第三章 铁碳合金相图

1、纯金属的结晶纯金属的结晶 铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和性能有重要意义，对于指定铁碳合金材料的铸、锻、和性能有重要意义，对于指定铁碳合金材料的铸、锻、焊及热处理等工艺有直接指导意义。焊及热处理等工艺有直接指导意义。3.1 纯铁及铁碳合金的基本组织纯铁及铁碳合金的基本组织一、纯铁一、纯铁第第3 3章章 铁碳合金相图铁碳合金相图 Fe Fe是元素周期表中第是元素周期表中第2626号元素，相对分子质号元素，相对分子质量量5656、熔点、熔点15381538Fe-Fe-Fe液液 相相体心立方体心立方体心立方体心立方面

2、心立方面心立方温度温度 时间时间/s室温室温返回返回纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线1.1.同素异构体的转变同素异构体的转变 金属在固态下由于温度的改金属在固态下由于温度的改变而发生晶格类型转变的现象，变而发生晶格类型转变的现象，称为称为同素异晶转变同素异晶转变。 （液体） 1538 ( 体心) 1394 (面心 ) 912 ( 体心) 金属的同素异构转变的意义金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的组织，从而达到改善材料性能的目的。的目的。 -Fe-Fe、 -Fe-Fe为为体心

3、立方结构体心立方结构(BCC)(BCC)， -Fe-Fe为为面心立方结构面心立方结构(FCC)(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fe 纯铁在纯铁在770 770 时发生磁性转变，在时发生磁性转变，在770 770 以下，呈铁磁性；以下，呈铁磁性；在在770 770 以上，的磁性消失，以上，的磁性消失，770 770 称为居里点，用称为居里点，用A A2 2表示。表示。 纯铁的纯铁的力学性能特点力学性能特点：强度、硬度低，塑性、：强度、硬度低，塑性、韧性好，一般不用于结构件。在工业上应用最广韧性好，一般不用于结构件。在工业上应用最广的是铁碳合金。的是铁碳合金。1 1

4、、合金、合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如碳钢就是铁和碳组成的合金例如碳钢就是铁和碳组成的合金2 2、组元（元）、组元（元） 组成合金的基本的物质称为组元。组成合金的基本的物质称为组元。组元组元1 1组元组元2 2组元组元3 3合合 金金 二、合金的基本概念二、合金的基本概念如：铜和锌就是黄铜的组元；如：铜和锌就是黄铜的组元；稳定的金属化合物也可以看作组元稳定的金属化合物也可以看作组元如：铁碳合金中的如：铁碳合金中的Fe3C3 3、合金系、合金系 给定组元按不同比

5、例可以配制一系列不同成分的合金，给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。构成一个合金系。 如：如：Cu-Ni, Fe-FeCu-Ni, Fe-Fe3 3C, Cu-ZnC, Cu-Zn等。等。 4 4、相、相 相相是指在金属组织中是指在金属组织中化学成分化学成分、晶体结构晶体结构和和物理性能物理性能相同的组分。相同的组分。 相与相之间具有明显的界面。相与相之间具有明显的界面。 液态物质称为液态物质称为液相液相; ;固态物质称为固态物质称为固相固相名称名称A A金属金属B B金属金属晶格类型晶格类型bccbccbccbcc熔点熔点高高低低合金合金1 1100%100%0%

6、0%合金合金2 290%90%10%10%合金合金3 380%80%20%20%. .合金合金9 920%20%80%80%合金合金101010%10%90%90%合金合金11110%0%100%100%不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。合金中相的晶体结构称为相结构合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形在显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的组成部分总称为组织。貌特征的组成部分总称为组织。合金中的各种相是组成合金的基本

7、单元；合金中的各种相是组成合金的基本单元；合金组织是合金中各种相的综合体。合金组织是合金中各种相的综合体。不同含碳量的显微组织不同含碳量的显微组织 根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为金的相可分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两大类。两大类。1 1）固溶体）固溶体 固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相。成的均匀相。二二. .合金的相结构合金的相结构固溶体固溶体置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成溶质原子置

8、换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。的固溶体。 形成置换固形成置换固溶体时，溶质原溶体时，溶质原子在溶剂晶格中子在溶剂晶格中的溶解度主要取的溶解度主要取决于两者的晶格决于两者的晶格类型、原子直径类型、原子直径及它们在周期表及它们在周期表中的位置。中的位置。 间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体称为间隙固溶体，如图所示。 由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能是有限溶解溶质原子,因此是有限固溶体。例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成所形成的铁素体、奥氏体。的铁素体、奥氏体。铁碳合金都是间隙固溶体。碳的铁碳合金都是间隙固溶体。碳的溶解度是有限的

9、，属于有限固溶溶解度是有限的，属于有限固溶体，碳在铁中的溶解度主要取决体，碳在铁中的溶解度主要取决于铁的晶格类型，并随温度的升于铁的晶格类型，并随温度的升高而增加。高而增加。n固溶强化固溶强化形成固溶体时，溶剂的晶格产生不形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶强化。固溶强化。 不管不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者或者代替了溶剂原代替了溶剂原子子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，都会使固溶

10、体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为为固溶强化固溶强化。 是强化金属材料的重要途径是强化金属材料的重要途径2 2、金属化合物、金属化合物 1 1）金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，它具有一定的金属性质。一组元，它具有一定的金属性质。 例如渗碳体例如渗碳体FeFe

11、3 3C C是金属化合物，硬度是金属化合物，硬度极高极高800HBS800HBS，可以划玻璃，塑性韧性，可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。极低，伸长率和冲击韧性近于零。渗碳体在一定条件下可发生分解：渗碳体在一定条件下可发生分解： Fe3C3Fe+C Fe3C3Fe+C石墨石墨2）分类）分类正常化合物正常化合物电子化合物电子化合物间隙化合物间隙化合物3）特点）特点溶点高、硬度高、脆性大。溶点高、硬度高、脆性大。FeFe3 3C C的晶体结构的晶体结构 金属化合物的性能不同于任一组元，其金属化合物的性能不同于任一组元，其溶溶点一般较高、硬而脆点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分

12、布。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐强度、硬度和耐磨性磨性明显提高，这一现象称为明显提高，这一现象称为弥散强化弥散强化。金属化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。 绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的合物的数量、大小、形态和分布数量、大小、形态和分布状况。状况。 机械混合物

13、是在结晶过程中形成的两相组织，例如可机械混合物是在结晶过程中形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。大小、和分布有关。 铁碳合金中的机械混合物有铁碳合金中的机械混合物有珠光体珠光体和和莱氏体。莱氏体。三、铁碳合金的基本组织三、铁碳合金的基本组织 机械混合物机械混合物1 1、铁素体、铁素体u 铁素体铁素体（F或或）定义：碳溶于定义：碳溶于-Fe中所形成的间隙固溶体中所形成的间隙固溶体,它保持体心

14、立方晶格结构。它保持体心立方晶格结构。溶解度（溶解度（0.008% 0.02%），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、），故性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。韧性好。 晶格结构：晶格结构：bcc 碳的最大溶解度：碳的最大溶解度：0.0218%0.0218%（727727） 性能：性能： RmRm=180=180230MPa R230MPa Rr0.2r0.2=100=100170MPa HBS=50170MPa HBS=508080 A=30% A=30%50% Z=70%50% Z=70%80% a80% ak k=160=160200J/cm 200J/cm 2 22.2.奥氏体（

15、奥氏体（A A） 碳溶于碳溶于 中中形成的间隙固溶体形成的间隙固溶体，保持面心立方晶格，保持面心立方晶格结构。溶解度（结构。溶解度（0.77%0.77% 2.11%2.11%），其强度和硬度略高于铁），其强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好。素体，塑性、韧性较好。 Fe 晶格结构：晶格结构：fcc 最大溶解度：最大溶解度：2.11%（1148） 性能：性能： Rm400MPa HBS=170220 A=40%50% 高高塑性、无磁塑性、无磁 3、渗碳体（FeFe3 3C C）晶格结构：复杂正交晶格结构：复杂正交性能：性能：b b30MPa HBS=800 0 30MPa HBS=800 0

16、00 硬而脆（耐磨性好）硬而脆（耐磨性好）理论熔点理论熔点1227，碳质量分数，碳质量分数6.69%合金渗碳体：合金渗碳体： （FeFe、MeMe）3 3C CFeFe3 3（ C C、N N）或）或 FeFe3 3（ C C、B B）Fe3C3Fe+G（石墨）（石墨） 定义：定义：Fe 与与 C 所形成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。所形成的金属化合物，复杂斜方晶体结构。含碳量为含碳量为6.69%，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆，其硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。性极大，在一定条件下分解为铁和石墨。 4 4、珠光体（、珠光体（P P）u 定义：定义：F

17、与与 FeFe3 3C C 所形成的机械混合物（平均含碳量：所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%0.77%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间。度介于渗碳体和铁素体之间。 性能：性能：Rm750MPa HBS=180 A20%Rm750MPa HBS=180 A20%25% 25% a ak k=30=3040J/cm 40J/cm 2 2 综合性能综合性能5 5、莱氏体（、莱氏体（P P）定义：定义：A与与 FeFe3 3C C 所形成的机械混合物（平均含碳量：所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%4.3%）性

18、能：性能：727以上为高温以上为高温Ld （A+ Fe 3C）727以下为以下为低温低温Ld（ P+ Fe 3C）力学性能与）力学性能与 Fe 3C 相似相似硬而脆硬而脆3.2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析铁碳合金相图实际上是铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图相图 Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK(

19、P+Fe3C ) 相图上的特性线和点如下：相图上的特性线和点如下： 2）AECFAECF线（固相线）线（固相线）。当合金冷却到此线时，金属液全。当合金冷却到此线时，金属液全部结晶为固相，在此线以下区域为固相。部结晶为固相，在此线以下区域为固相。 1）ACDACD线（液相线）线（液相线）。当金属液冷却到此线时开始结晶，。当金属液冷却到此线时开始结晶，在此线以上区域为液相。在此线以上区域为液相。3）A A点点。纯铁的熔点（。纯铁的熔点（15381538）。）。4 4）D D点点。渗碳体的熔点（。渗碳体的熔点（12271227 ）。）。 5 5）C C点点。共晶点，温度。共晶点，温度11481148

20、0 0C C，成分，成分4.3%C4.3%C。共晶：共晶：指合指合金在一定的条件金在一定的条件( (温度、成分温度、成分) )下，由液体合金中同时结下，由液体合金中同时结晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的晶出两种不同的晶体，而形成一种特殊的共晶体组织的转变。转变。即即 6.69%C32.11%C4.3%CC11484.3%CCFeALdL06 6）ECFECF线（共晶线）线（共晶线）。含碳量在。含碳量在2.11%2.11%6.69%6.69%的铁碳合金，的铁碳合金，冷却到此线时（冷却到此线时（11481148度），将发生共晶反应，同时结晶出度），将发生共晶反应，同时结晶出奥氏体和

21、渗碳体的机械混合物莱氏体（奥氏体和渗碳体的机械混合物莱氏体（LdLd）。）。 7 7）ESES线线。是碳在。是碳在 中的溶解度曲线，中的溶解度曲线，E E点表示在点表示在114811480 0C C时碳在时碳在 中的最大溶解度为中的最大溶解度为2.11%2.11%。随着温度降。随着温度降低，溶解度下降，即含碳量大于低，溶解度下降，即含碳量大于0.77%0.77%的奥氏体冷却过程的奥氏体冷却过程中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为中都将从奥氏体中析出渗碳体（次生渗碳体），常称为A Acmcm线线FeFe8 8）GSGS线线。 是冷却过程不同含碳量的奥氏体中析出铁素体的是冷却过程不同含

22、碳量的奥氏体中析出铁素体的转变线，常称为转变线，常称为A A3 3线。线。1212）S S点。共析点，点。共析点，温度温度7277270 0C C，成分，成分0.77%0.77%。共析转变：共析转变：指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机指合金在一定条件下，由一种固相转变成两个固相的机械混合物的过程。械混合物的过程。 即：即： 6.69%C30.02%C0.77%C7270.77%CCFeFPA0 C9）E E点。点。碳在碳在-Fe中的最大溶解度（中的最大溶解度（1148148）。）。1010）F F点。点。渗碳体的成分（渗碳体的成分（11481148 ）。）。 1111）P P点点

23、。碳在。碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度1313）PSKPSK线（共析线）。线（共析线）。 含碳量含碳量0.0218%0.0218%的铁碳的铁碳合金，冷却到此线时（合金，冷却到此线时（7277270 0C C），将发生共析反应，），将发生共析反应，从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的机械混从奥氏体中同时结晶出铁素体和渗碳体的机械混合物珠光体（合物珠光体（P P）。）。A A1 1为共析温度。为共析温度。 根据含碳量的不同，铁碳合金可分为根据含碳量的不同，铁碳合金可分为钢钢和和铸铁铸铁两两大类：大类： 第一类第一类 钢钢 含碳量小于含碳量小于2.11的铁碳合金，按室温组织的铁碳合金，按室温

24、组织不同又可分为三类，以不同又可分为三类，以0.77为界：为界： *亚共析钢亚共析钢含碳量含碳量0.77 * 共析钢共析钢含碳量含碳量0.77 *过共析钢过共析钢含碳量含碳量0.77 第二类第二类 铸铁铸铁 即生铁即生铁 含碳量为含碳量为2.116.69的铁碳合的铁碳合金，安室温组织的不同，分为三类：金，安室温组织的不同，分为三类： *亚共晶铸铁亚共晶铸铁含碳量含碳量4.3 * 共晶铸铁共晶铸铁含碳量含碳量4.3 *过共晶铸铁过共晶铸铁含碳量含碳量4.3第三节、典型铁碳合金的结晶过程及其组织第三节、典型铁碳合金的结晶过程及其组织 1. 钢的结晶过程钢的结晶过程1）共析钢（）共析钢（T8钢钢，

25、Wc = 0.77% ） 1点以上点以上 L 12 LA 23 A 3点点 AP 3点以下点以下 P共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 室温组织室温组织: P: P 共析钢组织金相图共析钢组织金相图亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程 1 1点以上点以上 L L 1 12 L2 L 2 23 A+L 3 A+L 3 34 A4 A 45 A+F 45 A+F 5 5点点 APAP 5 5点以下点以下 P+FP+F2）亚共析钢）亚共析钢(45钢，钢，0.0218%Wc0.77% ） 亚共析钢组织金相亚共析钢组织金相图图P+Fe3CP+Fe3C（网状）（网状）过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 1

26、点以上 L 12 L+A 23 A 34 A+Fe3CII 4点 AP 4点以下 P+Fe3CII3 3）过共析钢（）过共析钢（T10,0.77% WcT10,0.77% Wc 2.11% 2.11% ) ) 过共析钢组织金相过共析钢组织金相图图返回返回5.5.共晶白口铁共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )( Wc = 4.3% )室温组织室温组织: : （P P + + FeFe3C CII + + （低温）莱氏体（低温）莱氏体 Le ）, ,莱氏体莱氏体 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆 共晶白口铁组织金相共晶白口铁组织金相图图( () )亚共晶白口铁亚共晶白口铁 (2.11%(2.

27、11%WcWc % 4.3 % ) % 4.3 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :Le+ P + FeLe+ P + Fe3C CII 亚共晶白口铁组织金相图亚共晶白口铁组织金相图( () )过共晶白口铁过共晶白口铁 ( (4.3%4.3%WcWc % 6.69 % % 6.69 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :LeLe+ + FeFe3C CI 过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁组织金相图过共晶白口铁的室温组织过共晶白口铁的室温组织当碳的质量分数增加地，组织中当碳的质量分数增加地，组织中 数量增加，且数量增加，且 在组织中的形态也发生变化。在组织中的形态也发生变化。

28、 1.4 1.4 碳的质量分数对铁碳合金组织、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响和铁碳合金相图的应用性能的影响和铁碳合金相图的应用一、碳的质量分数对铁碳合金组织的影响一、碳的质量分数对铁碳合金组织的影响 由相图可知，随着碳的质量分数的增加，铁碳合金显由相图可知，随着碳的质量分数的增加，铁碳合金显微组织发生如下变化。微组织发生如下变化。333FPPFe CPFe CLdLdLdFe C3Fe C3Fe C 碳的质量分数不同的铁碳合金具有不同的组织，因此碳的质量分数不同的铁碳合金具有不同的组织，因此它们具有不同的性能。它们具有不同的性能。二、碳的质量分数对力学性能的影响二、碳的质量分数对力学性能的影响1、硬度、塑性和韧性、硬度、塑性和韧性 由于硬度对组织形态不敏由于硬度对组织形态不敏感，所以钢中碳的质量分数增感，所以钢中碳的质量分数增加，高硬度的加，高硬度的 增加，低增加，低硬度的硬度的 减少，故钢的硬度减少，故钢的硬度呈直线增加，而塑性、韧性不呈直线增加，而塑性、韧性不断下降。断下降。3Fe CF2、强度、强度强度随碳的