第3章 铁碳合金相图

1、工程材料及热加工第三章第三章 铁碳合金相图铁碳合金相图第一节第一节 铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相第二节第二节 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图第三节第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响含碳量对碳钢组织与性能的影响工程材料及热加工铁碳合金铁碳合金 铁碳合金铁碳合金碳钢和碳钢和铸铁，是工业应用铸铁，是工业应用最广的合金最广的合金. 含碳量为含碳量为0.022% -2.11%的称钢，含的称钢，含碳 量 为碳 量 为 2 . 11 % -6.69%的称铸铁的称铸铁. 普通碳钢和铸铁属普通碳钢和铸铁属于铁碳合金，而合于铁碳合金，而合金钢和合金铸铁则金钢和合金铸铁则是加入合金元素的

2、是加入合金元素的铁碳合金铁碳合金.工程材料及热加工第一节第一节铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 铁是银白色金属，原子序数为铁是银白色金属，原子序数为26，相对原子质量为，相对原子质量为55.85，熔点，熔点1538。 铁和碳可形成一系列稳定化合物：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。，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，无实用）时，合金太脆，无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(

3、at%) 工程材料及热加工第一节第一节铁碳合金的组元及基本相铁碳合金的组元及基本相 铁的晶体结构有体心立方晶格的铁的晶体结构有体心立方晶格的-Fe、 -Fe-Fe及面心立方晶格的及面心立方晶格的 -Fe-Fe。 -Fe、 -Fe-Fe及及 -Fe-Fe都是铁的同素异构都是铁的同素异构体（成分相同、晶体结构不同）体（成分相同、晶体结构不同）。 同素异构转变一般在固态下发生，称同素异构转变一般在固态下发生，称为重结晶。为重结晶。 纯铁在纯铁在770 时发生磁性转变，具有时发生磁性转变，具有铁磁性铁磁性。 纯铁的力学性能：强度、硬度低，塑纯铁的力学性能：强度、硬度低，塑性、韧性好。性、韧性好。1、纯

4、铁及其同素异构体、纯铁及其同素异构体纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变A4A3A2工程材料及热加工标有组织组成物的铁碳合金状态全图标有组织组成物的铁碳合金状态全图工程材料及热加工标有组织组成物的简化铁碳合金状态图标有组织组成物的简化铁碳合金状态图工程材料及热加工2、铁碳合金中的基本项、铁碳合金中的基本项1 1）各相的含义：）各相的含义： 液相液相 L L：碳溶于液态铁中的溶液：碳溶于液态铁中的溶液 渗碳体渗碳体(CM(CM，FeFe3 3C)C)：铁与碳形成的金属化合物，脆性大：铁与碳形成的金属化合物，脆性大铁素体：碳溶于铁素体：碳溶于-Fe-Fe中固溶体，也称中固溶体，也称-固溶体固溶体奥

5、氏体奥氏体A A（）：碳溶于）：碳溶于铁中的间隙固溶体，铁中的间隙固溶体，fccfcc铁素体铁素体F F（）：碳溶于）：碳溶于-Fe-Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，bccbcc工程材料及热加工碳溶于体心立方晶格Fe中形成的固溶体(间隙)碳最大溶解度0.0218% （727） 20时碳最大溶解度为0.0008% 性能：较好的塑性和韧性，强度和硬度较低，与纯铁类似。铁素体（F） 铁素体铁素体Ferrite (F) 多边形晶粒 工程材料及热加工碳溶于面心立方晶格Fe中形成的间隙固溶体，室温组织无奥氏体。碳最大溶解度 2.11%（1148） 727时碳最大溶解度为0.77% 性能：质软、塑性好，

6、无磁性，变形抗力较低。性能：质软、塑性好，无磁性，变形抗力较低。 奥氏体（奥氏体（A A） 奥氏体奥氏体 Austenite (,A) 不规则多面体晶粒 钢材热加工都在钢材热加工都在 区进行。区进行。工程材料及热加工铁与碳的化合物 Fe3C含碳量含碳量:6.69%:6.69% 熔点熔点:1227:1227 性能：硬度高，强度很低性能：硬度高，强度很低，塑性、韧性几乎为零，塑性、韧性几乎为零 渗碳体（Fe3C） 渗碳体渗碳体Cementite (Cm) 因碳在因碳在 -Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主因而常温下碳在铁碳合金中主要以要以Fe3C或石墨的形式存在。或石墨

7、的形式存在。工程材料及热加工铁素体与渗碳体的机械混合物 含碳量含碳量:0.77%:0.77% 共析反应式 : ACC0 77%727. (F+Fe3C) 性能：介于性能：介于F和和Cm之间之间b=600800Mpa (纯铁b=180280Mpa)2025 (纯铁3050) HBS170230 （纯铁HBS5080） 珠光体珠光体（P P） 珠光体珠光体Pearlite 工程材料及热加工 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物 含碳量含碳量:4.3%:4.3% 共晶反应式共晶反应式: : CCL1148%3 . 4(A+Fe3C) 性能：硬度高，塑性、韧性差性能：硬度高，塑性、韧性差 莱氏体(L)

8、莱氏体莱氏体Ledeburite 工程材料及热加工第二节第二节 Fe-Fe3C相图相图1、Fe-Fe3C相图分析相图分析1）特性点）特性点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 共晶点共晶点分界点分界点共析点共析点工程材料及热加工2）特性线）特性线 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD 三条水平线：三条水平线： HJB：包晶线：包晶线LB+H J ECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3C PSK：共析线：共析线(A1线线) S FP+ Fe3C共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作珠光体珠光体，用用P表示，特点介于表示，

9、特点介于F-CM间间共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机的机械混合物，称作械混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Ld表示，特点是硬而脆表示，特点是硬而脆莱氏体莱氏体工程材料及热加工 GS,GP 固溶体固溶体转变线转变线, GS又称又称A3 线线. HN,JN 固溶体固溶体转变线转变线. ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线，溶线，又称又称Ac m线线. PQ碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线溶线. 其它相线其它相线工程材料及热加工 五个单相区：五个单相区：lL、 、 、 、Fe3C 七个两相区七个两相区: L+ 、lL+ L+Fe3C + 、 +Fe3C + +Fe3C 三个三相区：三个三相区：即

10、即HJB HJB ( (L+L+ + + ) )、ECFECF( (L+L+ + + Fe3C Fe3C) )、PSKPSK( ( + + + + Fe3C Fe3C) )三条水平线三条水平线 3）相区）相区工程材料及热加工4）铁碳合金分类）铁碳合金分类A A：工业纯铁：工业纯铁 0.0218%C 0.0218%C 高温组织为单相铁素体高温组织为单相铁素体B B：碳钢：碳钢 高温组织为单相奥氏体高温组织为单相奥氏体 亚共析钢亚共析钢0.02180.02180.77%0.77% 共析钢共析钢0.77%C 0.77%C 过共析钢过共析钢0.770.772.11%2.11% C C：铸铁：铸铁 亚共

11、晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 2.112.114.30%C4.30%C 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 4.30%C4.30%C，断口为银白色，断口为银白色 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁4.304.306.69%C6.69%C。铸铁的铸造性能好，硬而脆。全部碳以Fe3C形成存在时称为白口铸铁（断口银白色） ，部分或全部碳以石墨形式存在时称为灰口铸铁（断口灰色）。工程材料及热加工工程材料及热加工2. 典型铁碳合金的结晶过程典型铁碳合金的结晶过程1)1)工业纯铁的结晶动态示意图工业纯铁的结晶动态示意图液相Fe固溶体固溶体固溶体FeFe从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，

12、用Fe3C表示。表示。工程材料及热加工 合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 ，3-4点间点间 ，5-6点点间间 。到。到7点，从点，从 中析中析出出Fe3CIII。NSJBH L+ + + 工程材料及热加工亚共析钢结晶动态示意图液相固溶体奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体珠光体珠光体包晶转变析出结晶析出共析转变+铁素体铁素体+铁素体铁素体2)2)亚共析钢结晶动态示意图亚共析钢结晶动态示意图工程材料及热加工 0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应. 以以0.45%C的钢为例的钢为例 合金在合金在4点以前通过匀点以前通过匀晶晶包晶包晶匀晶反应全匀晶反应全部转变为

13、部转变为 。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点, 成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点， 发生共发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合, 且量少且量少, 忽略不计。忽略不计。 +Fe3CGSPABJH工程材料及热加工液相奥氏体奥氏体珠光体珠光体( (铁素体铁素体+ +共析渗碳体共析渗碳体) )共析转变铁素体析出三次渗碳体铁素体析出三次渗碳体与共析渗碳体混在一起与共析渗碳体混在一起3)3)共析钢结晶动态示意图共析钢结晶动态示意图珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。珠光体中的渗碳体称共析渗碳

14、体。工程材料及热加工l合金液体在合金液体在1-2点间转变点间转变为为 。到。到S点点发生共析转发生共析转变：变： S P+Fe3C, 全部转变全部转变为珠光体。为珠光体。工程材料及热加工液相奥氏体奥氏体+ +二次渗碳体二次渗碳体奥氏体奥氏体珠光体珠光体+ +二次渗碳体二次渗碳体析出共析转变4)4)过共析钢结晶动态示意图过共析钢结晶动态示意图从奥氏体中析出的从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体称二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示工程材料及热加工 合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3点点, 开始析出开始析出Fe3C。温度下降温度下降, Fe, Fe3 3C C量增加。到量增加。到4 4点，

15、点， 成分沿成分沿ESES线变化到线变化到S S点，余下的点，余下的 转变为转变为P P。工程材料及热加工液相共析转变共晶转变先共晶奥氏体先共晶奥氏体析出莱氏体莱氏体+先共晶奥氏体先共晶奥氏体珠光体珠光体+ +二次渗碳体二次渗碳体+ +莱氏体莱氏体析出5)5)亚共晶白口铁结晶动态示意图亚共晶白口铁结晶动态示意图工程材料及热加工 合金在合金在12点间析出点间析出 。到。到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点点,并转变为并转变为Le。23点间从点间从 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被共晶被共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点， 转变为转变为P。工程材料及热加工6)6)共晶白口铁

16、结晶动态示意图共晶白口铁结晶动态示意图液相液相莱氏体莱氏体( (共晶奥氏体共晶奥氏体+ +共晶渗碳体共晶渗碳体) )共晶奥氏体析出共晶奥氏体析出二次渗碳体与共二次渗碳体与共晶渗碳体混合一晶渗碳体混合一起起珠光体珠光体+ +渗碳体渗碳体( (莱氏体莱氏体) )共析共析转变转变共晶共晶转变转变工程材料及热加工 合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶莱氏体是共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物, 呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C 工程材料及热加工7) 过共晶铁结晶动态示意图过共晶铁结晶动态示意图液相一次渗碳体一次渗碳体莱氏体莱

17、氏体+一次渗碳体一次渗碳体共晶转变珠光体珠光体+ +渗碳体渗碳体( (莱氏体莱氏体) )+一次渗碳体一次渗碳体共析转变从液相中析出从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳体，用这种渗碳体称一次渗碳体，用 Fe3C表示表示工程材料及热加工 12点间从液相中析出点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳这种渗碳体称一次渗碳体，用体，用 Fe3C表示，呈粗条片状。到表示，呈粗条片状。到2点，余下的液点，余下的液相成分变到相成分变到C点并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C124工程材料及热加工 组织组成物与相组织组成物与相组成物标注区别组成物标注区别主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe

18、3C两个相区两个相区. + Fe3C相区中有相区中有四个组织组成物四个组织组成物区，区， +Fe3C相区相区中有七个组织组中有七个组织组成物区。成物区。l组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C 工程材料及热加工FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度工程材料及热加工 含碳量对碳钢组织的影响含碳量对碳钢组织的影响钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.3