机械工程材料第四章铁碳合金相图

第四章铁碳合金相图
教学目的及其要求
通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。

主要内容
1．铁碳合金的相组成
2．铁碳合金相图及其应用
3．碳钢的分类、编号及应用
学时安排
讲课4学时
教学重点
1．铁碳合金相图及应用
2．典型合金的结晶过程分析
教学难点
铁碳合金相图的分析和应用。

教学过程
第一节纯铁、铁碳合金中的相
一、铁碳合金的组元
铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。

不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。

由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。

碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。

二、铁碳合金中的基本相
相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。

铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。

固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。

这也是碳在合金中的两种存在形式。

1．铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。

塑性好，强度硬度低。

2．奥氏体
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。

塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。

3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。

渗碳体对合金性能的影响：
（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。

（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：
以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；
以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。

二、两相机械混合物
珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。

莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。

铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。

组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。

显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。

第二节铁碳合金相图
一、相图中的点（14个）
1．组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C的熔点
2．同素异构转变点：N（0, 1394）δ-Fe ⇔γ-Fe；G（0, 912）γ-Fe⇔α-Fe
3．碳在铁中最大溶解度点：
P（0.0218，727），碳在α-Fe中的最大溶解度
E（2.11，1148），碳在γ-Fe 中的最大溶解度
H (0.09，1495)，碳在δ-Fe中的最大溶解度
Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe中的溶解度
2．三相共存点：
S（共析点，0.77，727），（A＋F ＋Fe3C）
C（共晶点，4.3，1148），（A＋L ＋Fe3C）
J（包晶点，0.17，1495）（＋A＋L ）
3．其它点
∙B（0.53，1495），发生包晶反应时液相的成分
∙F（6.69,1148 ），渗碳体
∙K (6.69,727 ) ，渗碳体
二、相图中的线
1．液相线(ＡＢＣＤ)：结晶时液相的成分，在其上体系为液相；
2．固相线（ＡＨＪＥＣＦ）：结晶时固相的成分，其下为固相。

3．恒温转变的线：HJB 包晶线、ECF共晶线、PSK共析线。

PSK 线，共析线。

在此线上的合金都要发生共析反应。

冷却时，奥氏体转变为珠光体的温度；加热时，珠光体转变为奥氏体的温度；PSK线又称A1线。

4．固溶度线
ES线：碳在奥氏体中的溶解度线，随温度温度↑，溶解度↑；0.77%～2.11%C。

冷却时，从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度；加热时，二次渗碳体完全溶入奥氏体
中的温度。

ES线又叫作Acm线。

PQ 线：碳在铁素体中的溶解度；随温度↑，最大溶解度↑；0.0008% ～0.0218%C；
冷却时，从铁素体中开始析出三次渗碳体的温度；加热时，三次渗碳体完全溶
入铁素体的温度。

5．同素异构转变线：NH 和NJ，GS 和GP。

GS线：冷却时，由奥氏体向铁素体转变的开始温度；加热时，铁素体完全转变为奥氏体的温度，GS线又叫作A3线。

三、相图中的相区
1．单相区（4个＋1个）：L、δ、A、F 、（＋Fe3C）
2．两相区（7个）：L + δ、L + Fe3C、L + A、δ+ A 、A + F 、A + Fe3C 、F + Fe3C。

四、基本转变类型
δH 0.09 L B 0.53 A J
0.17
+ 1495ºC L
δ A E 2.11 Fe 3C 6.69 + 1148ºC Lc 4.3 F P 0.0218 Fe 3C
6.69
+ 727ºC 1．匀晶反应
L →δ: 由液相中直接结晶出δ相。

合金的成分线与AB 线相交，Wc ：0 ～0.53%。

L → A: 由液相中直接结晶出A 相。

合金的成分线与BC 线相交，Wc ：0.53% ~ 4.3%。

L → Fe 3C: 由液相中直接结晶出Fe 3C 相。

合金的成分线与CD 线相交，
Wc ：4.3% ~ 6.69%
2．包晶反应
含义：具有J 点成分的铁碳合金冷却至14950C ，液相和δ相在转变过程中恰好全部消耗完，生成了单一的J 点成分的A 相。

• 包晶点 ：J （0.17，1495）
• 产 物：单相奥氏体（ A ）
• 发生包晶反应的合金成分： 0.09%--0.53% C 。

即合金的成分线与HJB 线相交。

3．共晶反应
含义：由C 点成分的液相在11480C 下，同时生成具有E 点成分的A 相和Fe 3C 。

• 发生共晶反应的成分范围：2.11 %—6.69% C ，合金成分线与ECF 线相交)。

• 产物：A 和Fe 3C 的两相混合物，称为莱氏体，用L d 表示，其组织形态是以Fe 3C 为
基体，A 呈粒状或杆状分布在Fe 3C 基体上。

• 共晶点：C (4.3,1148)
4．共析反应
• 含义：在7270C 下，由S 点成分的A 相同时生成P 点成分的F 相和Fe 3C 相 • 合金范围： 0.0218 ～6.69%C ，合金成分线与PSK 线相交。

• 产物： F 和Fe 3C 的两相混合物，称为珠光体，用P 表示，形态呈层片状。

• 共析点：S （0.77，727），具有S 点成分的A 相冷却至7270C 时，发生共析转变，
生成珠光体。

A s 0.77
A A
五种渗碳体的异同（Fe 3C I 、Fe 3C Ⅱ、Fe 3C IⅡ、共晶Fe 3C 、共析Fe 3C ）：它们只是形成条件、形态与分布不同，对铁碳合金性能有所不同，就其本身来说，并无本质区别，都是同一种物质，即Fe 3C ，6.69％C 。

五、铁碳合金分类
工业纯铁、钢（亚共析、共析、过共析钢）、铸铁（亚共晶、共晶、过共晶白口铸铁）
六、典型铁碳合金的结晶过程分析
分析方法和步骤：
•
在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线； •
在成分线与相图的各条线的交点作标记（一般用1、2、3、4…….） •
写出每两个点之间或者重要点上发生的转变（由液相分析至室温）。

• 室温下该成分线所在的相区，合金室温下就具有那个相；组织组成物则取决于冷却
过程中发生的转变。

1． Wc ＝0.77%的铁碳合金结晶过程分析
合金在1点温度以上为液相L ；
在1～2温度之间，发生匀晶反应，从液相中析出奥氏体相；
在2～3点温度之间，为单相奥氏体，只有温度的降低；
在3点（S 点）时到达共析温度（7270C ，奥氏体发生共析反应，生成珠光体组织； 3点以下直到室温，合金温度降低，为珠光体组织。

所以，Wc ＝0.77%的铁碳合金
•
室温下的相：F+Fe 3C •
组织组成物：P(珠光体）（100％） • 组织形貌： F 和Fe 3C 层片状混合物 2． Wc ＝0.4%的铁碳合金结晶过程分析
合金在1点温度以上为液相L ；
在1～2点温度之间，发生匀晶转变，从液相中结晶出δ铁素体相；
在2点1495℃，液相L 与δ相发生包晶反应，生成奥氏体A ，液相有剩余；
在2～3点温度之间，剩余的液相向A 相转变；
在3～4点温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；
在4～5点温度之间，同素异构转变，A向F（先共析铁素体）转变，为（F＋A）两相；
在5点727℃，未转变成F的A发生共析反应，生成珠光体（P）组织；
从5点直到室温，组织为（F＋P），合金温度降低，没有组织转变。

•室温下的相：F+Fe3C
•组织组成物：F和P
•组织形貌：块状F和片状P
3．过共析钢（1.2％C）
合金在BC线温度以上为液相L；
在BC线～JE线温度之间，发生匀晶反应，从液相中析出奥氏体相；
在JE线～ES线温度之间，为单相奥氏体，合金温度降低；
在ES线～PSK线温度之间，从奥氏体中析出二次渗碳体相（先共析渗碳体），合金为A＋Fe3CⅡ两相；
在PSK线上727℃时，未转变的奥氏体发生共析反应，转变为珠光体组织；
从727℃直到室温，合金温度降低，没有发生组织转变。

室温下的相：F+Fe3C
室温组织：珠光体＋二次渗碳体。

组织形态：片状P和二次渗碳体呈网状分布在A晶界。

在过共析钢中，当碳含量小于0.9％时，二次渗碳体呈片状分布在A晶界；当碳含量大于0.9％时，二次渗碳体成为网状沿晶界分布。

室温下组织组成物的质量百分数的计算：
4．白口铸铁的平衡结晶过程（略）
七．Fe－Fe3C相图的应用
（一）、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
1．含碳量对合金平衡组织的影响
Fe3C的形态：
2．含碳量对力学性能的影响
铁素体(F)：软而韧，硬度极低；渗碳体(Fe3C)：硬而脆。

所以，
（1）含碳量增加，硬度增加；塑性韧性降低。

（2）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）：当碳含量在小于0.9％时，渗碳体含量越多，分布越均匀，铁碳合金强度越高；当碳含量超过0.9％时，渗碳体在钢的组织中呈网状分布在晶界，而在白口铸铁的组织中作为基体存在，使强度降低。

3．含碳量对工艺性能的影响
切削加工性能：一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。

含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。

可锻性：低碳钢比高碳钢好。

由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在单相奥氏体状态下进行。

铸造工艺性能：铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。

从相图的角度来看，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造工艺性能越差。

可焊性：一般，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。

（二）、Fe—Fe3C相图的应用
1．为制定热加工工艺提供依据。

（1）制定热处理工艺的依据
（2）为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理。

铸造方面铸造合金成分的确定和浇注温度的确定。

锻造方面确定始锻温度和终锻温度。

焊接方面分析热影响区的组织。

热处理方面确定热处理加热的温度。

2．为选材提供成分依据。

工业纯铁：室温下退火态的组织由等轴晶粒组成；强度低，塑性、韧性好；作为功能材料使用，如变压器的铁芯等。

含碳量在0.15-0.25%的亚共析钢：属低碳钢，为工程结构用钢。

这类钢主要用于房屋，桥梁、船舶、车辆、矿井或油井井架等大型工程结构件，一般不进行热处理，直接在热轧或正火状态下使用。

含碳量在0.30-0.50%的亚共析钢，属中碳钢，为机械结构用钢。

主要用于制造各种机械零部件，如轴类、齿轮等。

它要求有较高的强度，塑性、韧性和疲劳强度等综合力学性能。

这类钢通常在淬火、高温回火状态下使用，常称之为调质钢。

含碳量在0.6～0.7%的亚共析钢，属高碳钢，也为机械结构用钢。

主要用于制造各种弹性元件，如弹簧。

它要求有较高的弹性极限和疲劳强度。

这类钢通常在淬火后再中温回火后使用，常称之为弹簧钢。

含碳量在0.7%以上的共析钢和过共析钢，属于高碳钢，属工具钢类。

主要用于制作刃具、量具、模具、轧制工具及耐磨损工具等。

要求有高强度、高硬度和高耐磨性等。

含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。

铸铁具有较低的熔点，优良的铸造工艺性能和良好的抗震性，且生产工艺简单，成本低廉，用途非常广泛。

如：各类机器的机身或底座，土建工程中的铸铁管，冶金工业中的钢锭模及轧辊等。