第04章 铁碳合金

钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，其基本组元是铁和碳元素，因此称为铁碳合金。

为了掌握钢铁材料的成分、组织和性能之间的关系，为以后的生产应用做好准备，就必须学习和研究铁碳合金相图。

铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物（Fe3C、Fe3C、FeC 等），但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大，无实际应用价值，所以在铁碳合金相图中，只需研究Fe-Fe3C部分（含碳量≦6.69%）。

第一节铁碳合金的基本相在铁碳合金中，铁和碳元素的相互作用方式有两种：（1）碳原子溶解到纯铁的晶格中，形成固溶体，如铁素体和奥氏体；（2）铁和碳原子相互作用形成金属化合物，如渗碳体。

一、铁素体：α 、F碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，它仍保持α-Fe的体心立方结构。

由于铁素体的含碳量较低（室温下w=0.0008%），其性能与纯铁相近。

c铁素体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性和韧性。

抗拉强度σb：180~280MPa屈服强度σs：100~170MPa硬度HB：50~80HBW伸长率δ：30~50%冲击韧性A k：160~200J二、奥氏体：γ、A碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，它仍保持γ-Fe的面心立方结构。

奥氏体溶解碳原子的能力与温度有关，1148℃时w c=2.11%，727℃时w c=0.77%。

一般奥氏体的硬度约为170~220HBW，伸长率δ约为30~50%。

因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成型。

三、渗碳体：FeC3渗碳体是一种具有复杂晶格结构的金属间化合物，其性能特点是硬度很高（约1000HV），且脆性很大（δ，αk≈0）。

渗碳体在碳钢中不能作为基体相，而是作为强化相存在，它的存在形态（网、片、条、粒状等），对碳钢的性能有很大的影响。

例如，渗碳体以细小的颗粒状形态，均匀分布在固溶体基体相上，则碳钢的力学性能较好；但是，渗碳体呈较粗大形态或网状分布时，则碳钢的脆性会增大。

第二节铁碳合金相图分析分析相图：注意相图中的恒温反应！钢铁的分类：（1）工业纯铁w c＜0.0218%（2）钢0.0218%＜w c＜2.11%（3）白口铸铁2.11%＜w c＜6.69%简化的铁碳相图及各点说明：一、液相线：ACD固相线：AECF二、ECF 共晶反应线L C→ A E+ Fe3C共晶产物（A + Fe3C）称为莱氏体，用符号Ld 或Le表示。

第四章铁碳合金第一节铁碳合金的组元和基本相一、铁碳合金中的组元和基本相1、铁碳合金相图中的组元（合金中最基本、最独立的物质，一般来说组元是元素或稳定化合物）：铁和渗碳体2、铁碳合金相图中的基本相（分为固溶体和化合物）：铁素体、奥氏体、δ铁素体、渗碳体。

3、钢经过一定的结晶过程都要变成奥氏体，所以通常不研究δ铁素体。

二、铁的同素异晶转变1、固态下的相变结晶过程称为重结晶。

2、A0转变渗碳体在230℃时发生磁性转变，由高温顺磁性转变为低温铁磁性。

3、A2转变α—Fe在770℃时发生磁性转变，由高温顺磁性转变为低温铁磁性。

晶格类型没有发生转变，不属于相变。

4、A3转变γ—Fe和α—Fe相互转变5、A 4转变δ—Fe和γ—Fe相互转变第二节铁碳合金相图分析详见课本1、相图是由包晶转变、共晶转变和共析转变拼接而成，是液态结晶与固态重结晶的综合结果。

2、NH线是δ—Fe转化成γ—Fe开始线。

NJ线是δ—Fe转化成γ—Fe终止线线。

是由铁的同素异构转变图中的A4演化来的。

3、PSK线是共析反应线。

又称A1线。

4、ECF线是共晶转变线。

产物莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物。

基体是渗碳体，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体上，由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。

5、GS线是γ—Fe开始转变成α—Fe的线，也是α—Fe转化成γ—Fe的终止线。

由铁的同素异构转变图中的A3演化来的。

又称A3线。

6、GP线是α—Fe转化成γ—Fe的开始线，γ—Fe转变成α—Fe的终止线。

7、SE线是碳在奥氏体中溶解度的曲线。

又称ACm线。

从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体。

8、PQ线是碳在铁素体中溶解度的曲线。

从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体。

9、同一种组成相由于生成条件不同，虽然相的本质未变，但形态可以有很大差异。

10、从奥氏体中析出的铁素体－般且在块状，共析反应生成的珠光体中的铁素体，由于同渗碳体相互制约，呈交替层片状，同时共析渗碳体也呈交替层片状。

第四章铁碳合金第一节铁碳合金系相图一、铁碳合金系组元的特性1、纯铁纯铁的同素异构转变金属在固态下，晶格类型随温度变化的现象。

重结晶δ－Ｆｅ。

α－Ｆｅ，γ－Ｆｅ2、碳石墨：六棱柱体0.142纳米0.34纳米耐高温导电润滑强度、硬度、塑性、韧性极低金刚石:正四面体共价键巴基球:60个碳原子12个五边形和20个六边形球面结构三维超导体非线性光学材料二、铁碳双重相图碳在铁碳合金中的存在形式固溶体渗碳体石墨Fe3C Fe2C FeCFe－Fe3C与Fe－G三、Ｆｅ－Fｅ３C相图的特征1、图中的基本相（1）铁素体：碳溶于α－Ｆｅ中形成的间隙固溶体。

Fα强度、硬度低，塑性、韧性高2、奥氏体：碳溶于γ－Ｆｅ中形成的固溶体。

Aγ强度、硬度不高，塑性很好3、渗碳体：铁和碳形成的金属化合物。

Fｅ３C4、δ固溶体：碳溶于δ －Ｆｅ中形成的间隙固溶体。

5、液相L第二节铁碳合金平衡结晶过程分析一、铁碳合金的分类（一）工业纯铁：C＜０．０２１８％（二）钢共析钢：C＝０．７７％亚共析钢：０．０２１８％＜C＜０．７７％过共析钢：０．７７％＜C＜２．１１％（三）白口铸铁共晶白口铸铁：C＝４．３％亚晶白口铸铁：２．１１％＜C＜４．３％过共晶白口铸铁：４．３％＜C＜６．６９％第四节碳钢一、钢铁材料的生产过程1、碳钢中的常存元素碳钢中的常存元素是指除Fe、C外，因冶金必然带来的、且对性能有一定影响其它元素，在碳钢中一般指：Si、Mn 冶金时自然存在对性能无不利影响而保留S、P 冶金时难以彻底清除而存在于钢中一般钢中大致含量：Si 0.25~0.30%Mn 0.25~0.50%S <0.05% P <=0.045 三、碳钢的分类、牌号及应用第四节碳钢1、碳钢的分类：按含碳量分：低碳钢WC 0.25％中碳钢0.25％< WC 0.6％高碳钢WC>0.6％按质量分：普通碳素钢WP 0.045％WS 0.055％优质碳素钢WP 0.040％WS 0.040％高级优质碳素钢WP 0.035％WS 0.030％2、碳钢的牌号及应用（1）普通碳素结构钢：五类２０种。

Chapter4 铁碳合金本章要点：1．Fe-Fe3C相图分析及应用2．铁碳合金的基本组织与性能特征3．铁碳合金含碳量对组织、性能的影响4．常用非合金钢（碳素钢）的牌号、性能及应用第一节铁碳合金的基本组织铁碳合金中的 Fe 和 C 可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。

另外，这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。

铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。

一、铁素体（ferrite）[铁素体]：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”（或α）表示，呈体心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度极小，室温时仅为0.0008%，在727℃时达到最大溶解度0.0218%。

铁素体的显微组织为多边形晶粒。

[铁素体性能]：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%，A KU=128~160J）σb=180~280MPa，50~80HBS）。

图1 铁素体晶体结构图2 铁素体显微组织图3 奥氏体晶体结构图4 奥氏体显微组织二、奥氏体（Austenite）[奥氏体]：是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”（或γ）表示，呈面心立方晶格。

碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃时为0.77%，在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。

[奥氏体性能]：具有一定的强度和硬度（σb=400 MPa，170~220HBS），塑性和韧性也好（δ=40%~50%）。

奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，显微组织为多边形晶粒，晶粒内常可见到孪晶（昌粒的平行的直线条），生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。

三、渗碳体（Cementite）[渗碳体]：是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的金属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。

它的碳质量分数Wc=6.69％，熔点为1227℃，[渗碳体性能]：其力学性能特点是硬度高，脆性大，塑性几乎为零。

第四章铁碳合金Iron－Carbon Alloy碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。

了解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都有十分重要的意义。

铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。

现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。

这不仅简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-FeC相图也是必要的。

3第一节铁碳合金的组元和基本相Fe 1 2 3 4 5 6 6.69C%Fe-Fe 3C 相图140012001000800600400200温度/ ℃CEFD BA J N S GP KQ γ＋δγL ＋δδL ＋γγ＋αL ＋Fe 3Cγ＋Fe 3Cα＋Fe 3C αH第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织L ＋δFe 1 2 3 4 5 6 6.69C / %典型的铁碳合金结晶过程分析140012001000800600400200温度/ ℃C EFD A J NS G P KQ γ＋δγδL ＋γγ＋αL ＋Fe 3Cγ＋Fe 3Cα＋Fe 3C αB ②④⑥⑤⑦①1③56754123124123312123δγLδ1以上工业纯铁结晶过程示意图L δγααFe 3CⅢγα1—22—33—44—55—66—77以下共析钢结晶过程示意图γLLγP1以上1—2 2—3 3以下姓名语文数学英语李小红8593刘兵8394曾小玲818925μ图4-10 珠光体组织1以上1~2 2 2~3 3~4 4~55以下亚共析钢结晶过程示意图δL LαγαPγLγLδγ25μ亚共析钢的显微组织PγFe 3C ⅡLγ1以上1~2 2~3 3~4 4以下过共析钢结晶过程示意图Lγ25μ过共析钢的显微组织1以上1~2 2以下共晶白口铁结晶过程示意图LLdLd`25μ共晶白口铁的显微组织1以上1~2 2~3 3以下亚共晶白口铁结晶过程示意图LγγPLd`LdL60μ亚共晶白口铁的显微组织1以上1~2 2~3 3以下过共晶白口铁结晶过程示意图LLd `LdFe 3C ⅠFe 3C ⅠL60μ过共晶白口铁的显微组织按组织组成物标注的铁碳合金相图L ＋δFe 1 2 3 4 56 6.69C / %按组织组成物划分的铁碳合金相图140012001000800600400200温度/ ℃C E F D A JNS G PK Qγ＋δγδL ＋γγ＋αL ＋Fe 3C γ＋Ld+Fe 3C II P ＋Fe 3C II α①⑥L ⑤⑦B ③②④5Ld+Fe 3C I γ＋Fe 3C II P ＋Ld`+Fe 3C II Ld`+Fe 3C Iα＋P。