第1篇cp2 铁碳合金

第二章铁碳合金什么是铁碳合金？以铁、碳为主要成分的合金。其中铁的含量大于95%。学习内容1.纯铁的晶体结构及其同素异晶转变2.铁碳合金的基本组织3.铁碳合金状态图4.工业用钢金属工艺学---国家级精品课程第一节纯铁的晶体结构及其同素异晶转变【重点内容】1.金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素。2.过冷现象、过冷度、冷却速度与过冷度的关系及细化晶粒的办法。3.纯铁的晶体结构。4.纯铁同素异晶（构）转变。

一、金属的结晶什么是金属的结晶？液态金属冷却凝固转变为固态晶体的过程，称结晶。结晶：

液体-->晶体凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）非晶体：蜂蜡、玻璃等液体凝固=结晶凝固晶体：金属、NaCl、冰等原子（离子、分子）在三维空间呈周期性规则排列无规则堆积原子间距大、排列混乱冷却曲线与过冷度结晶的过程可用“温度—时间的曲线”（冷却曲线）来表示。过冷现象：实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。过冷度：理论结晶温度(To)与其实际结晶温度Tn之差△T=To-Tn注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。过冷度的大小与冷却速度的关系纯金属的冷却曲线结晶过程==形核+长大

液态金属晶核长大形核完全结晶晶粒

自发形核（均质形核）晶核的形成方式非自发形核（异质形核）晶核的长大方式：树枝状长大长大后成为一个晶粒晶粒大小分级每个晶核长成的晶体称为晶粒。晶粒大小及控制

晶粒大小对金属机械性能有较大的影响，在常温下工作的金属，其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有哪些？

形核率N(晶核数/s·cm3)：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。

长大速度G

(cm/s)：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。晶粒大小的控制（1）增大过冷度；（2）变质处理；（3）振动（1）过冷度的影响

冷却速度愈大，过冷度愈大。实线部分，随着ΔT的增大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加的快，晶粒愈细。

（2）变质处理在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒，这种处理方法即为变质处理。（3）振动对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。

二、纯铁的晶体结构晶体中原子在空间的排列，可用晶格来表示。晶格中一个最基本的几何单元叫晶胞。根据对晶胞的分析，最常见的晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。原子数1＋8×(1/8)=2典型金属：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb性能特点：强度很高，塑性较好致密度：68％（原子所占的体积与该晶胞体积之比）体心立方晶体结构纯铁的晶格有体心立方和面心立方两种。面心立方晶体结构原子数(1/2)×6＋(1/8)

×8=4典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag性能特点：塑性极好致密度：74％三、纯铁同素异晶转变液态铁缓慢冷却到熔点左右经过第一次结晶后，到室温的过程中，晶格类型将发生改变。这种随着温度的改变，固态金属晶格也随之改变的现象，称为同素异晶转变。γ-Fe

转变为α-Fe

时，金属的体积将膨胀还是收缩？纯铁的冷却曲线及晶体结构变化

第二节铁碳合金的基本组织基本概念：合金、组元、相、组织将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，通常是指组成该合金的元素或某些化合物，根据合金组元数目的多少，把合金分为二元合金、三元合金和多元合金。如：铁碳合金就是由铁和碳二组元组成的二元合金。相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。在显微镜下能观察到的金属和合金的微观形貌、图象称为组织，合金又可分为不同的组织。铁碳合金的基本组织可分为固溶体、金属化合物和机械混合物三种类型。一、固溶体某些合金的组元在固态时，具有一定的互相溶解能力。溶质原子溶入溶剂晶格中，而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称固溶体。在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的组元（元素）—溶质根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两类。

间隙固溶体和置换固溶体铁碳合金中的固溶体都是碳溶解到铁的晶格中的间隙固溶体

间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置。

固溶体

置换固溶体：溶质原子置换溶剂在晶格结点上的原子。1、铁素体（F）Ferrous铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。由于α-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是几乎不含碳的纯铁。具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度却较低。它在770℃以下具有磁性。性能：σb=180～230MPaHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%

ak=156～196J·cm-2铁素体的晶体结构显微镜下观察，铁素体呈大小不一的多边形颗粒形状。2、奥氏体（A）Austenite奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。γ-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。奥氏体的的晶体结构显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，但晶界较铁素体平直。这是奥氏体不锈钢在显微镜下观察到的单相奥氏体孪晶组织。“固溶强化”通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。强化原因：溶质原子溶入后，引起溶剂金属的晶格产生畸变，进而位错运动时阻力增大。因此固溶强化是材料的一种主要的强化途径。固溶体的性能当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变。其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。二、金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质，称为金属化合物。性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物后，其强度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韧性则降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。铁碳合金中的渗碳体属金属化合物。渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。含碳量为6.69%。性能：HBW=800，硬度很高，脆性极大，塑性、韧性几乎为零，是钢中的强化相。显微镜下观察，渗碳体(Fe3C)呈银白色光泽。渗碳体在一定条件下可以分解出石墨。

渗碳体

Fe3C渗碳体(Fe3C)晶格结构渗碳体组织金相图在显微镜下，渗碳体的显微组织呈：片状、网状、球状三、机械混合物它是两种或两种以上的相按一定质量百分数组成的物质。混合物各相保持其原有晶格。混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布的形态、数量及大小。铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。1.珠光体（P）Perlite珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。性能：σb=750MPaHB=160～180较高

δ=20～25%φ=30～40%适中显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因得名。这是T8钢的退火组织（白色为铁素体、黑色为渗碳体）。2.莱氏体Ld

Ledeburite由奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物。奥氏体在727℃时将转变为珠光体，所以在室温下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld/表示。高温莱氏体仅存于727℃以上。莱氏体硬度很高，脆性大，塑性很差。

这是共晶白口铸铁的铸造组织，珠光体呈椭圆状分布在渗碳体的基体上。因其含渗碳体较多，故性能与渗碳体相近。第三节铁碳合金状态图【基本要求】：1.熟练掌握铁碳合金相图中的点、线、区域的含义。2.熟练掌握钢在结晶过程中的组织转变；能利用状态图对典型合金的结晶过程进行分析。

3.

掌握碳钢的牌号及用途；什么是铁碳合金相图？铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系及变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷却。它以温度为纵坐标、合金成分（Fe3C或含碳量）为横坐标的图形。它是说明合金成分、温度和组织三者关系的图形。简化图1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe一、铁碳合金状态图的建立合金状态图是通过一系列实验测出不同成分的铁碳合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变，然后在成分与温度坐标图中标出临界点温度（结晶开始和结晶结束的温度），并把物理意义相同的点连成曲线，这样构成的完整图形便是铁碳合金状态图。二、铁碳合金状态图的分析1.组元和相（1）组元：

铁－石墨相图：Fe,C;

铁－渗碳体相图：Fe，Fe3C。（2）相：

L,A(γ),F(α),Fe3C(K)。1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe2．特性点：1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe3．特性线：①ACD线—液相线②AECF线—固相线③ECF线—共晶反应线④GS线（A3)—铁素体从A中析出开始线⑤ES线—碳在奥氏体中的溶解度曲线⑥PSK线—共析反应线⑦PQ线—C在F中的溶解度曲线，冷却至此线有Fe3CⅢ析出1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe四个单相区(1)ACD线以上的液相区（L）(2)AESGA线围着的单一奥氏体相区（A，γ）(3)GPQG线围着的单一铁素体相区（F，α）(4)DFK垂线代表的单一渗碳体相区（Fe3C）4.区域

五个双相区

ACEA线围着的液相与奥氏体相区（L+A）

CDFC线围着的液相与渗碳体相区（L+Fe3C）

GSPG线围着的奥氏体与铁素体相区（A+F）

EFKSE线围着的奥氏体与渗碳体相区（A+Fe3C）

QPSK以下为铁素体与渗碳体相区（F+Fe3C）4.区域5.共晶反应与共析反应（转变）共晶点：C，共晶反应线：ECF从一种液相中结晶出两个不同的固相。

即L4.3(A2.11+Fe3C)产物为机械混合物称高温莱氏体,Ld共晶转变在恒温下进行。液态合金成分在共晶线范围内的都要经历共晶转变。共析点：S，共析线：PSKS点成分的奥氏体冷却到PSK线温度时，恒温下将同时析出P点成分的铁素体和渗碳体的机械混合物，珠光体,P。即A0.77(F0.02+Fe3C)1538Q

Fe-Fe3C状态图wC/%→温度/℃→LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe6.铁碳合金的分类工业纯铁：C%<0.0218共析钢：C%=0.77亚共析钢：0.0218<C%<0.77过共析钢：0.77<C%<=2.11共晶白口铁：C%=4.3亚共晶白口铁：2.11<C%<4.3过共晶白口铁：4.3<C%<6.69三、钢在结晶过程中的组织转变共析钢(І)：L→L+A→A→P亚共析钢(Ⅱ)：L→L+A→A→A+F→P+F过共析钢(Ⅲ)：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ共晶白口铁：L→Ld→Ld’亚共晶白口铁：L→L+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld’+P+Fe3CⅡ过共晶白口铁：L→L+Fe3CІ→Ld+Fe3CІ→Ld’+Fe3CLAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

Fe-Fe3C状态图wC/%→0.772.114.36.69温度/℃→72711480ІⅡⅢ123112233441.共析钢Wc=0.77%室温组织：LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

wC/%→0.772.114.36.69温度/℃→72711480ІⅡⅢ12311223344结晶过程：2.亚共析钢Wc=0.6%室温组织：P+LAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

wC/%→0.772.114.36.69温度/℃→72711480ІⅡⅢ12311223344结晶过程：3.过共析钢Wc=1.2%室温组织：P+Fe3CLAL+AL+Fe3CІF+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3CІLd+Fe3CІLd’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

wC/%→0.772.114.36.69温度/℃→72711480ІⅡⅢ12311223344结晶过程：4.含碳量对铁碳合金组织性能的影响(1)对平衡组织的影响图铁碳合金中组织与成分的关系(2)对力学性能的影响含碳量对钢力学性能的影响

含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。这是由于含碳量越高，钢中的增强相Fe3C越多的缘故。当含碳量超过过共析成分（0.77%），达到0.9％时，在晶界析出网状二次渗碳体，使钢的强度有所降低。5.铁碳合金平衡相图的应用1