上1—2 2—3 3以下姓名语文数学英语李小红8593刘兵8394曾小玲818925μ图4-10 珠光体组织1以上1~2 2 2~3 3~4 4~55以下亚共析钢结晶过程示意图δL LαγαPγLγLδγ25μ亚共析钢的显微组织PγFe 3C ⅡLγ1以上1~2 2~3 3~4 4以下过共析钢结晶过程示意图Lγ25μ过共析钢的显微组织1以上1~2 2以下共晶白口铁结晶过程示意图LLdLd`25μ共晶白口铁的显微组织1以上1~2 2~3 3以下亚共晶白口铁结晶过程示意图LγγPLd`LdL60μ亚共晶白口铁的显微组织1以上1~2 2~3 3以下过共晶白口铁结晶过程示意图LLd `LdFe 3C ⅠFe 3C ⅠL60μ过共晶白口铁的显微组织按组织组成物标注的铁碳合金相图L ＋δFe 1 2 3 4 56 6.69C / %按组织组成物划分的铁碳合金相图140012001000800600400200温度/ ℃C E F D A JNS G PK Qγ＋δγδL ＋γγ＋αL ＋Fe 3C γ＋Ld+Fe 3C II P ＋Fe 3C II α①⑥L ⑤⑦B ③②④5Ld+Fe 3C I γ＋Fe 3C II P ＋Ld`+Fe 3C II Ld`+Fe 3C Iα＋P。
铁碳合金
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%
三、 新旧标准中钢的硫、磷含量对比 普通质量钢 优质钢 高级优质钢 特级优质钢 S≤,P≤ S≤,P≤ S≤,P≤ S≤,P≤
新: 0.05%,0.045% 0.035%,0.035% 0.025%,0.025% 0.015%,0.025% 旧: 0.055%,0.045% 0.040%,0.040% 0.030%,0.030% ——，——
七、铁碳合金相图的应用
1、铸造
a、根据铁碳相图可确定合适的浇铸温度
b、根据铁碳相图可以优化合金成分：如纯铁 和共晶合金，其凝固温度区间最小，流动 性好，铸造性能优良。
2、锻造
由于奥氏体强度低，塑性好，便于塑性 变形，因此钢材的锻造常选择在铁碳相图中 奥氏体单相区中的适当温度范围内进行。原 则是：起锻温度不能过高，以防止过度氧化； 终锻温度不能过低，以防止锻裂。
第四节 杂质元素对碳钢的影响
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、渗碳体Fe3C
铁与碳形成的一种稳定化合物，具有复杂 晶体结构—正交晶格,含碳量6.69%，不发生同 素异构转变，硬而脆，HB=800，δ=0。
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第四节 碳钢
金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合 金分为两大类：
黑色金属
金）；
铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合 包括黑色金属以外的所有金属及其合
有色金属
金。
在铁碳合金中，碳质量分数小于2.11%的合金称为钢。 常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%，其强度和韧 性均较好，工程性能比较优越。
（到约0 .8wt%c达
到峰值）。塑性
和韧性随含碳 量增加而下降 。
二、 铁碳合金相图的应用
设计选材
铁碳合金的性能是随含碳量而变化的，根据 零件的性能要求，可以确定铁碳合金的成分范围。 塑性、韧性
塑性、韧性、强度
低碳钢 wC%(0.10,0.25) 中碳钢 wC%(0.25,0.60) 高碳钢 wC%(0.60,1.30)
组织组成物
是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可 一是两相或者多相混合物。
铁碳合金中的组织组成物
铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体：F与Fe3C片层相间的两相混合 物 莱氏体：A与Fe3C两相混合物
F
P
高 温 铁 素 体
奥氏体
铁 素 体
渗 碳 体
钢中的基本相
。
二、铁碳相图分析
E
P
S
K
r
Q
室温下有α＋P两种组织
rS 0.77 0.4 w 49.4% PS 0.77 0.0218 Pr 0.4 0.0218 wP 50.6% PS 0.77 0.0218
r ’
K ’
4. 过共析钢[0.77%<w(C) ≤2.11%]平衡结晶过程
T12钢的室温平衡组织
碳质量分数在 2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均 发生共晶反应。 水平线PSK为共析反应线 碳质量分数为 0.0218%～6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发 生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线 , 通常称A3线。 ES线 是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线。
点的符号 A B C D E F G H K P S 温度℃ 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 727 727 727 含碳量% 0.00 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0.00 0.09 6.69 0.0218 0.77 说明 纯铁的熔点 包晶反应时液态合金的浓度 共晶点，LcA+Fe3C 渗碳体熔点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 -Fe-Fe 同素异构转变点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 碳在-Fe 中的最大溶解度 共析点
亚共晶白口铁的高温组织 Ld+γ+Fe3CⅡ
• 亚共晶白口铁的室温组织
L’d+P+Fe3CⅡ
P
L’d
7、过共晶白口铸铁(4.30%-6.69%C)的结晶过程分 析
过共晶白口铁的高温组织 Ｌd＋Fe3CⅠ
• 过共晶白口铁的室温组织
L’d＋ Fe3CⅠ
L’d
Fe3C
I
白口铸铁的相及组织
• 白口铸铁的室温相为
E
P
S
K
r
Q
室温下有P+Fe3CII两种组织
rK 6.69 1.2 wP 93% SK 6.69 0.77 S r 1.2 0.77 wFe3CII 7% SK 6.69 0.77
r ’
K ’
钢的金相组织
钢在室温下有两个相：α＋Fe3C
亚共析钢的金相组织 铁素体+珠光体(α+P)
共析钢的金相组织
珠光体 (P) 过共析钢的金相组织 珠光体+渗碳体(P+Fe3CII)
白口铸铁的结晶过程分析
5、共晶白口铸铁（4.3%C）结晶过程分析
共晶白口铁的高温组织为Ld γ+Ｆe3C(共晶)+Fe3CⅡ 共晶白口铁的室温组织为L’d Ｐ+Ｆe3C(共晶)+Fe3CⅡ
6、亚共晶白口铸铁（2.11%-4.30%C）的结晶过程 分析
第一节
铁碳合金系相图
一、Fe-Fe3C相图的组元和基本相 1.组元
纯铁
同素异构转变
纯铁的组织和性能
性能
纯铁的力学 性能因纯度 及晶粒大小 不同有较大 差别。
σs (MPa)
100~170
σb (MPa)
δ (%) Ψ (%) ak (J/cm2) HB
180~230
30~50 70~80 160~200 50~80
α+Fe3C
• 亚共晶白口铁的金相组织
P + Fe3CⅡ + L’d 共晶白口铁的金相组织 L’d =P + Fe3CⅡ + Fe3C(共晶）
• 过共晶白口铁的金相组织
Fe3CI + L’d
白口铁的金相组织
第三节 铁碳合金的成分—组织—性能关 系
一、含碳量与铁碳合金机械性能的关系
硬度随含碳量 增加而增加。 强度度随含碳 量增加而增加
一、碳钢的成分和分类 1、碳钢的成分
实际使用的碳钢，除铁、碳两个主要元素之外，还含有 少量Mn、Si、S、P、H、O、N等非特意加入的杂质元素。 它们对钢材性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规 定的范围之内。
2、碳钢的分类
碳钢中的杂质存在形式 1．锰：锰是有益元素。
① 锰原子溶于α-Fe中形成置换固溶体。
② 锰原子溶于渗碳体中形成合金渗碳体。 ③ 锰作为常存元素时，一般Mn＜0.8%。
2．硅 硅作为脱氧剂加入钢中。如： FeO+Si→Fe+SiO2 ① 硅溶于α-Fe中有一定强化作用。 ② 作为常存元素时，Si＜0.5%。
3．硫： 硫是有害元素。 ① 硫在钢中以FeS形式存在，使钢变 脆。 ② FeS和Fe能形成低熔点的共晶体， 当钢进行轧制时，共晶体融化，钢材变脆，
1.根据Fe—Fe3C平衡状态图，确定下列钢在给 定温度时的组织：
温度 含碳量 ℃ 0.2％ 0.77％ 1.2％ 770 680 700 组织 温度℃ 组织 900 770 740 温度℃ 20 20 20 组织
2．分析在缓慢冷却条件下，45钢和T10钢的结晶过 程和室温组织。 3．试求碳含量为1.2％的钢，室温下的相组成物和组 织组成物的相对重量，并画出其在室温下的显微组织 示意图。 4．什么是共晶转变和共析转变？计算珠光体在共析 温度和莱氏体在共晶温度时的相组分的相对量。
１、 重要的点 C点为共晶点
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混 和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 共晶转变线ECF：1148摄氏度，C%=4.3%。
L4.3 体），
A2.11+Fe3C（共晶渗碳
Le4.3 高温莱氏体 Le，Ld
S点为共析点 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共 析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。
硬度、耐磨性
制定热加工工艺
铸造工艺：确定浇注温度 锻造工艺：确定锻造温度
焊接工艺：分析组织和性 能 热处理工艺：是制订热处理 工艺的基础。
运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： ① Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平 衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。 ② Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金 中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其组织 转变就不能只用相图来分析了。
2. 共析钢 [w(C) = 0.77%]平衡结晶过程
其中铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律进行计 算：727℃ WFe3C = PS/PK = (0.77-0.0218)/(6.69-0.0218) = 11.3% WF = 1- WFe3C = 88.7%。 室温下 WFe3C = PS/PK = (0.77- 0)/(6.69-0) = 11.5% WF = 1- WFe3C = 88.5%。
第四章 铁碳合金
工程材料中又以钢铁（铁碳合金）材料应用最广。钢铁中 含碳量其室温平衡组织和性能有巨大影响。 由于铁碳合金是应用最广的工程材料，下面将学习Fe-C 相图。Fe-C相图很复杂，但实用的部分只0～6.69%C(重量百分 比)的部分，如图所示。其中右端（6.69%C）是属化合物Fe3C。 这段相图称为Fe-Fe3C相图，由三个基本类型的相图组成 ： 1.包晶相图部分 （区域很小，且无实际意义，通常忽略其作 用）； 2.共晶相图部分 ； 3.共析相图部分
共析转变线PSK：727摄氏度，C%=0.77%。
A0.77
F0.0218+Fe 3C， P（珠光体）
珠光体的强度较高, 塑性、韧性和和硬度介于渗碳体和铁素 体之间, 其机械性能如下： 抗拉强度极限 σb 770 Mpa 延伸率δ 20%～35% 硬度 180 HB
２、 Fe-Fe3C相图中重要的线
纯铁塑性、韧性好，但强度、硬度低。
晶粒度级别
晶粒度级别越高，晶粒越细。我国将细晶粒度分为8级 k s o d
2. 基本相 （除液相外） 铁素体 ：碳固溶于体心立方晶格的α-Fe中形成
的间隙固溶体，用α或者F表示。 碳在其中的固溶度很小，最大溶解度是727℃时的 0.0218%，因此α相区在相图中区域很小。
wFe3C III
0.01 0 100% 0.15% 6.69 0
工业纯铁的室温组织
Ｆ+Fe3CⅢ
Ｆ e3CIII 含量随 wC 增加而增加，当 wC=0.0218% 时,Ｆe3CIII含量达最大值
wFe3CIII
0.0218 0 |Max 0.3% 6.69 0
3. 亚共析钢 [0.0218%<w(C) <0.77%]平衡结晶过 程
铁素体+珠光体