第五章-铁碳合金相图

1第五章Fe-C合金相图5.1纯铁及铁碳合金中的相5.2Fe-Fe3C相图分析5.3合金的成分与组织、性能的关系5.4Fe-Fe3C相图的应用及局限性2铁和碳可以形成的一系列化合物，即Fe3C、Fe2C、FeC等。Fe-C相图可分为几部分：FeFe3CFe2CFeCCC,%6.69%9.70%17.7%脆性大，无实用意义5.1纯铁及其铁碳合金相912℃

1394℃一、工业纯铁及其特性工业纯铁指含杂质为0.10～0.20％的纯铁，sb、HB低，d、aK

好。（一）特性：1.纯铁具有同素异晶转变：在固态不同温度发生晶格类型的转变。

即α-Feγ-Feδ-Fe(BCC)(FCC)(BCC)sb=180~230MPaHB=50~80d=30~50%aK=160~200J/cm2j=70~80%主要利用其高的导磁率，作电工材料。5.1纯铁及其铁碳合金相4二、铁碳合金相组元：

纯铁、渗碳体基本相：

铁素体（α）

奥氏体（γ）

渗碳体（Cm）基本组织：珠光体（P）

莱氏体（Le/Le’）5.1纯铁及其铁碳合金相5

(1)

α相：又称为铁素体－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的间隙形成的固溶体，用“F”或“a”表示。呈体心立方晶格，最大含碳量为0.0218%，(P点)温度为727℃。性能：бb、HB低，δ、αK

好。二、铁碳合金相5.1纯铁及其铁碳合金相6（2）g相：又称为奥氏体－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的间隙形成的固溶体，用“A”或“g”表示，具有FCC晶体结构

。含碳量为－727℃时为0.77%；1148℃时为2.11％性能：高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低.二、铁碳合金相5.1纯铁及其铁碳合金相7（3）Cm相：

Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正交晶系，含碳量为6.69％，通常称为“渗碳体”。性能：高硬度，高脆性，塑性近似为零，加热易分解。sb=30MPaHB=800d=0物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、粒状等，对性能有较大影响。Fe3C3Fe＋C（石墨）石墨具有六方结构,强度、硬度极低二、铁碳合金相5.1纯铁及其铁碳合金相85.2铁碳合金相图分析＋Fe3C＋Fe3C＋＋L＋L＋L＋Fe3CL1148℃1538℃B

1495℃727℃912℃GACDEPSFHNQJKC％(重量)0

Fe6.69

Fe3C2.114.30.770.0218H：0.09J：0.17B：0.531394℃9符号温度（℃）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液相合金的成分C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点(计算值)E11482.11C在奥氏体中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120-Fe-Fe同素异构转变点（A3）H14950.09C在中的最大溶解度J14950.17包晶点K7276.69渗碳体的成分L06.69渗碳体的成分M7700纯Fe的居里点N13940-Fe-Fe同素异构转变点（A4)O7700.5铁素体的磁性转变温度P7270.0218C在中的最大溶解度Q室温0.0008室温时C在中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）一、相图分析5.2铁碳合金相图分析相图中的点相图中的五个单相(区)相图中的三条水平线相图中的七个两相区一、相图分析5.2铁碳合金相图分析（一）相图中重要的点、线、区相及相区

相区：五个单相区：L、d、

A、F、Fe3C。七个双相区：L＋A、L＋d、

L+Fe3C、d

＋A、A＋F、A＋Fe3C、F＋Fe3C。三个三相区：L+d+A、

L＋A＋Fe3C、F+A+Fe3C相：L、d、A、F、Fe3C五个相。线:(一)液相线-ABCD线

(二)固相线-AHJECF线(三)三条水平线

共晶线－ECF线

包晶线－HJB线

共析线－PSK线－A1线一、相图分析5.2铁碳合金相图分析（一）相图中重要的点、线、区J为包晶点:

1495℃时,B点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应,生成J点成分的γ。C点为共晶点：

1148℃时,C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的γ和Fe3C（莱氏体）。S点为共析点：

727℃时,S点成分的γ发生共析反应,生成P点成分的α和Fe3C（P）。一、相图分析5.2铁碳合金相图分析（二）三个重要的点包晶反应：L+δ＝γ共晶反应：L＝Ld(FeC3+γ)共析反应：γ＝P(FeC3+α)

返回一、相图分析5.2铁碳合金相图分析（三）三个重要的恒温转变14

莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体，在显微镜下为块状或粒状γ分布在渗碳体基体上；性能：渗碳体连续分布，Ld塑性很差。一、相图分析5.2铁碳合金相图分析共晶反应：L＝Ld(FeC3+γ)莱氏体15珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物，渗碳体以细片状分散分布在铁素体基体上，起强化作用。性能：强度较高，塑性、韧性和硬度介于α与Cm之间。层片状一、相图分析5.2铁碳合金相图分析共析反应：γ＝P(FeC3+α)珠光体16一、相图分析5.2铁碳合金相图分析（四）三条重要的特征线＋Fe3C＋Fe3C＋＋L＋L＋L＋Fe3CL1148℃1538℃B

1495℃727℃912℃GACDEPSFHNQJKC％(重量)0

Fe6.69

Fe3C2.114.30.770.0218H：0.09J：0.17B：0.531394℃ES线(Acm)：碳在γ中的溶解度曲线，Fe3CⅡPQ线：碳在α中的溶解度曲线，Fe3CⅢGS线(A3)：冷却过程中γ析出α的开始线过共析钢共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢白口铸铁亚共析钢工业纯铁二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析亚共析钢用途实例45＃钢碳含量0.45％60＃钢碳含量0.60％二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析共析钢的应用举例T8钢碳含量0.80％二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析过共析钢应用举例T12钢碳含量1.2％二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析过共析钢共析钢亚共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁铁碳合金碳素钢白口（铸）铁工业纯铁﹤0.0218%0.0218～2.11%2.11～6.68%0.77%4.3%二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析221．当T在T1～T2时，由L→δ2．在T2～T3时，δ的成分不变

3.在T3～T4时，由δ→A

4.T4～T5,A成分不变

5.T5～T6,由A→F

室温组织为：F+Fe3CⅢ典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置

F:白色等轴晶粒；Fe3C：呈小白片状分布于F晶界二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（一）工业纯铁23

工业纯铁组织金相图二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（一）工业纯铁单相液体的冷却匀晶反应L相中析出γ相（奥氏体A）γ单相固溶体的冷却γ相发生共析反应生成珠光体P二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（二）共析钢注意事项共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一起，难以分辨。共析钢的室温平衡组织：PP：铁素体（F）和渗碳体的两相混合物，两相的相对质量是多少？二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（二）共析钢

杠杆定律

计算二元相图中平衡状态下两平衡相的相对质量分数。

杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成分点。aFe3CA(0.0008)B(6.69)0.77Ca相的质量分数Fe3C相的质量分数L相冷却L相→δ相L相+δ相→

γ相，并且L相有剩余剩余L相→

γ相γ单相的冷却γ相→α相，但γ相有剩余共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（三）亚共析钢注意事项先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析出Fe3CⅢ，但量很少可忽略亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（三）亚共析钢计算727℃下,组织组成物的质量分数a组织组成物的质量分数P组织组成物的质量分数PaPA(0.0218)B(0.77)0.6C单相液体的冷却L相→γ相γ单相固溶体（奥氏体）的冷却γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）共析转变：γ相→（α+Fe3C），存在Fe3CⅡ二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（四）过共析钢注意事项从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大过共析钢室温平衡组织：珠光体P+Fe3CⅡ利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（四）过共析钢单相液体的冷却共晶反应：L→Le（γ+Fe3C）共晶中的γ相不断析出Fe3CⅡ，不可见共析反应：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（五）共晶白口铁注意事项冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出，Fe3CⅡ，但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le’（珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上）共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（五）共晶白口铁单相液体的冷却共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见共析反应：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）先共晶γ相→P匀晶反应：L→γ相室温组织：Le’（P+Fe3C）+P二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（六）亚共晶白口铁单相液体的冷却共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见共析反应：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）匀晶反应：L→Fe3C相室温组织：Le’（P+Fe3C）+Fe3C二、典型合金的平衡凝固过程5.2铁碳合金相图分析（六）过共晶白口铁小结α+Fe3CⅢα+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Le’Le’Fe3C+Le’46相：

随着C％↑F％↓Fe3C↑。

组织：

1.工业纯铁：F线以左（Fe3C<0.33％）

2.钢：亚共析钢中Fe3C呈片层状分布在F基体上。共析钢为100%的P。过共析钢当C％>1.0％后Fe3CⅡ呈网状沿A晶界分布。钢中：基体相为F，第二相为Fe3C

3.白口铁：C％>2.11％后组织中出现了大量的莱氏体组织。白口铁：基体相为Fe3C，第二相为F

含C％对Fe-C合金组织的影响5.3合金的成分与组织及性能之间的关系一、含碳量对相及组织的影响47Fe3C组织Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ

、共晶Fe3C、共析Fe3C、先共晶Fe3C、先共析Fe3C。这些渗碳体的成分和晶体结构都相同，属同一“相”。不同的名称说明析出的母相不同、析出的顺序不同、分布状态不同。48（一）含碳量对力学性能的影响1.钢(1）当Fe3C呈片层状分布在F基体上时为强

化相，P为高强组织。亚共析钢随着

C％↑P％↑，бb↑HB↑，δ↓αK

↓.(2)共析钢的强度高于亚共析钢。(3)过共析钢当C％＝1.0％时达到最值。

当Fe3C呈网状分布在A的晶界时使钢的

δ↓αK↓бb↓,脆性增大。2.白口铁

无论高温或低温，莱氏体基体相都是

硬脆的Fe3C,所以硬而脆，但耐磨性好。3.硬度

决定于组成相或组织组成物的硬度和相对数量，而受相形态的影响较小。图

含C％对Fe-C合金性能的影响二、含碳量对性能的影响5.3合金的成分与组织、性能的关系49(二)、含碳量对切削性能的影响1.低碳钢（C％≤0.25％），不易断屑，切削性能不好。

2.高碳钢（C％≥0.60％），因硬度高，刀具磨损严重，切削性能不好。3.中碳钢（0.25％<C％<0.6％）HB适中（HB=220）切削性能好.4.白口铸铁硬度高，脆性大，不易切削加工。(三)、含碳量对锻造性能的影响1.钢具有良好的锻造性能，亚共析钢中随着C％↑锻造性能↓，亚共析钢的锻造性能好于共析、过共析钢。

2.白口铁无论高温或低温都是以共晶渗碳体为基体相所以不能锻造。(四)、含碳量对铸造性能的影响铸造性能包括：流动性、缩孔、枝晶偏析等。

1.钢的铸造性能不如白口铁.

2.共晶白口铁的铸造性能最好。二、含碳量对性能的影响5.3合金的成分与组织、性能的关系501）需用塑性、韧性好的材料，如，建筑结构和各种型钢，宜选用碳含量较低的钢材。2）一些要求强度、塑性及韧性都较好的机械零件，如汽车轴，则应选用碳含量适中的中碳钢。3）需要高硬度和高耐磨性的材料,如，各种工具，则应该选择碳含量较高的钢种。4）白口铸铁由于耐磨性、铸造性能好，适用于要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如拔丝模、冷轧辊、犁铧、磨球、床身等。5.4Fe-Fe3C相图的应用及局限性1、在钢铁材料选用方面的应用511）根