工程材料铁碳合金的结晶

工程材料铁碳合金的结晶第一页，共五十四页，2022年，8月28日三、铁碳合金的结晶铁碳合金—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。第二页，共五十四页，2022年，8月28日Fe1234566.69C%140012001000800600400200温度

/℃CEFDBAJNSGPKQγ＋δγL＋δδL＋γγ＋αL＋Fe3Cγ＋Fe3Cα＋Fe3CαHFe-Fe3C相图

铁碳合金相图是研究平衡条件下铁碳合金的成分、温度和组成相之间的关系及其变化规律的图形。第三页，共五十四页，2022年，8月28日铁碳相图需要掌握知识点相图中重要的点、线和相区。相图中的重要转变及产物。分析典型成分铁碳合金的结晶过程，分析室温下得到的相和组织组成物。会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的质量分数。铁碳合金的成分－组织－性能关系及其应用。第四页，共五十四页，2022年，8月28日金属的多晶型（同素异构现象）多晶型转变（同素异构转变）纯铁的同素异构转变1394℃912℃δ-Fe

γ-Fe α-Febccfccbcc符合形核、长大的结晶规律固态金属在不同的温度和压力范围内，具有二种或二种以上晶格结构的现象转变过程恒温、可逆纯铁的同素异构转变工业纯铁中常含有<0.0218%的碳及其它杂质。

§1纯铁及其同素异构转变第五页，共五十四页，2022年，8月28日铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。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。FeFe3CFe2CFeCCC%(at%)→第六页，共五十四页，2022年，8月28日1.铁碳合金的组元⒈组元：Fe、Fe3C⒉铁碳合金的相(1)液相L(2)δ相：高温铁素体，在1394℃以上存在

§2铁碳合金的相和组织组成第七页，共五十四页，2022年，8月28日铁素体（F或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：bcc最大溶解度：0.0218%（727℃），室温下仅为0.0008%。性能组织：σb=180～230MPa

σ0.2=100～170MPa

HBS=50～80

δ=30%～50%

ψ=70%～80%

ak=160～200J/cm2δ-铁素体（δ）：碳溶于δ-Fe中所形成的间隙固溶体

最大溶解度：0.09%（1495℃）

§2铁碳合金的相和组织组成铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。第八页，共五十四页，2022年，8月28日奥氏体（A或γ）：碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体晶格结构：fcc最大溶解度：2.11%（1148℃）（高温组织）性能组织：

σb≈400MPa

HBS=170～220

δ=40%～50%

组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。高塑性、强度低、无磁，钢材热加工都在区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体第九页，共五十四页，2022年，8月28日

渗碳体（Fe3C,Cm）：Fe与C所形成的金属化合物,含碳6.69%晶格结构：复杂正交性能：σb≈35MPa

HBS=800

δ≈0

ψ≈0

硬度高,强度低,脆性大,塑性几乎为零亚稳定：Fe3C

3Fe+C（石墨）合金渗碳体：(Fe、Me)3C Fe3(C、N)或Fe3(C、B)

石墨碳晶格结构：简单六方性能:加工性能机械性能高温第十页，共五十四页，2022年，8月28日由于碳在-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。Fe3C相根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态。铸铁中的石墨钢中的渗碳体第十一页，共五十四页，2022年，8月28日

珠光体（P）F与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：0.77%）性能组织：

σb≈750MPa

HBS=180

δ≈20%～25%

ak=30～40J/cm2综合性能第十二页，共五十四页，2022年，8月28日莱氏体（）高温莱氏体：A与Fe3C所形成的机械混合物（平均含碳量：4.3%）低温莱氏体：Ｐ与Fe3C所形成的机械混合物性能组织：为蜂窝状,以Fe3C为基，性能硬而脆。第十三页，共五十四页，2022年，8月28日

Fe-Fe3C

相图分析FeT°Fe3CCDEF1148℃727℃LL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C6.69%C(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡA+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图(P+Fe3C)GSPQAFA+F(F+Fe3C)PP+FP+Fe3CⅡ共析相图0.77%C0.0218%CANBHJ包晶相图第十四页，共五十四页，2022年，8月28日§3相图中重要的点和线⒈特征点⇄⇄⇄⇄⇄6.69第十五页，共五十四页，2022年，8月28日⒉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(Ld,Le)。第十六页，共五十四页，2022年，8月28日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L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C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。第十七页，共五十四页，2022年，8月28日⑶其它相线GS,GP—

⇄

固溶体转变线,GS又称A3线。HN,JN—δ⇄

固溶体转变线。ES—碳在

-Fe中的固溶线，又称Acm线。PQ—碳在-Fe中的固溶线。第十八页，共五十四页，2022年，8月28日⑶三个三相区：HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线

⒊相区⑴五个单相区：液相区(L):ABCD以上区域固溶体区：AHNA奥氏体区()：NJESGN铁素体区():GPQ以左渗碳体区(Fe3C):DFK直线

⑵七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+

、+Fe3C

ABCDFENGPSKQJHA(γ)LF(α)δFe-Fe3C相图T(℃)wC（%）FeFe3C6.69%第十九页，共五十四页，2022年，8月28日§4典型铁碳合金的平衡结晶过程⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相

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)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。第二十页，共五十四页，2022年，8月28日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)第二十一页，共五十四页，2022年，8月28日1.工业纯铁的结晶过程第二十二页，共五十四页，2022年，8月28日

随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。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。第二十三页，共五十四页，2022年，8月28日2.共析钢的结晶过程合金液体在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。室温组织为：P（F+Fe3C）第二十四页，共五十四页，2022年，8月28日共析钢的结晶过程第二十五页，共五十四页，2022年，8月28日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。珠光体QQ43219第二十六页，共五十四页，2022年，8月28日室温下，珠光体中两相的相对重量百分比是多少？Q43219第二十七页，共五十四页，2022年，8月28日3.亚共析钢的结晶过程0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.4%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。到4点，由中析出。到5点,成分沿GS线变到S点，

发生共析反应转变为珠光体。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.L→L+A→A→F+A先共析

AS(0.77%C)→P第二十八页，共五十四页，2022年，8月28日亚共析钢的结晶过程第二十九页，共五十四页，2022年，8月28日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)共析温度下相的相对重量为：

组织组成物的相对重量为：

S’第三十页，共五十四页，2022年，8月28日室温下相的相对重量百分比为：S’室温组织为：P+F第三十一页，共五十四页，2022年，8月28日含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织亚共析钢室温下的组织为F+P。在0.0218~0.77%C范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。P%=F%=第三十二页，共五十四页，2022年，8月28日4.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？第三十三页，共五十四页，2022年，8月28日过共析钢的结晶过程第三十四页，共五十四页，2022年，8月28日过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ。Fe3CⅡ量随含碳量而增加,含碳量为2.11%时,Fe3CⅡ量最大：第三十五页，共五十四页，2022年，8月28日室温下两相的相对重量百分比：室温下两组织组成物的相对重量百分比：第三十六页，共五十四页，2022年，8月28日5.白口铸铁的结晶合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Ld)。Fe3C第三十七页，共五十四页，2022年，8月28日共晶转变结束时，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第三十八页，共五十四页，2022年，8月28日温度降到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L’d表示.

2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。SL--->L+Ld--->Ld(A+Fe3C共晶)--->Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)--->L’d(P+Fe3CII+Fe3C)第三十九页，共五十四页，2022年，8月28日共晶白口铁室温组织为L’d(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：第四十页，共五十四页，2022年，8月28日合金在1~2点间析出

。到2点，液相成分变到C点,并转变为Ld。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。6亚共晶白口铁结晶过程第四十一页，共五十四页，2022年，8月28日6亚共晶白口铁结晶过程第四十二页，共五十四页，2022年，8月28日相组成物：F、Fe3C组织组成物：P+Fe3CII+L’d6亚共晶白口铁结晶过程L’dP+Fe3CII第四十三页，共五十四页，2022年，8月28日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Ld。DFK3Fe3C1247过共晶白口铁结晶过程第四十四页，共五十四页，2022年，8月28日2点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Ld变化同共晶合金,其室温组织为Fe3CⅠ+L'd。

7过共晶白口铁结晶过程第四十五页，共五十四页，2022年，8月28日相组成物：F、Fe3C;组织组成物：Fe3CⅠ+L’d7过共晶白口铁结晶过程F%=

Fe3C%=

Fe3C%=

L’d%=Ld%=

第四十六页，共五十四页，2022年，8月28日§5铁碳合金成分－组织－性能的关系⒈含碳量对室温平衡组织的影响含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：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第四十七页，共五十四页，2022年，8月28日⒉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,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L