《机械工程材料与热加工》第三章 铁碳合金相图

第3章 铁碳合金相图
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非合金钢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。要掌握非合金钢和铸铁的组织、性能、特 点及热处理原理，首先必须了解铁碳合金中成 分、组织与性能之间的相互关系。铁碳合金相 图就是研究铁碳合金组织与性能关系的重要工 具，它为铁碳合金的选材提供了理论依据，同 时又是制定铸、锻、热处理等加工工艺的重要 依据之一。本章将着重讨论铁碳相图及其应用 方面的一些问题。
3.2 铁碳合金相图基础知识
纯铁的同素异构转变
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
铁碳合金的基本相 （1）铁素体：碳溶于 - Fe 的固溶体，用符号 或F 表示。 （2）奥氏体：碳溶于 - Fe 的固溶体，用符号 或 A 表示。 （3）渗碳体：铁和碳形成的稳定化合物Fe C ，可用符号 Cm 表示。 （4）珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物，用符号P 表示，其含碳量为0.77%。 （5）莱氏体： 在727℃以上时，是奥氏体与渗碳体组成的机械混合 物，用符号Le 表示； 在727℃以下，是珠光体与渗碳体组成的机械混合物， 用符号 表示。 Le
共析钢结晶过程
室温组织：珠光体P
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
亚共析钢结晶过程
室温组织：珠光体P+铁素体F
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
过共析钢结晶过程
室温组织：珠光体P+二次渗碳体Fe3CⅡ
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
共晶白口铸铁结晶过程
第3章 铁碳合金相图
知识目标
1. 了解纯金属与合金的晶体结构，熟悉纯铁的同 素异构转变。 2. 了解铁碳合金的基本相，熟悉铁碳合金基本相 的晶体结构、溶碳能力、力学性能等。 3. 掌握铁碳合金相图的画法；熟悉特性点、特性 线的含义；能够正确填写相区组织。

L A
奥氏体和渗碳 体组成的机械 混合物莱氏体, 为蜂窝状, 以Fe3C为基, 性能硬而脆。 塑性很差
共析转变线PSK:（A1线）
AS 727℃ FP+ Fe3C P
A
F
珠光体是铁素体 和渗碳体片层相 间的组织,呈指 纹状。 较高强度和硬度， 塑性较差
HJB:包晶反应 LB+δH⇄ AJ
δ
L
A
三条重要的相界线 Acm
共析钢
白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
组织组成物 相对量/%
100
F
0
Fe3CⅡ
P
Ld’
Fe3CⅠ
相组成物 100 相对量/% 0
F
Fe3C
⒉ 含碳量对力学性能的影响 亚共析钢随含碳量增加,P 量增加，钢的强度、
硬度升高，塑性、韧性下降。
0.77%C时,组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
温度℃
1600 A L+δ
1500 δ H
B
1400
J
L
N
1300
δ+A
Lห้องสมุดไป่ตู้A
L+Fe3C D
1200
1100
A
E
C
1148 F
1000
900 G
Ld
800 700
F
F+A P
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld S
Fe3CⅠ+Ld727
K
600
P
Ld’
F+Fe3CⅢ F+P P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld’

亚共析钢组织转变过程
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• 例 C0.4%亚共析钢室温下相
的相对重量百分比为：
Q Fe3C 6%
0.4 0 100 % 6.69 0
S’
Q F 100 % Q Fe3C 94 %

C0.4%亚共析钢室温下组织组成物的相对重量百分比为：
0.4 0 QP 100% 52%, 0.77 0 Q F 100% 52% 48%.
组织特征图
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图 组织转变过程
共析钢组织金相图
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③亚共析钢的结晶过程分析
含碳量为0.008～<0.77％的铁碳合金③的结晶过程 开始阶段合金的结晶过 程与合金2)类似，当冷却到3点(即GS线上的点)时，便从均匀的奥氏体中开始析 出铁素体，随着温度的下降，铁素体量逐渐增多，未转变的奥氏体中的含碳量 沿GS线逐渐增加，即趋近于s点的成分，当温度降至4点(727℃)时，组织中剩余 的奥氏体的含碳量增至O.77％，因此发生共析反应转变为珠光体，4点以下再继 续冷却，组织基本上不再变化。这种含碳量<0.77％的铁碳合金叫亚共析钢，所 有亚共析钢常温时的组织都是由铁素体和珠光体组成，不过因含碳量的不同两 者的相对量不同，含碳量愈高，组织中的珠光体量愈多，而铁素体量愈少。亚 共析钢的组织转变如下图。
纯铁的晶体结构： 1538OC以上（L）， 1538OC—1394OC （体心立方 δFe）,1394OC-912 OC(面心立方 γFe),912 OC以下体 心立方α-Fe。
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1、相图分析
（1）铁碳合金状态图中的各特性点列表 特性点 A C D E F G K P S Q 温度℃ 1538 1147 1227 1147 1147 912 727 727 727 600 含碳量% 0 4.30 6.67 2.06 6.67 0 6.67 0.02 0.77 0.006

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。