铁碳合金相图

碳钢，自液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。
第四节 铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
运用杠杆定律求得含碳量与铁碳合金缓冷后的组织组分及相组分间 的定量关系（如图4-16所示）
图4-16 铁碳合金中含碳量与组织组分及相组分间的关系
二、含碳量与力学性能间的关系
由图4-17可知，当钢中 ω C<0.9%时，随着钢中含碳量的增 加，钢的强度、硬度呈直线上升， 而塑性、韧性不断降低； 当钢中ω C>0.9%时，因渗碳体 网的存在，不仅使钢的塑性、韧 性进一步降低，而且强度也明显 下降。
Fe3C的结构 渗碳体硬度很高，脆性很大，塑性极差。
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渗碳体的分子式为 Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结
构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%;熔点为1227℃ 左右;不发生同素异晶转变;但有磁性转变，它在230℃ 以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性;其 硬度很高(相当于HB800)，而塑性和冲击韧性几乎等于 零，脆性极大。
f.在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1000~1250℃。
g.钢铆钉一般用低碳钢制作。 h.钳工锯削70钢、T10钢、T12钢比锯20钢、30钢费力，锯条易磨钝。
简化后的Fe-Fe3C相图
三、铁-渗碳体相图中铁碳合金的分类
Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同的显微组织和性能， 通常根据相图中P点和E点，可将铁碳合金分为工业纯铁，钢和白口铸 铁三大类。 工业纯铁（P点左面）
它的力学性能介于铁素
体和渗碳体之间，即其 强度、硬度比铁素体显 著增高，塑性、韧性比 铁素体要差，但比渗碳
体要好得多。

珠光体组织呈指纹状，其中白色的基底为铁素体
五．莱3
高温莱氏体 Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物） 低温莱氏体 Le′(珠光体和渗碳体组成) 纯莱氏体中含有的渗碳体较多，故性能与渗碳体相近，即 极为硬脆。硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
三、合金Ⅲ(过共析钢)
图4-8中合金Ⅲ为过共析钢。过共析钢在1点到3点温度间的结晶过程 也与共析钢相同。
图4-8 钢部分的典型合金结晶过程分析示意图
当ω C =2.11%时，二次渗碳体量达到最多，其值可由杠杆定律求得 Fe3 CⅡ最多 =(2.11-0.77)/(6.69-0.77) × 100% =22.6%
思考题：
分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共
析渗碳体的异同之处 相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出， 三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应时形成，共 析渗碳体共析反应时形成.
想一想：
分析碳的质量分数分别为0.2%、0.4%、0.77%、1.3%的
渗碳体不易受硝酸酒精溶液
的腐蚀，在显微镜下呈白亮
色，但受碱性苦味酸钠的腐
蚀，在显微镜下呈黑色。
渗碳体是碳钢中主要的强化
相，它的形状与分布对钢的 性能有很大的影响。
四．珠光体 A0.77
727℃
P
（铁素体和渗碳体的共析混合物）
727℃
F0.0218+Fe3C
或A0.77
P0.77
珠光体是由奥氏体发生共 析转变同时析出的，铁素 体与渗碳体片层相间的组 织， 是铁碳合金中最基本 的五种组织之一。 代号为 P。是由发现者名字命名。 5 5
（三）可加工性
金属的可加工性是指其经切削加工成工件的难易程度。一般认为钢的硬 度在160～230HBW时，可加工性最好。
想一想： 1.碳的质量分数分别为0.2%、0.4%、0.77%、1.3%的 碳钢，自液态缓冷至室温后所得的组织有何不同？试 定性地比较这四种钢的强度和硬度。 2.比较Wc=4.3%、 Wc=4.0%、 Wc=5.3%三种铁碳合金
图4-8 钢部分的典型合金结晶过程分析示意图
珠光体中铁素体与渗碳体的相对量可用杠杆定律求出：
图4-9 共析钢的显微组织 a）（500x） b）（800x）
二、合金Ⅱ(亚共析钢)
图4-8中合金Ⅱ为亚共析钢，亚共析钢在1点到3点温度间的结晶过程 与共析钢相似。
图4-8 钢部分的典型合金结晶过程分析示意图
一、铁素体
定义：碳溶于α -Fe中的间隙固溶体称为铁素体，以符号F表示。 铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性和韧性。 铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织。
铁素体的显微组织（100x）
其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃ 时最大的溶碳能力为0.02%。 由于铁素体含碳量很低，其性 能与纯铁相似，塑性、韧性很好，伸长率δ=45%~50%。强度、 硬度较低，σb≈250MPa，而HBS=80 铁素体晶界圆滑，晶内很少见孪晶或滑移线，颜色浅绿、发 亮，深腐蚀后发暗。钢中铁素体以片状、块状、针状和网状 存在。
AC线和CD线为液相线，液态合金冷却到AC线温度时，开始结晶出奥氏 体；液态合金冷却到CD线温度时，开始结晶出渗碳体。AE线和ECF线为固 相线。AE线为奥氏体结晶终了线，ECF线是共晶线，ES线为碳在奥氏体中 固溶线。
二、下半部分图形—固态下相变
图4-7所示，下半部分图形与二元共晶相图也很相似。α -Fe与Fe3C 为该图的两个组元。
奥氏体的点阵滑移系多，故奥氏体的塑性好，屈 服强度低，易于加工塑性成形。因此，钢锭，钢 坯，钢材一般被加热到1100˚C以上奥氏体化，然 后进行锻轧，塑性加工成材或加工成零部件。
三、渗碳体
渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶格的间隙化合物。 渗碳体在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或板状。
铁碳合金----应用最广泛的合金
碳钢 铸铁
渗碳体---通常以该形式存在
碳的存 在形式 碳碳相 图存在 形式 石墨---碳存在的更稳定状态 Fe-Fe3C Fe-石墨
钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基 本组元是铁和碳两个元素，故统称为铁碳合金。
Fe-Fe3C相图
第一节 铁碳合金的基本相
Fe和Fe3C是组成Fe-Fe3C相图的两个基本组元。属于固溶体相有铁素 体与奥氏体，属于金属化合物相有渗碳体。铁碳合金固态下的相结构也 形成固溶体和金属化合物两类。
如图4-6所示，上半部分图形是属于第三章所述的二元共晶相图类 型。γ -Fe与Fe3C为该图的两个组元。
图4-6 Fe-Fe3C相图上半部分图形
（一）图中各点的分析
A点为纯铁的熔点，D点为渗碳体的熔点，E点为在1148℃时碳在γ Fe中最大溶解度，C点为共晶点。
（二）图中各线的分析
图4-6 Fe-Fe3C相图上半部分图形
图4-11 过共析钢显微组织（500x） a）4%硝酸酒精浸蚀 b）碱性苦味酸钠浸蚀
四、合金Ⅳ(共晶白口铸铁)
图4-12中合金Ⅳ为共晶白口铸铁。
图4-12 白口铸铁部分的典型合金结晶过程分析示意图
共晶白口铸铁的显微组织是由珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体 组成的共晶体，即变态莱氏体（L′d）。
图4-13 共晶白口铸铁显微组织（250x）
二、奥氏体
碳溶于γ -Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。 奥氏体存在与727℃以上的高温范围内。
奥氏体的显微组织（100x）
奥氏体为面心立方结构，ˠ-Fe的间隙的半径仅为0.052nm，比 碳原子的半径0.086nm小。碳原子溶入将使八面体发生较大的 膨胀，产生畸变，溶入越多，畸变越大，晶格将不稳定，因 此奥氏体的溶解度是有限的,碳在奥氏体中的最大溶解度为 2.11%(质量分数) 。
五、合金Ⅴ(亚共晶白口铸铁)
图4-12中合金Ⅴ为亚共晶白口铸铁。
图4-12 白口铸铁部分的典型合金结晶过程分析示意图 图4-14 亚共晶白口铸铁显微组织（80x）
六、合金Ⅵ(过共晶白口铸铁)
图4-12中合金Ⅵ为过共晶白口铸铁。
图4-12 白口铸铁部分的典型合金结晶过程分析示意图
图4-15 过共晶白口铸铁显微组织（250x）
（一）图中各点的分析
1.G点为α -Fe↔γ -Fe的 同素异晶转变温度； 2.P点为在727℃时碳在 α -Fe中最大溶解度； 3.S点为共析点。
图4-7 Fe-Fe3C相图下半部分图形
（二）图中各线的分析
1.GS线为冷却时由奥氏体转 变成铁素体的开始线 ； 2.GP线为冷却时奥氏体转变 成铁素体的终了线； 3.PSK线称为共析线； 4.PQ线为碳在铁素体中的固溶线。
碳合金
钢（P点与E点间）
共析钢（S点） 亚共析钢（S点左面） 过共析钢（S点右面）
白口铸铁
共晶白口铸铁（C点） 亚共晶白口铸铁（C点左面） 过共晶白口铸铁（C点右面）
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
一、合金Ⅰ(共析钢)
图4-8中合金I为共析钢。共析钢在1点到2点之间，其分析方法与匀 晶相图完全相同。
图4-17 含碳量对碳钢的力学性能的影响
三、含碳量与工艺性能间的关系
（一）铸造性能
已知合金的铸造性能取决于相图中液相线与固相线的水平距离和垂直距 离。距离越大，合金的铸造性能越差。 随着钢中含碳量的增加，虽然其熔点随之降低，但其液相线与固相线的距离 却增大，铸造性能变差。
（二）可锻造性和焊接性
金属的可锻造性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。 钢加热到高温，可获得塑性良好的单相奥氏体组织，因此其锻造性良好。 金属的焊接性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹倾向性为其技术判 断指标。钢中含碳量越高，其焊接性越差，故焊接用钢主要是低碳钢和低碳 合金钢。
第二节 铁-渗碳体相图分析
由于纯铁具有同素异晶性，并且α -Fe与β -Fe的溶碳能力又各不相 同，所以图4-2所示的Fe-Fe3C相图就显得比较复杂。图中左上角（δ -Fe 转变）部分实用意义不大，将其简化成图分析。
Fe-Fe3C相图
简化后的Fe-Fe3C相图
一、上半部分图形—由液态变为固态的一次结晶
在显微分析中，可以根据珠光体和铁素体所占面积的相对量，来 估算出亚共析钢中的碳的质量分数ω C，即 ω C =p×0.77% 式中 p------珠光体在显微组织中所占的面积百分比。
图4-10 亚共析钢显微组织 a）ω C=0.20%（200x） b）ω C=0.40%（250x） c） ω C=0.60%（250x）
的铸造性能高低。
图4-7 Fe-Fe3C相图下半部分图形
根据Fe-Fe3C相图，说明产生下列现象的原因。
a.含1.0%的钢比0.5%的钢硬度高。
b.室温下，0.8%C的钢比1.2%C的钢强度高 c.低温莱氏体的塑性比珠光体差。
d.在1100℃，0.4%C的钢能锻造，而4.0%C的生铁不能锻造。
e.绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝）,而起重机吊重物却用钢丝绳 （用60、65、70、75等钢制成）。