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1、第三章 铁碳合金和铁碳相图l铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用最，是工业应用最广的合金；广的合金；l含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢钢；l含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称的称铸铁铸铁；l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合）时，合金太脆，已无实用价值；金太脆，已无实用价值；l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图相图。铸铁铸铁碳钢碳钢3.1 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相系合金的组元与基本相纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l 物质在固态下晶体结构随温度变化而变化的物质在固态下晶体结构随

2、温度变化而变化的 现象称现象称同素异构转变同素异构转变（或或重结晶重结晶）。）。 同素异构转变属于相变之一：同素异构转变属于相变之一：固态相变固态相变。1. 纯铁纯铁1394912 -Fe -Fe -Fel铁的同素异构转变：铁的同素异构转变：铁在固态冷却过程中有两铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：次晶体结构变化，其变化为：l -Fe、 -Fe为为体心立方结构体心立方结构(bcc)， -Fe为为面心立方结构面心立方结构(fcc)，都是铁的，都是铁的同同素异构体素异构体。 -Fe -Fe2. Fe3Cl铁素体：铁素体：碳在碳在-Fe中的固溶体称铁素体中的固溶体称铁素体, 用用或或F表

3、示表示。-Fe溶解碳的能力很小，随温度的溶解碳的能力很小，随温度的不同而不同。不同而不同。600时为时为0.006%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%, 727 时最大达时最大达0.02%，是体心立方是体心立方(bcc)间隙固溶体。间隙固溶体。铁素体铁素体性能：性能： -Fe叫工业纯铁，韧性很好，延伸率叫工业纯铁，韧性很好，延伸率=4550%，强度和硬度均不高，强度和硬度均不高， b =250MPa，HB80。晶粒为均匀明亮的多边形。晶粒为均匀明亮的多边形。l奥氏体：奥氏体：碳在碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体，中的固溶体称奥氏体，用用或或A表示表示，是，是面心立方面心立方(fcc) 间隙固

4、溶体间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。l性能：性能：强度低、塑性好，强度低、塑性好， 钢材热加工都在钢材热加工都在区进行区进行。l碳钢室温组织中无奥氏体碳钢室温组织中无奥氏体奥氏体奥氏体l渗碳体：渗碳体：是是Fe和形成的稳定化合物，含量为和形成的稳定化合物，含量为6.69%，具有复杂的晶，具有复杂的晶格，格， 用用Fe3C表示。表示。l性能：性能：Fe3C硬度高硬度高(HB约约800)、强度低、强度低(b = 35 MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零，其形状可以是

5、片状、塑性几乎为零，其形状可以是片状、网状和粒状。网状和粒状。铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体l 由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，因而中的溶解度很小，因而常温下碳在常温下碳在铁碳合金中主要以铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在或石墨的形式存在。3.2 Fe-Fe3C相图 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 一、概述一、概述 特征点特征点莱氏体莱氏体l特征相线：特征相线：(1) 液相线液相线ABCD, 固相线固相线AHJECF;(2) 三条水平线：三条水平线：lHJB：包晶线包晶线 LB + H J lECF：共晶线共晶线 LC E + Fe3C，共

6、晶产，共晶产物是物是 与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Le(或或d)表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为基，为基，性能硬而脆。性能硬而脆。lPSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3Cl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，的机械混合物，称作称作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体l珠光体的组织特点是两相呈片珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布层相间分布, ,性能介于两相之间。性能介于两相之间。PSKPSK线又称线又称A A1 1线。线。l其它相线其它相线(1) GS,GP 固溶体转变线固溶体转变线, GS又称又称A

7、3 线。线。(2) HN,JN 固溶体转变线。固溶体转变线。(3) ES碳在碳在 -Fe中的固溶线，中的固溶线，又称又称Acm线。线。(4) PQ碳在碳在 -Fe中的固溶线。中的固溶线。l 相区相区(1) 五个单相区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C (2) 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 三个三相区：三个三相区：HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条三条水平线水平线 3.3 铁碳合金的平衡结晶铁碳合金的平衡结晶l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可

8、分为三类： 工业纯铁工业纯铁 ( 0.0218% C)，组织为单相铁素体组织为单相铁素体。 钢钢 (0.0218 2.11%C)，高温组织为单相高温组织为单相 亚共析钢亚共析钢 (0.0218 0.77%C)； 共析钢共析钢 (0.77%C)； 过共析钢过共析钢 (0.77 2.11%C) 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C)，铸造性能好铸造性能好, 硬而脆硬而脆 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)； 共晶白口铸铁共晶白口铸铁 (4.3%C)； 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口

9、铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁工业纯铁NSJBH L+ + + （一）工业纯铁的结晶过程（一）工业纯铁的结晶过程l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 ，3-4点点间间 ，5-6点间点间 。到。到7点，从点，从 中析出中析出Fe3C。工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断增加，量不断增加，合金合金的室温下组织为的室温下组织为F+ Fe3C。l室温下室温下Fe3C最大量为最大量为: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，

10、三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不连以不连续网状或片状分布于晶界续网状或片状分布于晶界。l 合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 。 到到S点发生共析转变：点发生共析转变： S P+Fe3C, 全部转变为全部转变为珠光体珠光体(P)。（二）（二） 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程珠光体珠光体Ql珠光体在光镜下呈指纹状珠光体在光镜下呈指纹状。l相变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：相变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析渗碳体共析渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，

11、与共析，与共析Fe3C结合不易分辨。结合不易分辨。室温组织为室温组织为P。%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 l室温下，珠光体中两相的相对重量室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？百分比是多少？Q43219 l0.090.53%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生冷却时发生包晶反应包晶反应.l以以0.45%C的钢为例的钢为例l合金在合金在4点以前通过点以前通过匀晶匀晶包晶包晶匀晶反应匀晶反应全部转变为全部转变为 。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， 发生共析发生共析 反应转变为珠光体。反

12、应转变为珠光体。 +Fe3CGSPABJH温度继续下降，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。（三）亚共析钢的结晶过程（三）亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程S共析温度下相共析温度下相( ( +Fe3C)的相对重量为：的相对重量为： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物组织组成物( + P)的相对重量为：的相对重量为： %PSSQ%PSPQP10051005 ，l利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量似估

13、算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)l室温下相的相对重量百分比为：室温下相的相对重量百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl亚共析钢室温下的组织为亚共析钢室温下的组织为F( )+P。l在在0.02180.77%C 范围内范围内珠光体的量随含碳量增珠光体的量随含碳量增加而增加加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含

14、0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织（四）过共析钢的结晶过程（四）过共析钢的结晶过程l合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3点点, 开始析开始析出出Fe3C。从奥氏体中析出的从奥氏体中析出的Fe3C称称二次渗碳体二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示, 其其沿晶界沿晶界呈网状分布呈网状分布.l 温度下降温度下降, Fe3C量增加。到量增加。到4点，点， 成分沿成分沿ES线变化到线变化到S点，余下的点，余下的 转转 变为变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的相对量？的相对量？过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程l室温下两相室温下两相( ( +Fe3C)的

15、相对重量百分比：的相对重量百分比：室温下两组织组成物室温下两组织组成物(P +Fe3C)的相对重量百分比：的相对重量百分比：12345SPCFePQ%L S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653 （五）共晶白口铁的结晶过程（五）共晶白口铁的结晶过程 Fe3C l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 与与共晶共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物, 呈蜂窝状呈蜂窝状。l共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%.Q%.%.QCFe8472521001126

16、96346963 ， lC点以下点以下, 成成分沿分沿ES线变化，线变化，共晶共晶 将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不结合，不易分辨。易分辨。12 Fe3Cl温度降到温度降到2 2点点, , 成分达到成分达到0.77%, 0.77%, 此时此时, , 相的相对重量相的相对重量: : 在在2点点, 共晶共晶 发生共析反应，转变为发生共析反应，转变为珠光体，这种珠光体，这种由由P与与 Fe3C组成的共组成的共晶体称晶体称低温莱氏体低温莱氏体, 用用Le表示表示. 2 点点以下，共晶体中以下，共晶体中P 的变化同共析钢。的变化同共析钢。%.Q%.%.QCFe6594401

17、00770696346963 ， Sl共晶白口铁室温组织为共晶白口铁室温组织为Le (P+ Fe3C), 它保留了共晶转变产物的形态特征。它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：室温下两相的相对重量百分比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ （六）亚共晶白口铁的结晶过程（六）亚共晶白口铁的结晶过程 l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点间点间从从 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

18、衬托出来。到3点，点， 转变为转变为P。l亚共晶白口铁亚共晶白口铁室温组织为室温组织为P+Fe3C+Le。l室温下组织组成物相对重量百分比为室温下组织组成物相对重量百分比为 ：IIIICFeLepCFeLeLeQQQECCQECEQQ33%10077. 069. 677. 011. 222ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比?l1 2点间点间从液相中析出从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体这种渗碳体称称一次渗碳体一次渗碳体，用用 Fe3C表示，表示，呈粗条片状。呈粗条片状。到到2点，余下的液相成分变到点，余下的液相成分变到C点并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C

19、124（七）（七） 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程l2点以下点以下, Fe3C成分重量不再发生变化成分重量不再发生变化, Le变化同变化同共晶合金，其共晶合金，其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。 l组织组成物与相组成物组织组成物与相组成物标注区别主要在标注区别主要在 + Fe3C和和 +Fe3C两个相两个相区区. + Fe3C相区中相区中有四有四个组织组成物区，个组织组成物区， +Fe3C相区中相区中有七个有七个组织组成物区。组织组成物区。 + Fe3C + Fe3C （八）（八） 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FeFe3CSQPNKJHGF

20、EDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度3.4 含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响含碳量对铁碳合金组织与力学性能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

21、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%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体l含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：3.4.1 对平衡组织的影响对平衡组织的影响3.4.2 对力学性能的影响对力学性能的影响l亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降度、硬度升高，塑性、韧性下降。l 0.77%C时，组织为时，组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能的性能。l 0.9%C，Fe3C为晶界连续网状，为晶界连续网状，强

22、度下强度下降降, 但硬度仍上升但硬度仍上升。l 2.11%C，组织中有以，组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合合金太脆金太脆.3.5 钢中的杂质元素钢中的杂质元素3.5.1 硅和锰的影响硅和锰的影响钢中的杂质一般是指钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。是由原料带入或脱氧残留的元素。lMn: 0.8%时为杂质。作用时为杂质。作用: (1) 强化铁素体强化铁素体; (2) 消除硫的有害作用。消除硫的有害作用。l Si： 0.5%时为杂质。作用为：时为杂质。作用为：(1) 强化铁素体；强化铁素体；(2)增加钢液流动性。增加钢液流动性。l S：常以常以FeS形式存在。

23、易与形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加，热加 工时工时(11501200)，由于其熔，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在0.045%以下以下. Mn可消除硫的有害作用可消除硫的有害作用,FeS + Mn Fe + MnS，MnS熔点高熔点高 (1600)。l P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在一般控制在0.045%以下。以下。有益元素：有益元素：

24、有害元素：有害元素：3.6 金属铸锭宏观组织金属铸锭宏观组织l在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。而注入到铸型模具中成型则得到铸件。l铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。有着直接的影响。l铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区组成的宏观组织通常由三个区组成:1、铸锭、铸锭(件件)的组织的组织 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。的等轴晶粒区。 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核