第3章 铁碳合金相图

第3章铁碳合金相图二○一五年三月

纯铁及铁碳合金的基本组织铁碳合金相图分析碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响铁碳合金相图应用2/3/202311.1纯铁-同素异构转变1纯铁及铁碳合金的基本组织δ-Fe(体心立方晶格)γ-Fe(面心立方晶格)-Fe(体心立方晶格)金属在固态下,随温度的改变,由一种晶格转变成另一种晶格的现象。纯铁的熔点为1538℃铁的体积会膨胀1％重结晶过程:转变温度—过冷—潜热产生—形成晶核—晶核长大纯铁在770℃时发生磁性转变。在770℃以下的-Fe呈铁磁性，在770℃以上-Fe的磁性消失。770℃称为居里点。工业纯铁塑性好，强度低，很少用它制造机械零件。δ-Feγ-Fe-Fe1394℃912℃γ-Fe

-Fe2/3/202321.2合金的基本概念和合金的相结构1.2.1合金的基本概念合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属(Fe、C、Fe3C)元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢是铁和碳组成的合金。组元：组成合金的最基本的、独立的物质单元称为组元。组元可以是金属(Fe)、非金属(C）或稳定化合物(Fe3C渗碳体)。相：在合金中成分、结构相同并与其它部分以界面分开的均匀组成部分。如液相、固相、气相等。相结构：合金中相的晶体结构。组织：指在金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。相是组成合金的基本元素。组织是合金中相的综合体。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。2/3/202331.2.2合金的相结构固溶体溶剂+溶质一种固相能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同的组元称为溶剂。失去原有晶格类型的组元称为溶质，一般在合金中含量较少。合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。间隙固溶体(有限)置换固溶体固溶体置换固溶体间隙固溶体固溶强化:由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，增加位错运动阻力，使金属的变形抗力增大，强度、硬度升高。固溶体2/3/20234固溶体与纯金属相比，强度、硬度升高，它是强化金属材料的重要途径之一。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相。碳在-Fe

中形成的间隙固溶体(铁素体)铜和金形成的置换固溶体α2/3/20235正常价化合物电子化合物间隙化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆，工业上无法应用。合金中出现金属间化合物时，常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属间化合物Fe3C的晶体结构金属间化合物合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相，用分子式可表示(Fe3C)。2/3/202361.2.3铁碳合金基本组织铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶，在固态时根据碳的质量分数不同，可分为：铁素体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。在727℃时，溶碳能力最大，c＝0.0218％，显微镜下呈明亮多边形晶粒。铁素体的力学性能：塑性、韧性较好，强度、硬度较低。奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。在1148℃时溶碳能力最大，c＝2.11％,在727℃时为0.77％。显微组织与F相似，但晶界较F平直。奥氏体是一个硬度较低、塑性较高的相，适宜于锻造。碳溶解在铁中形成固溶体；碳与铁形成金属间化合物；固溶体与金属间化合物组成的机械混合物。

2/3/20237渗碳体：铁与碳形成的金属间化合物，用Fe3C表示。渗碳体中的c=6.69％，熔点大致为1227℃。渗碳体的硬度很高，塑性和韧性几乎为零，是钢中的主要强化相。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示。珠光体是碳的质量分数为0.77％的奥氏体在727℃时，发生共析转变的产物。显微组织在放大倍数较大时可看到铁素体和渗碳体交错排列。珠光体力学性能：介于铁素体和渗碳体之间。莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。2/3/20238符号相结构组织碳含量ωc（%）b(MPa)(%)硬度(HBS)F固溶体（C溶于α-Fe)单相固溶体0.0218727℃180-28030-5050-80A固溶体（C溶于γ-Fe)单相固溶体0.77（727℃）2.11（1148℃）40040-50170-270Fe3C金属间化合物单相金属间化合物6.690800HBWPF+Fe3C机械混合物77020-35180LdA+Fe3C机械混合物0高铁素体F奥氏体A渗碳体Fe3C珠光体P莱氏体Ld2/3/202392.1二元合金相图2铁碳合金相图分析液相固相液、固两相Cu-Ni相图：在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系的一种图解。2/3/2023102.2铁碳合金相图组元:Fe-Fe3C2/3/2023112.3铁碳合金相图分析单相区液相L铁素体F奥氏体A渗碳体Fe3C珠光体P莱氏体Ld2/3/202312特性点：A纯铁熔点C共晶点DFe3C熔点E碳在

-Fe中的最大溶解度G（912℃）-Fe和-Fe间同素异构转变P碳在-Fe中的最大溶解度S共析点Q室温下碳在

-Fe中最大溶解度2/3/202313特性线：ACD液相线AECF固相线ECF共晶线LLdPSK共析线（A1）APESAFe3CⅡ

（Acm）GS

AF(A3）PQFFe3CⅢ600A1AcmA32/3/202314共晶转变：ECF共晶线1148°CC共晶点

ωC

=4.3%LCLd(A+Fe3C)室温下：LdLd´低温莱氏体Ld´

(P+Fe3CⅡ+Fe3C)共析转变：PSK共析线S

共析点

ωC

=0.77%ASP(F+Fe3C)室温下：P600ACMA1A32/3/202315相区单相区：ACD以上L相区AESGAA相区GPQGF相区DFKFe3C两相区:L+AL+Fe3CⅠ

A+FA+Fe3CⅡF+Fe3CⅢA+Fe3CⅡ+LdFe3CⅠ+LdP+FP+Fe3CⅡ

+Ld´Fe3CⅠ

+Ld´6002/3/2023161.工业纯铁ωC%<=0.0218%钢0.0218%<ωC%<=2.11%亚共析钢

0.0218%<ωC%<0.77%共析钢0.77%过共析钢

0.77%<ωC%<=2.11%3．白口铸铁2.11%<ωC%<6.69%亚共晶白口铸铁

2.11%<ωC%<4.3%共晶白口铸铁

4.3%过共晶白口铸铁4.3%<ωC%<6.69%2.4铁碳合金分类．2/3/2023170.772.114.36.690.0218钢白口铸铁

2/3/202318共析钢

亚共析钢

过共析钢

2.5铁碳合金结晶过程及其组织2/3/202319共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁2/3/2023203碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Le’Le’Le’+Fe3C

Fe3C含碳量——组织变化情况如下含碳量%↑→F%↓，Fe3C%↑3.1对组织的影响碳的质量分数增加时，组织中Fe3C数量增加，Fe3C在组织中的形态也发生变化，经历由分布在F晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在F的基体内（如P），进而分布在原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后形成Ld′时，Fe3C已作为基体出现。碳的质量分数不同，铁碳合金的组织和性能也不同。

2/3/202321硬度：ωc↑→Fe3C↑→HB↑强度：ωc<0.77%

塑性、韧性：ωc↑→Fe3C↑→塑性↓、韧性↓ωc↑→P↑F↓σ↑0.77%<ωc<0.9%强度增加缓慢ωc>0.9%→σ↓主要表现在对切削加工性、可锻性、铸造性和焊接性能的影响。3.2对力学性能的影响3.3对工艺性能的影响2/3/202322切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。锻造性：指金属经压力加工改变形状而不产生裂纹的性能。锻造时金属被加热到高温得到单相A组织，可锻性好。低碳钢中F多，可锻性好。随碳的质量分数增加，金属的可锻性下降。铸造性：金属经铸造获得合格的完整制件的能力。铸造性取决于相图中液相线和固相线的水平距离和垂直距离。距离越大，合金的铸造性越差。低碳钢的液相线与固相线距离很小，有较好的铸造性，但其液相线温度较高，钢液过热度小，流动性较差。随着碳的质量分数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性变差。共晶成份附近的铸铁，液相线与固相线的距离最小，液相线温度也最低，其流动性好，铸造性也好。焊接性：金属通过焊接获得优良合格制件的能力。随碳含量升高，钢的塑性下降，焊接性也下降。要获得好的焊接接头，应优先选用低碳钢。（ωC%小于0