第四章铁碳合金

α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
Fe―Fe3C相图分析
包晶线HJB LB+δH γJ
共晶线ECF LC γE+Fe3C
共析线PSK γS αP+Fe3C
L+δ
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
T
γ
2.11 E
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77 PS
A1 727℃
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
1148℃发生共晶转变： LC →(γE+ Fe3C)(莱氏体) →变态萊氏体—Ld′(P+ Fe3C ＋Fe3CⅡ)
合金⑥ 亚共晶白口铁 结晶过程与室温组织构成
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
L+γ
2.11
T
γ
E
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃
F
G
原因：与构成相或组织的性能有关
铁素体相——软韧相， 渗碳体相——硬脆相； 珠光体组织的性能介与两者之间: 强韧
F
σb(MN/m2) 230
δ (%)
50
a k (J/cm2) 160
HB
80
P
Fe3C
750 30
20 0
30 0
200 800
硬度
——非组织敏感性能 主要取决于相构成，包括组成相的
—— 硬、脆 →钢中强化相
3 组织
Fe-C合金成分范围宽，相构成只三个，
但性能差别大，原因：相之间具体组合方式 不同，或单相或混合相存在
→ 不同组织
单 （1）铁素体(F)
相 （2）奥氏体(A)
组 织
（3）渗碳体(Fe3C)
两 （4）珠光体(P) ：F ＋Fe3C 相 ——共析反应产物
组 织
（5）莱氏体(Ld)：A＋Fe3C ——共晶反应产物
A 1495℃
δ
B
HN J
2.11L+γ
T
γ
E
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃
F
G
α
α+γ P
0.S77
0.0218
γ +Fe3C A1 727℃
K
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
727℃时发生共析转变： γS → (αP＋Fe3C) = P 常温下的组织构成： P
1538℃
1394℃
912℃
L → δ－Fe → γ－Fe → α－Fe
bcc
fcc
bcc
—— 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变
——具有固态相变是钢铁材料能够热处理 的前提与原因之一
A4
A2(770℃)
A3
居里点(顺磁性与铁磁 性转变温度)
2 纯铁的显微组织
单相的α－Fe
3 纯铁(工业纯铁)的性能
（6）变态莱氏体(Ld′)： P＋Fe3C
二、Fe―Fe3C相图分析
实际组元 Fe-Fe3C
Fe―Fe3C相图分析
L+δ
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
T
γ
2.11 E
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
T
γ
2.11 E
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
计算WC=0.4%钢中的相组成物
——F 和 Fe3C 的含量？
W WHδFFLANe+=3×δC[1=14(J096150.℃－6%9B9－=4.039.L%44+0.3γ)=%/ 5(L6.7.6%9－L0+.F0e23C18)
（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线 意义；铁碳合金中各种相的本质与特征
（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中 相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征
（4）掌握铁碳合金的成分—组织－性能之间的关系
§1 铁碳合金与铁碳相图
铁碳合金——应用最广泛的合金 一 铁碳合金中的基本相和基本组织 (一) 纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁冷却中晶体结构的变化：
硬度和相对数量，而受它们的形态的影 响相对较小
铁碳合金相构成： F＋Fe3C 亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB≈80×w(F) % + 800×w(Fe3C) %
随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低 硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从 80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C)
P＋Fe3CⅡ＋Ld′
四 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 （一） 对相构成及平衡组织的影响
铁碳合金成分范围与室温平衡组织
对相构成和组织构成的影响
6.69 6.69
(二) 对机械性能的影响
对性能影响的原因分析
1 碳含量碳钢机械性能的影 响及分析 总体：
随碳含量增加，碳素钢 的硬度线性提高而塑韧性下 降；强度先随硬度的提高而 提高，但大约当C%>0.9% 后，强度反而下降
第四章 铁碳合金
本章是本课程的重点章 本章目的
1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳 合金的结晶过程和其成分－组织－性能间 关系；说明铁碳相图的基本应用 3 介绍各种碳钢的牌号及应用
本章重点
（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶 渗碳体 共析渗碳体 二次渗碳体
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
Fe―Fe3C相图分析
J点―包晶点 1495℃
0.17% C C点―共晶点
1148℃
4.3% C S点―共析点
727℃
0.77%
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
L+γ
T
2.11
γ
E
L L +Fe3C D
4.3 C
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
α+Fe3C
0.0008 Q
Fe 工 业 Байду номын сангаас 铁
亚 共 析 钢
共 析 钢
过 共 析 钢
C%
亚 共 晶 白 口
铁
共 晶 白 口 铁
6.69 过 Fe3C 共 晶 白 口 铁
合金① WC= 0.01% 的工业纯铁 结晶过程与室温组织构成
常温下的组 织构成：
F+Fe3CⅢ
L+δ
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
T
γ
2.11 E
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
合金②：共析钢 结晶过程与室温组织构成
L+δ
0.S77
0.0218
γ +Fe3C A1 727℃
K
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
合金③ 亚共析钢(0.4%C) 结晶过程与室温组织构成
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
L+γ
2.11
T
γ
E
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃
F
G
α+γ P
0.77 S
γ +Fe3C A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
Fe―Fe3C相图分析
L+δ
ES: γ相的溶解
A δ
度曲线
HN
PQ: α相的溶解
度曲线
T
1495℃ B
J
L+γ 2.11
γ
E
L L +Fe3C
4.3 C
1148℃
D F
GS: 先共析α相 G
γ +Fe3C
析出线
α+γ 0.77
1148℃
F
G α+γ 0.77 PS
γ +Fe3C A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
E点―γ的最大溶碳量 2.11% C
P点―α的最大溶碳量 0.0218% C
三 铁碳合金的平衡结晶过程及组织 1 铁碳合金分类
L+δ
按照铁碳相 图，根据碳 含量不同将 铁碳合金分 为三大类：
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
T
γ
2.11 E
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q
Fe
工业纯铁
钢
α+Fe3C
C%铸铁
6.69 Fe3C
依组织特征，铁碳合金分七种类型
（1）工业纯铁 Wc＜0.0218％
（2）共析钢
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
常温下的组织构成：F先共析 ＋ P
0.4%C钢的显微组织
先共析F P
计算WC=0.4%钢中的组织组成物 ——先共析F 和 P 的含量？
WWPHFδ=L先AN+1=δ×－1[14J94(00590℃..7%57B%－==04L.954+.0γ05.)%5/%L(0.77－L +0F.e03C218)D]
性能：强硬度较低，塑性较好 变形抗力较低，易于锻压成形 顺磁性 ——热加工(塑性变形) 相 ——合金化后成为室温基体相(无磁性)
（3）渗碳体(Fe3C)
Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C， 复杂正交晶系。
性能 强度低：σb= 30MPa 硬度高：800HB 无塑性：δ=0； ψ=0； Ak=0 弱的铁磁性(<230 ℃)
共同组织——珠光体——强而韧——钢的组织
0.4%C
0.77%C
1.2%C
合金⑤ 共晶白口铁 结晶过程与室温组织构成
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
L+γ
2.11
T
γ
E
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃
F
G
α+γ P
0.77 S
γ +Fe3C A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+γ P
0.77 S
γ +Fe3C A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
组织构成： P + Ld′
合金⑦ 过共晶白口铁 结晶过程与室温组织构成
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
L+γ
2.11
T
γ
E
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃
F
G
α+γ P
4.3 C
1148℃
F
G
α
α+γ P
0.S77
0.0218
γ +Fe3C A1 727℃
K
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
相构成： F+ Fe3C 组织构成： Fe3CⅡ+P
三种典型铁碳合金(0.4%C、0.77%C、 1.2%C) 室温下的组织构成与相构成
三者组织构成分别为： F先共析 ＋ P、P、Fe3CⅡ+P 相构成均为： F+ Fe3C
但C在α－Fe中的溶解度极小，为 0.0008% (20℃) ~0.0218% (727℃)
铁素体的性能
强硬度低(50HBS~80HBS) 塑韧性好 (ψ：70 ％～80 ％； Ak=160J ) —— 与工业纯铁同
良好塑韧性→钢中基体相
（2）奥氏体(γ或 A )
定义：C在面心立方γ－Fe中的间隙固溶体 溶碳量较大 0.77% (727℃) ~2.11% (1148℃)
2.11
T G
0γ.4%C
E
α+γ P
0.77 S
4.3 C
1148℃
γ +Fe3C A1 727℃
F K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
α + Fe3C
α先共析
+α共析 +Fe3C共析 P
故引入组织构成图
F＋Fe3CⅢ
P
Ld′
F
F先+P
P+Fe3CⅡ
Ld′＋Fe3CⅠ
Wc=0.77％
（3）亚共析钢 Wc=0.0218％～0.77％
（4）过共析钢 Wc=0.77％～2.11％
（5）共晶白口铁 Wc=4.3％
（6）亚共晶白口铁 Wc=2.11％～4.3％
（7）过共晶白口铁 Wc=4.30％～6.69％
L+δ
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
T
γ
2.11 E
不同放大 倍数下P的 显微组织
计算珠光体中铁素体和渗碳体的 相对含量
WF=SK/PK
WHTδF==LeAN[8+3(C8δ6.1=.764J%γ1995－－℃80B8.7.277.1%)1/L(+E6=γ.6191－L.30%4..C302L118+1)F4]e8×3℃C100FD%
G
α
α+γ P
强度低(σb=180～230MPa) 硬度低(50HBS~80HBS)、软 塑性好(δ:30％～50％
ψ:70 ％～80 ％ ) 铁磁性
4 应用： 仪器仪表用软磁铁芯
（二） 铁碳合金中的基本相和基本组织
1 基本组元 Fe、C 2 基本相 （1）铁素体(α或 F ) 定义：C在体心立方α－Fe中的间隙固溶体
]
D
T
γ
2.11 E
4.3 C
1148℃
F
G
γ +Fe3C
α+γ 0.77
P
S
A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
合金④ 过共析钢( 1.0%C ) 结晶过程与室温组织构成
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
2.11L+γ
T
γ
E
L L +Fe3C D
0.77 S
γ +Fe3C A1 727℃
K
α 0.0218
0.0008 Q Fe
α+Fe3C C%
6.69 Fe3C
组织构成：Fe3CⅠ+ Ld′
铁碳相图的不足
相图中各区的相构成只告诉相类型，并不能体现
每能组H一的织δLAN相影形+δ有响貌14J9几不。5℃种仅B存与在 相L方类+γ式型，有L 各关是，L什也+F么很e3C形大貌程D，度而 上各取相决对于性其