第四章铁碳合金的基本组织与状态图

第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n 共析转变：一定成分的固溶体在一定的恒
温下同时析出个新固体的转变。铁碳相图 中S点
n
7270C
n A0.77%C → P（F0.0218%C+Fe3C ）
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
Fe - Fe3C 相图
A T°
L+A
E
A
G
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )
第四章铁碳合金的基本 组织与状态图
2020/11/29
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n 1-5 铁碳合金的基本组织与状态图 n 1-5-1铁碳合金的基本组织 n 液态：无限互溶 n 固态：碳能溶于铁的晶体中，形成间隙 固溶体，和固溶体与Fe3C构成机械混合物。
n (一)铁素体（F） n 碳溶于α—Fe（体心立方晶格）中形成间
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
共晶白口铁组织金相图
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共晶合金组织形态
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n 3）过共晶白口铸铁 C 4.3～6.69%范围，室 温组织为一次渗碳体和低温莱氏体组成。 显微组织中亮白色的条状（板状）为初生 渗碳体（Fe3CⅠ），基体为低温莱氏体， 其中黑点为珠光体、白色部分为渗碳体。
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渗碳体组织金相图
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n Fe3C的结构决定了它极硬（可刻画玻璃）、 极脆，是铁碳合金中的硬组元。熔点为
12270C， 无同素异晶转变。
n
n 一定条件下（高温、长期保温）渗碳体可 分解：
n
Fe3C → 3Fe +C（石墨）
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n 白口铸铁基本都含有莱氏体，这是与钢区 别的特点。
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过共晶白口铁组织金相图
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
过共晶合金组织形态
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n 1-5-4 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响 n 1、铁碳合金的组织随含碳量增加的变化是： n F → F+P → P → P + Fe3CⅡ → P+
3
Fe - Fe3C 相图的分析
n 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。
n 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。
n 两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转 变反应式。
n 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
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n 一二三四五六巧记铁碳相图：
n “一”指一种合金组织渗碳体（ Fe3C ）： 特别需要注意从金属液态直接结晶出渗碳 体称为一次渗碳体（ Fe3C Ⅰ），而从A （奥氏体）中析出渗碳体称为二次渗碳体 （ Fe3C Ⅱ）。很易把两者混淆。
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n 2、碳量对铁力学性能的影响
n 当碳量＜0.9%，随着钢中含碳量增加， 钢的强度、硬度直线上升，塑性、韧度不 断降低难以加工。
n 当碳量＞0.9%，因沿着晶界形成的二次 渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、韧 度进一步降低，强度也明显下降。故工业 上使用的钢含碳量低于1.3～1.4%以保证钢 材具有足够的强度一定的塑性和韧度。
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共析反应(7270C)
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n 1-5-3 铁碳状态图上合金的分类及其组织 n 根据相变特征和室温组织不同，可将铁碳
状态图上的各种合金分为工业纯铁、钢和 白口铸铁三类： n 1、工业纯铁C＜0.0218%的铁碳合金。
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
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过共析钢组织金相图
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n ３.白口铸铁是C 2.11～6.69%之间的铁碳合 金。特点是液态结晶时都有共晶转变产物 为以渗碳体为基的莱氏体组织，性能很脆， 不能锻造。由含碳量和室温组织不同，分 为三种。
n 1）亚共晶白口铸铁 C＜4.3%，室温组织由 珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体组成。 含碳量接近共晶成分的合金时，组织中莱 氏体增多，大块珠光体减少。
n
莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏 体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为ωc＝4.3 ％。当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳 体组成，用符号Ld表示。在低于727℃时，莱氏 体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称 为低温莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳 体，所以硬度高，塑性很差
n 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的 材料，选用碳含量较低的钢材、低碳钢。
n 机械零件需要强度、塑性及韧性都较好 的材料，应选用碳含量适中的中碳钢。
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n
n 工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则 选碳含量高的钢种、高碳钢。
n 即需要塑性好、韧性好的材料可选低碳 钢；需要强度、硬度、塑性好的材料可选 中碳钢；需要硬度、耐磨性好的材料可选 高碳钢。
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亚共晶白口铁组织金相图
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亚共晶合金组织形态
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n 2）共晶白口铸铁 C＝4.3%，室温组织由珠光体、 二次渗碳体和共结晶渗碳体组成低温莱氏体。显 微镜下，珠光体呈黑色，白色基体为渗碳体，其 中二次渗碳体与共晶渗碳体连在一起，无本质区 别，不易分别。
n 2、钢C 0.0218～2.11%的铁碳合金。特点是 高温固态组织为塑性很好的奥氏体，常用 于热压力加工。根据相变特征和室温组织 不同分为三种：
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n 1）亚共析钢 含C＜0.77%的钢。所有亚共析 钢冷到室温后，均由铁素体和珠光体组成。 含碳量越高铁素体越少珠光体越多。
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n 体心立方晶格的铁存在于9100C以下和 1390～15350C两个温度范围内，故铁素体也 存在于这两个温度范围内。为了区别，将 低温区铁素体称为α铁素体或低温铁素体； 高温区铁素体称为δ铁素体或高温铁素体。 14950C时，碳在δ—Fe中最大溶解度为0.09%。
Fe3CⅡ+L‘d →L‘d → L‘d+ Fe3CⅠ→ Fe3C
n 即：工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、 亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸 铁。含碳量增加时，组织中不仅Fe3CⅡ的数量增 加，Fe3C的存在形式也在变化，由分布在铁素体 的基体内（如P）变为分布在奥氏体的晶界上 （Fe3CⅡ）最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体 出现。含碳量不同的钢铁有不同组织这是决定它 们具有各自性质的原因。
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奥氏体组织金相图
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(三)渗碳体（Fe3C） 铁与碳形成的具有复杂结构的金属化合物，
含碳量6.69%。铁碳合金中，碳的含量超过碳在 铁中的溶解度时，多余的碳便形成Fe3C。渗碳体 的晶格是复杂斜方晶格，晶格中Fe和C都正离子 化，Fe3C有明显的金属特性，能导电、有金属光 泽。
隙固溶体。
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
由于体心立方晶格的间隙小，溶碳能力极 差，在7270C时溶碳量为0.0218%，随着温度 的下降溶碳逐渐减小，6000C时为0.0057%， 室温时几乎为零。因此铁素体在室温时性 能几乎与纯铁相同，其强度、硬度不高， 但有良好的塑性与韧度。
n
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n 纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但 由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材 料使用，例如做电磁铁的铁芯等。
n 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性 能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、 形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、 货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
L
D
1148℃
C
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’
( P+Fe3C )
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
4.3%C
6.69%C
Fe C 第四章铁碳合金的基本组织与状态图
第四章铁碳合金的基本组织与状态图

n
n 当碳量＞2.11% 的白口铸铁，由于有较多的 渗碳体在组织中以连成基体，性能上特别 硬而脆，难以切削加工，除作为炼钢原料 一般应用不广。
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n 3、铁碳相图的应用 n （1）在选材方面 n 铁碳相图总结了铁碳合金组织和性能随
成分的变化规律。这样可以根据零件的服 役条件和性能要求选择合适的材料。
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n 例如：碳钢中加入Mn，可改变共析点的位 置，组织中可提高珠光体相对含量，提高 钢的硬度和强度。
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4.珠光体 ( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物
。
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n (五)莱氏体（Ld）（德国学者Ledebur) n 奥氏体和Fe3C组成的机械混合物，此反应发生于
含碳量为2.0～6.67%的合金中。莱氏体 （ledeburite）
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n (二)奥氏体（A）（英国金属学家Austen) n 碳溶于γ—Fe（面心立方）中形成间隙固
溶体。由于晶格间的最大空隙比α—Fe大， 溶碳能力较大11480C时为2.11%随温度下 降溶碳量逐渐减小7270C时为0.77%。
n 奥氏体存在于727～14950C的温度范围， 强度低，塑性好，伸长率为40%，硬度 （HB）为170～220，无铁磁性。
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5.莱氏体 ( Ld )奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
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n 1-5-2 Fe—Fe3C状态图 n 几个概念：
n 共晶转变：一定成分的液相在一定温度
（恒温）下同时结晶出两个固相的转变。 铁碳相图中C点。
n
11480C
n L4.3% → Ld（A 2.11%C +Fe3C ）
铁素体和球状石墨
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
铁素体和团絮状石墨
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
球墨铸铁的显微组织
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n (四)珠光体（P） n 铁素体与Fe3C形成的混合物。 n 所有含碳量超过0.02%的合金中，均发
生珠光体转变，影响范围包括任何成分的 铁碳合金，室温下的平衡组织都有珠光体 存在。
n “四”指四个含碳量：0.77％、2.11％、4.3 ％、6.69％；
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n “五”指五种温度：15380C，11480C，12270C， 9120C，7270C；
n 六指六条线： n (1)ACD液相线：其以上组织都是液态。
n
n (2)AECF固相线：其以下组织都是固态。
n
n (3)GS、A3线：奥氏体析出铁素体的开始线： 奥氏体析出铁素体
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n (4)ES、Acm线：溶解度线：奥氏体析出渗 碳体称为二次渗碳体 。
n (5)ECF共晶线：金属液态结晶出奥氏体和渗 碳体的机械混合物，莱氏体（Ld）。
n (6)PSK、A1共析线：当合金组织冷却到 7270C以下奥氏体（A）全部转成珠光体 （P）。
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亚共析钢组织金相图
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n 2）共析钢 含C＝0.77%的钢。室温组织全部 为珠光体，一般呈片状。
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
共析钢组织金相图
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
共析钢的室温组织
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n 3）过共析钢 含C＞0.77%的钢。室温组织为 珠光体和二次渗碳体构成。由于二次渗碳 体沿奥氏体晶界析出，显微组织呈网状分 布。二次渗碳体的含量随钢中碳含量增加 而增加，Ｃ＝２.11％时，其量达到最大。
n
n “二”指二个坐标：Ｃ/％、Ｔ／0C；在画 的时候容易忘记这两坐标标注。
第四章铁碳合金的基本组织与状态图
n “三”指三个单项：Ａ（奥氏体）、Ｐ（珠 光体）、Ｌd（莱氏体）。在铁碳合金相图 中，只有三个区域中是单项组织，其中在 7270C以下含碳量为0.77％时，其成分只有 Ｐ（珠光体），11480C以下含碳量为4.3％ 时，其成分只有Ｌd（莱氏体），在这些地 方经常容易漏掉。