机械工程材料_铁碳合金状态图

(1) a相：又称为铁素体－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的间隙形 成的固溶体，用“F”或“a ”表示。呈体心立方晶格，最大含碳 量为0.0218%，(P点)温度为727℃。
性能－бb、HB低，δ、αK 好。
（2）g相：又称为奥氏体－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的 间隙形成的固溶体，用“A”或“g”表示，具有FCC晶体结构 。 含碳量为－727℃时为0.77% ；1148℃时为2.11％
符号 A B C D E F G H J K L M N O P Q S
温度（℃） 含碳量（%） 说明
1538
0
纯铁的熔点
1495
0.53
包晶转变时液相合金的成分
1148
4.30
共晶点
1227
6.69
渗碳体的熔点(计算值)
1148
2.11
C在奥氏体中的最大溶解度
1148
6.69
渗碳体的成分
912
0
a-Feg-Fe同素异构转变点（A3）
（二）钢 1.共析钢（0.77％C）
图3 共析钢的结晶过程及冷却曲线 17
共析钢的室温组织 ( 1000X )，单P组织
18
共析钢的室温组织 ( 5000X )
19
1.共析钢（0.77％C）
（1）T在T1～T2时由L→A初随T↓L％↓，A％↑。
（2）当T=727℃时发生共析反应生成珠光体,
恒温结晶 AS
（2） T2～T3之间，A 成分不变
（3）T3～T4之间由A→Fe3CⅡ , 组织为：A＋ Fe3CⅡ
Fe3CⅡ呈网状沿奥氏体晶界析出.
（4）T4时，剩余奥氏体发生共析反应生成珠光体. 反应式为：
727℃
AS
(FP + Fe3C共析)
(P)
室温组织：Fe3CⅡ＋P
室温组织组成物相对重量为：
Fe3CⅡ％＝
性能－高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低.
（3）d相：又称为高温铁素体：是碳原子溶入d-Fe中的间隙形 成的固溶体，用 “d”表示，具有BCC晶体结构 。最大含碳量 为1495℃时为0.09% 。
6
二、渗碳体（Fe3C）－Cementite
☺ Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正交晶系， 含碳量为6.69％ 。通常称为“渗碳体”，用符号 Cm表示。
2.亚共晶白口铁
(1)T1～T2之间由L→A初 组织为：L＋A
(2)T=1148℃时发生共晶反应，生成莱氏体 Le 组织为： A＋Le （A＋Fe3C共晶）
(3)1148℃～727℃之间冷却时，
由 A→Fe3CⅡ 组织为:A＋Fe3CⅡ＋Le （A＋Fe3CⅡ＋Fe3C共晶） (4)T=727℃时，剩余A发生共析反应生成P
1148˚C
L4.3
Le4.3
10
莱氏体组织
莱氏体中的渗碳体 称为共晶渗碳体， 在显微镜下为块 状或粒状A分布 在渗碳体基体上。
11
共析点S
S点：共析点： AS 727˚C
727˚C
A0.77
727˚C
A0.77
共析产物：铁素体与渗碳体的 机械混合物，称为珠光体 （Pearlite），以符号P表示。 其中FP=88%, Fe3C=12%
2. PQ线，C 在F中的溶解度曲线。合金自727 ℃
冷至室温时，由F→Fe3CⅢ
§4－3 典型合金的平衡结晶过程
一. Fe-C合金分类 （一）工业纯铁: C％ < 0.0218％ （二）钢: 含C％为0.0218％～2.11％
1. 共析钢 C％＝0.77％ 2. 亚共析钢0.0218％ < C％ < 0.77％ 3．过共析钢0.77％< C％ < 2.11％ (三)白口铸铁: 2.11％< C％ < 6.69％ 1.共晶白口铁C％＝4.3％ 2．亚共晶白口铁 2.11％ < C％ < 4.3％ 3．过共晶白口铁4.3％ < C％ < 6.69％
Fe-C相图可分为几部分：
Fe Fe3C Fe2C FeC C, %
C
6.69% 9.70%
17.7%
脆性大，无实用意义
3
Fe-Fe3C合金相图
4
Ⅱ 纯铁及其铁碳合金相
一、工业纯铁及其特性
工业纯铁指含杂质为0.10～0.20％的纯铁，sb、HB低，d、aK 好。
sb=180~230 MPa HB=50~80
Fe-C合金相图
1
本章内容
§4－1 纯铁及其铁碳合金 §4－2 Fe-Fe3C相图分析 §4－3 典型合金的平衡结晶过程 §4－4 合金的成分与组织及性能之间 的关系 §4－5 Fe-Fe3C相图的应用及局限性
2
§4－1 纯铁及其铁碳合金
Ⅰ、铁和碳可以形成的一系列化合物， 即Fe3C、Fe2C、FeC等。
41
二、含碳量对性能的影响
（一）含碳量对力学性能的影响
1.钢 (1）当Fe3C呈片层状分布在F基体上时为强
化相，P为高强组织。亚共析钢随着
C％↑P％↑，бb↑HB↑，δ↓αK ↓.
(2) 共析钢的强度高于亚共析钢。 (3) 过共析钢当C％＝1.0％时达到最值。
当Fe3C呈网状分布在A的晶界时使钢的
j=70~80%
d=30~50% aK=160~200 J/cm2
主要利用其高的导磁率，作电工材料。
（一）特性：
1. 纯铁具有同素异晶转变：在固 态不同温度发生晶格类型的转变。
即 α-Fe
912℃
1394℃
γ-Fe
δ-Fe
(BCC)
(FCC)
(BCC)
2.碳原子溶入α-Fe、γ-Fe的可形成 间隙固溶体。
AS 727℃ （FP + Fe3C共析)P， Le→L‘e Le′为低温莱氏体。
室温组织为Le′（P＋Fe3CⅡ＋Fe3C共晶）
31
2.亚共晶白口铁结晶过程分析
图13 亚共晶白口铁的结晶过程及冷却曲线 32
图14 亚共晶铸铁室温组织:P＋Fe3CⅡ+Le’: 共晶Fe3C基体＋点状和棒状P
33
共析点（A1）
9
三个重要点：J、C、S
J点：包晶点。 LB+dH 1495˚C AJ
L0.53+d0.09 1495˚C A0.17
C点：共晶点： LC 1148˚C
AE +Fe3C
1148˚C
L4.3
A2.11 +Fe3C
共晶反应的产物是A与Fe3C的共晶混合物，称为 莱氏体（Ledeburite)，以Le或Ld表示。
性能：高硬度， 高脆性，塑性近似为零，加热易分解。
sb=30MPa HB=800
d=0
Fe3C 3Fe ＋C（石墨）
石墨具有六方结构,强度、硬度极低
物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、 粒状等，对性能有较大影响。
7
§4－2 Fe-Fe3C相图分析
图1 Fe-Fe3C相图
一、Fe-Fe3C相图中的点
727℃ (FP + Fe3C共析)（P）
室温组织为:珠光体P(F+Fe3C)
珠光体中相组成物相对重量:
WF =
6.69 0.77 ×100% = 88.7% 6.69 - 0.0218
WFe3C共析 = 0.77 0.0218 ×100%=11.3%
6.69 - 0.0218
20
2.亚共析钢的结晶过程分析
Le→Le′ (P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶） 室温组织为：P＋Fe3CⅡ＋Le′
34
2.过共晶白口铁的结晶过程分析
图15 过共晶白口铁的结晶过程及冷却曲线
35
图16 过共晶铸铁室温组织:
白条状先共晶Fe3CⅠ+Le’
36
2.过共晶白口铁
(1)T=T1时，由L→Fe3CⅠ
组织为:L＋Fe3CⅠ
体，恒温结晶， LC 1148℃
(AE+ Fe3C共晶)Le
莱氏体基体为Fe3C共晶，第二相为A。
组织为：Le（A＋Fe3C共晶）
(2) 合 金 在 1148℃ ～ 727℃ 之 间 冷 却 时 ， 由A→Fe3CⅡ
组织为：Le（A＋Fe3CⅡ＋Fe3C共晶）
（3）合金在727℃时剩余A发生共析反应生成P组织
δ↓αK ↓ бb↓,脆性增大。
2.白口铁 无论高温或低温，莱氏体基体相都是
硬脆的Fe3C,所以硬而脆，但耐磨性
好。 3硬度：决定于组成相或组织组成物的硬度
和相对数量，而受相形态的影响较小。
图20 含C％对Fe-C合金性能的影响
42
（三）、含碳量对切削性能的影响
性能：强度较高，塑性、 韧性和硬度介于F与Cm 之间。
FP +Fe3C F0.0218 +Fe3C
P0.77
层片状
12
二、相及相区 相：L、d、A、F、Fe3C 五个相。
相区：五个单相区：L、 d、 A、F、Fe3C 。 七个双相区：L＋A、 L＋ d、 L+ Fe3C、 d ＋A、 A
＋F、A＋Fe3C 、F＋Fe3C。 三个三相区： L+ d+A、 L ＋A＋Fe3C、F+A+ Fe3C
(2)T=1148℃时剩余L相发生共晶反应生成高温莱氏 体
组织为:Fe3CⅠ＋ Le (3)合金在1148℃～727℃之间冷却时由A共晶→Fe3CⅡ
组织为：Fe3CⅠ＋ Le
(4)T = 727℃时剩余A共晶发生共析反应生成P,
Le→Le′ 室温组织为：Fe3CⅠ＋Le′
37
图17 Fe-Fe3C相图组织组成物相图
1495
0.09
C在d中的最大溶解度
1495
0.17
包晶点
727
6.69
渗碳体的成分
0
6.69
渗碳体的成分
770
0
纯Fe的居里点
1394
0
d-Feg-Fe同素异构转变点（A4
770
0.5
铁素体的磁性转变温度
727
0.0218
C在a中的最大溶解度
室温
0.0008
室温时C在a中的最大溶解度
727
0.77
1.2 0.77 6.69 0.77
×100％＝7％
P％＝1－7％＝93％
28
（三）白口铸铁-1.共晶白口铁
图11 共晶白口铁的结晶过程及冷却曲线
29
图12 共晶铸铁室温组织：
白色共晶Fe3C基体上+点状和棒状P
301．共晶白口铁结晶过来自分析（1）合金在1148℃发生共晶反应，生成高温莱氏
沿A晶界分布。
➢ 钢中：基体相为F，第二相为Fe3C 3.白口铁：C％>2.11％后组织中出现了 大量的莱氏体组织。
白口铁：基体相为Fe3C，第二相为F
含C％对Fe-C合金组织的影响40
Fe3C组织
Fe3CⅠ、 Fe3CⅡ、 Fe3C Ⅲ 、共晶Fe3C、 共析 Fe3C、先共晶 Fe3C 、先共析Fe3C。 这些渗碳体的成分和晶体结构都相同，属 同一“相”。 不同的名称说明析出的母相不同、析出的 顺序不同、分布状态不同。
WFe3C = 1- 94% = 6%
24
3.过共析钢的结晶过程分析
图4-9 过共析钢的结晶过程及冷却曲线
25
过共析钢的结晶后的室温组织(苦味酸腐蚀液)
块状P＋黑色Fe3CⅡ
26
过共析钢的结晶后的室温组织(4%HNO3腐蚀液)
块状P＋白色Fe3CⅡ
27
3. 过共析钢
（1）T1～T2之间，由L→A
亚共析钢的结晶过程及冷却曲线
21
亚共析钢的室温组织 ( 30钢 -0.30%C)，白色F，黑块P
22
亚共析钢的室温组织 ( 40钢 -0.40%C)
23
2. 亚 共 析 钢
(1) T4～T5之间由A→F初 .
(2) T=727℃时发生共析反应，生成珠光体.
AS
727℃ (FP + Fe3C共析) （P）
Fe-Fe3C 相图相组成物相图
38
39
§4－4 合金的成分与组织及性能之间的关系
一.含碳量对相及组织的影响
相： 随着C％↑F％↓Fe3C↑。
组织：
1.工业纯铁：F线以左 （Fe3C <0.33％） 2.钢： ➢ 亚共析钢中Fe3C 呈片层状分布在F基
体上。
➢ 共析钢为100%的P。
➢ 过共析钢当C％>1.0％后Fe3CⅡ呈网状
共析后组织：F初＋P（F＋Fe3C ）
共析后0.4%C钢组织中组织组成物相对重量为:
WP
=
0.4 0.0218 ×100% =
0.77 0.0218
50.5%
WF初 = 1 – 50.5% = 49.5%
共析后组织中相组成物相对重量为:
WF = 6.66.9690.00.2418×100% = 94%
二．典型合金的结晶过程
（一）工业纯铁
（C<0.0218%)
1
．当T
L→δ
在
T1
～
T2
时
，
由
2．在T2～T3时δ的成分不变 3. 在T3～T4时由δ→A 4. T4～T5,A成分不变
5. T5～T6, 由A→F 室温组织为：F+Fe3CⅢ
图2 典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置
F:白色等轴晶粒；Fe3C：呈小白片状分布于F晶界 16
三、线:
(一) 液相线-A BC D线
(二) 固相线-AHJECF线
(三) 三条水平线
包晶线－HJB线 共晶线－ECF线
共析线－PSK线－A1线
(四) 同素异晶转变线－G S线（A3线），加热时由F→A， 冷却时由 A→F
(五)溶解度曲线
1.ES线: C 在A中的溶解度曲线，大于S点碳含量合金，
由1148℃冷 却到727℃时A→Fe3CⅡ，E S线又叫Acm