工程材料学 第4章 铁碳合金

组织组成物: F ; P 0.77-0.45
F=
100%=43%
0.77-0.02
0.02
0.77
0.45-0.02
0.45
6.69
P=
100% = 57% P = 1 – WF = 57%
工程材料学 3
第一节 铁碳合金系相图 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。
工程材料学 4
第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金组元
1、Fe 过渡族元素，熔点为1538℃， 密度是7.87g/cm3。
第一节 铁碳合金系相图
工业纯铁(C%<0.02%)
在PQ线以下缓冷时，含碳 量大于Q点(0.0008%)的铁碳合 金在F晶界上析出三次渗碳体 Fe3CⅢ，最终组织为F + Fe3CⅢ。 因Fe3CⅢ量少，在晶界呈薄片状 断续分布，对性能影响丌大，一 般可忽略丌计。可认为工业纯铁 的组织为单一铁素体。
共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体， 记录Ld(Ledeburite)
共析反应，产物为两相层片交替分布的 共析体组织称为珠光体，记录 P(Pearlite)
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第一节 铁碳合金系相图 Fe-Fe3C合金相图
2、相图中各点的参数及含义
第二节 铁碳合金平衡冷却分析
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第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金中的基本相
钢中的渗碳体
铁素体
铸铁中的石墨
奥氏体
第一节 铁碳合金系相图
铁碳双重相图
Fe-C相图：稳定，虚 线表示； Fe-Fe3C相图：亚稳， 实线表示。
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工程材料学 10
第一节 铁碳合金系相图
Fe-Fe3C合金相图
1、相区
五个单相区：
L (A) a (F) Fe3C
室温时的组织中有
P + Fe3CⅡ + Fe3C, 称 为变态莱氏体，记着：
L’d
Ld
L’d
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 共晶白口铁(C%≈4.3%)
L’d中，P为黑色的斑点或条块状，Fe3C基体为白色
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析
五、共晶白口铁
在 C 点（1148℃）发生共 晶转变，全部变成 Ld， 即A + Fe3C。
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
组织相对数量计算：
根据杠杆定律可以推得，P在钢中的相对量与钢的含碳量 x的近似关系是：WP＝ x / 0.77 ， WF＝1－WP
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 过共析钢(C%=0.77~2.11%)
在ES线以下缓冷时， 在A晶界上析出二次相 Fe3CⅡ, A共析转变为P 后，二次渗碳体Fe3CⅡ 保留在P周围，形成网 状组织，这种网状组 织使钢的力学性能明 显下降，属有害组织， 必须消除。
第四章 铁碳合金
主讲人：胡树兵
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Outline
1 铁碳合金系相图 2 铁碳合金平衡冷却过程分析 3 碳对铁碳合金的影响 4 碳钢 5 铸铁
第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，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。
3、 C ： 游离的碳有石墨和金
刚石两种晶体结构，在铁 碳合金中的游离态是石墨。 石墨(Graphite)具有简单 六方晶格,两层晶面间的结 合力弱。石墨的性能特点 为耐高温，可导电，有一 定的润滑性，但其强度、 硬度、塑性和韧性都极低。
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第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金中的基本相
铁素体 C在α -Fe中的间隙固溶体，记为α 或F(Ferrite)，晶体结构为 bcc。铁素体溶碳能力极微，其性能是软、韧。 奥氏体 C在γ-Fe中的间隙固溶体，记为γ或A(Austenite)，晶体结 构为fcc。奥氏体溶碳能力也低，其性能也是软、韧。 δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度 较高，组织形貌一般丌观察，也有称高温铁素体。 渗碳体 Fe3C相 铁和碳生成的间隙化合物，含碳量6.69%，晶体结 构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，记为Fe3C， 也有写为Cm(Cementite)。性能：硬、脆。 石墨 在铁碳合金中以游离状态存在的碳，G(Graphite)。 液相 碳在高温下的熔融液体，相图中标记 L(Liquid)。
J B 1495℃
力学性能：强度、硬度低； N 塑性好。
G
D
E
C
F
2.11
PS
727℃
K
Q 工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析
2、铁素体（F）——C溶于a-Fe形成的固溶体
相：体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号a表示。 组织：称为铁素体，用符号F表示。
B
含碳量：0~0.0218%(727 ℃) 0~0.0008%(室温)
含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁) 温度范围：<727℃
1148℃
LC ⇌
Ld（ E+Fe3C）
727 ℃+t
s + Fe3CⅡ
727 ℃-t
P
B
NJ

E
G
PS a+Fe3C
D
F C 1148℃ Ld
K 727℃
Ld′
室温组织: 室温莱氏体
Ld′ (P + Fe3CⅡ +Fe3C）
Q
4.3
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组织转变 L L＋A
A＋Ld
A＋Fe3CII＋Ld
P＋Fe3CII＋L’d
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)
第二节 铁碳合金平衡冷却分析过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)
P＋Fe3CII＋L’d组织：黑色带树枝状特征的是P，P周 围是白色Fe3CⅡ 网，L’d具有黑白斑点状
⑴ 力学性能： 软、韧 ⑵ 同素异构转变： 纯铁在912℃ 和 1394℃会发生同素异构转变。铁素体 的磁性转变温度为770℃(居里点)。
• 912℃Βιβλιοθήκη Baidu下的纯铁称 a-Fe, bcc结构
• 912℃ ~1394 ℃的称 g-Fe, fcc结构 • 1394 ℃以上的称 d-Fe, bcc结构
工程材料学 5
在1148℃以下的缓冷中， A的成分沿 ES 线变化， 并在周围析出Fe3CⅡ。至 727 ℃，A的成分到达S点 ，发生共析转变变成P。
室温时的组织是：
P + Fe3CⅡ + Fe3C, 称为变态莱氏体，记着： L’d
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共晶白口铁的结晶过程
工程材料学
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢的结晶过程
组织转变 L → L＋A → A → F+A → F+P
工程材料学 25
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 亚共析钢(C%=0.02～0.77%)
727
L
4.3 1148 C
L+Fe3C D
F
+Fe3C
K
400
200
0Q
Fe
1
a+ Fe3C
Fe3C
2
3
4
5
6 6.69
Fe－Fe3C相图
Wc(%)
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析
1、奥氏体（A） —— C溶于-Fe形成的固溶体
含碳量：0~2.11% 温度范围：727 ℃ ~1495 ℃
工 亚共 过
业 共析 共
纯 析钢 析
铁钢
钢
白亚 白共 口共 口晶 铁晶 铁
白过 口共 铁晶
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析
1146A0000
N 1200
+L
B 0.53 1495
J 0.17
H0.09
+
L+
2.11
1000 G a+
E
800 0.77
a
600
PS 0.02
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组织转变 L
L+Fe3CI
Fe3CI+Ld
Fe3CI+L’d
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)
Fe3CI＋L’d组织：白色板条状的是Fe3CI ，L’d具有黑 白斑点状
说明：Fe3C的形式 一次渗碳体Fe3CI ，二次渗碳体Fe3CII，三次 渗碳体Fe3CIII，共晶Fe3C，共析Fe3C
A
L+

温N
度
HJ
A+
B
L
D
L+A
A
E
C
L+ Fe3C F
G
F
A+F
P
A+ Fe3C
S
A+ Fe3CⅡ
Ld A+ Fe3CⅡ+Ld
Le+ Fe3CⅠ
P
F+ Fe3C
K
Q P+F
P+
Ld’
Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ld’ Le’+ Fe3CⅠ
Fe F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析
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第一节 铁碳合金系相图
工业纯铁的结晶过程
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 共析钢(C%≈0.77%)
在727℃収生共 析转变，全部变成珠 光体，再继续冷至室 温。室温平衡组织为 P。
工程材料学
相转变过程 组织转变过程
L→L+→→P
工程材料学 22
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 共析钢的结晶过程
第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金组元
2、 Fe3C ： 具有复杂结构的间隙化合物，通常称渗碳体。
含碳量6.69%，硬度很高，强度低，塑性韧性很 差。
理论熔化温度1227℃。是介稳定化合物，条 件适当时，会分解成单质状态的石墨C 。
Fe3C→3Fe+C(石墨)
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第一节 铁碳合金系相图 铁碳合金组元
组织转变：L
L＋A
A
A＋Fe3CII P＋Fe3CII
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 过共析钢(C%=0.77~2.11%)
说明：脆性的渗碳体以网分隔了材料，所以材料的性能特点很 脆，工程中使用并不希望出现这种组织。
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 过共析钢(C%=0.77~2.11%)
七个双相区：
L＋ L＋ L＋ Fe3C
＋
＋ Fe3C
a＋ a ＋Fe3C
三个三相区：
HJB线 L＋＋ 包晶反应线
ECF线 L ＋ ＋ Fe3C 共晶反应线
PSK线 ＋a ＋Fe3C 共析反应线
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第一节 铁碳合金系相图 Fe-Fe3C合金相图
包晶反应，収生在高温，并且在随后的 冷却过程中组织还会収生变化，丌作讨 论。
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 组织组成物在铁碳合金相图上的标注
• 组织组成物与相组 成物标注区别主要
在+ Fe3C和 a+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有四 个组织组成物区， a+Fe3C相区中有七 个组织组成物区。
+ Fe3C a + Fe3C
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工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析
含碳量：0.77% (称为共析钢) 温度范围：<727℃
B
NJ
D
F

EC
G
727℃
K
S ⇌
P（a-Fe+Fe3C）
PS
力学性能：强度、硬度较高； 塑性较好。
钢丝绳
a+Fe3C Q 0.77
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析
4、莱氏体（Ld）—A和Fe3C形成的机械混合物
相： + Fe3C两种相。 组织：莱氏体，用符号Ld表示。
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 共析钢(C%≈0.77%)
共析转变全部生成共析组织，两相一般为层片状分布，组织为 单一的珠光体。若放大倍数不够，则层片不能看清。两相的重 量比≈两相的厚度比≈8:1
F

6.69 0.77 100% 88.5% 6.69
Fe3C 1 88.5% 11.5%
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第二节 铁碳合金平衡冷却分析 共晶白口铁(C%≈4.3%)
组织转变 L (L＋Ld)
在 C 点（1148℃）
发生共晶转变，全部变 成 Ld，即A + Fe3C。
在1148℃以下的缓冷 中，A的成分沿 ES 线变
化，并在周围析出 Fe3CⅡ。至727 ℃，A的 成分到达S点，发生共析 转变变成P。
NJ
D
温度范围：<912℃
912 ℃
EC
F
G
力学性能：强度、硬度低；塑性好。
K
PS
0.0218
工业纯铁——<0.02%C，
冷轧提高强度，得到冷轧板。
0.0008
Q
工程材料学
第二节 铁碳合金平衡冷却分析 3、珠光体（P）——a和Fe3C形成的机械混合物
相：a+ Fe3C两种相组成 组织：珠光体，用符号P表示