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）
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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％
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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
间隙固溶体
①置 换 固 溶 体
2
ak=160～200J/cm
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2.奥氏体（A）
γ Fe 碳溶于 中形成的间隙固溶体，保持面心立方晶格 结构。溶解度（0.77%∼2.11%），其强度和硬度略高于铁素 体，塑性、韧性较好。
晶格结构：fcc 最大溶解度：2.11%（1148℃） 性能： Rm≈400MPa HBS=170～220 A=40%～50% 高 塑性、无磁
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图
Fe - Fe3C 相图
T° A
L
L+A
G E A+ Fe3CⅡ 1148℃ C ( A+Fe3C )
D
L+ Fe3CⅠ F
A
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
纯铁的力学性能特点：强度、硬度低，塑性、 韧性好，一般不用于结构件。在工业上应用最广 的是铁碳合金。
二、合金的基本概念
1、合金
合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属 与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
例如碳钢就是铁和碳组成的合金 2、组元（元） 组成合金的基本的物质称为组元。 如：铜和锌就是黄铜的组元； 稳定的金属化合物也可以看作组元 如：铁碳合金中的Fe3C
一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在
固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨
性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合
物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、 有色金属和硬质合金的重要组成相。
绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化 合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化 合物的数量、大小、形态和分布状况。
（液体） 1538℃
( 体心)
1394 ℃
(面心 )
912 ℃
( 体心)
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe
为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
-Fe
纯铁在770 ℃时发生磁性转变，在770 ℃以下，呈铁磁性； 在770 ℃以上，的磁性消失，770 ℃称为居里点，用A2表示。
8）GS线。 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的 转变线，常称为A3线。
9）E点。碳在γ-Fe中的最大溶解度（1148℃）。
10）F点。渗碳体的成分（1148℃ ）。
11）P点。碳在α-Fe中的最大溶解度 12）S点。共析点，温度7270C，成分0.77%。共析转变： 指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机 械混合物的过程。 即：
ak=30～40J/cm
2
综合性能
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5、莱氏体（P）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%） 性能：727℃以上为高温Ld （A+ Fe 3C）727℃以下为
低温Ld’（ P+ Fe 3C）力学性能与 Fe 3C 相似
硬而脆
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§3.2 铁碳合金相图分析
A0.77%C P0.77%C F0.02%C Fe3C6.69%C
727 0 C
13 ）PSK线（共析线）。 含碳量 >0.0218%的铁碳
合金，冷却到此线时（7270C），将发生共析反应，
从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的机械混
合物珠光体（P）。A1为共析温度。
五、 铁碳合金分类(据C%不同分)
纯金属的结晶
第 3章
铁碳合金相图
铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织
和性能有重要意义，对于指定铁碳合金材料的铸、锻、 焊及热处理等工艺有直接指导意义。
§3.1 纯铁及铁碳合金的基本组织 一、纯铁
Fe是元素周期表中第26号元素，相对分子质 量56、熔点1538℃。
1.同素异构体的转变
金属在固态下由于温度的改 变而发生晶格类型转变的现象， 称为同素异晶转变。 金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通 过加热、保温、冷却来改变材料 的组织，从而达到改善材料性能 的目的。
溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成 的固溶体。 形成置换固 溶体时，溶质原 子在溶剂晶格中 的溶解度主要取 决于两者的晶格
类型、原子直径
及它们在周期表 中的位置。
② 间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的 固溶体称为间隙固溶体，如图所示。 由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体 只能是有限溶解溶质原子,因此是有限固溶体。
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
相图上的特性线和点如下：
1）ACD线（液相线）。当金属液冷却到此线时开始结晶， 在此线以上区域为液相。 2）AECF线（固相线）。当合金冷却到此线时，金属液全
部结晶为固相，在此线以下区域为固相。
2）分类 3）特点 正常化合物 电子化合物 间隙化合物
溶点高、硬度高、脆性大。
例如渗碳体Fe3C是金属化合物，硬度 极高800HBS，可以划玻璃，塑性韧性 极低，伸长率和冲击韧性近于零。 渗碳体在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C石墨
Fe3C的晶体结构
金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点
组元3
组元1
合 金
组元2
3、合金系
给定组元按不同比例可以配制Biblioteka 系列不同成分的合金， 构成一个合金系。
如：Cu-Ni, Fe-Fe3C,
4、相
Cu-Zn等。
相是指在金属组织中化学成分、晶体结构 和物理性能相同的组分。 相与相之间具有明显的界面。 液态物质称为液相;固态物质称为固相
名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11
3）A点。纯铁的熔点（1538℃）。 4）D点。渗碳体的熔点（1227℃ ）。 5）C点。共晶点，温度11480C，成分4.3%C。共晶：指合 金在一定的条件 ( 温度、成分 ) 下，由液体合金中同时结 晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的 转变。即
1148 0 C
L4.3%C Ld4.3%C A 2.11%C Fe3C6.69%C
1点以上 L 1～2 L＋δ 2～ 3 A+L 3～ 4 A 4~5 A+F 5点 A→P 5点以下 P+F
室温组织：F+P
亚共析钢的结晶过程
亚共析钢组织金相图
亚共析钢用途实例
45＃钢
60＃钢
碳含量0.45％
碳含量0.60％
3）过共析钢（T10,0.77% <Wc <2.11% ) 1点以上 1~2 2~3 3~4 4点 4点以下 L L+A A A+Fe3CII A→P P+Fe3CII
根据含碳量的不同，铁碳合金可分为钢和铸铁两
大类：
第一类 钢 含碳量小于2.11％的铁碳合金，按室温组织 不同又可分为三类，以0.77％为界：
*亚共析钢——含碳量＜0.77％
* 共析钢——含碳量＝0.77％ *过共析钢——含碳量＞0.77％
第二类 铸铁 即生铁 含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合
金，安室温组织的不同，分为三类： *亚共晶铸铁——含碳量＜4.3％ * 共晶铸铁——含碳量＝4.3％ *过共晶铸铁——含碳量＞4.3％
第三节、典型铁碳合金的结晶过程及其组织
1. 钢的结晶过程 1）共析钢（T8钢 ， Wc = 0.77% ） 1点以上 L 1～2 L＋A 2～3 A 3点 A→P 3点以下 P
室温组织:
P
共析钢的结晶过程
共析钢组织金相图
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
2）亚共析钢(45钢，0.0218%<Wc<0.77% ）
F P P Fe3C P Fe3C Ld Ld Ld Fe3C
室温组织: Le′+ P + Fe3CII
亚共晶白口铁组织金相图
(６)过共晶白口铁 (4.3%<Wc % <6.69 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
过共晶白口铁组织金相图
过共晶白口铁的室温组织
1.4 碳的质量分数对铁碳合金组织、 性能的影响和铁碳合金相图的应用
一、碳的质量分数对铁碳合金组织的影响 由相图可知，随着碳的质量分数的增加，铁碳合金显 微组织发生如下变化。
例如：C溶入α-Fe或γ-Fe 所形成
的铁素体、奥氏体。 铁碳合金都是间隙固溶体。碳的 溶解度是有限的，属于有限固溶 体，碳在铁中的溶解度主要取决 于铁的晶格类型，并随温度的升 高而增加。
固溶强化—形成固溶体时，溶剂的晶格产生不 同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加， 表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为 固溶强化。
3、渗碳体（Fe3C）
定义：Fe 与 C 所形成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。 含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆 性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。 晶格结构：复杂正交
性能：σ b≈30MPa HBS=800 δ ≈0 ψ ≈0 硬而脆（耐磨性好）
理论熔点1227℃，碳质量分数6.69% 合金渗碳体： （Fe、Me）3C
6）ECF线（共晶线）。含碳量在2.11%～6.69%的铁碳合金， 冷却到此线时（1148度），将发生共晶反应，同时结晶出 奥氏体和渗碳体的机械混合物莱氏体（Ld）。 7 ） ES 线 。 是 碳 在 γ Fe 中 的 溶 解 度 曲 线 ， E 点 表 示 在 11480C时碳在 γ Fe 中的最大溶解度为2.11%。随着温度降 低，溶解度下降，即含碳量大于 0.77%的奥氏体冷却过程 中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为 Acm线
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原
子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大， 结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元 素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称 为固溶强化。
是强化金属材料的重要途径
2、金属化合物 1）金属化合物是合金组元间发生相互作用而 生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任 一组元，它具有一定的金属性质。
三、铁碳合金的基本组织
机械混合物
机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织，例如可
以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有 的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、 大小、和分布有关。 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。
1、铁素体
铁素体（F或α）
定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体,它保持体心立方晶格结构。 溶解度（0.008%∼0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、 韧性好。 晶格结构：bcc 碳的最大溶解度：0.0218%（727℃） 性能： Rm=180～230MPa Rr0.2=100～170MPa A=30%～50% Z=70%～80% HBS=50～80