铁碳合金相图详解
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。
3.2 Fe -C Fe 3相图
3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义
Fe -C Fe 3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。
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
Fe -C Fe 33.2.2.1 三个重要的特性点
⑴
J 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 。 ⑵
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 （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+
共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称珠光体，用符号P 表示，因而共析反应可简单表示为：77.0
A 77.0P
P 中的渗碳体称为共析渗碳体。在显微镜下P 的形态呈层片状。在放大倍数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体片（窄条）与铁素体片（宽条）。
P 的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：
抗拉强度（b σ） 770MPa
延伸率（δ） 20～35％
冲击韧性（k a ） 30～402/cm J
硬度（HB ） 1802/mm kgf 3.2.2.2 相图中的特性线
相图中的ABCD 为液相线；AHJECF 为固相线。
⑴水平线HJB 为包晶反应线。碳含量0.09～0.53％的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。⑵水平线ECF 为共晶反应线。碳含量在2.11～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共晶反应。⑶水平线PSK 为共析反应线。碳含量0.0218～6.69％之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反应。PSK 线在热处理中亦称1A 线。⑷GS 线是合金冷却时自A 中开始析出F 的临界温度线，通常称3A 线。⑸ES 线是碳在A 中的固溶线，通常称cm A 线。由于在1148℃时A 中溶碳量最大可达2.11％，而在727℃时仅为0.77％，因此碳含量大于0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，将从A 中析出C Fe 3。析出的渗碳体称为二次渗碳体（II C Fe 3）。cm A 线亦是从A 中开始析出II C Fe 3的临界温度线。⑹PQ 线是碳在F 中的固溶线。在727℃时F 中溶碳量最大可达0.0218％，室温时仅为0.0008％，因此碳含量大于0.0008％的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中，将从F 中析出C Fe 3。析出的渗碳体称为三次渗碳体（II I C Fe 3）。PQ 线亦为从F 中开始析出II I C Fe 3的临界温度线。
II I C Fe 3数量极少，往往可以忽略。下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出过程。
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 ()()()()?????≤?=??≤? 2.11
C 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 下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析。
3.3.1 工业纯铁
以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。
合金在1点以上为液相L 。冷却至稍低于1点时，开始从L 中结晶出δ，至2点合金全 部结晶为δ。从3点起，δ逐渐转变为A ，至4点全部转变完了。4-5点间A 冷却不变。自5点始，从A 中析出F 。F 在A 晶界处生核并长大，至6点时A 全部转变为F 。在6-7点
间F 冷却不变。在7-8点间，从F 晶界析出II I C Fe 3。因此合金的室温平衡组织为F +II I C Fe 3。
F 呈白色块状；II I C Fe 3量极少，
呈小白片状分布于F 晶界处。若忽略II I C Fe 3，则组织全为F 。 图3.2工业纯铁结晶过程示意图
3.3.2 共析钢
其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。
合金冷却时，于1点起从L 中结晶出A ，至2点全部结晶完了。在2-3点间A 冷却不变。至3点时，A 发生共析反应生成P 。从3′继续冷却至4点，P 皆不发生转变。因此共析钢的室温平衡组织全部为P ，P 呈层片状。
共析钢的室温组织组成物也全部是P ，而组成相为F 和C Fe 3，它们的相对质量为：
%%%881006.69
0.776.69=?-=F ;%%%3121=-=F C Fe
图3.3 共析钢结晶过程示意图
3.3.3 亚共析钢
以含碳0.4％的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示。
合金冷却时，从1点起自L 中结晶出δ，至2点时，L 成分变为0.53％C ，
δ变为0.09％C ，发生包晶反应生成17.0A ，反应结束后尚有多余的L 。2′点以下，自L 中不断结晶出A ，至3点合金全部转变为A 。在3-4点间A 冷却不变。从4点起，冷却时由A 中析出F ，F 在A 晶界处优先生核并长大，而A 和F 的成分分别沿GS 和GP 线变化。至5点时，A 的成分变为0.77％C ，F 的成分变为0.0218％C 。此时A 发生共析反应，转变为P ，F 不变化。从5′继续冷却至6点，合金组织不发生变化，因此室温平衡组织为F +P 。F 呈白色块状；P 呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。碳含量大于0.6％的亚共析钢，室温平衡组织中
的F 常呈白色网状，包围在P 周围。
图3.4 亚共析钢结晶过程示意图
含0.4％C 的亚共析钢的组织组成物（F 和P ）的相对质量为：
%%%511000.02
0.770.020.4=?--=P ；%%%49511=-=F
组成相（F 和C Fe 3）的相对质量为：
%%%%;%%36941941006.69
0.46.69=-==?-=C Fe F
由于室温下F 的含碳量极微，若将F 中的含碳量忽略不计，则钢中的含碳量全部在P 中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算。即根据P 的含量可求出钢的含碳量为：%%%0.77?=P C 。由于P 和F 的密度相近，钢中P 和F 的含量（质量百分数）可以近似用对应的面积百分数来估算。
图3.5 过共析钢结晶过程示意图
3.3.4 过共析钢
以碳含量为1.2％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示。 合金冷却时，从1点起自L 中结晶出A ，至2点全部结晶完了。在2-3点间A 冷却不变，从3点起，由A 中析出II C Fe 3，II C Fe 3呈网状分布在A 晶界上。至4点时A 的碳含量降为0.77％，4-4′发生共析反应转变为P ，而 II C Fe 3不变化。在4′-5点间冷却时组织不发生转变。因此室温平衡组织为II C Fe 3+P 。在显微镜下，II C Fe 3呈网状分布在层片状P 周围。
含1.2％C 的过共析钢的组成相为F 和C Fe 3；组织组成物为II C Fe 3和P ，它们的相对质
量为：%%%%;%%C Fe I I 3937171000.77
6.690.77
1.2=-==?--=P
3.3.5 共晶白口铸铁
共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示。
图3.6 共晶白口铸铁结晶过程示意图
合金在1点发生共晶反应，由L 转变为（高温）莱氏体Le （A +C Fe 3）。在1′-2点间，Le 中的A 不断析出II C Fe 3。II C Fe 3与共晶C Fe 3无界线相连，在显微镜下无法分辨，但此时
的莱氏体由A +II C Fe 3+C Fe 3组成。由于II C Fe 3的析出，至2点时A 的碳含量降为0.77％，并发生共析反应转变为P ；高温莱氏体Le 转变成低温莱氏体Le ′(P +II C Fe 3+C Fe 3)。从2′至3点组织不变化。所以室温平衡组织仍为Le ′，由黑色条状或粒状P 和白色C Fe 3基体组成（见图3.12）。
共晶白口铸铁的组织组成物全为Le ′，而组成相还是F 和C Fe 3，它们的相对重量可用杠杆定律求出。
3.3.6 亚共晶白口铸铁
以碳含量为3％的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶讨程如图3.7所示。
图3.7 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
合金自1点起，从L 中结晶出初生A ，至2点时L 的成分变为含4.3％C （A 的成分变为含2.11％），发生共晶反应转变为Le ，而A 不参与反应。在2′-3点间继续冷却时，初生A 不断在其外围或晶界上析出II C Fe 3，同时Le 中的A 也析出II C Fe 3。至3点温度时，所
有A 的成分均变为0.77％，初生A 发生共析反应转变为P ；高温莱氏体Le 也转变为低温莱氏体Le ′。在3′以下到4点，冷却不引起转变。因此室温平衡组织为P +II C Fe 3+Le ′。网状II C Fe 3分布在粗大块状P 的周围，Le ′则由条状或粒状P 和C Fe 3基体组成。 亚共晶白口铸铁的组成相为F 和C Fe 3。组织组成物为P 、II C Fe 3、和Le ′。它们的相对质量可以两次利用杠杆定律求出。
先求合金钢冷却到2点温度时初生11.2A 和3.4L 的相对质量：
%%%%;%%3.411.241591591002.11
4.33
4.3=-==?--=L A
3.4L 通过共晶反应全部转变为Le ，并随后转变为低温莱氏体Le ′，所以Le ′％ = Le ％ = 3.4L ％ = 41％。
再求3点温度时（共析转变前）由初生11.2A 析出的II C Fe 3及共析成分的77.0A 的相对质量：
%%%%;%%77.0346590.77
6.69 2.11
6.6913590.776.690.772.11=?--==?--=A C Fe I I 。
由于77.0A 发生共析反应转变为P ，所以P 的相对质量就是46％。
3.3.7 过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异，唯一的区别是：其先析出相是一次渗碳体（I C Fe 3）而不是A ，而且因为没有先析出A ，进而其室温组织中除Le ′中的P 以外再没有P ，即室温下组织为Le ′＋I C Fe 3，组成相也同样为F 和C Fe 3，它们的质量分数的计算仍然用杠杆定律，方法同上。
3.4 含碳量与铁碳合金平衡组织、机械性能的关系
3.4.1 按组织划分的Fe -C Fe 3相图
由Fe -C Fe 3相图，可知铁碳合金室温平衡组织都由F 和C Fe 3两相组成，随含碳量增高，F 含量下降，由100％按直线关系变至0（含6.69％C 时）；C Fe 3含量相应增加，由0按直线关系变至100％（含6.69％C 时）。改变含碳量，不仅引起组成相的质量分数变化，而且产生不同结晶过程，从而导致组成相的形态、分布变化，也即改变了铁碳合金的组织。由图3.8，可见随着含碳量增加，室温组织
变化如下：F （+II I C Fe 3）→F +P →P →P +II C Fe 3→P +II C Fe 3+Le ′→Le ′→Le ′+I C Fe 3。
组成相的相对含量及组织形态的变化，会对铁碳合金性能产生很大影响。
3.4.2 碳钢的机械性能与碳含量的关系
对图3.8进行分析，得知铁碳合金的含碳量: 小于0.0218％时组织全部为F ；等于0.77％时全部为P ；等于4.3％时全部为Le ′；等于6.69％时全部为C Fe 3；在它们之间的组织则为相应组织的混合物。利用杠杆定律对其质量分数计算可得如图3.9所示的含碳量与组织（F 、P 、II C Fe 3、Le ′、
I C Fe 3）的数量关系。 C,% →
硬度（HB ）主要决定于组织中组 图3.8 标注组
织分区的Fe-Fe 3C 合金相图
成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。随碳含量的增加，由于硬度高的C Fe 3增多，硬度低的F 减少，所以合金的硬度呈直线关系增大，由全部为F 的硬
度约80HB 增大到全部为C Fe 3时的约800HB 。
强度是一个对组织形态很敏感的性能。随碳含量的增加，亚共析钢中P 增多而F 减少。P 的强度比较高，其大小与细密程度有关。组织越细密，则强度值越高。F 的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大；但当碳含量超过共析成分之后，由于强度很低的II C Fe 3沿晶界析出，合金强度的增高
变慢；到约0.9％时，II C Fe 3沿晶界形成完整的网，强度迅速降低；随着碳含量的增加，强度不断下降，到2.11％后，合金中出现Le ′时，强度已降到很低的值。再增加碳含量时，由于合
金基体都为脆性很高的C Fe 3，强度变化不大且值很低，趋近于C Fe 3的强度（约20～30MPa ）。 图3.9 含碳量与组织的关系
铁碳含金中C Fe
3是极脆的相，没有塑性，不能为合金的塑性作出贡献，合金的塑性全部由F 提供，所以随碳含量的增大，F 量不断减少时，合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时，塑性就降到近于零值了。见图3.10。
对于应用最广的结构材料亚共析钢，其硬
度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算: 图3.10 性能随含碳量的变化
硬度（HB ）≈%%P F ?+?18080或（HB ）≈%%C Fe F 3?+?80080；强度（b σ）≈)%(%MPa P F ?+?770230；延伸率（δ）≈%%P F ?+?2050。式中的数字相应为F 、P 或C Fe 3的近似硬度、强度和延伸率；符号相应表示组织中F 、P 或C Fe 3的含量。
3.5 Fe -C Fe 3相图的应用和局限性
3.5.1 Fe -C Fe 3相图的应用
Fe -C Fe 3相图在生产中具有重大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺
的制订两个方面。
3.5.1.1 在钢铁材料选用方面的应用
⑴Fe -C Fe 3相图所表明的某些成分-组织-性能的规律，为钢铁材料选用提供了根据；⑵建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材；⑶各种机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料，应选用碳含量适中的中碳钢；⑷各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选用含碳量高的钢种；⑸纯铁的强度低，不宜用做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁芯等；⑹白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
3.5.1.2 在铸造工艺方面的应用
根据Fe -C Fe 3相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50～100℃。从相图上可看出，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好。它们的凝固温度区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可以获得致密的铸件，所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。在铸钢生产中，碳含量规定在0.15～0.6％之间，因为这个范围内钢的结晶温度区间较小，铸造性能较好。
3.5.1.3 在热锻、热轧工艺方面的应用
钢处于马氏体状态时强度较低，塑性较好，因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行。
一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力小，节约能源，设备要求的吨位低，但温度不能过高，防止钢材严重烧损或发生晶界熔化（过烧）。
终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上一点，避免变形时出现大量铁素体，形成带状组织而使韧性降低。过共析钢变形终止温度应控制在PSK线以上一点，以便把呈网状析出的二次渗碳体打碎。终止温度不能太高，否则再结晶后奥氏体晶粒粗大，使热加工后的组织也粗大。一般始锻温度为1150～1250℃，终锻温度为750～850℃。
3.5.1.4 在热处理工艺方面的应用
Fe-C
相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热处理工艺如退火、正Fe
3
相图确定的。这将在下一章中详细阐述。
火、淬火的加热温度都是依据Fe-C
Fe
3
3.5.2 Fe-C
相图的局限性
Fe
3
Fe-C
相图的应用很广，为了正确掌握它的应用，必须了解其下列局限性。
Fe
3
⑴Fe-C
相图反映的是平衡相，而不是组织。相图能给出平衡条件下的相、相的成Fe
3
相分和各相的相对质量，但不能给出相的形状、大小和空间相互配置的关系。⑵Fe-C
Fe
3
图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态。实际生产中应用的钢和铸铁，除了铁和碳以外，往往含有或有意加入其它元素。被加入元素的含量较高时，相图将发生重大变化。严格说，在
相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的状这样的条件下铁碳相图已不适用。⑶Fe-C
Fe
3
态。相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热，或者在给定温度长期保温的情况下才能达到。就是说，相图没有反映时间的作用。所以钢铁在实际的生产和加工过程中，当冷却和加热速度较快时，常常不能用相图来分析问题。
3.6 碳钢及其常存杂质
碳钢被广泛使用在工农业生产中。它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。为了掌握碳钢的正确选择和合理使用、必须熟悉它的牌号和用途。
3.6.1 碳钢中杂质元素
由于原料和冶炼工艺的原因，碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量Mn、Si、S、P以及微量的气体元素O、H、N等非特意加入的杂质元素。Si和Mn是炼钢时作为脱氧剂（锰铁、硅铁）加入而残留在钢中的，其余的元素则是从原料或大气中带入钢中而冶炼时不能清除尽的有害杂质。它们对钢的性能有一定影响。
3.6.1.1 锰和硅的影响
Si、Mn加入钢中，可将钢液中的FeO还原成Fe，并形成
SiO和MnO。Mn还与钢液
2
中的S形成MnS而大大减轻S的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留钢中成为非金属夹杂。钢中含Mn量约为0.25～0.80％。钢中含Si量约为0.03～0.40％。
脱氧剂中的Si与Mn总会有一部分溶于钢液，凝固后溶于铁素体，产生固溶强化作用。在含量不高(＜1％)时，可以提高钢的强度，而不降低钢的塑性和韧性，一般认为Si、Mn 是钢中有益元素。
3.6.1.2 其它杂质的影响
⑴S的影响S在固态铁中几乎不溶解，它与铁形成熔点为1190℃的FeS，FeS又与 -Fe形成熔点更低的（985℃）共晶体。即使钢中含S量不高，由于严重偏析，凝固快完成时，钢中的S几乎全部残留在枝晶间的钢液中，最后形成低熔点的（Fe+FeS）共晶。含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工（加热温度一般在1150～1250℃之间），分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，一经轧制或锻打，钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。
如果钢水脱氧不良，含有较多的FeO ，还会形成（Fe +FeO +FeS ）三相共晶体，熔点更低（940℃），危害性更大。对于铸钢件，含硫过高，易使铸件发生热裂；S 也使焊件的焊缝处易发生热裂。
⑵P 的影响 P 在铁中固溶度较大，钢中的P 一般都固溶于铁中。P 溶人铁素体后，有较之其他元素更强的固溶强化能力，尤其是较高的含P 量，使钢显著提高强度、硬度的同时，剧烈地降低钢的塑、韧性，并且还提高了钢的脆性转化温度，使得低温工作的零件冲击韧性很低，脆性很大，这种现象通常称为钢的冷脆。
S 、P 在钢中是有害元素，在普通质量非合金钢中，其含量被限制在0.045％以下。如果要求更好的质量，则含量限制更严格。
在一定条件下S 、P 也被用于提高钢的切削加工性能。炮弹钢中加入较多的P ，可使炮弹爆炸时产生更多弹片，使之有更大的杀伤力。P 与Cu 共存可以提高钢的抗大气腐蚀能力。
⑶O 、H 、
N 的影响 O 在钢中溶解度很小，几乎全部以氧化物夹杂形式存在，如 FeO 、32O Al 、2SiO 、MnO 等，这些非金属夹杂使钢的力学性能降低，尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度等危害很大。
H 在钢中含量尽管很少，但溶解于固态钢中时，剧烈地降低钢的塑、韧性，增大钢的脆性，这种现象称为氢脆。
少量N 存在于钢中，会起强化作用。N 的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象，即含N 的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后，随时间的延长，钢的强度、硬度上升，塑、韧性下降，脆性增大，同时脆性转变温度也提高了，造成了许多焊接工程结构和容器突然断裂事故。
3.6.2 非合金钢（碳钢）的分类
根据GB/T 13304-91第一部分：钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。其中非合金钢即为原国标中的碳钢。
下面将原碳钢分类方法及新国标非合金钢的分类分列如下： 3.6.2.1 碳钢分类方法
碳钢主要有下列几种分类方法：
⑴按钢的碳含量分?????>-≤<-≤-0.6%
C 高碳钢0.6%C 0.25%中碳钢0.25%
C 低碳钢
⑵按钢的质量分?????≤≤-≤≤-≤≤-0.035%P 0.030%;
S 高级优质碳素钢0.040%P 0.040%;S 优质碳素钢0.045%P 0.055%;
S 普通碳素钢
⑶按用途分?????--刃具、量具、模具等）用于制造各种工具（如碳素工具钢等）件（如齿轮、轴、连杆建筑构件等）和机器零（如桥梁、船舶、
用于制造各种工程构件碳素结构钢
⑷按钢的冶炼方法分????????????---电炉钢
冶炼时吹氧
顶吹转炉钢冶炼时造酸性渣酸性转炉钢冶炼时造碱性渣
碱性转炉钢转炉钢（用转炉冶炼）平炉钢（用平炉冶炼）
3.6.2.2 非合金钢的分类方法
非合金钢主要按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。 ⑴按主要质量等级分为：
①普通质量非合金钢 普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要求的并应同时满足四种条件的所有钢种（条件见GB/T 13304-91）。
普通质量非合金钢主要包括：一般用途碳素结构钢（如 GB 700规定的A 、B 级钢）、碳素钢筋钢（如 GB 13031规定的Q 235钢）、铁道用一般碳素钢（如 GB 11264、GB 11265、GB 2826规定的轻轨和垫板用碳素钢）及一般钢板桩型钢。
②优质非合金钢 优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢，在生产过程中需要特别控制质量（例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面质量或增加工艺控制等），以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求（例如良好的抗脆断性能，良好的冷成型性等），但这种钢的生产控制不如特殊质量非合金钢严格（如不控制淬透性）。
优质非合金钢（见GB/T 13304-91）主要包括：机械结构用优质碳素钢、工程结构用碳素钢、冲压薄板的低碳结构钢、镀层板、带用的碳素钢、锅炉和压力容器用碳素钢、造船用碳素钢、铁道用优质碳素钢、焊条用碳素钢、非合金易切削结构钢、电工用非合金钢板、带及优质铸造碳素钢等。
③特殊质量非合金钢 特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能（例如，控制淬透性和纯洁度）的非合金钢，另外应符合GB/T 13304-91规定的条件的非合金钢（包括易切削钢和工具钢）。
特殊质量非合金钢主要包括：保证淬透性非合金钢、保证厚度方向性能非合金钢、铁道用特殊非合金钢、航空、兵器等专用非合金结构钢、核能用非合金钢、特殊焊条用非合金钢、碳素弹簧钢、特殊盘条钢及钢丝、特殊易切削钢、碳素工具钢和中空钢、电磁纯铁、原料纯铁等。
⑵按主要性能及使用特性分类
非合金钢按其基本性能及使用特性等主要特性分类如下：
①以规定最高强度（或硬度）为主要特性的非合金钢，例如冷成型用薄钢板。②以规定最低强度为主要特性的非合金钢，例如造船、压力容器、管道等用的结构钢。③以限制碳含量为主要特性的非合金钢（但下述④、⑤项包括的钢除外），例如线材、调质用钢等。④非合金易切削钢。⑤非合金工具钢。⑥具有专门规定磁性或电性能的非合金钢，例如无硅磁性薄板和带，电磁纯铁。⑦其他非合金钢，例如原料纯铁等。
3.6.3 碳钢的牌号及用途
下面按用途及质量介绍碳钢的牌号及用途。 3.6.3.1 普通碳素结构钢
普通碳素结构钢简称普碳钢。国家标准GB 700将其分为甲类钢、乙类钢和特类钢三类。其中以甲类钢为最常用。
⑴甲类钢（或A 类钢） 按机械性能供应。钢号为A 1、A 2……A 7等七种。数字越大，则屈服强度（s σ）和抗拉强度（b σ）越大，延伸率（δ）越小。甲类钢的机械性能及冷弯试验要求见GB 700。
甲类钢的用途：A 1，A 2，A 3钢塑性好，有一定的强度，通常轧制成钢板、钢筋、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等。A 4，A 5强度较高，轧制成型钢、钢板作构件用。A 6，A 7强度更高，可用作工具、农机零件、轻轨等。
甲类钢一般情况下在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。
⑵乙类钢（或B 类钢） 按化学成分供应。钢号为B 1，B 2……B 7等七种，数字越大，碳含量越高，见GB 700。
乙类钢的用途与相同号数的甲类钢相同。由于其化学成分已知，可进行热加工，并可通过适当的热处理提高其性能。
⑶特类钢（或C 类钢） 按机械性能及化学成分供应。钢号为C 2、C 3，C 4，C 5等四种。特类钢使用较少，在性能要求较高的场合，通常选用优质碳素钢。
普通碳素结构钢的编号中，常常标明钢种的冶炼方法。例如碱性转炉钢标“碱”或“J ”，酸性转炉钢标“酸”或“S ”，顶吹转炉钢标“顶”或“D ”，平炉钢则不标。例如：
甲4（A 4）表示平炉甲类4号普碳钢；乙碱3（BJ 3）表示碱性转炉乙类3号普碳钢；特酸3（CS 3）表示酸性转炉特类3号普碳钢。
钢在冶炼时根据其脱氧程度不同，可分为沸腾钢和镇静钢。脱氧不完全的钢称沸腾钢，在钢号后标注“F ”；脱氧较完全的钢称镇静钢，钢号后不加标注。例如A 4F 为沸腾钢。
3.6.3.2 优质碳素结构钢
优质碳素结构钢的钢号用平均碳含量的万分数表示。例如钢号“20”，即表示碳含量为0.20％（万分之二十）的优质碳素结构钢。“45”表示碳含量为0.45％的优质碳素结构钢。
若钢中锰含量较高，则在其钢号后附以符号“Mn ”，如15Mn 、45Mn 等。
优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。08F 塑性好，可制造冷冲压零件。10，20冷冲压性与焊接性能良好，可作冲压件及焊接件，经过适当热处理（如渗碳）后也可制作轴、销等零件。35，40，45，50经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。60，65主要用来制造弹簧。优质碳素结构钢使用前一般都要进行热处理。
3.6.3.3 铸钢
铸钢牌号的表示是在数字前冠以“ZG ”，数字则代表钢的平均碳含量（以万分数表达）。例如ZG 25，表示碳含量为0.25％的铸钢。
铸钢的流动性较差，凝固时收缩较大，并易生成魏氏组织。此组织特征是，铸件冷却时铁素体不仅沿奥氏体晶界，而且在奥氏体内一定的晶面上析出，呈粗针状。因而使钢的塑性及韧性降低，必须采用热处理来消除。
铸钢可用来铸造一切形状复杂而需要一定强度、塑性和韧性的零件，具体见铸造一篇。 3.6.3.4 碳素工具钢
碳素工具钢的碳含量在0.65～1.3％之间，钢号用平均碳含量的千分数表示，并在前冠以“T ”（碳的汉语拼音字头）字。例如，T 9是碳含量0.90％（即干分之九）的碳素工具钢。T 12是碳含量1.2％（即千分之十二）的碳素工具钢。
碳素工具钢均为优质钢。若属高级优质钢，则在钢号后标注“A ”字。例如，T 10A 表示碳含量为1.0％的高级优质碳素工具钢。
碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。T 7、T 8硬度高、韧性较高，可制造冲头，凿子、锤子等工具。T 9、T 10、T 11硬度更高，韧性适中，制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T 12、T 13硬度很高、韧性较低，制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。
习 题
3.1 对某一碳钢（平衡状态）进行相分析，得知其组成相为80％F 和20％C Fe 3，求此钢的成分及其硬度。
3.2 计算铁碳含金中C Fe 3的最大可能含量。
3.3 计算低温莱氏体Le ′中共晶渗碳体、C Fe 3和共析渗碳体的含量。
3.4 有一碳钢试样，金相观察室温平衡组织中，珠光体区域面积占93％，其余为网状II C Fe 3，F 与C Fe 3密度基本相同，室温时的F 含碳量几乎为零。试估算这种钢的含碳量。
3.5 亚共析钢的力学性能大致是其组织组成物平均值，例如硬度HBS ≈80α?％＋240?P ％，数字为
α、P 的硬度，α％、P ％为组织中α、P 的含量。试估算含碳量为0.4％的碳钢的硬度（HBS ）
、抗拉强度（b σ）、伸长率（δ％）。 3.6 含碳量增加，碳钢的力学性能如何变化并简单分析原因。
3.7 同样形状的一块含碳量为0.15％的碳钢和一块白口铸铁，不作成分化验，有什么方法区分它们？ 3.8 用冷却曲线表示E 点成分的铁碳合金的平衡结晶过程，画出室温组织示意图，标上组织组成物，计算室温平衡组织中组成相和组织组成物的相对重量。
3.9 10kg 含3.5％C 的铁碳含金从液态缓慢冷却到共晶温度（但尚未发生共晶反应）时所剩下的液体的成分及重量。
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：
铁碳相图以及铁碳合金
铁碳相图以及铁碳合金 Post By：2009-12-6 16:33:51 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe3C 相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe -石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下： 由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1 394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2） 碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体
铁碳合金相图详解
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。 3.2 Fe -C Fe 3相图 3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义 Fe -C Fe 3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
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。
铁碳相图以及铁碳合金
铁碳相图以及铁碳合金 发布日期：[08-03-10 14:26:26] 浏览人次：[5779 ] https://www.wendangku.net/doc/f010518141.html, 马棚网 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe 和C 能够形成Fe 3C, Fe 2C 和FeC 等多种稳定化合物。所以，Fe-C 相图可以划分成Fe-Fe 3C, Fe 3C-Fe 2C, Fe 2C-FeC 和FeC-C 四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe 3C 部分。，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过 化合物Fe 3C 称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe 和C ，C 原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe 3C 和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe 3C 相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe 3C 相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe 3C 。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe 是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2） 碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
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 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℃ 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）——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁 L → L+A → A → P(F+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 → Ld(A+Fe3C) → Ld(A+Fe3C+ Fe3CⅡ) → Ld′(P+Fe3C+ Fe3CⅡ) 5、亚共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + A → Ld+A+ Fe3CⅡ→ Ld′+P+ Fe3CⅡ 6、过共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C
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理论课教案 课题铁碳合金状态图（一）课程机械加工 基础 授课教师专业课型新授教案序号授课时间教学方法 1、掌握合金的基本概念及合金的组织。 教学 2、掌握固溶解，金属化合物质、混合物。 目标 教学重点难点及解决办法 作业 布置 学生听课教 情况学 学生掌握后情况 3、掌握铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体的符号及性能特点。 掌握铁碳合金的基本组织、性能 习题册 存在的问 记 题 审查签字 年月日
教学过程 教师活 教学内容学生活动动 一、新课导入 利用多媒体效果观察 回顾上一次课的内容，以提问的形式检查上节课学生的掌握 情况，举实例有技巧得到如本次课要学习的内容。 二、新课讲授 1、合金及其组织 金属：是由单一元素构成的具有特殊光泽、延展性、导电性、导热性的物质，如铁、金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。 合金：是由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过 熔炼或其他方法合成的具有金属特性的物质。 金属材料：金属及其合金的总称 （1）合金组织 固熔体、金属化合物、混合物 1）固熔体 是一种组元的原子熔入另一种组元的晶格中所形成的均匀固相。 溶入的元素称为溶质，而基体元素称为溶剂。 固溶体仍然保持溶剂的晶格类型。 固熔体根据溶质原子在晶格（溶剂）所处的位置不同可以分为： 间隙固熔体 置换固熔体 间隙固熔体：溶质原子分布于溶剂晶格间隙之中而形成的 固熔体。 举例：碳、氮、硼等非金属元素熔入铁中 特点：由于熔剂的晶格空间有限，所以溶质原子量是有限的。
：溶质原子：溶质原子 ：溶剂原子：溶剂原子 置换固熔体：溶质原子置换了熔剂晶格节点上某些原子而 形成的固熔体。 特点：原子半径相同或接近，周期位置接近，晶格类型差别小。 2）金属化合物： 定义；合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。 特性：（1）可用化学式来表示。 （2）复杂的晶格结构“三高一稳”的性能，高熔点、高硬度、高脆性 3）混合物： 定义：两种或两种以上的相按一定质量分数组成的物质。 特征：保持自己原来地晶格类型 性能：取决于组成相的性能，分布形态及数量和大小。 固熔强化：通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属材料强度、硬度提高的想象。学生复习总结三种合金组织
(完整版)铁碳合金相图(习题)
铁碳合金相图 一、选择题 1. 铁素体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 2.奥氏体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 3.渗碳体是一种（）。 A．稳定化合物 B．不稳定化合物 C．介稳定化合物 D．易转变化合物 4.在Fe-Fe3C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为（）。 A．2％ B．2.06％ C．2.11％ D．2.2％ 5.莱氏体是一种（）。 A．固溶体B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 6.在Fe-Fe3C相图中，ES线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 7.在Fe-Fe3C相图中，GS线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 8. 在Fe-Fe3C相图中，共析线也称为（）。 A．A1线 B．ECF线 C．Acm线 D．PSK线 9.珠光体是一种（）。 A．固溶体 B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 10.在铁－碳合金中，当含碳量超过（）以后，钢的硬度虽然在继续增加，但强度却在明显下降。 A．0.8％ B．0.9％ C．1.0％ D．1.1％ 11.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，其晶粒区从表面到中心的排列顺序为（）。 A．细晶粒区－柱状晶粒区－等轴晶粒区 B．细晶粒区－等轴晶粒区－柱状晶粒区 C．等轴晶粒区－细晶粒区－柱状晶粒区 D．等轴晶粒区－柱状晶粒区－细晶粒区 12.在Fe-Fe3C相图中，PSK线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 13.Fe-Fe3C相图中，共析线的温度为（）。 A．724℃ B．725℃ C．726℃ D．727℃ 14.在铁碳合金中，共析钢的含碳量为（）。 A．0.67％ B．0.77％ C．0.8％ D．0.87％ 二、填空题 1. 珠光体是（铁素体）和（二次渗碳体）混合在一起形成的机械混合物。 2. 碳溶解在（α-F e）中所形成的（固溶体）称为铁素体。
铁碳合金相图分析应用
铁碳合金相图在实际生产中应用之我见 摘要：铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，实际应用中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Fe 3C、Fe 2 C、 FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe 3C部分，通常称其为 Fe-Fe 3 C相图,相图中的 组元只有Fe和Fe 3 C。 关键词：相图分析结晶应用 一、铁碳合金基本相 1、铁素体δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。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%）。 2、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 3、渗碳体 Fe 3 C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。 二、Fe-Fe 3 C相图分析 1、相图中的点、线、面 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）+Fe 3C（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、Fe 3 C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：A →F（0.0218%C）+Fe 3 C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）。共析 反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe 3 C三相共存。共析反应的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。珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：抗拉强度极限σb≈770MPa 冲击韧性ak≈3×105J/m2～4×105J/m2 延伸率δ≈20%～35% 硬度：180HB 液固相线：液相线ABCD 固相线AECF 2、Fe-C合金平衡结晶过程 工业纯铁（C%≤0.0218%）：铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。 L →L+A →A →A+F →F →F+Fe 3C III 相组成物：F+Fe 3 C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%） 相相对量：F%= Fe 3 C%= 组织组成物：F和Fe 3C III 工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。共析钢（C%=0.77%）： 相组成物：F和Fe 3 C 相相对量：F%= Fe 3 C%= 组织组成物：P L →L+A →A →A+P →P 亚共析钢（0.0218%＜C%＜0.77%）： L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F
铁碳合金相图
铁碳合金相图 刘伟张宜峰 （四川理工学院机械工程系，四川自贡 643000） 摘要：钢和铸铁是工业上应用最多 ,用途最广的金属材料 ,它们都是铁碳合金 ,而铁碳合金相图则是钢和铸铁的重要理论基础 ,用 Fe- Fe 3 C相图对典型成分的铁碳合金结晶过程进行分析 ,可进一步掌握铁碳合金成分—组织—性能之间的关系 ,对钢铁材料的研究和应用、各种热加工工艺的制定具有很重要的指导意义。 关键字：铁碳合金、相图、结晶过程 引言：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拙,也是制定各种热加工工艺的依据。铁碳合金相图 实际上是Fe-Fe 3C相图,铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe 3 C。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-Fe 3 C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。间隙固溶体主要包括铁素体、奥氏体以及渗碳体。如图1所示。铁碳相图是制定各种热加工及热处理工艺的依据,利用它还可以分析钢铁材料的性能,从而作为选材的理论根据,它是学习铁碳合金的一个重要工具。 图1
1、铁碳合金相图简介 1.1、铁碳合金相图 912℃G 6.0Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 P F +P L'd 200 400Q F+A P F 600800S 6.69 Fe 3C K 温 度 /1400 1394℃A 1200℃ 10001148℃ E L+A C 1600A H L+δ B L D F w c (%) 727℃ δδ+A L d F+Fe 3C Ⅲ P+Fe 3C Ⅱ+L'd P+Fe 3C Ⅱ Fe 3C Ⅰ+L'd A+Fe 3C Ⅱ+L d L+Fe 3C Ⅰ A+Fe 3C Ⅱ Fe 3C Ⅰ+L d J 铁碳合金相图2 注：表示在平衡条件下，不同成分的铁碳合金、在不同温度下与组织或状态之间关系的图形。 铁和碳可以形成一系列的化合物，铁碳合金相同是研究铁碳 合金的基础。当铁碳合金的含碳量超过 6．69％时，脆性极大 ，没 有实用价值，因此本文讨论的铁碳合金相图，实际是简化后的铁 碳合金相图，相图的两个组元是 Fe 和 Fe3C 。如图 2所示，铁碳合金相图中各点的温度、含碳量及含义见表 1。