第三章铁碳合金
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铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
第三章铁碳合金
第三章铁碳合金众所周知，钢铁材料具有一系列优良的机械性能和工艺性能，是现代工农业生产中应用最普遍的金属材料，它们是以铁和碳作为大体元素的合金，改变其化学成份和工艺条件，就能够够取得不同的组织和性能，从而能知足生产和利用的多种需要。
其大体组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。
由于碳的质量分数大于6.69%时，铁碳合金的脆性专门大，已无有效价值。
因此，实际生产中应用的铁碳合金其碳的质量分数均在6.69%以下。
第一节铁碳合金的组元及大体组织一、纯铁Fe是ⅧB族26号元素，具有一系列优良的物理及化学性质，大伙儿都比较熟悉，那个地址就不涉及，只讲铁在晶体结构上的一个性质——多晶型性，即在不同的条件下，铁具有不同的晶体结构，在条件改变时铁会发生同素异构转变。
金属从一种晶格转变成另一种晶格，这种转变称为金属的同素异晶转变。
现以纯铁为例来讲明金属的同素异晶转变进程。
图3-1 纯铁的冷却曲线α，液态纯铁在1538℃时结晶成具有体心立方晶格（b、c、c）的δ-Fe（不同于Fe-晶格尺寸较大）；冷却到1394℃时发生同素异晶转变，由体心立方晶格的δ-Fe转变成面心立方晶格的γ-Fe（f、c、c）；继续冷却到912℃时又发生同素异晶转变，由面心立方晶格的γ-Fe转变成体心立方晶格的α-Fe（b、c、c）。
金属发生同素异晶转变时，必然伴随着原子的从头排列，这种原子的从头排列进程，事实上确实是一个结晶进程，与液态金属结晶进程的不同点在于其是在固态下进行的，但它一样遵循结晶进程中的形核与长大规律。
二、铁素体（Ferrite ）在铁碳合金中，由于含碳量和温度的不同，铁原子和碳原子彼此作用能够形成铁素体、奥氏体和渗碳体等大体相。
碳溶入α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F 表示。
铁素体具有体心立方晶格，这种晶格的间隙散布较分散，因其间隙尺寸很小，溶碳能力较差，在727℃时碳的溶解度最大为0.0218%，室温时几乎为零。
铁素体的塑性、韧性专门好（δ=30～50%、a KU =160～200J ／cm 2），但强度、硬度较低(σb =180～280MPa 、σs =100～170MPa 、硬度为50～80HBS)。
第三章 铁碳合金
第三章 铁碳合金
把以铁及铁碳为主的合金（钢铁）称为 黑色金属，而把其他金属及其合金称为 有色金属。
§3-1 合金及其组织
一、合金的基本概念
1、合金
所谓合金，是以一种金属为基础，加入其他 金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属 特性的材料，即合金是两种或两种以上的元 素所组成的金属材料。
合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能， 是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜 和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。
3、在锻造工艺上的应用
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈 单相奥氏体状态时，塑性好，强度的，便于塑性变 形，所以一般锻造都在奥氏体状态下进行，锻造时 必须根据铁碳合金相图确定合适的温度，始轧和始 锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度 不能过低，以免产生裂纹。
§3-4 碳素钢
碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于
主要应用在钢材料的选用和加热工工艺的制度两方面。
1、作为选用钢材料的依据
制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，选 用含碳量较低的钢；
要求强度、塑性和韧性等综合性能较好的构件，选 用含碳量适中的钢； 各种工具要求硬度高及耐磨性好，选用含碳量较高 的钢。
2、在铸造生产中的应用
对于铸造性能来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸 造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低， 流动性好，更具有良好的铸造性能。
二、合金的组织
根据合金中各组元之间结合方式的不同， 合金组织可分为固溶体、金属化合物和混合 物三类。
1、固溶体
固溶体是一种组元的原子溶于另一组元 的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称 为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体保持 溶剂的晶格类型。固溶体一般用α、β、 γ……来表示。
把以铁及铁碳为主的合金（钢铁）称为 黑色金属，而把其他金属及其合金称为 有色金属。
§3-1 合金及其组织
一、合金的基本概念
1、合金
所谓合金，是以一种金属为基础，加入其他 金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属 特性的材料，即合金是两种或两种以上的元 素所组成的金属材料。
合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能， 是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜 和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。
3、在锻造工艺上的应用
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈 单相奥氏体状态时，塑性好，强度的，便于塑性变 形，所以一般锻造都在奥氏体状态下进行，锻造时 必须根据铁碳合金相图确定合适的温度，始轧和始 锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和始锻温度 不能过低，以免产生裂纹。
§3-4 碳素钢
碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于
主要应用在钢材料的选用和加热工工艺的制度两方面。
1、作为选用钢材料的依据
制造要求塑性、韧性好，而强度不太高的构件，选 用含碳量较低的钢；
要求强度、塑性和韧性等综合性能较好的构件，选 用含碳量适中的钢； 各种工具要求硬度高及耐磨性好，选用含碳量较高 的钢。
2、在铸造生产中的应用
对于铸造性能来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸 造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低， 流动性好，更具有良好的铸造性能。
二、合金的组织
根据合金中各组元之间结合方式的不同， 合金组织可分为固溶体、金属化合物和混合 物三类。
1、固溶体
固溶体是一种组元的原子溶于另一组元 的晶格中所形成的均匀固相。溶入的元素称 为溶质，而基体元素称为溶剂。固溶体保持 溶剂的晶格类型。固溶体一般用α、β、 γ……来表示。
第三章铁碳合金相图详解版
第 二 节 铁碳合金状态图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，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
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C 亚共晶白口铸铁<4.3% C
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
第三章 铁碳合金相图
上一级
二、Fe-Fe3C合金的结晶过程及组织转变
1 2
1 2
1 2
3
3
3
上一级
1.合金Ⅰ（共析钢）
1点→2点 与匀晶相图完全相同。
2点为奥氏体
2点→3点 组织不变
3点
F
S ( F Fe 3 C )
SK PK 6.69 0.77 6.69 0.0218 100% 88.8%
金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的
倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低 碳钢和低碳合金钢。
上一级
（三） 切削加工性 金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易 程度。 钢的硬度在160～230HB时，切削加工性最好。
上一级
四、Fe-Fe3C相图的应用
第三章 铁碳合金相图 第一节 典型合金的结晶及其组织
一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金相 图分为三大类：工业纯铁、碳钢、白口铸铁。 1．工业纯铁 成分P点以左（Wc<0.0218%），即含碳量小于0.0218％ 的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。
上一级
2、碳钢 成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合 金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进 行热加工。 根据含碳量不同又可分为三类： （1） 共 析 钢——含碳量=0.77% （2） 亚共析钢——含碳量<0.77%
（3） 过共析钢——含碳量>0.77%
上一级
上一级
3．合金Ⅲ（过共析钢）
1点→3点间的结晶过程与共析钢相同。
3点 开始析出二次渗碳体。 3点→4点 不断析出二次渗碳体。 4点 发生共析转变而形成珠光体。
第三章 铁碳合金相图
2、有益元素 Mn、Si
锰Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素 体中，具有固溶强化效果，少部分形成 合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了 硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中
1.0%- 1.2%。
硅Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强 化作用；可增加钢液流动性。碳钢中 <0.4%
工程材料及热加工基础课件
3、非金属夹杂物的影响
① N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中 以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N 固定，消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，
易成为疲劳裂纹源。 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时， 降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
工程材料及热加工基础课件
第五节
碳素钢
碳素钢是指ωc≤2.11%，并含有少量Mn、Si、S、P等杂质元素的铁碳合金。
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响（ Mn、Si、S、P）
1、有害元素 S、P 硫S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低 熔点（985）共晶体FeS→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑，改 善切削加工性能。
A+F F P
( F+ Fe3C ) P
Q 0.0218%C Fe
P+F
4.3%C
6.69%C Fe3C
工程材料及热加工基础课件 1、 Fe-Fe3C 相图中的特性点
铁碳合金基本组织.pptx
第三节 铁碳相图的应用
1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各
不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机 器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。 2、叛断切削加性能：
低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁 素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺：
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第3章 铁碳合金
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第3章 铁碳合金
一、铁碳相图分析
1、相图的坐标 纵坐标：代表温度。 横坐标：代表含碳量。 2、几个概念
纯铁
共析钢 钢
共晶白口铸铁 铸铁
钢 亚共析钢
铸铁 过共析
亚共晶白口铸点
A点：纯铁的熔点
1538℃
C点：共晶点
1148℃
D点：渗碳体的熔点
1227℃
S点：共析点
727℃
G点：纯铁的同素异晶转变点 912℃
E点：C在γ-Fe中最大溶解度 1148℃
P点：C在α-Fe中最大溶解度 727 ℃
Q点：室温时C在α-Fe中最大溶解度
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第3章 铁碳合金
4、特性线
ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至 此全部转化为液相。 AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加 热至此开始转化。 GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。
在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇 注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面， 可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。 4、应用于热处理生产：
由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化， 可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。
1、选用材料： 由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各
不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机 器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。 2、叛断切削加性能：
低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁 素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺：
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第3章 铁碳合金
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第3章 铁碳合金
一、铁碳相图分析
1、相图的坐标 纵坐标：代表温度。 横坐标：代表含碳量。 2、几个概念
纯铁
共析钢 钢
共晶白口铸铁 铸铁
钢 亚共析钢
铸铁 过共析
亚共晶白口铸点
A点：纯铁的熔点
1538℃
C点：共晶点
1148℃
D点：渗碳体的熔点
1227℃
S点：共析点
727℃
G点：纯铁的同素异晶转变点 912℃
E点：C在γ-Fe中最大溶解度 1148℃
P点：C在α-Fe中最大溶解度 727 ℃
Q点：室温时C在α-Fe中最大溶解度
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第3章 铁碳合金
4、特性线
ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至 此全部转化为液相。 AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加 热至此开始转化。 GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。
在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇 注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面， 可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。 4、应用于热处理生产：
由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化， 可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。
第三章 铁碳合金相图
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、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%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
返回
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体
铁碳合金及碳钢教学课件PPT
成物相
对量% 0
三次渗碳体
相组成 100 物相对 量% 0
珠光体
二次渗碳体
莱氏体
一次渗碳体
Fe3C
碳质量分数对力学性能的影响
铁碳合金相图的应用
➢在选材方面的应用 ➢在铸造方面的应用 ➢在可锻性方面的应用 ➢在焊接方面的应用
第五节 碳素钢
碳质量分数大于0.0218%小于2.11%， 且不含有特意加入合金元素的铁碳合 金，称为碳素钢简称碳钢。
第3章 铁碳合金及碳钢
第一节 铁碳合金的组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 铁碳合金的分类 第四节 典型铁碳合金的结晶过程 第五节 碳素钢
第一节 铁碳合金的组织--铁素体
碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体, 用符号α或F表示。
铁素体的胞晶
铁素体的显微组织
强度和硬度低，而塑性和韧性好。
第一节 铁碳合金的组织--奥氏体 碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体， 用符号γ或A表示。
四、Fe-Fe3C相图中的相区
➢Fe-Fe3C相图中的四个单相区： ACD线以上是液相区； AESG为奥氏体区（γ或A）； GPQG为铁素体区（α或F）； DFKL为渗碳体区（Fe3C）。
四、Fe-Fe3C相图中的相区 ➢Fe-Fe3C相图中的五个两相区
L+A两相区； L+ Fe3C两相区； A+ Fe3C两相区； A+F两相区及F+ Fe3C两相区。
A点： 纯铁的熔点，1538℃。 D点： 渗碳体的熔点，1227℃。 G点： 铁的同素异构转变点 。 E点： 碳在γ-Fe中最大溶解度点。 P点： 碳在α-Fe中最大溶解度点。
二、Fe－Fe3C相图中主要点的意义
金属材料-第三章铁碳合金
低温莱氏体——室温 下的莱氏体，由珠光体和 渗碳体组成，用符号Ld表 示。
低温莱氏体的显微组织
§3－3 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图的组成 二、Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及 各区域
内的组织
三、铁碳合金的分类
四、典型铁碳合金结晶过程分析
五、铁碳合金的成分、组织与性能的关系
六、Fe－Fe3C相图的应用
合金——以一种金属为基础，加入其他金属或非金属， 经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种 或两种以上的元素所组成的金属材料。
组元——组成合金最简单的、最基本的、能够独立存 在的元物质，简称元。
相——合金中成分、结构及性能相同的组成部分。
组织——合金中不同相之间相互组合配置的状态。换 言之，数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的 组织。
1．主要特性点
主要特性点
2．主要特性线
主要特性线
三、铁碳合金的分类
纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合金。 钢——含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁 碳合金。 铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。
四、典型铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢 共析钢在室温时的组织是珠光体，合金的 组织按下列顺序变化：
二、合金的组织
1．固溶体
间隙固溶体
置换固溶体
Hale Waihona Puke 单相组织2．金属化合物3．混合物
多相组织
1．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。 间隙固溶体——溶质原子分布于溶剂晶格中而形成 的固溶体。
置换固溶体——溶质原子置换了溶剂晶格结点上某
些原子而形成的固溶体。
间隙固溶体
置换固溶体
2．金属化合物
低温莱氏体的显微组织
§3－3 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图的组成 二、Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及 各区域
内的组织
三、铁碳合金的分类
四、典型铁碳合金结晶过程分析
五、铁碳合金的成分、组织与性能的关系
六、Fe－Fe3C相图的应用
合金——以一种金属为基础，加入其他金属或非金属， 经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种 或两种以上的元素所组成的金属材料。
组元——组成合金最简单的、最基本的、能够独立存 在的元物质，简称元。
相——合金中成分、结构及性能相同的组成部分。
组织——合金中不同相之间相互组合配置的状态。换 言之，数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的 组织。
1．主要特性点
主要特性点
2．主要特性线
主要特性线
三、铁碳合金的分类
纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合金。 钢——含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁 碳合金。 铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。
四、典型铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢 共析钢在室温时的组织是珠光体，合金的 组织按下列顺序变化：
二、合金的组织
1．固溶体
间隙固溶体
置换固溶体
Hale Waihona Puke 单相组织2．金属化合物3．混合物
多相组织
1．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。 间隙固溶体——溶质原子分布于溶剂晶格中而形成 的固溶体。
置换固溶体——溶质原子置换了溶剂晶格结点上某
些原子而形成的固溶体。
间隙固溶体
置换固溶体
2．金属化合物
第三章 铁碳合金和铁碳相图
共析钢的平衡结晶过程
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。
共析钢的室温平衡组织：P
P：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？
杠杆定律
计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
γ单相的冷却
γ相→ α相，但γ相有剩余 共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相
亚共析钢的平衡结晶过程
注意事项
先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析出Fe3CⅢ，但量很少可忽略
亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P
利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁 素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数
化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
塑
性
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变 形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就
降到近于零值了。
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3.5 钢中的杂质元素
A(0.0008)
C 0.77
Fe3C
B(6.69)
相的质量分数
6.69 0.77 M 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe 3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
第3章铁碳合金(07)
图3-2 珠光体的显微组织
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。
莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体 属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷 却 到 727℃ 以 下 时 ， 将 转 变 为 珠 光 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。 由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其
数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有 很大影响。
第3章 铁碳合金相图
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 珠光体的含碳量为0.77%。 珠光体在显微镜下呈片层状。 图中黑色层片为渗碳体，白色 基体为铁素体。 力学性能：抗拉强度较高，硬度 较高且仍有一定的塑性和韧性。 具有较好的综合力学性能。
PQ线－ 碳在铁素体中的溶解度变化曲线。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
纯铁（ω c≤0.0218％） 钢 （ 0.0218％＜ω c≤2.11％） （ ω c＝0.77％） 亚共析钢（ ω c＜0.77％） 共析钢 过共析钢（ ω c＞0.77％） 白口铸铁（ 2.11％＜ω c＜6.69％） 亚共晶白口铸铁（ ω c＜4.3％） 共晶白口铸铁 （ ω c＝4.3％）
⑵第二相强化
合金中固溶体与金属化合物是两种截然不同的相，当合金中有第二相金 属化合物存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑 性和韧性。 金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。 多数工业合金均为固溶体和少量金属化合物构成的混合物，通过调整 固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的 力学性能在一个相当大的的范围内变动，从而满足不同的性能要求。
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。
莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体 属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷 却 到 727℃ 以 下 时 ， 将 转 变 为 珠 光 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。 由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其
数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有 很大影响。
第3章 铁碳合金相图
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 珠光体的含碳量为0.77%。 珠光体在显微镜下呈片层状。 图中黑色层片为渗碳体，白色 基体为铁素体。 力学性能：抗拉强度较高，硬度 较高且仍有一定的塑性和韧性。 具有较好的综合力学性能。
PQ线－ 碳在铁素体中的溶解度变化曲线。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
纯铁（ω c≤0.0218％） 钢 （ 0.0218％＜ω c≤2.11％） （ ω c＝0.77％） 亚共析钢（ ω c＜0.77％） 共析钢 过共析钢（ ω c＞0.77％） 白口铸铁（ 2.11％＜ω c＜6.69％） 亚共晶白口铸铁（ ω c＜4.3％） 共晶白口铸铁 （ ω c＝4.3％）
⑵第二相强化
合金中固溶体与金属化合物是两种截然不同的相，当合金中有第二相金 属化合物存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑 性和韧性。 金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。 多数工业合金均为固溶体和少量金属化合物构成的混合物，通过调整 固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的 力学性能在一个相当大的的范围内变动，从而满足不同的性能要求。
第三章-铁碳合金相图【详解版】
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
• ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
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4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 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。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。
＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
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• 三、 含碳量对工艺性能的影响
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2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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20钢组织
40钢组织
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• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
60钢组织
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bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
第三章 铁碳合金
（普通）碳素结构钢 根据国家标准（GB700-1988)规定： 例：Q 235 A F Q——屈服强度 235——屈服强度值235M Pa A——质量等级A F——沸腾钢
四、珠光体 1、组织：铁素体和渗碳体的混合物 含碳量 是0.77%。用符号P表示。 2、性能 强度较高、硬度适中，具有一定的 塑性。
五、莱氏体 1、组织：奥氏体和渗碳体的混合物 用符号Ld表示 2、性能：硬度高 ，塑性很差
第三节、碳素钢
同学们： 生活中，有着大量的钢铁产品，它们是如何 炼成的呢？
1、固溶体 2、金属化合物 3、混合物
第二节 铁碳合金的基本组织与性能
一、铁素体 1、组织：碳溶解在α—Fe中形成的间隙固 溶体称为奥氏体。用符号A表示。 2、性能：呈面心立方晶格，强度、硬度不 高，却具有极好的可塑性，尤其具有良好的 锻压性能。
二、奥氏体 1、组织：渗碳体是含碳量为6.69%的铁与 碳的金属化合物。化学式：Fe3C 2、性能：高熔点、高硬度、塑性和韧性为0， 脆性极大。
第三章 铁碳合金
第一节 合金及其基本组织
一 合金的基本概念
1、合金 由两种或两种以上的元素所组成的基本的金 属材料。 2、组元 合金中 最简单 最基本的 能够独立存在的元 的物质。
3、相 合金中的成分，结构及其性质相同的部分 称为相 4、组织 合金中不同相之间，相互结合配置的状态
二 合金的组织
2、硅 硅石钢中的有益元素，作为脱氧剂进入 钢中的，可提高刚的强度和质量。硅作为杂 质一般不应超过0.4%
3、硫 硫是钢中的有害元素，常以FeS形式存在。 使钢变脆，产生热脆性。
4、磷 有害元素、使钢在低温时变脆。
三、钢的分类
钢按照用途可以分为： 1、结构钢： 建筑构件、工程结构、机器零件。 2、工具钢 刀具、模具、量具等。
四、珠光体 1、组织：铁素体和渗碳体的混合物 含碳量 是0.77%。用符号P表示。 2、性能 强度较高、硬度适中，具有一定的 塑性。
五、莱氏体 1、组织：奥氏体和渗碳体的混合物 用符号Ld表示 2、性能：硬度高 ，塑性很差
第三节、碳素钢
同学们： 生活中，有着大量的钢铁产品，它们是如何 炼成的呢？
1、固溶体 2、金属化合物 3、混合物
第二节 铁碳合金的基本组织与性能
一、铁素体 1、组织：碳溶解在α—Fe中形成的间隙固 溶体称为奥氏体。用符号A表示。 2、性能：呈面心立方晶格，强度、硬度不 高，却具有极好的可塑性，尤其具有良好的 锻压性能。
二、奥氏体 1、组织：渗碳体是含碳量为6.69%的铁与 碳的金属化合物。化学式：Fe3C 2、性能：高熔点、高硬度、塑性和韧性为0， 脆性极大。
第三章 铁碳合金
第一节 合金及其基本组织
一 合金的基本概念
1、合金 由两种或两种以上的元素所组成的基本的金 属材料。 2、组元 合金中 最简单 最基本的 能够独立存在的元 的物质。
3、相 合金中的成分，结构及其性质相同的部分 称为相 4、组织 合金中不同相之间，相互结合配置的状态
二 合金的组织
2、硅 硅石钢中的有益元素，作为脱氧剂进入 钢中的，可提高刚的强度和质量。硅作为杂 质一般不应超过0.4%
3、硫 硫是钢中的有害元素，常以FeS形式存在。 使钢变脆，产生热脆性。
4、磷 有害元素、使钢在低温时变脆。
三、钢的分类
钢按照用途可以分为： 1、结构钢： 建筑构件、工程结构、机器零件。 2、工具钢 刀具、模具、量具等。
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第二节 铁碳合金相图
共析钢结晶组织转变过程如图3-8所示。
图3 -8共析钢结晶过程组织转变示意图
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第二节 铁碳合金相图
2.亚共析钢
含碳量小于0. 77%的亚共析钢 从液态到结晶终了时，合金全 部转变为单相奥氏体。
当亚共析钢继续冷却到与GS线相 交的温度时，从奥氏体中开始析出 铁素体，获得铁素体和奥氏体组织。 随着温度的不断下降，析出的铁素 体逐渐增多，剩余的奥氏体量逐渐 减少，而奥氏体的溶碳量沿GS线 逐渐增加。
图3-7经简化后的Fe-Fe3C合金相图
第二节 铁碳合金相图
相图分析
纵坐标表示温度，横坐标表 示含碳量的质量百分数； 左端原点表示纯铁(即含碳量 为0%)，右端点为Fe-Fe3 C(含碳量为6. 690/。 横坐标上，任意一个固定成 分均代表一种铁碳合金； 图中的线是由各铁碳合金的 临界点(金属结构发生转变的 温度称为临界点)连接而成。
第二节 铁碳合金相图
3.Fe-Fe3 C相图中主要特 性线的含义
相图的特性线及其含义归纳
第二节 铁碳合金相图
二、铁碳合金的分类
根据含碳量和室温平衡组织，铁碳合金的分类见表
3-4。
表3 -4铁碳合金的分类和室温平衡组织
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第二节 铁碳合金相图
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程
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第三节 碳素钢
一、常存元素对碳钢性能的影响
实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，其中还含有少量的锰、硅、硫、 磷等杂质元素，这些元素是在冶炼过程中由炼钢原料带入的，通常称为 常存元素，它们的存在会对钢的性能带来一定的影响。 1.锰的影响 锰在钢中是有益元素。锰主要是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。在 碳钢中大部分锰溶入铁素体，形成置换固溶体，起到固溶强化的作用， 提高了钢的强度和硬度;此外，锰能与硫形成MnS，从而减轻硫的有害 作用。
四、 Fe-Fe3 C相图的应用
Fe-Fe3 C相图在生产上有许多应用，其中主要应用在钢铁材料的选用和 热加工工艺的制定这两个方面。
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第二节 铁碳台金相图
四、 Fe-Fe3 C相图的应用 Fe-Fe3 C相图在生产上有许多应用，其中主要应用在钢铁材 料的选用和热加工工艺的制定这两个方面。
第二节 铁碳台金相图
4.含碳量对钢组织和性能的影响
对钢的结晶过程分析可知，不同类型的钢其室 温组织是不同的，并且在同一类的钢中，随着含碳 量的增加，其组织之间的相对量也随之发生变化， 因而造成钢组织和性能的差异。
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第二节 铁碳台金相图
如图3-13所示，随着含碳量的增加，在亚共析钢中，铁素体的量逐渐减 少，珠光体数量逐渐增多;到共析钢时，其组织全部是珠光体;对含碳量 超过0. 77%的过共析钢，则珠光体数量逐渐减少，而渗碳体量逐渐增多。 由于钢的组织随含碳量而变化，这必然引起钢性能的变化。钢的力学性 能与其含碳量的关系如图3-14所示。
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第三节 碳素钢
2.硅的影响 钢中的硅也是来自于生铁和脱氧剂，在钢中也是一种有益的元素。其含 量一般在0. 4%以下，硅和锰一样能溶入铁素体中，产生固溶强化，使 钢的强度、硬度提高，塑性和韧性降低。当硅含量不多、在碳钢中仅作 为少量杂质存在时，对钢的性能影响不显著。 3.硫的影响 硫是由生铁和炼钢燃料带入的杂质元素，在钢中是一种有害的元素。硫 在钢中不溶于铁，而与铁化合形成化合物FeS, FeS与Fe能形成低熔点 共晶体，熔点仅为985℃，且分布在奥氏体的晶界上。
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4.珠光体（用符号P表示）
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物。
特点：1、在缓慢冷却条件下，珠光体的含碳量为0. 77%； 2、组织形态为渗碳体与铁素体呈片层相间、交替排列 的混合物，如图3-5所示； 3、其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上 是两者性能的平均值。
图3-5珠光体组织
多个区域，它们表示了平衡条件下铁碳合金在对应的成分和温度 下所具有的相(合金中成分、结构、性能相同的组成部分称为相)或 组织状态，分别用不同的符号表示。
第二节 铁碳合金相图
1.符号的含义及各组织 的性能特点
第二节 铁碳合金相图
2. Fe-Fe3 C相图中
主要特性点的含义
相图中主要特性点的 温度、含碳量及其物理含 义
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第二节 铁碳台金相图
此外，根据铁碳合金相图还可以看出，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔 点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能，所以在生产 上铸铁的成分总是选择在接近共晶的成分。 (2)在锻造工艺上的应用 由Fe-Fe3 C相图可知，钢在高温时可获得单相奥氏体组织，它的强度低、 塑性好，便于塑性变形加工。因此，钢材的轧制或锻造，多选择在奥氏 体单相区中的适当温度范围内进行，其选择原则是开始轧制或锻造的温 度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止轧制或锻造的温度又不能过低， 以免钢材塑性变差，导致裂纹产生。各种碳素钢合适的轧制或锻造温度 范围，如图3-15所示。
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第二节 铁碳合金相图
3.过共析钢
图3-11所示为过共析钢的显微组织(图3-11中黑色为
层片状的珠光体，白色为网状的二次渗碳体)。
图3-11含碳量为1. 2%过 共析钢的显微组织
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第二节 铁碳台金相图
过共析钢结晶组织转变
过程如图3-12所示。
图3-12过共析钢结晶过程组织转变示意图
第一节 铁碳台金的基本组织
5.莱氏体
莱氏体分高温莱氏体和低温莱氏体。
高温莱氏体（用符号Ld来表示）：高温时，是奥氏体和渗碳体的
混合物。
低温莱氏体（用符号Ld’来表示）：由于奥氏体在727℃时还将转
变为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成的混合物。 其显微组织如图3-6所示。莱氏体的力学性能和渗碳体相似，硬度(> 700 HB W)很高，塑性很差。 上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁 碳合金的基本相;珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。
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第三节 碳素钢
4.磷的影响 磷是由生铁带入钢中的有害杂质元素，磷在钢中能全部溶入铁素体，使 钢的强度、硬度有所提高，但却使常温下钢的塑性、韧性急剧降低，使 钢变脆，这种情况在低温时更为严重，称为冷脆。一般希望冷脆转变温 度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。而磷在结晶过程中，由于容易 产生晶内偏析，使局部区域含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而 发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重 的危害性，此外，磷的偏析还会使钢材在热轧后形成带状组织。 在钢中要严格控制磷的含量，一般钢中含磷量应小于0. 045%。
铁碳合金中的铁和碳在液态时可以互相溶 解，在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成 均匀的固相，称为间隙固溶体。 当含碳量超过铁的溶解度时，多余的碳 和铁会形成金属化合物Fe 3 C。 这些固溶体和化合物在一定条件下还可 以形成混合物。
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第一节 铁碳台金的基本组织
铁碳合金中的基本组织。
1.铁素体（用符号F表示） 碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。
1.共析钢
含碳量为0. 77%的共析钢从 液态冷却到和AC线(液相线) 相交的温度时，开始从液相 中结晶出奥氏体。 随着温度的降低，奥氏体不 断增加，而剩余液相逐渐减 少，当冷却到和AE线(固相线) 相交的温度时，结晶终了， 此时合金全部转变为单相奥 氏体组织；
然后继续冷却到S点(727 ℃)时，奥氏体发生共析转变:从奥氏体中 同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。 温度再继续下降，组织不再发生变化，室温下平衡组织为珠光体。
特点：它仍保持α-Fe 的体心立方晶格，其原子排列如图3-1所示。 在显微镜下观察铁素体为均匀明亮的多边形晶粒，其显微组织如图3 2所示。
图3-1铁素体原子排列示意图
图3-2铁素体的显微组织
第一节 铁碳台金的基本组织
2.奥氏体（用符号A表示）
碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。 特点：由于γ-Fe是面心立方晶格，晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能 力比铁素体强。奥氏体原子排列如图3 -3所示。 奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温 进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体是一种高温组织，冷却至一定 温度时将发生组织转变;奥氏体没有磁性。其显微组织如图3-4所示。
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第二节 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图的组成
相图的处理 1、只研究含碳量小于6. 69%的铁碳合金。
在生产中，由于碳的质量 分数超过6. 69%的铁碳合金 脆性很大，没有实用价值。
2、左上角很小部分以及左 下角左边部分予以省略。
为便于研究分析，对常温 组织和性能影响很小且实用 意义不大。
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第一节 铁碳合金的基本组织
总结：
上述五种基本组织中，铁素体、奥氏体和 渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本 相; 珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成 的多相组织。
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图是表示在平衡(缓慢冷却或缓慢加热)
条件下，不同成分的铁碳合金的组织或状态随温度 变化的图形。 功能作用：1、它是研究铁碳合金成分、组织和性 能变化规律的基本工具； 2、是合理选用钢铁材料、制定热加工工艺(热 处理、锻造、铸造)的依据。
图3-3奥氏体原子排列示意图
图3-4奥氏体的显微组织 上一页 下一页