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第三章铁碳合金和铁碳相图铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金；含碳量为0.0218%~2.11%的称钢；含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁；含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值；实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3C相图。铸铁碳钢3.1Fe-Fe3C系合金的组元与基本相纯铁的同素异构转变

物质在固态下晶体结构随温度变化而变化的

现象称同素异构转变（或重结晶）。同素异构转变属于相变之一：固态相变。1.纯铁1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe铁的同素异构转变：铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：-Fe、-Fe为体心立方结构(bcc)，-Fe为面心立方结构(fcc)，都是铁的同素异构体。-Fe-Fe2.Fe3C铁素体：碳在α-Fe中的固溶体称铁素体,用α或F表示。α-Fe溶解碳的能力很小，随温度的不同而不同。600℃时为0.006%，室温下仅为0.0008%,727℃时最大达0.02%，是体心立方(bcc)间隙固溶体。铁素体性能：α-Fe叫工业纯铁，韧性很好，延伸率δ=45~50%，强度和硬度均不高，σb=250MPa，HB＝80。晶粒为均匀明亮的多边形。奥氏体：碳在γ-Fe中的固溶体称奥氏体，用γ或A表示，是面心立方(fcc)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。性能：强度低、塑性好，

钢材热加工都在γ区进行。碳钢室温组织中无奥氏体奥氏体渗碳体：是Fe和Ｃ形成的稳定化合物，含Ｃ量为6.69%，具有复杂的晶格，用Fe3C表示。性能：Fe3C硬度高(HB约800)、强度低(σb=35MPa),脆性大,塑性几乎为零，其形状可以是片状、网状和粒状。铸铁中的石墨钢中的渗碳体

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。3.2Fe-Fe3C相图⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

一、概述⒈特征点莱氏体特征相线：(1)

液相线—ABCD,固相线—AHJECF;(2)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(或Ｌd)表示。为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。PSK：共析线

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。珠光体珠光体的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。其它相线(1)GS,GP—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3线。(2)HN,JN—δ⇄

固溶体转变线。(3)ES—碳在

-Fe中的固溶线，又称Acm线。(4)PQ—碳在-Fe中的固溶线。⒊相区(1)五个单相区：L、、、、Fe3C

(2)七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

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

3.3铁碳合金的平衡结晶铁碳相图上的合金，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γ

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)⑶白口铸铁(2.11~6.69%C)，铸造性能好,硬而脆①亚共晶白口铸铁(2.11~4.3%C)；②共晶白口铸铁(4.3%C)；③过共晶白口铸铁(4.3~6.69%C)亚共析钢共析钢过共析钢共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁NSJBHL+++

（一）工业纯铁的结晶过程合金液体在1-2点间转变为，3-4点间→，5-6点间→。到7点，从中析出Fe3C。工业纯铁的结晶过程

随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ最大量为:

从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。

Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。合金液体在1-2点间转变为。

到S点发生共析转变：

S⇄P+Fe3C,

全部转变为珠光体(P)。（二）共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程珠光体Q珠光体在光镜下呈指纹状。相变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？Q43219

0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%C的钢为例合金在4点以前通过匀晶—包晶—匀晶反应全部转变为γ。到4点，由γ中析出α。

到5点,γ成分沿GS线变到S点，γ发生共析

反应转变为珠光体。+Fe3CⅢGSPABJH温度继续下降，

中析出Fe3CⅢ，由于与共析Fe3C结合,且量少,忽略不计。（三）亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程S’共析温度下相(+Fe3C)的相对重量为：

组织组成物(+P)的相对重量为：

利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量:

C%=P面积%×0.77%(忽略中含碳量，P面积%=QP)室温下相的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：S’亚共析钢室温下的组织为F(α)+P。在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织（四）过共析钢的结晶过程合金在1~2点转变为

,到3点,开始析出Fe3C。从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈网状分布.温度下降,Fe3CⅡ量增加。到4点，

成分沿ES线变化到S点，余下的

转

变为P。在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？过共析钢的结晶过程室温下两相(+Fe3C)的相对重量百分比：室温下两组织组成物(P+Fe3CⅡ)的相对重量百分比：12345S’

（五）共晶白口铁的结晶过程Fe3C合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le)，莱氏体是共晶

与共晶Fe3C的机械混合物,呈蜂窝状。共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:C点以下,

成分沿ES线变化，共晶

将析出Fe3CⅡ。

Fe3CⅡ与共晶Fe3C

结合，不易分辨。1’2Fe3C温度降到2点,

成分达到0.77%,此时,相的相对重量:在2点,共晶

发生共析反应，转变为珠光体，这种由P与Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体,用Le’表示.

2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。S共晶白口铁室温组织为Le’(P+Fe3C),

它保留了共晶转变产物的形态特征。室温下两相的相对重量百分比为：

（六）亚共晶白口铁的结晶过程合金在1~2点间析出

。到2点，液相成分变到C点,并转变为Le。2~3点间从中析出Fe3CⅡ，一次的Fe3CⅡ被共晶衬托出来。到3点，转变为P。亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。室温下组织组成物相对重量百分比为：ECFD1234N室温下相的相对重量百分比?1~2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。DFK3Fe3C124（七）过共晶白口铁的结晶过程2点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金，其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。

组织组成物与相组成物标注区别主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。+Fe3C+Fe3C（八）组织组成物在铁碳合金相图上的标注FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度3.4含碳量对铁碳合金组织与力学性能的影响钢铁素体亚共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢白口铸铁二次渗碳体工业纯铁珠光体莱氏体一次渗碳体Fe3C钢铁分类组织组成物相对量%相组成物相对量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：3.4.1对平衡组织的影响3.4.2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,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.3.5钢中的杂质元素3.5.1硅和锰的影响钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。Mn:0.8%时为杂质。作用:(1)强化铁素体;(2)消除硫的有害作用。

Si：0.5%时为杂质。作用为：(1)强化铁素体；(2)增加钢液流动性。S：常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150~1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在0.045%以下.Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1600℃)。P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下。有益元素：有害元素：3.6金属铸锭宏观组织在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)