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铁碳合金相图分析

第四章铁碳合金

第一节铁碳合金的相结构与性能

一、纯铁的同素异晶转变

δ-Fe→γ-Fe→α-Fe

体心面心体心

同素异晶转变——固态下,一种元素的

晶体结构

随温度发生变化的

现象.

特点：

是形核与长大的过程重结晶

将导致体积变化产生内应力

通过热处理改变其组织、结构→ 性能

二、铁碳合金的基本相

基本相定义力学性能溶碳量

铁素体 F碳在α-Fe中的

间隙固溶体强度,硬度低,塑性,

韧性好

最大%

奥氏体 A碳在γ-Fe中的

间隙固溶体

硬度低,塑性好最大%

渗碳体Fe3C Fe与C的金属化

合物

硬而脆

800HBW,δ↑=αk=0

第二节铁碳合金相图一、相图分析

两组元：Fe、 Fe3C

上半部分图形二元共晶相

图

共晶转变：

1148℃ 727℃

→ + Fe3C →

P + Fe3C莱氏体Ld Ld′

2、下半部分图形共析相图

两个基本相：F、Fe3C

共析转变：

727℃

→ + Fe3C

珠光体P

二、典型合金结晶过程

分类：

三条重要的特性曲线

① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终

了线.

② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳

体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.

③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.

工业纯铁<%C

钢——亚共析钢、共析钢%C、过共析钢

白口铸铁——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁

L → L+A → A → PF+Fe3C

L → L+A → A → A+F →P+F

L → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ

4、共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C →LdA+Fe3C+ Fe3CⅡ → Ld′P+Fe3C+Fe3CⅡ

5、亚共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + A →Ld+A+ Fe3CⅡ → Ld′+P+ Fe3CⅡ

6、过共晶白口铸铁L → LdA+Fe3C + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C

三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系

1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响

2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响

四、铁碳合金相图的应用

1、选材方面的应用

2、在铸造、锻造和焊接方面的应用

3、在热处理方面的应用

第三节碳钢非合金钢

碳钢是指ωc≤%,并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金.铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能,且价格低廉,故广泛应用.

一、杂质元素对碳钢性能的影响

1、锰

Mn + FeO → MnO + Fe 脱氧

Mn+ S → MnS 炉渣去硫

Mn溶入铁素体→ 固溶强化

Mn溶入Fe3C → 形成合金渗碳体Fe, Mn3C Mn <%,对性能影响不大

2、硅

Si + FeO → SiO2 + Fe 脱氧

Si溶入铁素体→ 固溶强化

Si<%,对性能影响不大

3、硫

钢中S+Fe → FeS.FeS与Fe形成低熔点的共晶体985℃分布在晶界上,当钢在热加工1000~1200℃时,共晶体熔化,导致开裂——热脆

消除热脆：Mn+ S → MnS熔点高1620℃并有一定塑性硫是一种有害元素

4、磷

钢中磷全部溶于铁素体,产生强烈固溶强化,低温时更加严重——冷脆

磷是一种有害元素

二、碳钢的分类

按含碳量分：低碳钢～、中碳钢～、高碳钢～%

按质量分类：普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢S、P含量

按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢

三、碳钢的牌号、性能和应用

1、碳素结构钢

GB700-88 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275五大类,20个钢种

GB700-79 A1, A2, A3, A4, A5

Q235-AF表示：σs≥235Mpa,质量等级为A,沸腾钢.

应用：

Q195, Q215——塑性高,用于冲压件、铆钉、型钢等； Q235——强度较高,用于轴、拉杆、连杆等；

Q255, Q275——强度更高,用于轧辊、主轴、吊钩等.

2、优质碳素结构钢

优质碳素结构钢：优质钢、高级优质钢A、特级优质钢E 牌号：08F ——冲压件；

45——齿轮、连杆、轴类；

65 Mn——弹簧、弹簧垫圈、轧辊等.

3、碳素工具钢

牌号：T8、T8A——木工工具；

T10、T10A——手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模；

T12、T12A——锉刀、绞刀、量具.

4、铸钢

表示方法：用力学性能表示ZG200-400σs≥200Mpa,σb≥400Mpa

用化学成分表示ZG30%C

用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件,如轧钢机架、缸体、制动轮、曲轴等.

. 状态图中的特性点

Fe- Fe3C相图中各点的温度、浓度及其含义

Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义

二. 状态图中的特性线

Fe-C合金相图中的特性线

三. 状态图中的相区

在Fe-Fe3C相图中共有五个单相区、七个两相区和三个三相区.

五个单相区是:ABCD以上——液相区L

AHNA——δ固溶体区δα、δ

NJESGN——奥氏体区γ或A

GPQG——铁素体区α或F

DFKL——渗碳体区Fe3C或Cm

两相区是:L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、α+γ、γ+ Fe3C和α+ Fe3C.

三个三相区是:HJB线、ECF线和PSK线.

1. 工业纯铁含C≤%——其显微组织为铁素体+Fe3CⅢ.

2. 钢含C在~%——其特点是高温组织为单相奥氏体具有良好的塑性因而适于锻造.根据室温组织的不同钢又可分为三类:

① 亚共析钢< C <%——其组织是铁素体+珠光体

② 共析钢C=%——其组织为珠光体

③ 过共析钢< C≤%——其组织为珠光体+渗碳体

3. 铁在1538ºC结晶为δ-FeX射线结构分析表明它具有体心立方晶格.当温度继续冷却至1394ºC时δ-Fe转变为面心立方晶格的γ- Fe通常把δ-Fe←→γ- Fe的转变称为A4转变转变的平衡临界点称为A4点.当温度继续降至912ºC时面心立方晶格的γ- Fe又转变为体心立方晶格的α-Fe把γ- Fe←→α-Fe的转变称为A3转变转变的平衡临界点称为A3点.

4. 三条重要的特性曲线

① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.

② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二

次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.

③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727ºC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300ºC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727ºC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.

四. 名词

1. 铁素体:是碳在α-Fe中形成的固溶体常用“δ”或“F”表示.铁素体在770ºC以上具有顺磁性在770ºC以下时呈铁磁性.通常把这种磁性转变称为A2转变把磁性转变温度称为铁的居里点.碳溶于δ-Fe中形成的固溶体叫δ铁素体在1495ºC时其最大溶碳量为%.

2. 顺磁性:就是在顺磁物质中分子具有固有磁矩无外磁场时由于热运动各分子磁矩的取向无规宏观上不显示磁性;在外磁场作用下各分子磁矩在一定程度上沿外场排列起来宏观上呈现磁性这种性质称为顺磁性.

3. 铁磁性:就是磁性很强的物质在未磁化时宏观上不显示出磁性但在外加磁场后将会显示很强的宏观磁性.

4. 奥氏体:是碳溶于γ-Fe中所形成的固溶体用“γ”或“A”表示.奥氏体只有顺磁性而不呈现铁磁性.碳在γ-Fe 中是有限溶解其最大溶解度为%1148ºC.

5. 渗碳体:是铁与碳的稳定化合物Fe3C 用“C”表示.其含碳量为%.

由于碳在α-Fe中的溶解度很小所以在常温下碳在铁碳合金中主要是以渗碳体的形式存在.渗碳体于低温下具有一定的铁磁性但是在230ºC以上铁磁性就消失了所以

230ºC是渗碳体的磁性转变温度称为A0转变.渗碳体的熔点为1227ºC.它不能单独存在总是与铁素体混合在一起.在钢

中它主要是强化相它的形态、大小及分布对钢的性能有很大的影响.另外渗碳体在一定的条件下可以分解形成石墨状的自由碳.即Fe3C——→3Fe+C石墨

6. 珠光体:是由铁素体和渗碳体所组成的机械混合物常用“P”表示.珠光体存在于727ºC以下至室温.

五. 铁碳合金相图的应用

一在选材方面的应用

若需要塑性、韧性高的材料应选用低碳钢含碳为~%;需要强度、塑性及韧性都较好的材料应选用中碳钢含碳为~%;当要求硬度高、耐磨性好的材料时应选用高碳钢含碳为~%.一般低碳钢和中碳钢主要用来制造机器零件或建筑结构.高碳钢主要用来制造各种工具.

二在制定热加工工艺方面的应用

铁碳相图总结了不同成分的合金在缓慢加热和冷却时组织转变的规律即组织随温度变化的规律这就为制定热加工及热处理工艺提供了依据.

钢处于奥氏体状态时强度较低、塑性较好便于塑性变形.因此钢材在进行锻造、热轧时都要把坯料加热到奥氏体状态.

各种热处理工艺与状态图也有密切的关系退火、正火、淬火温度的选择都得参考铁碳相图.

六. 应用铁碳相图应注意的几个问题

1. 铁碳相图不能说明快速加热或冷却时铁碳合金组织的变化规律.

2. 可参考铁碳相图来分析快速加热或冷却的问题但还应借助于其他理论知识.

3. 相图告诉我们铁碳合金可能进行的相变但不能看出相变过程所经过的时间.相图反映的是平衡的概念而不是组织的概念.

铁碳相图是由极纯的铁和碳配制的合金测定的而实际的钢铁材料中还含有或有意加入许多其他元素.其中有些元素对临界点和相的成分都有很大的影响此时必须借助于三元或多元相图来分析和研究.

第二部分晶体结构

一. 金属键

1. 金属键:金属原子依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来这种结合方式叫金属键.

2. 在固态金属及合金中众多的原子依靠金属键牢固的结合在一起.

二. 晶体结构

1. 晶体:凡是原子或离子、分子在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体均是晶体.液态金属的原子排列无周期规则性不为晶体.

2. 晶体结构:是指晶体中原子或离子、分子、原子集团的具体排列情况也就是晶体中这些质点原子或离子、分子、原子集团在三维空间有规律的周期性的重复排列方式.

3. 三种典型的金属晶体结构

a. 体心立方晶格:晶胞的三个棱边长度相等三个轴间夹角均为90º构成立方体.除了在晶胞的八个角上各有一个原子外在立方体的中心还有一个原子.

b. 面心立方晶格:在晶胞的八个角上各有一个原子构成立方体在立方体6个面的中心各有一个原子.

c. 密排六方晶格:在晶胞的12个角上各有一个原子构成六方柱体上底面和下底面的中心各有一个原子晶胞内还有3个原子.

三. 固溶体

1. 固溶体:合金的组元以不同的比例相互混合混合后形成的固相的晶体结构与组成合金的某一组元的相同这种相就称为固溶体.

2. 置换固溶体:是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成固溶体.

3. 间隙固溶体:是指溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置而是填入溶剂原子间的一些间隙中.

4. 金属化合物:是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相又称为中间相其晶格类型和性能均不同于任一组元一般可以用分子式大致表示其组成.

除了固溶体外合金中另一类相是金属化合物.

四. 金属的结晶

1. 金属的结晶:金属由液态转变为固态的过程称为凝固由于凝固后的固态金属通常是晶体所以又将这一转变过程称之为结晶.

2. 杠杆定律的应用.

在合金的结晶过程中合金中各个相的成分以及它们的相对含量都在发生着变化.为了了解相的成分及其相对含量就需要应用杠杆定律.

对于二元合金两相共存时两个平衡相的成分固定不变.

五. 同素异构转变

当外部条件如温度和压强改变时金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变.

六. 晶体的各向异性

各向异性是晶体的一个重要特性是区别于非晶体的一个重要标志.

晶体具有各向异性的原因是由于在不同的晶向上的原子紧密程度不同所致.原子的紧密程度不同意味着原子之间的距离不同从而导致原子之间的结合力不同使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同.

第三部分元素的影响

1. 锰和硅的影响:锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂用以去除溶于钢液中的氧.它还可以把钢液中的F eO还原成铁并生成MnO和SiO

2.脱氧剂中的锰和硅总会有一部分溶于钢液中冷至室温后即溶于铁素体中提高铁素体的强度.锰对钢的机械性能有良好的影响它能提高钢的强度和硬度当含锰量低于%时可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性.

碳钢中的含硅量一般小于%它也是钢中的有益元素.硅溶于铁素体后有很强的固溶强化作用显著的提高了钢的强度和硬度但含量较高时将使钢的塑性和韧性下降.

2. 硫的影响:硫是钢中的有害元素.硫只能溶于钢液中在固态中几乎不能溶解而是以FeS夹杂的形式存在于固态钢中.硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂这种现象称为热脆.防止热脆的方法是往钢中加入适量的锰形成MnS可以避免产生热脆.

硫能提高钢的切削加工性能.在易切削钢中含硫量通常为%~%同时含锰量为%~%.

3. 磷的影响:一般来说磷是有害的杂质元素.无论是高温还是低温磷在铁中具有较大的溶解度所以钢中的磷都固溶于铁中.磷具有很强的固溶强化作用它使钢的强度、硬度显著提高但剧烈地降低钢的韧性尤其是低温韧性称为冷脆磷的有害影响主要就在于此.

4. 氮的影响:一般认为钢中的氮是有害元素但是氮作为钢中合金元素的应用已日益受到重视.

5. 氢的影响:氢对钢的危害是很大的.一是引起氢脆.二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷——白点在钢材纵断面上呈光滑的银白色的斑点在酸洗后的横断面上则成较多的发丝壮裂纹.存在白点时钢材的延伸率显著下降尤其是断

面收缩率和冲击韧性降低的更多有时可接近于零值.因此具有白点的钢是不能用的.

6. 氧及其它非金属夹杂物的影响:氧在钢中的溶解度非常

小几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中如FeO、AL2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等.除此之外钢中往往存在FeS、MnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等.这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性在静载荷和动载荷的作用下往往成为裂纹的

起点.它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大.因此对非金属夹杂物应严加控制.

第四部分热处理

一. 热处理的作用

1. 热处理:是将钢在固态下加热到预定的温度保温一定的

时间然后以预定的方式冷却下来的一种热加工工艺.

钢中组织转变的规律是热处理的理论基础称为热处理原理.热处理原理包括钢的加热转变、珠光体转变、马氏体转变、贝氏体转变和回火转变.

在临界温度以下处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体.

钢在加热和冷却时临界温度的意义如下:

铁碳合金相图全面分析

铁碳平衡图（The Iron-Carbon Diagrams）连聪贤本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。铁碳合金状态图的实际应用。锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。碳铁的分类、编号、性能和用途。铁碳合金状态图是金属热处理的基础。必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。练习绘制铁碳合金状态四、课程纲要（一）铁碳合金的构成元素及基本相

1. 合金的构成元素与名词解释（1）金属特性：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。（2）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。（3）相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分，物理上均质且可区分的部分。（4）固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。（5）固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。（6）化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。（7）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。

铁碳相图详解

三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁（<% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。 ⑵ 碳钢（%~%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（%~%C）、共析钢（%C）和过共析钢（%~%C）。 ⑶ 白口铸铁（%~%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（%~%C）、共晶白口铸铁（%C）和过共晶白口铸铁（—%C）下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。7点以下，随温度下降，Fe 3 C III 量不断增加，室温下Fe 3 C III 的最大量为： % 31 .0 % 100 0008 .0 69 .6 0008 .0 0218 .0 3 = ? - - = Ⅲ C Fe Q 。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为+Fe 3C III ，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3 C III 。

铁碳合金相图

1 Fe-C Fe 3 系合金的基本相 Fe-C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相C Fe 3 外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相： ⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。 ⑶奥氏体碳溶于γ-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 2 Fe-C Fe 3 相图 C,％(重量) →

图3.1 Fe -C Fe 3相图表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义 3.2.2 Fe -C Fe 3 相图中重要的点和线 3.2.2.1 三个重要的特性点 ⑴J 点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B 点成分的L 与H 点成分的δ 发生包晶反应，生成J 点成分的A 。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L 、δ、A 三相共存，反应式为：H B L δ +J A 或 09.053 .0δ+L 17 .0A 。 ⑵C 点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。C 点成分的L 发生共晶反应，生成E 点成分的A 和C Fe 3 。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L 、A 、C Fe 3 三相共存，反应式为：C L C Fe A E 3+ 或 3 .4L C Fe A 311.2+。共晶反应的产物是A 与C Fe 3 的共晶混合物，称莱氏体，用符号Le 表示，所以共晶反应式也可表达为： 3 .4L 3.4Le 。莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A

铁碳合金相图分析

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

铁碳合金相图分析及应用

第五章铁碳合金相图及应用 [重点掌握] 1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌； 2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程； 3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。第一节铁碳合金基本相一、铁素体 1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。 2．α相铁素体（用F表示）： C固溶到α-Fe中，形成α相。 F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）二、奥氏体 γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形三、渗碳体

Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。第二节 Fe-Fe3C相图分析一、相图中的点、线、面 1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A （2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。（3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：

铁碳合金相图详细讲解

第三章铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是 Fe -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 3.l.l 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87?。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度 b σ=30MPa ，伸长率0=δ。 3.1.2 基本相 Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相： ⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。 ⑶奥氏体碳溶于γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。奥氏体中

铁碳合金相图简析

合金相图中的特殊点线区点：16个。线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线： GS,ES,PQ。区：5个单相区， 7个两相区， 3个三相区。相图标注：相组成物标注的相图。组织组成物标注的相图。（即第二图）具体分析： 1）J为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应，生成J点成分的A。 2）C点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混合物，称莱氏体，以符号Ld表示。在显微镜下莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成珠光体）分布在渗碳体基体上。 3）S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分的A发生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。共析反应产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，以符号P表示。在显微镜下珠光体的形态呈片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体（宽条）。珠光体的强度很高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。 4）液相线ABCD，固相线AHJECF。两条磁性转变线：MO---铁素体的磁性转变线；过230 ℃的虚线---渗碳体的磁性转变线5）三条水平线 HJB---包晶转变线1495 ℃， LB+δH——AJ 即L0.53+ δ0.09——A0.17 ECF---共晶转变线L4.3——A2.11+Fe3C（共晶渗碳体） Le4.3 高温莱氏体 PSK---共析转变线——A1线 A S——F P+Fe3C（共析渗碳体） A0.77—— F0.0218+Fe3C——P（珠光体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间

铁碳相图详解

Fe-C相图详解图1 Fe-Fe3C合金相图 1、相图中的基本相及其符号表示（1）液相（L）：铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。（2）高温铁素体（δ）：碳固溶在δ-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；因存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，在1394℃以上存在；在1495℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.09%。（3）铁素体（α/F）：碳固溶在α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；由于晶格间隙很小，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%，因此其性能几乎和纯铁相同，强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。（4）奥氏体（γ/A）：碳固溶在γ-Fe中形成的间隙固溶体, 呈面心立方晶格结构，是钢铁的一种层片状的显微组织；由于八面体间隙较大，因此可以容纳更多的碳；奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。（5）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物；渗碳体的含碳量为ωc=6.67%，熔点为1227℃；其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大；在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对合金的性能有直接影响：一次渗碳体（Fe3C I）：液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体，为块状。共晶渗碳体（Fe3C共晶）：莱氏体中的渗碳体，呈骨骼/树枝状。二次渗碳体（Fe3C II）：由奥氏体中析出的渗碳体，为网状。

共析渗碳体（Fe3C共析）：珠光体中的渗碳体，呈片状。三次渗碳体（Fe3C III）：从铁素体晶界上析出，沿铁素体晶界呈断续片状/短棒状分布。（6）珠光体（P）：铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物；力学性能介于两者之间。（7）莱氏体（Ld/Ld’）：常温下是珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物；当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示；在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏。 2、相图中的特性点及其数值、物理意义 3 （注：部分相图中Q温度为600℃，ωC=0.0057%，代表600℃时碳在α-Fe中的溶解度） 3、相图中相变曲线的物理含义（1）恒温（1495℃）转变线HJB：包晶线。 0.09%≤ωC≤0.53%的铁碳合金（即ωC值落在H点和B点横坐标间的铁碳合金)在 1495℃发生包晶转变（L B+δH?A J），产生奥氏体。（2）恒温（1148℃）转变线ECF：共晶线。 2.11%≤ωC≤6.69%的铁碳合金（即ωC值落在E点和F点横坐标间的铁碳合金)在 1148℃发生共晶转变（L C?A E+Fe3C），产生莱氏体。（3）恒温（727℃）转变线PSK：共析线。 0.0218%≤ωC≤6.69%的铁碳合金（即ωC值落在P点和K点横坐标间的铁碳合金) 在727℃发生共析转变（A S?F P+Fe3C），产生珠光体。（4）ES（A cm线）：碳在奥氏体中的溶解曲线。 ωC≥0.77%的铁碳合金在由1148℃缓冷至727℃时沿奥氏体晶界析出二次渗碳体。（5）PQ：碳在铁素体中的溶解度曲线。 ωC≥0.0008%的铁碳合金,在由727℃缓冷至室温时沿着铁素体晶界析出三次渗碳体。（6）GS（A3线）：奥氏体与铁素体之间的转变曲线；此线以上全部为奥氏体。 4、相图中分界曲线的物理含义

铁碳合金相图

图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。 3.2.2 Fe C Fe 3三个重要的特性点 ⑴J 点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时。B 点成分的L 与H 点成分的δ 发生包晶反应，生成J 点成分的A 。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L 、δ、A 三相共存，反应式为：H B L δ+J A 或 09.053.0δ+L 17.0A 。

⑵C 点为共晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时。C 点成分的L 发生共晶反应，生成E 点成分的A 和C Fe 3。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L 、A 、C Fe 3三相共存，反应式为： C L C Fe A E 3+ 或 3 .4 L C Fe A 311.2+。共晶反应的产物是A 与C Fe 3 的共晶混合物，称莱氏体，用符号Le 表示，所以共晶反应式也可表达为： 3.4 L 3.4Le 。莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体。在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状A （727℃时转变为珠光体）分布在渗碳体基体上。 ⑶S 点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时S 点成分的A 发生共析反应，生成P 点成分的F 和C Fe 3。共析反应在恒温下进行，反应过程中A 、F 、C Fe 3三相共存，反应式为： S A C Fe F P 3+ 或 77 .0 A C Fe F 30218.0+ P P ⑴ 反应。 ⑵ ⑶ ⑷ ⑸ 2.11％，而在727从A II C 3的临⑹ 0.0008C Fe 3。 III C Fe 3 3.3 典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Fe -C Fe 3相图，铁碳含金可分为三类： ⑴ ()0.0218%C 工业纯铁≤ ⑵ ()()()()⎪⎩⎪⎨⎧≤〈=〈〈≤〈 2.11C 0.77过共析钢0.77%C 共析钢0.77%C 0.0218%亚共析钢2.11%C 0.0218%钢 ⑶ ()()()() ⎪⎩⎪⎨⎧〈〈=〈〈〈〈 6.69%C 4.3%过共晶白口铸铁 4.3%C 共晶白口铸铁 4.3%C 2.11%亚共晶白口铸铁6.69%C 2.11%白口铸铁

铁碳合金相图

铁碳合金相图非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是 Fe -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 3.l.l 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度 b σ=30MPa ，伸长率0=δ。 3.1.2 基本相 Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相： ⑴ 高温铁素体碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵ 铁素体碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。 ⑶ 奥氏体碳溶于γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。奥氏体中

铁碳合金相图

铁碳合金相图从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。一、铁碳合金中的基本相铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和 Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe 晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 1,铁素体(ferrite) 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格; 虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性. 铁碳合金中的基本相铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低. δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS. 铁碳合金中的基本相铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围. 铁碳合金中的基本相 2,奥氏体(Austenite ) 奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格; 虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%. 铁碳合金中的基本相在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%. 另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件. 铁碳合金中的基本相奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在. 铁碳合金中的基本相 3,渗碳体(Cementite)

铁碳相图详解

合用标准文案三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴工业纯铁（ <0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。 ⑵碳钢（ 0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相 A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（ 0.77%C）和过共析钢（ 0.77%~2.11%C）。 ⑶白口铸铁（ 2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（ 2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（ 4.3%C）和过共晶白口铸铁（ 4.3 — 6.69%C）下面结合图 3-26 ，剖析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。图 3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的地址㈠工业纯铁（图 3-26 中合金①）的结晶过程合金液体在 1~2 点之间经过匀晶反响转变为δ铁素体。连续降温时，在2~3 点之间，不发生组织转变。温度降低到 3 点今后，开始从铁素体中析出奥氏体，在3~4 点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增加，到达 4 点今后，铁素体全部转变为奥氏体。在4~5 点之间，不发生组织转变。冷却到 5 点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到 6 点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7 点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7 点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体 Fe C。7 点以下，随温度下降， Fe C 量不断增加，室温下Fe C 的最大 3 III 3 III 3 III Q Fe3CⅢ0.0008 100%0.31% 量为：。图 3-27 为工业纯铁的冷却曲线及组织转变表示图。工业纯铁的室温组织为+Fe C ，如图 3-28 所示，图中个别部位的双晶界内是Fe C 。 3 III 3 III

铁碳合金相图分析

第一节铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变 δ-Fe→γ-Fe→α-Fe 体心面心体心同素异晶转变——固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。特点： • 是形核与长大的过程（重结晶） • 将导致体积变化（产生内应力） • 通过热处理改变其组织、结构→ 性能二、铁碳合金的基本相基本相定义力学性能溶碳量铁素体 F 碳在α-Fe 中的间隙固溶体强度,硬度低，塑性,韧性好最大 0.0218% 奥氏体 A 碳在γ-Fe 中的间隙固溶体硬度低，塑性好最大 2.11% 渗碳体 Fe3C Fe与C的金属化合物硬而脆 800HBW,δ↑=αk=0 9.69%

一、相图分析两组元：Fe、Fe3C 上半部分图形（二元共晶相图）共晶转变： 1148℃ 727℃ L4.3 → A2.11+ Fe3C → P + Fe3C莱氏体Ld Ld′ 2、下半部分图形（共析相图）两个基本相：F、Fe3C 共析转变： 727℃ A0.77→ F0.0218 + Fe3C 珠光体P 二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线 ① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线. ② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线. ③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727ºC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300ºC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727ºC 冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ. 工业纯铁（<0.0218%C）钢（0.0218-2.11%C）——亚共析钢、共析钢（0.77%C）、过共析钢白口铸铁（2.11-6.69%C）——亚共晶