第四章铁碳合金

第四章 铁碳合金
• 碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。 • 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，石墨，它
们都可以作为纯组元看待。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
F P
3.亚共析钢
3.亚共析钢
共析温度下
1）相的相对重量为：
P5 QFe3C PK 100%,
QF

5K PK
100%
2）组织组成物的相对重量为：
S’
QP

P5 PS
100%

WC 0.0218 0.77 0.0218
100%
QF

5S PS
100%
3.亚共析钢
室温下
1）相的相对重量百分比为：
5.共晶白口铁
室温下相的相对量为：
QF

6.69 4.3 100%=35.7% 6.69
QFe3C 100% 35.7% 64.3%
室温下组织为： Le’（100%）
6.亚共晶白口铁
室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’
P（粗大块状） +Fe3CⅡ（网状）+Le’
Fe3CⅡ
P Le’
合物，称作莱氏体, 用Le表示。 为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能 硬而脆。
10
莱氏体
⑵ 三条水平线：
• PSK：共析线(A1线)
• S ⇄(FP+ Fe3C)—珠光体（P） • 是 与Fe3C的机械混合物。
珠光体
屈服强 抗拉强 延伸 硬度 度/MPa /MPa /% /HB
纯铁 98-166 176-274 30-50 50-80
8. 组织组成物在铁碳合金相图上的标注

+ Fe3C + Fe3C
第四节 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
一、含碳量对室温平衡组织的影响
含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
含碳量% 00.02180.77 2.11
一、杂质元素对性能的影响
钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧 残留的元素。
1.Mn: 0.8%时为杂质，是有益元素
① 强化铁素体； ② 消除硫的有害作用。
2. Si：0.5%时为杂质，是有益元素
① 强化铁素体； ② 增加钢液流动性。
3. S——有害元素
• 常以FeS形式存在。易与Fe在晶 界上形成低熔点共晶(985℃)，热 加工时(1150~1200℃)，由于其熔 合金晶界的低熔点硫化物共晶 化而导致开裂，称热脆性。
纯铁的主要用途是利用它所具有的铁磁性→高的磁导率→各种 仪器仪表的铁芯等。
3. 铁素体与奥氏体
⑴ 铁素体：碳在-Fe中的固溶体称铁素体， 用F 或 表示，BCC。溶碳能力很低，在727℃
时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。多 边形晶粒，性能与纯铁相似。
⑵ 奥氏体：碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。 用A或 表示。FCC。为不规则多面体晶粒，
• P一般控制在0.045%以下
5. 气体元素 ① N：室温下N在铁素体中溶解
度很低，钢中过饱和N在常温 放置过程中以FeN、Fe4N形式 析出使钢变脆, 称时效脆化。
钢中TiN夹杂
• 加Ti、V、Al等元素可使N固定， 消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式 存在，其与基体结合力弱，不 易变形，易成为疲劳裂纹源。
• 钢中的硫应控制在0.045%以下
• Mn可消除硫的有害作用：
——FeS + Mn → Fe + MnS（熔点高 (1600℃)）
钢中的MnS夹杂
4.P：也是有害元素。 • 能全部溶入铁素体中，使
钢在常温下硬度提高，塑 性、韧性急剧下降，称冷 脆性。
比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生 冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中
1FeC
C
C%(at%) →
铁碳合金相图
铁碳合金相图是研究 铁碳合金最基本的工 具，是研究碳钢和铸 铁的成分、温度、组 织及性能之间关系的 理论基础,是制定热 加工、热处理、冶炼 和铸造等工艺依据。
第一节 铁碳合金的组元及基本相
一、 纯铁
1. 铁的同素异晶转变
A4点
固态下的同素异晶转变与液态结 晶一样，也是形核与长大的过程 ，为了与液态结晶相区别，将这 种固态下的相变结晶过程称为重 结晶。
一、 Fe-C合金分类
种类
工业 纯铁
钢
亚共 析钢
共析 钢
过共 析钢
含碳量% 0.0218 0.0218~0.77 0.77 0.77~2.11
白口铸铁
亚共晶 白口铁
共晶 过共晶白 白口铁 口铁
2.11~4.30 4.30 4.30~6.69
亚 共 析
共 析 钢
钢
过 共 析 钢
工
业
纯
铁
亚
共
过
共
晶
共
晶
白
晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工
都在 区进行。
碳钢室温组织中无奥氏体
铁素体 奥氏体
二、 碳与渗碳体
1. 碳
简单六方点阵
铁碳合金 中的石墨 常用符号G 或C表示。
√
面心立方晶格
σ b＜20MPa,硬度:3HB～5HB， δ ≈0
2. 渗碳体（Fe3C，用Cm表示） 正交晶系
Fe3C是一个亚稳相，在一定 条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反应 对铸铁有重要意义。
100%
6.69 1.2 100% 92.7% 6.69 0.77
S '5 QFe3CⅡ S ' L 100% QP
5.共晶白口铁
L→莱氏体Le (A+Fe3C共晶)蜂窝状
→ (A+Fe3CII+Fe3C共晶)
黑色条状或粒状
→Le’低温莱氏体(P+Fe3CII+Fe3C共晶) ——(P+Fe3C（白色）)
6.亚共晶白口铁
6.亚共晶白口铁
相组成物：F，Fe3C 室温下相相对量：
QF

6.69 WC 6.69
100%
QFe3C

WC 100% 6.69
室温下组织组成物：P+Le＇+Fe3CII
Q Q Le＇
Le(11480 C )
WC 2.11100% 4.3 2.11
Q (11480 C )
100%

0.40 0.77
100%

52%
QF

6S ' QS '
100% QP

49%
F P
3.亚共析钢
• 估算亚共析钢的含碳量:
WC(%)=QP×0.77% =P面积%×0.77%
• 在0.0218~0.77%C 范围内珠光体 的量随含碳量增加而增加。
含0.20%C钢的组织
含0.45%C钢的23组织
钢中氧化物夹杂
③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中 以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。
• 当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
钢中白点
钢的氢脆断口
二、钢锭的组织及其宏观缺陷 1.镇静钢
钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧、使所含的氧 不超过0.01%，以使钢液在凝固时不析出一氧化碳，得到成 分比较均匀、组织比较致密的钢锭，这种钢叫镇静钢。
QF

6L QL

6.69 WC 100% 6.69 0.0008
6.69 0.4 100% 94%
6.69
QFe3C

Q6 QL
100% QF
S’
2）组织组成物的相对重量百分比为：
QP

Q6 QS '

WC 0.0008 0.77 0.0008
100%

WC 0.77
6.69 0.77 QF 6.69 100% 88%
0.77
QFe3C

100% 6.69
12%
或Q Fe3C
1 QF
12%
4
9
室温下组织：P （100%）
3.亚共析钢
亚共析钢室温下的组织：P+F
L L+A A A+F
AS 727℃ （FP Fe3C）
P+F
Tm：l227℃ 硬度高：约为800HB 强度低：b35MPa 脆性大：δ ≈0
钢中的渗碳体 铸铁中的石墨
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的点、线、区及其意义
Fe-Fe3C相图
⒈ 特征点

⇄
6.69
⇄ ⇄
⇄ ⇄
⒉ 特征线

⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECF
⑵ 三条水平线：
• HJB：包晶线 LB+δH⇄ J • ECF：共晶线 LC⇄ (E+Fe3C) • 共晶产物是 与Fe3C的机械混
A3点
铁的居里点:磁性转变(A2转变)
纯铁的冷却曲线 （BCC）
（FCC）
（BCC）
2. 纯铁的性能与应用
表 纯铁的力学性能
屈服强度 /MPa
98-166
抗拉强度 /MPa
176-274
延伸率/% 30-50
断面收缩 率/%
70-80
冲击韧性 /(J/cm2)
160-200
硬度/HB 50-80
纯铁有很好塑性和韧性，但强度和硬度很低→很少作结构材料
室温组织为Fe3CⅠ+Le’（长条状）
7. 过共晶白口铁
相组成物：F，Fe3C
室温下相相对量：
QF

6.69 WC 6.69
100%
QFe3C

WC 100% 6.69
室温下组织组成物：Le’+Fe3CⅠ
QFe3C

WC 4.3 100% 6.69 4.3
QLe
QLc

6.69 WC 100% 6.69 4.3
F Fe3CⅢ
共析转变结束时，p中相 的相对重量百分比为：
室温下：(F Fe3C) →珠光体（P ） SK 6.69-0.77 Qα = PK = 6.69-0.0218 =88.8% Q Fe3C =100%-88.8%=11.2%
2.共析钢
2.共析钢
室温下相组成物：F和Fe3C 其相相对量：
含0.60%C钢的组织
4.过共析钢 Fe3CⅡ（网状）
P
含1.4%C钢的组织
L--->L+A--->A-->A+Fe3CII-->P+Fe3CII
Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ 量最大：
2.11 0.77
QFe C 3 II

100% 22.6%
6.69 0.77
4.过共析钢
室温下：
1)相的相对重量百分比：
QF

5L QL

6.69 WC 100% 6.69 0.0008
6.69 1.2 100% 82% 6.69
QFe3C

Q5 QL
100% QF
2)组织组成物的相对重量百分比：
1 2
3 4
S’ 5
QP

5L S'L

6.69 WC 6.69 0.77
晶
白
口
白
口
铁
口
铁
铁
6.69
二、典型合金的结晶过程
1.工业纯铁

L+H
J
B
N +
S
室温下组织为F+ Fe3CⅢ
Fe3CⅢ最大量为:
0.0218 0.0008 Q Fe3CIII 6.69 0.0008 100% 0.3%
2.共析钢
L L+A
A
珠光体
AS 727℃ （FP Fe3C）
12
⒊ 相区

⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、L+、 L+Fe3C、 +、+Fe3C、 + 、+Fe3C
⑶ 三个三相区：HJB
(L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平
线
第三节 铁碳合金的平衡结晶过程及组织

4.3 WC 100% 4.3 2.11
2.11 0.77
QFe3CⅡ
QFe3CⅡ(7270 C )

6.69

0.77

Q
(11480
C
)
QP 过共晶白口铁
1 2 3
4
Fe3C
室温组织为Fe3CⅠ（长条状）+Le’
7. 过共晶白口铁
4.3
6.69
组织组 成物相 对量%
铁素体
三次渗碳体
相组成 物相对
量% 0
珠光体

二次渗碳体
莱氏体
一次渗碳体
Fe3C
二、含碳量对力学性能的影响
1.硬度HB： C%↑→ HB↑ 2.强度 亚共析钢,C%↑，P 量↑，强度↑; 0.77%C时，组织为100% P, 钢的性
能即P的性能。 ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，
C%↑，强度↓。
3.塑性、韧性：C%↑→塑性、韧性↓
三、 含碳量对工艺性能的影响
• ① 切削性能: 中碳钢合适 • ② 可锻性能: 低碳钢好 • ③ 焊接性能: 低碳钢好 • ④ 铸造性能: 共晶合金好
铣
车
钻
刨
• ⑤ 热处理性能: 下半部分介绍
磨
切削加工的基本形式
焊
铸
模
织缝
造
锻
组
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第五节 钢中的杂质及合金元素
珠光体 600 1000 10 241
珠光体组织特点：两相呈片层 ——较高的强度和硬度, 塑性稍差
相间分布 ——珠光体内的层片越细，则强度越高
2.特征线

⑶ 其它相线
• ES—碳在 -Fe中的固溶线,
又称Ac m线
• PQ—碳在-Fe中的固溶线
• GS— ⇄ 固溶体转变线,
GS又称A3 线。