铁碳合金状态图

AECF线——固相线 ，在此线以下的合金为固体状态。
( AE线 ——钢的固相线。当液体合金冷却到此线时全部结晶 为 奥氏体，反之，加热到此线时，钢开始溶化。) ECF线——生铁的固相线，又叫共晶线。因在此线上发生共 晶转变生成莱氏体。 GS线（A3线）——奥氏体冷却到此线时，开始析出铁素体。 ES线（Acm线）——奥氏体冷却到此线时开始析出渗碳体。 PSK（A1线）——此线又叫共析线，当奥氏体冷却到此线时， 同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物。其反应产物为珠光体。
一个 晶粒 • 金属和合金多为多晶体结构
• 晶粒间的接触面（边界）称 为晶界。
晶界
晶粒大小对材料性能的影响
• 晶粒粗细对力学性能影响很 大。一般规律： 晶粒愈细，强度、硬度愈高， 塑性、韧性愈好。
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• 细化晶粒的方法 （1）快速冷却，增加晶核数； （2）添加高熔点弥散质点 （孕育或变质处理） （3）热处理和压力加工
铁碳合金状态图
显示各种不同碳量的铁碳合金在不同温度 下组织形态的热分析图形
1、 Fe –C合金状态图的构成
1）两条水平线
ECF（1148℃） PSK（727℃）
A
2）4个基本相 液相(L)； 奥氏体(A)； 铁素体(F)； 渗碳体相( Fe3C)。
F
2、Fe –C合金状态图的特性分析
1）共晶线—ECF （C点—共晶点） 表示共晶反应：
1）体心立方晶格 — 在立方体的8个顶角上各有一个原子，在立 方体中心还有一个原子。
体心立方晶格
1
属于体心立方晶格的金属有: 钠 ( Na ) ; 钾 ( K ) ; 铬 ( Cr ) ;
钼 ( Mo ) ; 钨 ( W ) ; 钒 ( V ) ;
钽 ( Ta ) ; 铌 ( Nb ) ; α-铁 ( α-Fe ) 等 。
2
2）面心立方晶格
在立方体8个顶角上各有一个原子，在立方体 的6个面的中心 还各有一个原子。
面心立方晶格
3
属于面心立方晶格的金属有:
金 ( Au ) ; 银 ( Ag ) ; 铜 ( Cu ) ; 铝 ( Al ) ; 镍 ( Ni ) ; 铂 ( Pt ) ; 铅 ( Pb ) ; γ-铁 ( γ-Fe ) 等。
具有良好的塑性和韧性， 强度、硬度较低。
溶质原子 溶剂原子
溶质原子 溶剂原子
二、金属化合物
合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有 金属特性的物质。 金属化合物各元素之间呈整数比关系。
如： Fe3C、WC、TiC 等
金属化合物的性能特点： 脆性大、硬度高；强度低；塑性、韧性差；高的熔点。
三、机械混合物
L
L
－Fe －Fe －Fe
1394 ℃ （面心） 912 ℃ （体心）
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（液体） 1538 ℃ （体心）
3、 金属的结晶过程： 金属由液态冷却变成固态，原子由不规则排列→有规则的排列 无序 → 有序
晶 核
一个 晶核 长大 后形 成一 个晶 粒
晶 核 长 大
金属结晶过程示意图
•
金属结晶过程 形核＋长大→晶粒
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含碳量对钢力学性能的影响
•含碳量越高，硬度、 塑性和韧性越低。 •含碳量小于1%时， 含碳量越高，强度越 高；含碳量大于1%时 则相反。
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含碳量对碳钢工艺性能的影响
• 中碳钢Fra Baidu bibliotek切削加工性最好，含碳量过高或过低都会 降低切削加工性； • 含碳量越高，可锻性、铸造性和焊接性越差；
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成的固溶体
奥氏体（A）— 碳（C）溶入γ-Fe中所形
成的固溶体
铁素体（F）—— 体心立方晶格
奥氏体（A）——面心立方晶格
铁素体组织
奥氏体不锈钢组织
2）金属化合物—各组元按一定整数比结合而成，并
具有金属性质的均匀物质，属于单相组织。
渗碳体 （Fe3C）
性能 800 HBW （用硬质合金头测定） 硬而脆，但塑性、韧性近于零。
F P
3）两条固溶线－GS、ES
GS ——自低碳奥氏体冷却 过程中析出铁素体晶粒的起始 线，该温度常以 A3表示。 （冷却：Ar3；加热：Ac3）
ES ——自高碳奥氏体冷却过 程中析出 Fe3C的起始线。 温度常以 Acm表示。 （冷却：Arm；加热：Acm）
A
F
铁碳合金住状态图中主要线的含义
ACD线——液相线，液体合金冷却到此线时开始结晶。 在 此线以上的区域是液相区。
白色F基体中嵌入黑片状Fe 3C
莱氏体（Ld ） C=4.3%C 727℃以上为高温Ld （A+ Fe3C） 727℃以下为低温Ld’ （P+ Fe3C） 力学性能与 Fe3C 相似，硬而脆
由绿条状或粒状P和黄色Fe3C 基体组成
珠光体
莱氏体
三 、铁碳合金状态图
铁碳合金状态图是用实验方法作出的温 度—成分坐标图，图中横坐标仅标出了含碳 量小于6.69%的合金部分，因为含碳量大于 6.69%的铁碳合金，在工业上没有实用意义。 当含碳量为6.69%时，铁和碳形成的Fe3C， 可以看作是合金的一个组元，因此，这个状 态图实际上是Fe-Fe3C的状态图。它是研究 钢和铁的成分、温度和组织结构之间关系的 重要工具。
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纯铁在晶体状态下的两种晶格类型：
体心立方晶格α－Fe
面心立方晶格γ－Fe
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晶体有以下两种类型: • 单晶体 • 多晶体
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单晶体与多晶体的基本概念 1.单晶体( single crystal )的特征: * 晶体由一个晶格排列方位完全一 致的晶粒组成。 * 晶体具有各向异性( aeolotropy )。 例如:单晶硅、单晶锗等。
L（4.3％C） Ld（A＋Fe3C）
1148℃
P F Le A Le
说明：含2.11%~6.69%C的 Fe –C合金(生铁)都将在1148℃ 时发生莱氏体转变，即共晶转变。
2）共析线－PSK （S点－共析点）
表示共析反应：
A（0.77 ％C） P（F＋Fe3C）
727℃
A
说明：各种成分的 Fe –C合 金(钢)都将在727℃时发生珠 光体转变，即共析转变。在 热处理中，该线温度常以A1 表示，冷却时用Ar1，加热时 用Ac1。
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单晶体结构示意图
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2.多晶体( polycrystal )的特征
*晶体是由许多颗晶格排列方位不 相同的晶粒组成。 *晶体具有各向同性( isotropy )。 例如: 常用的金属等。
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多晶体结构示意图
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纯铁的同素异晶转变
纯铁固态下, 在不同温 度范围内将呈现出不同的 晶格形态，这种现象称为 同素异晶转变。 1）用冷却曲线表示 2）用反应式表示
组织：通常借助于放大镜、显微镜人眼观察到的 材料内部的微观（图像）统称组织 组织是材料性能的决定因素。 固溶体 合金的组织结构 金属化合物
机械混合物
一、固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。 据溶质原子在溶剂晶格中所占据位置的不同 固溶体 置换固溶体 间隙固溶体
固溶体的性能特点：
铸铁生产中
Fe3C 3Fe＋C （石墨）
过共晶白口铸铁中 铁的一次渗碳体
过共析钢退火组织中 的二次渗碳体
3）机械混合物——结晶过程所形成的两相混合组织
珠光体 P （F+Fe3C） 成分：C ＝0.77 % 良好的力学性能： σb ≈750MPa ； HBS=180 δ=20 %－25% ；
αk = 30-40（J/c㎡）
合金的组成在固态下既不互相溶解又不形成化合物， 而是按一定的重量比混合而成的新物质。
机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物 各自的混合，也可以是它们之间的混合。 性能特点： 性能介于各组成物的性能之间。
第三节 铁碳合金的基本组织
1）固溶体
部分碳溶于铁的晶格间隙，铁的晶格类型 不变。
铁素体（F）— 碳（C）溶入α-Fe中所形
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• 纯金属结晶的 冷却曲线规律
1）金属实际结晶温度低于理论结晶温度；理论结 晶温度T0 与实际结晶温度Tm之差称为过冷度， 即：ΔT=T0-Tm 2）纯金属结晶在恒温下进行，结晶冷却曲线出现 水平线段
2.2.2
有关概念
合金的晶体结构
合金：以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，所 形成的具有金属特性的物质。 组元：组成合金的基本元素。 铁碳合金的组元是Fe和C 相：在合金组织中，凡是成分相同、晶体结构和物理性 能相同的均匀组成部分。 例如： 单一的液相； 单一的固相； 液相、固相两相共存； 问题： 水、油混装在一个瓶子里，是几个相？ 将奶粉加开水冲一杯牛奶又是几个相？
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3.密排六方晶格 ( c/a = 1.633 ) ( close-packed hexagonal lattice )
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属于密排六方晶格的金属有: 镁 ( Mg ) ; 锌 ( Zn ) ; 镉 ( Cd ) ;
α – 钛 ( α – Ti ) ; 铍 ( Be ) 等 。
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三 种 晶 格 的 对 比
• 生铁以C点（4.3%C）为界， 分为： 亚共晶生铁 2.11%＜C＜4.3%； 共晶生铁 C＝4.3% ； 过共晶生铁 C＞4.3%～6.69％。
• 铸铁：一般是指用来制造 铸件的生铁，为亚共晶生 铁。C＝2.8 % ~4.0 % 。
A
F P
含碳量对碳钢平衡组织的影响
• 随碳含量增大, 组织按下列顺序变化： • F+P P P+Fe3CII、
铁碳合金状态图中主要点的含义
四 铁碳合金分类(据C%不同分)
• 以E点（2.11% C）为界， 分为钢和生铁两类。生铁 结晶时有莱氏体转变，组 织中有莱氏体。 • 钢以S点（0.77%C）为界， 分为： 亚共析钢 C ＜ 0.77%； 共析钢 C＝0.77%； 过共析钢 C＞0.77%。
A
F P