Fe-Fe3C合金相图

1、第三章第三章 铁碳合金及合金钢概述铁碳合金及合金钢概述 钢铁钢铁是铁基合金（黑色金属）的总称。铁和碳是是铁基合金（黑色金属）的总称。铁和碳是钢铁材料两个最基本的钢铁材料两个最基本的组元组元。碳的质量分数。碳的质量分数0.0218%Wc2.11%称为称为钢钢，2.11%Wc 6.69%称称为为铁或铸铁铁或铸铁。不特意加入合金元素的钢称为。不特意加入合金元素的钢称为碳素钢碳素钢（简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金（简称碳钢），而特意加入一种或数种一定量合金元素的钢称为元素的钢称为合金钢合金钢。钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会钢铁材料是目前乃至今后很长一段时间内人类社会中最为重要

2、的金属材料。为了熟悉并合理利用钢铁中最为重要的金属材料。为了熟悉并合理利用钢铁材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的材料，应了解铁与碳的相互作用，认识铁碳合金的本质及其成分、组织结构与性能之间的关系。本质及其成分、组织结构与性能之间的关系。3.1 Fe-Fe3C合金相图合金相图3.3 合金钢概述合金钢概述3.2 碳钢碳钢本章主要内容本章主要内容3.1 Fe-Fe3C合金相图合金相图一、铁碳合金相图一、铁碳合金相图二、二、铁铁碳合金中的组织及其性能碳合金中的组织及其性能六、铁碳相图的应六、铁碳相图的应用用五、五、含碳量与力学性能的关系含碳量与力学性能的关系三、三、Fe-CFe-C合金的分合

3、金的分类类四、组织组成物与含碳量关四、组织组成物与含碳量关系系一、铁碳合金相图一、铁碳合金相图1.1.铁碳合金的组元铁碳合金的组元2.2.铁碳合金中的相铁碳合金中的相 3.3.铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析Fe2CFeCFe3C6.69%C所研究的所研究的Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的位置相图的位置FeCC%T一、铁碳合金相图一、铁碳合金相图1.1.铁碳合金的铁碳合金的组元组元 FeFe 铁是过渡族元素，铁是过渡族元素，熔点为熔点为15381538，密度是，密度是7.87g/cm7.87g/cm3 3。 FeFe3 3C C 是一种具有复杂是一种具有复杂结构的间隙化合物，通常结构的间

4、隙化合物，通常称为渗碳体。称为渗碳体。含碳量含碳量6.69%，硬度很高，硬度很高，强度低，塑性韧性很差。强度低，塑性韧性很差。理论熔化温度理论熔化温度1227。是。是介稳定化合物，条件适当介稳定化合物，条件适当时，会分解成单质状态的时，会分解成单质状态的石墨石墨C 。 碳质量分数超过碳质量分数超过6.69%的铁碳合金的铁碳合金脆性很大，没有使脆性很大，没有使用价值用价值,所以有使用所以有使用意义并被深入研究意义并被深入研究的只有的只有Fe-Fe3C这一这一部分。部分。 固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶固态铁随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为格的现象，称为同素异构转

5、变同素异构转变。该特性是钢铁材料通过。该特性是钢铁材料通过热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。热处理获得多种组织结构与性能的理论依据。FeFeFe1394912bccfccbcc固态铁的特性固态铁的特性同素异构转变同素异构转变 Wc（%）Fe2. 铁碳合金中的铁碳合金中的相相 液相液相L 铁与碳的液溶体。铁与碳的液溶体。相相 是碳在是碳在Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，在呈体心立方晶格，在1394以上存在，以上存在，1495时溶碳量为时溶碳量为0.09%。相相 是碳在是碳在Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。其中碳的固溶度室呈体心立方晶格。其中碳的固溶度

6、室温 时 约 为温 时 约 为 0 . 0 0 0 8 % ， 6 0 0 时 为时 为0.0057%，在，在727时为时为0.0218%。其。其性能特点是强度低、硬度低、塑性好性能特点是强度低、硬度低、塑性好 相相 是碳在是碳在Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在呈面心立方晶格。其中碳的固溶度在1148时为时为2.11%。其性能特点是强度。其性能特点是强度较低，硬度不高，易于塑性变形较低，硬度不高，易于塑性变形Fe3C相相 是一个金属化合物（又称是一个金属化合物（又称渗碳体），根据其生成条件不同有条渗碳体），根据其生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对

7、铁状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。碳合金的力学性能有很大影响。 +L+L+ +Fe3C+Fe3CL+Fe3C + Fe3C6.69L3. 铁碳合金平衡状态图铁碳合金平衡状态图分析分析包晶转变包晶转变匀匀晶晶转转变变共晶转变共晶转变共析转变共析转变（1）铁碳相图中铁碳相图中三种三种基本的基本的转变转变FeFe3CGNA在在1495 发生发生包晶转变包晶转变1495 LB+ HJ在在11481148发生发生共晶转变共晶转变1148LCE+Fe3C 在在727727发生发生共析转变共析转变 727S P+Fe3CSKP 727 L BJH1495 ECF11481148D

8、12271227共析转变：共析转变：在一定温度下，一定成分的在一定温度下，一定成分的固相固相同时转同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。共晶转变：共晶转变：在一定温度下，一定成分的液相同时转在一定温度下，一定成分的液相同时转变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。变成两种成分和晶体结构完全不同的新固相的过程。共析转变：共析转变： +转变产物：共析组织转变产物：共析组织L共晶转变：共晶转变：L +转变产物：共晶组织转变产物：共晶组织注意：注意：共析转变共析转变与与共晶转变共晶转变的的区别区别以以相相组成物表示的组成物表示的Fe-F

9、e3C相图相图（2）铁碳相图中主要的铁碳相图中主要的点、线、区点、线、区 含义含义 (P68图4-3)(1) 点点 (见见P69)(2) 线线 液相线液相线 固相线固相线 三条水平线三条水平线 三条特征线三条特征线(3) 区区 4个单相区个单相区 1条垂直线条垂直线 7个双相区个双相区 L L + + L+ L+ Fe3C + Fe3C + Fe3C + 以以组织组成物组织组成物表示的表示的Fe-Fe3C相图相图 (P68图图4-3)以以组织组成物组织组成物和和相组成物相组成物表示的表示的Fe-Fe3C相图相图 L+ L + Fe3C + Fe3C + +L + L+ Fe3C 二、铁二、铁碳

10、合金中的组织及其性能碳合金中的组织及其性能（P66）（一）奥氏体（一）奥氏体（A）（二）铁素体（二）铁素体（F）（三）珠光体（三）珠光体（P）（四）莱氏体（四）莱氏体（Ld）（五）渗碳体（五）渗碳体（Fe3C、Fe3C、Fe3C ）相：相：面心立方，面心立方，C处在八面体间隙位置，用符号处在八面体间隙位置，用符号表示。表示。组织：组织：称为奥氏体，用符号称为奥氏体，用符号A表示。表示。含碳量：含碳量：02.11%温度范围：温度范围：727 1495 力学性能：力学性能：强度、硬度低；强度、硬度低； 塑性好。塑性好。钢材加热到奥氏体区后进行锻造钢材加热到奥氏体区后进行锻造和轧制。和轧制。奥氏体不

11、锈钢（奥氏体不锈钢（188型不锈钢）型不锈钢）PGQSECJNBDFK2.117271495（一）奥氏体（一）奥氏体（A A） C C溶于溶于 -Fe-Fe形成的固溶体形成的固溶体相：相：体心立方，体心立方，C处在八面体间隙位置，用符号处在八面体间隙位置，用符号 表示表示。组织：组织：称为铁素体，用符号称为铁素体，用符号F表示。表示。含碳量：含碳量：00.0218%(727 ) 00.0008%(室温室温)温度范围：温度范围：912力学性能：力学性能：强度、硬度低；强度、硬度低；塑性好。塑性好。（二）铁素体（二）铁素体（F）C溶于溶于 -Fe形成的固溶体形成的固溶体工业纯铁工业纯铁0.02%C

12、，冷轧提高强度，得到冷轧板。冷轧提高强度，得到冷轧板。PGQSECJNBDFK912 0.02180.0008工业纯铁室温组织工业纯铁室温组织 FF晶界晶界相：相： + Fe3C两种相组成两种相组成组织：组织：珠光体，珠光体，用符号用符号P表示表示含碳量：含碳量：0.77% (称为共析钢称为共析钢)温度范围：温度范围：727力学性能：力学性能：强度、硬度较高；强度、硬度较高；塑性较好。塑性较好。 钢丝绳钢丝绳（三）珠光体（三）珠光体（P） 和和Fe3C形成的机械混合物形成的机械混合物 SP（ P+Fe3C）7277270.77GPQSECJNBDFK +Fe3C共析钢室温组织共析钢室温组织珠光

13、体（珠光体（P）P相：相： + Fe3C两种相。两种相。组织：组织：莱氏体或室温莱氏体，用符号莱氏体或室温莱氏体，用符号LLd d表示。表示。含碳量：含碳量：4.3%(称共晶白口铸铁称共晶白口铸铁)温度范围：温度范围：4.3%LLFe3CL +Fe3C 即即Ld Fe3C +Fe3C即即P 室温组织室温组织: Fe3C+Ld即即Fe3C+(P+ Fe3C)+Fe3Ct1t2t3有关三种渗碳体的结晶过程的简单分析有关三种渗碳体的结晶过程的简单分析共共晶晶转转变变共析转变共析转变 2. 2.11%C%4.3%t1t2t3LL 初初L 共晶共晶+Fe3C即即Ld 初初Fe3C 初初+Fe3C即即P

14、共晶共晶Fe3C室温组织室温组织 ：P +Fe3C+Ld 共共+Fe3C即即P共共晶晶转转变变共析转变共析转变3. 0 .77%C2.11% t2t3t4t1LL Fe3C +Fe3C即即P室温组织室温组织 : P +Fe3C共析转变共析转变AF4. 0.0008C0.0218%t1t2t3 Fe3C室温组织室温组织 : F+ Fe3C三、铁碳合金的分类三、铁碳合金的分类（P69P69）按其含碳量和在相图上的位置可分为按其含碳量和在相图上的位置可分为: :亚共析钢亚共析钢共共 析析 钢钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁Wc 0.0

15、2%0.0218% Wc 0.77% Wc= 0.77%0.77% Wc 2.11%2.11% Wc 4.3%Wc =4.3%4.3% Wc 6.69%碳碳钢钢白白口口铸铸铁铁工业纯铁工业纯铁铁铁碳碳合合金金分分类类亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工工业业纯纯铁铁共共析析钢钢共共晶晶白白口口铁铁（一）（一）工业纯铁工业纯铁Wc 0.02%的铁碳合金的铁碳合金组织：组织：F或或F+ Fe3C ，Fe3C 通常沿晶界析出。通常沿晶界析出。工业纯铁室温组织工业纯铁室温组织性能：性能：b 、HBS 、AkF晶界晶界（二）亚共析钢（二）亚共析钢 （0.02

16、18% Wc 0.77%）组织：组织：PF组织特征：组织特征：随随WC% ，P% ，F% ； F形态由块状形态由块状断续网状。断续网状。性能特点：性能特点：随随WC% ， P% ， b 、HBS ， 、Ak 15钢钢FP45钢钢FP65钢钢FP钢中含碳量钢中含碳量%Vp0.77%VF0.0008% 在显微分析中常以在显微分析中常以P与与F的面积数量比来的面积数量比来估计估计亚共析钢亚共析钢的含碳量的含碳量。即：即：C50P0.8C0.40此钢含碳量约为此钢含碳量约为0.40，即，即40钢钢。 磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：磨制好的金相试样，在显微镜下观察其组织发现：组织中含有组织

17、中含有50P和和50F， 例如，例如，一种未知钢号的碳钢一种未知钢号的碳钢(退火态退火态)，利用金，利用金相法估算此钢的碳含量。相法估算此钢的碳含量。可忽略可忽略共析钢室温组织共析钢室温组织（三）共析钢（三）共析钢（WC=0.77%）组织：组织：P性能：性能：良好的综合力学性能（良好的综合力学性能（具有强度较高和一定的塑、韧性具有强度较高和一定的塑、韧性）P组织特征：组织特征：Fe3C片状片状分布于分布于F基体上，呈贝壳状基体上，呈贝壳状T12钢退火组织钢退火组织 （4%硝酸酒精浸蚀硝酸酒精浸蚀）（四）过共析钢（四）过共析钢（0.77% WC2.11%）组织：组织：P+ FeFe3 3C C性

18、能特点：性能特点：硬度高，塑、韧性低硬度高，塑、韧性低组织特征：组织特征：Fe3C呈网状分布于层片状呈网状分布于层片状P周围周围PFe3C T12钢退火组织钢退火组织（碱性苦味酸钠水溶液浸蚀碱性苦味酸钠水溶液浸蚀）Fe3C （黑网）（黑网）P（五）（五） 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁（2.11% Wc 4.3%）组织：组织：P+ Fe3C +Ld （Ld P+Fe3C +Fe3C ）性能：性能：硬而脆。硬而脆。 LdAFe3CP共晶白口铸铁的室温组织共晶白口铸铁的室温组织（六）共晶白口铸铁（六）共晶白口铸铁（Wc =4.3%）室温室温组织：组织：低温莱氏体（低温莱氏体（Ld P+Fe3C +F

19、e3C ）高温高温组织：组织：高温莱氏体（高温莱氏体（Ld A+Fe3C ）性能：性能：硬而脆硬而脆 Ld过共晶白口铸铁室温组织过共晶白口铸铁室温组织（七）过共晶白口铸铁（七）过共晶白口铸铁（4.3% Wc 6.69%）组织组织：Ld+ Fe3C （Ld P+Fe3C +Fe3C ）性能：性能：硬而脆。硬而脆。LdFe3C四、四、组织组成物与含碳量关系组织组成物与含碳量关系（P77）工业纯铁工业纯铁 Wc 0.02 F+Fe3C 亚共析钢亚共析钢 0.0218 Wc 0.77 F+P 共析钢共析钢 Wc= 0.77 P过共析钢过共析钢 0.77 Wc 2.11 P+Fe3C亚共晶白口铸铁亚共晶

20、白口铸铁 2.11 Wc 4.3 P+ Fe3C+Ld共晶白口铸铁共晶白口铸铁 Wc =4.3 Ld 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 4.3 Wc 1.0%时：时：b而而HB。为什么？为什么？ 1.硬度硬度 主要决定于组织中组成相或组织组成物的主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直硬度和质量分数，随碳含量的增加，合金的硬度呈直线关系增大。线关系增大。2.强度强度 对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共对组织形态很敏感。随碳含量的增加，亚共析钢中析钢中 P 增多而增多而 F 减少。减少。P的强度比较高，所以亚共的强度比较高，所以亚共析钢的强度随碳含量的增

21、大而增大。到约析钢的强度随碳含量的增大而增大。到约wc=0.9时，时，Fe3C沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。 3.随碳含量的增大，随碳含量的增大，F量不断减少，合金的量不断减少，合金的塑性、韧塑性、韧性性连续下降。连续下降。工业上广泛使用的钢含碳量工业上广泛使用的钢含碳量1.31.4。硬度硬度80F%+180P% (HB) 对于应用最广的结构材料对于应用最广的结构材料亚共析钢亚共析钢，合金的硬度、，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下估算：强度和塑性可根据成分或组织作如下估算： 或或硬度硬度80F%+800Fe3C% (HB) 强度强度230F%+

22、770P% (MPa)延伸率延伸率( ()50F%+20P% (%)六、铁碳相图的应用六、铁碳相图的应用1.在钢铁材料选用方面的应用在钢铁材料选用方面的应用 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此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。选用碳含量较低的钢材。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如纯铁磁导率高，矫顽力低，可作软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻白口铸铁硬度高、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、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。车轮、犁铧、球磨机的磨球等。 2. 在铸造工艺方面的应用在铸造工艺方面的应用 根