活动二 铁碳合金

活动二铁碳合金相图1.铁碳合金的组元和相2.铁碳合金相图分析3.典型铁碳合金结晶过程及其组织

5.铁碳相图的应用及局限铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。4.含碳量对铁碳合金组织和性能的影响一、金属的晶体结构

1.晶体概念

晶体结构的基本概念和类型

晶体

固态物质

非晶体组成晶体的原子或离子、分子呈规则、周期性重复排列的固体；例如：水晶、天然水晶石

组成非晶体的原子或离子、分子呈无规则排列的固体。例如：松香、石蜡和玻璃｛一、金属的晶体结构

1.晶体概念

晶体结构的基本概念和类型一、金属的晶体结构

1.晶体概念

晶体结构的基本概念和类型

(1)晶格（点阵）为了便于研究晶体中原子排列的情况，通常用一个小钢球代替一个原子，并把不停振动的原子当作在它平衡位置上静止不动，这样金属晶体结构就可用许多小钢球互相紧密接触的堆砌模型来表示（刚球模型）。一、金属的晶体结构1.晶体概念

(2)晶胞晶胞是晶格中能代表原子排列的最小几何单元体，它是一个简单的多面体结构。..\VIDEO\晶胞.AVI第一章工程材料类型及金属的晶体结构

1.2晶体概念

1.2.2晶体结构的基本概念和类型

5.常见的金属晶格类型

工业上使用的金属虽然有几十种，但除少数金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属均具有比较简单的晶体结构。最常见的晶体结构只有三种，即

体心立方（bcc）面心立方(fcc)

密排六方(hcp)

前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。一、金属的晶体结构

常见的金属晶格类型（一）体心立方结构

(b)(c)图1－2体心立方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数一、金属的晶体结构

（二）面心立方结构面心立方晶胞除了晶胞的8个角上各有一个原子外，在每个立方体面的中心还有一个原子，故称面心立方结构。一、金属的晶体结构

（三）密排六方结构

(Mg、Zn、-Co)二、铁碳合金的组元和相1、组元：Fe、Fe3C2、相⑴铁素体：碳在α-Fe中的固溶体称铁素体，用F

或

表示。碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⑵奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体⑶渗碳体：即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。

Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。

Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

三、铁碳合金相图的分析1、特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

2、特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD⑵三条水平线：

HJB：包晶线LB+δH⇄

J

ECF：共晶线LC⇄

E+Fe3C

共晶产物是

与Fe3C的机械混合物，称作莱氏体，用Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体

PSK：共析线

A

S

⇄FP+Fe3C

共析转变的产物是

与Fe3C的机械混合物，称作珠光体，用P表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。PSK线又称A1线。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C（3）其它相线GS-----奥氏体与铁素体的相互转变线，GS又称A3

线GP-----奥氏体转变为铁素体的终了线ES—碳在奥氏体中的固溶线。又称Acm线。PQ—碳在α-Fe中的溶解度曲线。3、相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C⑵七个两相区：L+

、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线

四、典型合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(<0.0218%C)组织为单相铁素体。⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相，易于变形，①亚共析钢(0.0218~0.77%C)②共析钢(0.77%C)③过共析钢(0.77~2.11%C)五、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1、含碳量对室温平衡组织的影响根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的相及组织组成物之间的定量关系：随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在

基体内(P中Fe3C)变为分布在A晶界上(Fe3CⅡ)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。

2、含碳量对力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。0.77%C时，组织为100%P，含碳量对力学性能的影响

钢的性能即P的性能。＞0.9%C,Fe3CⅡ为

晶界连续网状,强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C,组织中有以Fe3C为基的Le’，合金太脆。3、含碳量对工艺性能的影响⑴切削性能：中碳钢比较合适。⑵可锻性能：低碳钢比高碳钢好。⑶铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。⑷焊接性能：低碳钢好于高碳钢。⑸热处理性能：第六章介绍。焊缝组织铸造六、铁碳合金平衡相图的应用（1）1、选材的依据2、选择铸造合金成分和浇注温度的依据3、确定钢的锻造温度的依据4、研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理论依据5、确定各种热处理工艺的依据：根据对工件材料性能要求的不同，各种不同热处理方法的加热温度都是参考Fe-Fe3C相图选定的。

六、铁碳合金平衡相图的应用（2）

1在选材上的应用低碳钢：塑性、韧性好，用于冲压件、焊接件、抗冲击件。中碳钢:综合力学性能较好，用于轴、齿轮等。高碳钢：强度、硬度、耐磨性好，用于各种工模具。白口铁：性硬而脆，但铸造性能好，用于不受冲击的铸件。

2在铸造工艺上的应用根据Fe-Fe3C相图的液相线可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化、浇注温度(液相线以上50~100℃)。还可以看到钢的熔化与浇注温度都要比铸铁高，如下图所示。此外，靠近共晶成分的铁碳合金不仅熔点低，而且凝固温度区间也较小，故具有良好的铸造性能。这类合金适宜于铸造，在铸造生产中获得广泛的应用。六、铁碳合金平衡相图的应用（3）

Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的