第13讲 铁碳合金Ⅰ

第十三讲铁碳合金Ⅰ1上讲内容回顾其他类型的恒温转变相图

熔晶转变、偏晶转变、共析转变、包析转变、合晶转变相图组元间形成化合物的相图具有异晶转变的相图具有有序-无序转变的相图具有磁性转变的相图二元相图的分析与使用2第四章铁碳合金

引言§4-1铁碳合金的组元及基本相§4-2Fe-Fe3C相图分析§4-3铁碳合金的成分—组织—性能关系§4-4Fe-Fe3C相图的应用和局限性§4-5钢中杂质元素及钢锭组织3引言铁与碳两个组无可以形成一系列的化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等，由于钢中的含碳量最多不超过2.11%，铸铁中的含碳量最多不超过5%，所以在研究铁碳合金时，我们仅研究Fe－Fe3C（6.69%C）部分，而Fe－Fe3C相图，只是Fe－C相图的一部分。4钢铁的成分不同，则组织和性能不相同，因而它们在实际工程上的应用也不一样。本章我们将根据铁碳相图及对典型铁碳含金结晶过程的分析，来研究铁碳含金的成分、组织、性能之间的关系。关于Fe-石墨在金属材料中铸铁部分讲解。返回5§4-1铁碳合金的组元及基本相一、纯铁Fe是周期表中第26个元素，过渡族元素，相对原子质量为55.85，在一个大气压下，其熔点为1538℃，沸点为2738℃。在20℃时的密度为7.87×103kg/m。纯铁的冷却曲线如图4-1所示。图5-1纯铁的冷却曲线及晶体结构变化6⒈铁的同素异构转变1538℃δ-Febcc1394℃γ-Fefccδ-Fe＜＝＝＞γ-FeA4转变（A4点）912℃α-Febccγ-Fe＜＝＝＞α-FeA3转变（A3点）重结晶：固态下的相变结晶过程称为重结晶。

图5-1纯铁的冷却曲线及晶体结构变化7α-Fe在770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性转变为低温的铁磁性状态。通常把这种磁性转变称为A2转变，把磁性转变温度称为铁的居里点。在发生磁性转变时铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。8⒉铁素体与奥氏体铁素体（F、α）

铁素体是碳在α-Fe中形成的固溶体。最大溶解度为0.0218%

（727℃）。碳在δ-Fe中形成的固溶体δ铁素体。最大溶解度为0.09%

（1495℃）。奥氏体

（A、γ）

奥氏体是碳在γ-Fe中形成的固溶体。最大溶解度为2.11%

（1148℃）。9⒊纯铁的性能与应用工业纯铁的是ωC≤0.008%，性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下：抗拉强度极限（σb）176～274MN／㎡抗拉屈服极限（σ0.2）98～166MN／㎡延伸率（δ）30～50%断面收缩率（ψ）70～80%冲击韧性（ak）160～200J／㎝2硬度（HB）50～8010二、渗碳体（Fe3C）渗碳体是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物，含碳量ωC＝6.69%，可以用符号Cm或Cem表示，是铁碳相图中的重要基本相。渗碳体的机械性能特点是硬而脆，大致性能如下：

抗拉强度极限（σb）30MN／㎡

延伸率（δ）0

断面收缩率（ψ）0冲击韧性（ak）0

硬度（HB）80011渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态，对铁碳合金的机械性能发生重大影响。共晶渗碳体——莱氏体中的渗碳体

共析渗碳体——珠光体中的渗碳体一次渗碳体——液相中析出的渗碳体（Fe3CⅠ）二次渗碳体——奥氏体中析出的渗碳体（Fe3CⅡ）

三次渗碳体——铁素体中析出的渗碳体（Fe3CⅢ）返回12§4-2Fe-Fe3C相图分析一、相图中点、线、区及其意义二、重要转变三、三条重要的特征曲线四、铁碳合金的平衡结晶过程及组织返回13一、相图中点、线、区及其意义⒈点及其意义⒉线及其意义⒊相区返回14⒈点及其意义符号温度/℃%C意义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点：LC＜==＞γE＋Fe3CD12276.69Fe3C的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120α-Fe＜==＞γ-Fe同素异构转变点（A3）H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度15符号温度/℃%C意义J14950.17包晶点：LB+δH＜==＞γJ。K7276.69Fe3C的成分N13940γ-Fe＜==＞δ-Fe同素异构转变点（A4）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A1）γS＜==＞αP＋Fe3CQ6000.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度在室温下，纯铁的碳含量为0.0008%返回16⒉线及其意义⑴液相线：ABCD⑵固相线：AHJECF⑶水平线：HJB—包晶反应线ECF—共晶反应线PSK—共析反应线（A1线）⑷A3线：GS—γ中开始析出α的临界温度线⑸固溶线：ES—C在奥氏体中的溶解度曲线（Acm线）PQ—C在铁素体中的溶解度曲线返回17⒊相区⑴单相区5个单相区：液相区（L）δ固溶体区（δ）奥氏体区（γ或A）铁素体区（α或F）渗碳体区（Fe3C或Cm）图5-2

Fe-Fe3C相图18⑵两相区7个两相区：L＋δL＋γL＋Fe3C

δ＋γ

γ＋α

γ＋Fe3C

α＋Fe3C返回19二、重要转变1.包晶转变（水平线HJB）2.共晶转变（水平线ECF）3.共析转变（水平线PSK）返回201.包晶转变（水平线HJB）合金在平衡结晶过程中冷却到1495℃时，B点成分（ωC=0.53%）的L相与H点成分（ωC=0.09%）的δ相发生包晶反应，生成J点成分（ωC=0.17%）的γ。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L、δ、γ三相共存，反应式为：返回212.共晶转变（水平线ECF）合金在平衡结晶过程中冷却到1148℃时，C点成分（ωC=4.3%）的L相发生共晶反应，生成E点成分（ωC=2.11%）的γ和Fe3C。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L、γ、Fe3C三相共存，反应式为：共晶反应的产物是（γ＋Fe3C）的共晶混和物，称莱氏体，以符号Ld表示，凡含碳量在ωC=2.11～6.69%范围内的合金，都要进行共晶转变。返回223.共析转变（水平线PSK）合金在平衡结晶过程中冷却到727℃时，S点成分（ωC=0.77%）的γ相发生共析反应，生成P点成分（ωC=0.0218%）的α和Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中γ、α、Fe3C三相共存，反应式为：共析转变的产物（α＋Fe3C）称为珠光体（P），水平线PSK称为共析线或共析温度，常用A1表示。返回23三、三条重要的特征曲线⒈GS线（A3线）由G点（A3）演化为A3线。为冷却时γ转变开始线和加热时α转变终了线。⒉ES线为C在γ中是溶解度曲线，二次渗碳体开始析出线，称为Acm。⒊PQ线为C在α中是溶解度曲线。三次渗碳体开始析出线返回24四、铁碳合金的平衡结晶过程及组织铁碳含金分类。通常按有无共晶转变将其分为碳钢和铸铁两大类，ωC＜2.11%的为碳钢ωC＞2.11%的为铸铁ωC＜0.0218%的为工业钝铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，。碳以Fe3C形式存在，断口呈亮白色，称为白口铸铁。25根据组织特征，按含碳量将铁碳合金划分为七种类型：⑴工业纯铁：ωC＜0.0218%⑵共析钢：ωC＝0.77%⑶亚共析钢：ωC＝0.0218～0.77%⑷过共析钢：ωC＝0.77～2.11%⑸共晶白口铁：ωC＝4.3%⑹亚共晶白口铁：ωC＝2.11～4.3%⑺过共晶白口铁：ωC＝4.3～6.69%返回26⑴工业纯铁：ωC＜0.0218%图5-4工业纯铁平衡状态显微组织图5-3工业纯铁结晶过程示意图

匀晶转变L→δ同素异构转变δ→AA→F27室温组织：F＋Fe3CⅢ当ωC=0.0218%时，组织组成物相对含量为返回室温组织相：

αFe3C组成相的相对含量与组织组成物相对含量相同28⑵共析钢：ωC＝0.77%图5-5共析钢结晶过程示意图

匀晶转变L→A共析转变A→F＋Fe3C室温平衡状态显微组织2000×Fe3CⅢ析出，难以分辨不计29室温组织：P（F＋Fe3C）组成相：FFe3C相对含量返回30⑶亚共析钢：ωC＝0.0218～0.77%匀晶转变L→δ同素异构转变A→F包晶转变L＋δ→A匀晶转变L→A共析转变A→F＋Fe3CFe3CⅢ析出，量少不计图5-6亚共析钢结晶过程示意图

31室温组织：F＋P（F＋Fe3C）当ωC＝0.4%时，组织组成物F和P相对含量为室温组织相：

αFe3C当ωC＝0.4%时，组成相的相对含量为32ωC＝0.15%ωC＝0.40%ωC＝0.70%图5-7亚共析钢室温平衡状态显微组织

返回亚共析钢的碳含量（ωC）可由其室温平衡组织来估算。若将F中的碳含量忽略不计，则钢中的碳含量全部在P中，因此由钢中P的含量可求出钢的碳含量：ωC≈ωP×0.77%由于P和F的比重相近，钢中P和F的含量（质量百分数）可以近似