第四章铁碳合金

第四章铁碳合金及铁碳相图第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相铁碳合金碳的存在形式：a：以原子形式固溶于铁（铁素体）中。b：以化合物（Fe3C）形式存在于铁中。c：以石墨（G）形式存在于铁中。（唯铸铁）第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相铁碳（Fe-Fe3C）合金相图：第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相一：铁碳合金组元、基本相与性能1：纯铁（组元）性能：塑性好、强度、硬度低、体心立方晶格、具有同素异构转变特性。σb=300MPaσs=170MPaΨ=75%δ=45%HB=75第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相同素异构转变：L←→（1538℃）δ-Fe（体心立方）δ-Fe（体心立方）←→（1394℃）γ-Fe（面心立方）γ-Fe（面心立方）←→（912℃）α–Fe（无磁性）α–Fe（无磁性）←→（770℃）α–Fe（有磁性）第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相2：渗碳体：铁与碳所形成的间隙化合物以Fe3C（或Cm）表示。性能：高硬度；塑（韧）性近于零。

HB≈800；Ψ≈0%；δ≈0%；3：铁素体：碳固溶于α-Fe的间隙固溶体。体心立方晶体结构。以F（或α）表示。（高温铁素体以δ表示）性能：近于纯铁。如Fe-Fe3C二元合金相图第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相4：奥氏体：碳固溶于γ-Fe的间隙固溶体。面心立方晶体结构。以A（或γ）表示。

性能：低硬度；具有良好的塑性和可锻性。如Fe-Fe3C二元合金相图第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相二：铁碳合金组织组成物铁素体与渗碳体的机械混合物，以P表示。（F+Fe3C）性能：由于渗碳体的固溶强化作用，强度、硬度远高于铁素体，但塑（韧）性低于铁素体。如Fe-Fe3C二元合金相图1：珠光体：第一节Fe-Fe3C系合金的主元与基本相如Fe-Fe3C二元合金相图奥氏体与渗碳体的机械混合物，以Le表示。（A+Fe3C）2：莱氏体：珠光体与渗碳体的机械混合物，以Le′表示。（P+Fe3C）

3：低温（变态）莱氏体：性能：性脆，几乎没有使用价值。第二节铁碳合金相图一：铁碳合金相图分析—相区、水平线铁碳合金相图有五个单相区1：相区七个双相区如Fe-Fe3C二元合金相图第二节铁碳合金相图A：包晶线HJE：2：水平线WC=0.09-0.53%之间的铁碳合金要发生包晶反应。L0.53%+δ0.09%←→（1495℃）A0.17%B：共晶线ECF：WC=2.11-6.69%之间的铁碳合金要发生共晶反应。A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C（共析）如Fe-Fe3C二元合金相图第二节铁碳合金相图C：共析线ECF：WC=0.0218-6.69%之间的铁碳合金要发生共析反应。

A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C（共析）如Fe-Fe3C二元合金相图第二节铁碳合金相图A：ES线：3：析出线碳在奥氏体中的固溶线；奥氏体中二次渗碳体（Fe3CⅡ

）析出线。A→A′+Fe3CⅡ如Fe-Fe3C二元合金相图B：CD线：液态铁碳合金一次渗碳体Fe3CⅠ析出线。

L＞4.3%→L4.3%+

Fe3CⅠ第二节铁碳合金相图C：GS线：从奥氏体中析出先铁素体F先线。

A0-0.77%-→F先+

A0.77%-D：PQ线：从铁素体中析出三次渗碳体Fe3CⅢ线。

F0.0218%→F′0.0008%

+

Fe3CⅢ如Fe-Fe3C二元合金相图第二节铁碳合金相图Fe3CⅠFe3CⅡFe3CⅢFe3C(共晶)Fe3C(共析)渗碳体第三节铁碳合金平衡结晶一、亚共析钢结晶过程A：1-2点间，液态冷却，没有相变。WC=0.17%铁碳合金结晶过程L0.17%→L′0.17%

B：2-J点间，铁碳合金液体中从结晶析出δ铁素体。L0.17%→L′0.53%+δ0.09%

第三节铁碳合金平衡结晶C：J点，发生包晶反应，生成奥氏体A。L0.53%+δ0.09%←→（1495℃）A0.17%D：

J-3点，奥氏体冷却，没有相变。E：3-4点间，从奥氏体中从析出先铁素体F先。A0.17%→A′0.17%A0.17%→A′0.77%+F先0.0218%A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C（珠光体P）第三节铁碳合金平衡结晶F：4点，发生共析反应，生成珠光体P。G：4-5点间，从铁素体中从析出三次渗碳体Fe3CⅢ。F0.0218%→F′0.0008%

+

Fe3CⅢ最终组织亚共析钢：

F+P（F0.0218%

+Fe3C（共析）+

Fe3CⅢ）第三节铁碳合金平衡结晶A：1-2点间，液态冷却，没有相变。WC=3%铁碳合金结晶过程L3%→L′3%

一、亚共晶白口铁结晶过程B：2-3点间，从铁碳合金液体中结晶析出奥氏体。L3%→L′4.

3%+A2.11%

第三节铁碳合金平衡结晶请计算在3点（未发生共晶转变）时，剩余液体：WL′4.

3%=？WL′4.

3%=？C：3点，剩余液体（含碳量为4.3%）发生共晶反应。第三节铁碳合金平衡结晶L4.3%←→（1148℃）A2.11%+

Fe3C（莱氏体Le）D：

3-4点，从奥氏体中从析出二次渗碳体（Fe3CⅡ

）。A2.11%→A′0.77%+Fe3CⅡ第三节铁碳合金平衡结晶E：4点，剩余奥氏体A0.77%发生共析反应，生成珠光体P。G：

4-5点间，从铁素体中从析出三次渗碳体Fe3CⅢ。最终组织A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C-珠光体PF0.0218%→F′0.0008%

+

Fe3CⅢ亚共晶白口铁P+Fe3CⅡ+Le′

（F0.0218%

+Fe3C（共析）

+Fe3CⅡ+

Fe3CⅢ+

Fe3C（共晶））第三节铁碳合金平衡结晶A：1-2点间，液态冷却，没有相变。WC=5%铁碳合金结晶过程L5%→L′5%

三、过共晶白口铁结晶过程第三节铁碳合金平衡结晶B：2-3点间，从液态铁碳合金中析出一次渗碳体Fe3CⅠL5%→L4.3%+

Fe3CⅠ请计算在3点（未发生工晶转变）时，剩余液体：WL′4.

3%=？第三节铁碳合金平衡结晶C：3点，剩余液体（含碳量为4.3%）发生共晶反应。L4.3%←→（1148℃）A2.11%+

Fe3C-莱氏体Le下面过程同前述一致最终组织：过共晶白口铁：Le′+Fe3CⅠ

（F0.0218%

+Fe3C（共析）+

Fe3CⅢ+

Fe3C（共晶）+Fe3CⅠ）第四节铁碳合金分类铁碳合金纯铁WC≤0.0218%钢WC=0.0218～2.11%白口铁WC=2.11～6.69%亚共析钢WC=0.0218～0.77%共析钢WC=0.77%过共析钢WC=0.77%～2.11%亚共晶白口铁WC=2.11～4.3%共晶白口铁WC=4.3过晶白口铁WC=4.3～

6.69%如图一：按含碳量分类第四节铁碳合金分类铁碳合金纯铁F钢F+Fe3C白口铁F+Fe3C亚共析钢F+P共析钢P过共析钢P+Fe3CⅡ亚共晶白口铁P+Fe3CⅡ+Le′共晶白口铁Le′过晶白口铁Le′+Fe3CⅠ二：按组织分类如图第三节铁碳合金及相图-171：分析：从Fe-Fe3C相图可看出例题1：含碳量为0.60%铁碳合金液1吨，从液态下缓慢冷却至室温，叙述结晶过程。并计算室温组织中WF先=？kg；WFe3C=？kg。A：1-2点间，液态冷却，没有相变。

L0.60%→Lˊ0.60%B：2-3点，从液体中析出奥氏体A，L0.60%→A≤

0.60%+Lˊ≥

0.60%第三节铁碳合金及相图-17C：至3点，全部液体转化为奥氏体A。L0.60%→A0.60%A0.60%→Aˊ0.77%+

F先0.0218%D：3-4点含碳量为0.6%的奥氏体冷却。E：4-5点，从奥氏体A中析出先铁素体F先。第三节铁碳合金及相图-17F：5点，剩余奥氏体A（含碳量为0.77%）发生共析反应，生成铁素体F与渗碳体。A0.77%←→（恒温）F0.0218%+Fe3C6.69%（共析）G：5-6点，从铁素体析出三次渗碳体Fe3CⅢF先+F共析—Fˊ+Fe3CⅢH：6点（室温）第三节铁碳合金及相图-17室温组织为亚共析钢：去掉中间过程有：L（A）0.6%←→F（F先+F共析）0.0008%+Fe3CⅢ6.69%+

Fe3C6.69%（共析）F先+P第三节铁碳合金及相图-19还原计算室温组织中WF先=？kg；WFe3C=？kg。先求F先：即：A0.60%→Aˊ0.77%+

F先0.0218%

支点-0.6%端点-0.0218%端点-0.77%第三节铁碳合金及相图-19还原计算室温组织中WF先=？kg；WFe3C=？kg。再求Fe3CⅢ6.69%+

Fe3C6.69%（共析）：

即：A0.60%→F0.0008%+Fe3C6.69%(去掉中间过程)支点-0.6%端点-0.0008%

端点-6.69%第三节铁碳合金及相图-19WF先=230kg问：WFe3C=90kg室温组织：F先+P（F共析+Fe3C）1000-（230+90）=680是否是WF共析？第三节铁碳合金及相图-19F共析=？Fe3CA0.60%→Aˊ0.77%+

F先0.0218WAˊ0.77%=1000-WF先=

1000-230=770kg684-680=4kg是什么?F先F共析析出Fe3CⅢ-F先析出Fe3CⅢ第五节含碳量对组织与性能的影响一：含碳量对组织的影响铁碳合金成分与相组织组成物的关系二；含碳量对铁碳合金机械性的影响含碳量对铁碳合金机械性的影响三：含碳量对铁碳合金工艺性的影响A：切削加工性能B：锻造性能C：铸造性能D：可焊性能第六节金属铸锭宏观组织-1铸件：凝固后在铸造状态（或要经过热处理）下使用的金属。铸锭（钢锭）：凝固后还要经历塑性变形的金属件。各种形状、规格的钢材都要由铸锭（钢锭）或连铸坯（一种连续浇铸得到的铸坯）经过压力加工得到。第四节金属铸锭宏观组织-1一、铸锭的三晶区如铸锭宏观组织示意图1、表面细晶粒区产生原因：2、柱状晶区产生原因：性能特点：性能特点：第四节金属铸锭宏观组织-2如铸锭宏观组织示意图3、中心等轴晶区产生原因：性能特点：金属液温度下降时，体积收缩，一旦收缩体积得不到金属液补充，就会形成收缩孔洞，集中的收缩孔洞称为集中缩孔，简称缩孔。二、铸锭（铸件）的缺陷1、缩孔第四节金属铸锭宏观组织-2如圆柱体试样缩孔形成示意图纯金属、共晶成分合金或凝固温度范围窄的合金，当合金液冲满型腔后，当内浇道未凝固时，液态收缩可从浇铸系统补充，型腔内充满液体（如图a）。随着温降低，靠近型腔壁的一层金属凝固成硬壳，如内浇道已凝固，硬壳便形成一个充满合金液的密封容器（如图b）。缩孔的形成：第四节金属铸锭宏观组织-2随着温度不断降低，内部合金液凝固收缩得不到补充，在硬壳内中上部形成空隙，随着合金液凝固、收缩的进行，该空隙不断扩大，最后合金结晶完毕，在铸件内中上部形成的空隙便时缩孔（如图c、d、e、f）。缩孔的形成：如圆柱体试样缩孔形成示意图第四节金属铸锭宏观组织-2如圆柱体试样缩松形成示意图金属液温度下降时，体积收缩，一旦收缩体积得不到金属液补充，就会形成收缩孔洞，分散的收缩孔洞称为分散缩孔，简称缩松。2、缩松凝固温度范围宽的合金当合金液冲满型腔后，当内浇道未凝固时，液态收缩可从浇铸系统补充，型腔内充满液体（如图a）。缩松的形成：第四节金属铸锭宏观组织-4随着温降低，靠近型腔壁的一层金属凝固成硬壳，如内浇道已凝固，硬壳便形成一个充满合金液的密封容器。随着温度不断降低，内部硬壳不断加厚，两相并存区逐步推向中心，发达的枝晶奖中心部分的合金液分隔成许多独立的小液体区(如图b)，这些独立的小液体区最后趋于同时凝固，且得不到补充而形成分散的小孔洞即缩松(如图c)。缩松的形成：第四节金属铸锭宏观组织-5气孔来源：3、气孔侵入气体、反应产生气体、析出气体等未得到及时排出，留在金属固体中形成气孔。作用：降低金属承载截面积，产生应力集中，降低构件力学性能。纯铁的同素异构转变曲线

还原Fe-Fe3C二元合金相图（成分、温度）

F、Fe3C

奥氏体Fe-Fe3C二元合金相图（组织、相区）珠光体

莱氏体Fe-Fe3C二元合金相图（组织、相区）还原Fe-Fe3C二元合金相图（组织、相区）水平线

水平线2Fe-Fe3C二元合金相图（组织、相区）作业3Fe-Fe3C二元合金相图（相区）还原Fe-Fe3C二元合金相图—析出线析出线析出线2Fe-Fe3C二元合金相图—结晶分析2

钢组织金相图钢组织金相图还原Fe-Fe3C二元合金相图—结晶分析2

还原

还原

白口铁组织金相图白口铁组织金相图还原白口铁组织金相图亚共晶白口铁

过共共Fe-Fe3C二元合金相图（成分、温度）还原钢与白口铁金相组织示意图还原Fe-Fe3C二元合金相图—结晶分析3

还原

白口铁组织金相图白口铁组织金相图还原Fe-Fe3C二元合金相图—例题1例题1

、

例题2

、例题3

、例题4

Fe-Fe3C二元合金相图例题2还原Fe-Fe3C二元合金相图—作业4作业5Fe-Fe3C二元合金相图—作业6