第3章B 铁碳合金相图 ppt

铁碳合金相图第3章第3章铁碳合金相图3.1铁碳合金的基本组织3.2铁碳合金相图分析3.3铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.4铁碳相图的应用3.5综合练习题

钢和铸铁是工业中应用最广泛的金属材料，它也是国民经济的重要物质基础，主要由Fe、C及Si、Mn、S、P等杂质元素组成。金属材料一般可分为钢铁材料和非铁金属材料两类。生铁是由铁矿石原料经高炉冶炼而获得的；高炉生铁一般分为炼钢生铁和铸造生铁两种；现代炼钢方法主要有氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法。为了研究铁碳合金结晶过程的特点以及合金相与组织的变化规律，掌握各种钢和铸铁的组织、性能及加工方法等就必须先了解铁碳合金成分和铁碳合金相图。铁碳合金相图是研究铁碳合金组织、化学成分、温度和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。3.1铁碳合金的基本组织钢和生铁都是铁碳合金。根据含碳量的不同，碳和铁之间相互作用不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以反应形成金属化合物，或由固溶体与金属化合物组成机械混合物。因此，在铁碳合金中基本相有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。并介绍如下：

1.铁素体(F)

铁素体：是指碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示；铁素体具有体心立方晶格。由于体心立方晶格原子间的间隙小，因此碳在α-Fe中的溶解度小。

铁素体室温时的性能与纯铁相似,强度、硬度低,塑性和韧性好(σb=180～270MPa、σs=100～170MPa、δ=30%～50%、ψ=70%～80%、Ak二128～160J、50～80HBW)。

铁素体是一个独立的相，也是一种单相组织。

2.奥氏体(A)奥氏体：是指γ铁中溶入碳元素形成的固溶体称为奥氏体，用符号“A”表示；奥氏体具有面心立方晶格。由于面心立方晶格原子间的间隙比体心立方晶格大，因此溶碳能力较强。在727oC时溶碳量为Wc=0.77%，随温度升高溶碳量逐渐增大到1148oC时，溶碳量可达Wc=2.11%。

奥氏体的塑性、韧性好,强度、硬度较低(σb=400MPa、δ=40%～50%、170～220HBW))。因此,生产中常将零件加热到奥氏体状态进行锻造。奥氏体（A）是一个独立的相，也是一种单相组织。

3.渗碳体(Fe3C)渗碳体：是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物。含碳量为6.69%。熔点为1227oC，渗碳体不发生同素异晶转变；230℃以下时有弱铁磁性，渗碳体的硬度很高（950～1050HV），而脆性大，塑性和冲击韧度几乎。

渗碳体是一个独立的相。因其性能又脆又硬，没有单独用它做为组织使用，而是多与铁素体或奥氏体共同组成双相组织。渗碳体结构示意图

4.珠光体(P)珠光体：是铁素体和渗碳体两相的混合物，是共析反应的产物，用符号“P”表示。珠光体是一种双相组织，是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的。

珠光体是一种双相组织。一般情况下，两相呈层片状分布，在缓慢冷却条件下，珠光体的Wc=0.77%,力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高、硬度180HBW适中、有一定塑性。

A0.77727℃F0.0218+Fe3C共析

5.莱氏体（Ld）

奥氏体：是指和渗碳体组成的机械混合物称为莱氏体。莱氏体碳的质量分数为4.3%。1148oC时，将同时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物,即莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727oC时转变为珠光体，所以727oC以下的莱氏体由珠光体和二次渗碳体和共晶渗碳体组成，用符号“Ld΄”表示。

变态莱氏体中由于有大量渗碳体存在其性能与渗碳体相似，即硬度高、塑性差。

L4.31148℃A2.11+Fe3C共晶

铁碳合金的基本组织性能特点铁素体：碳与α-Fe形成的间隙固溶体。性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。

奥氏体：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体;高温组织，在大于727℃时存在。性能-塑性好，强度和硬度高于F。

渗碳体：铁与碳形成的金属化合物。性能-硬度高，脆性大。

珠光体：F与Fe3C组成的机械混合物。性能-力学性能介于两者之间。

莱氏体：A与Fe3C组成的机械混合物。性能-硬度高，塑性差。3.2铁碳合金相图分析3.2.1Fe-Fe3C相图分析3.2.2铁碳合金的分类3.2.3典型铁碳合金的结晶过程分析铁和碳可形成一系列稳定化合物(Fe3C、Fe2C、FeC),生产实践表明,当碳的质量分数增加到6.69%时的铁碳合金脆性极大，机械加工困难，在工业上无使用价值。所以在研究铁碳合金相图时，只需研究Wc≤6.69%这部分。而Wc=6.69%时,铁碳合金全部为稳定的Fe3C化合物，可以作为一个独立的组元。实际研究的铁碳合金相图，就是研究Fe-Fe3C相图，如图3-1所示。

Fe-Fe3C相图的纵坐标表示温度，横坐标表示成分。左端原点，即纯铁；右端点Wc=6.69%，即Fe3C。横坐标上任一点均代表一种成分的铁碳合金，例如图中S点，表示Wc=0.77%的铁碳合金。3.2.1Fe-Fe3C相图分析该相图由１０个点，９条线组成了11个相区。

1.相图特性点相图中具有特殊意义的点称为特性点。铁碳合金相图中主要特性点的温度、成分和含义如表3-1所示。各代表符号属通用，不可随意改变。表3-1简化后的Fe-Fe3C相图中的特性点特性点

温度/℃wc/(％)

含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120γ-Feα-Fe同素异晶转变点K7276.69渗碳体的成分P7270.0218碳在铁素体中的最大溶解度S7270.77共析点Q6000.0057碳在铁素体中的溶解度特性线含义AC铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出奥氏体CD铁碳合金的液相线，液态合金开始结晶出渗碳体AE铁碳合金的固相线，即奥氏体的结晶终了线ECF铁碳合金的固相线，LC→AE+Fe3C共晶转变线GS奥氏体转变为铁素体的开始线GP奥氏体转变为铁素体的终了线ES碳在奥氏体中的溶解度线PSK含C量在0.0218%--6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P，又称A1线。PQ碳在铁素体中的溶解度线3-2主要特性线3.2.2铁碳合金的分类

按Fe-Fe3C相图中碳的质量分数及室温组织的不同,铁碳合金分为以下三类:1.工业纯铁wc≤0.0218%,室温组织为铁素体。2.钢0.0218%<wc≤2.11%。按室温组织不同,又可分为以下三种:①共析钢,wc=0.77%,室温组织为珠光体。②亚共析钢,0.0218%<wc<0.77%,室温组织为珠光体+铁素体。③过共析钢,0.77%<wc≤2.11%,室温组织为珠光体+二次渗碳体。

3.白口铸铁2.11%<wc≤6.69%。按室温组织不同,又可分为以下三种:①共晶白口铸铁,wc=4.3%,室温组织为变态莱氏体,俗称低温莱氏体。②亚共晶白口铸铁,2.11%<wc<4.3%,室温组织为变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体。③过共晶白口铸铁,4.3%<w。≤6.69%,室温组织为变态莱氏体+一次渗碳体。3.2.3典型铁碳合金的结晶过程分析在铁碳合金的平衡结晶过程中，不同的成分将产生不同的组织。下面就图3-1中对应的几种典型合金的结晶过程进行简单分析。

1.共析钢（1）共析钢的结晶过程在图3-1中Ⅰ表示共析钢，含碳量为0.77%，合金在1点以上全部为液相（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体1点以（A），A的数量随温度的下降而增多。1点以上1-2点2-3点3点以下图3-2共析钢的结晶过程示意图

图中912℃以上相图为二元共晶相图。1)共晶反应:在一定温度下，一定成分的液态合金，同时结晶出两种不同成分的固相的反应。共晶相图

2)共析反应二元合金在温度较高时，经液相结晶得到单相固溶体，在冷却到某一温度时，一定成分的固相中同时析出两种成分一定的固相的反应。

图中固相以下相图为二元共析相图。

具有共析反应的二元合金相图称为共析相图。共析相图①

铁碳合金相图

在铁碳合金中，当碳的质量分数超过6.69%时，铁碳合金没有实用价值。铁碳合金相图实际是Fe-Fe3C相图。简化后的Fe-Fe3C相图3)合金的结晶共析钢(合金I)结晶过程共析钢结晶过程示意

（2）共析钢的显微组织共析钢：在727℃以上的组织为奥氏体，冷至727℃时发生共析反应：A（0.77%℃）→F(0.0218%C)+Fe3C铁素体与渗碳体的机械混合物称珠光体（P）。在普通光学显微镜下观察时，能看到Fe3C成条条细黑线分布在铁素体上，显微组织如图3-4所示。图3-3工业纯铁组织图3-4珠光体组织菲离浦公司生产的TECNAI-20日本电子的JEM-2010金属显微组织复型的制备

2、亚共析钢（1）亚共析钢的结晶过程当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，从而引起未转变的奥氏体的含碳量增加。随着GS线变化，当温度下降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量达到共析成分Wc＝0.77％，发生共析转变形成珠光体。4点以下不再发生组织变化。所有亚共析钢的室温组织是由铁素体＋珠光体组成。亚共析钢的结晶过程如图3-5所示。1点以上1-2点2-3点3-4点4点以下图3-5亚共析钢冷却过程示意图亚共析钢结晶过程示意亚共析钢(合金Ⅱ)的结晶过程

（2）亚共析钢的显微组织亚共析钢:含碳量为0.0218%＜Wc＜0.077%之间，组织为先共析铁素体加珠光体，在显微镜下铁素体呈亮色，珠光体呈暗色，铁素体的形态随铁素体量的多少而改变，不同含碳量的亚共析钢的显微组织如图3-6所示。45号钢显微组织65号钢显微组织图3-6亚共析钢的显微组织

3.过共析钢（1）过共析钢的结晶过程

在图3-1中合金Ⅲ表示过共析钢。当含碳量为1.3%的过共析钢，合金在Ⅲ点以上为液体，合金Ⅲ在3点以上的冷却过程与合金1在3点以上相似。当缓冷至3点后，随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。奥氏体中开始沿晶界析出二次渗碳体。当在3-4点之间，二次渗碳体量不断增多。温度降到4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，二次渗碳体析出停止。在4点以下，合金的组织不再发生变化。故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。过共析钢的结晶过程如图3-7所示。1点以上1-2点2-3点3-4点4点以下图3-7过共析钢的结晶过程示意图过共析钢(合金Ⅲ)的结晶过程

过共析钢结晶过程示意（2）过共析钢的显微组织过共析钢：含碳量为0.77%＜Wc＜<2.11%之间，一般情况下，钢的最大含碳量只到1.3%左右，只有特殊情况下可达1.65%，因为含碳量再高，二次渗碳体量增多，使钢变脆。过共析钢的组织由珠光体及二次渗碳体所组成，二次渗碳体呈网状，含碳量愈高，渗碳体网就愈多、愈完整。T12钢的显微组织如图3-8所示。

图3-8200倍T12钢显微组织

4.共晶白口铁（1）共晶白口铁的结晶过程在图3-1中合金Ⅳ表示共晶白口铁，含碳量为4.3％。合金在1点温度以上为液体，当降至1点温度(1148oC)时，发生共晶转变，结晶出奥氏体与渗碳体，即高温莱氏体，用符号Ld表示。温度继续下降时，莱氏体中的奥代体将不断析出二次渗碳体，并沿着ES线变化。1点以上1点时1-2点2点以下图3-9共晶白口铸铁的结晶过程示意图共晶白口铸铁(合金Ⅳ)的结晶过程

共晶白口铸铁结晶过程示意（2）共晶白口铁的显微组织共晶白口铁：该合金由液态冷却到1148℃时，全部发生共晶反应：L(4.3%C)→A(2.11%C)+Fe3C所得结果称为莱氏体（Ld），呈豹皮状，在显微镜下观察变态莱氏体仍呈豹皮状，显微组织如图3-10所示。图3-10共晶白口铁

5.亚共晶白口铁

(1)亚共晶白口铁的结晶过程在图3-1中合金Ⅴ表示亚共晶白口铁。当含碳量为3.0％的亚共晶白口铸铁。合金在1点温度以上为液体，当温温度冷却1点温度时，点开始从液体中结晶出奥氏体。1～2点温度之间奥氏体量不断增多并呈树枝状长大。亚共晶白口铁的结晶过程如图3-11所示。1点以上1～2点2点2-3点3点以下图3-11亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图亚共晶白口铸铁(合金V)的结晶过程亚共晶白口铸铁结晶过程示意(2)亚共晶白口铁的显微组织亚共晶白口铁：含碳量为Wc=2.11%～4.3%之间，这类合金凝固时先析出初生奥氏体，呈树枝状，剩余液体在1148℃发生共晶反应得到莱氏体，当继续冷却时初生奥氏体及共晶体中的奥氏体各在原地发生相同的转变，即先析出二次渗碳体，后形成珠光体，其室温组织是由初生奥氏体转变所得的二次渗碳体加珠光体（Fe3CII+P）及变态莱氏体Ld’所组成，显微组织如图3-12所示。图3-12亚共晶白口铸铁6、过共晶白口铁(1)过共晶白口铁的结晶过程在图3-1中合金Ⅵ表示过共晶白口铁。当含碳量为5.0％的过共晶白口铸铁。合金在1点温度以上为液体。当温度冷却1点温度时，从液体中开始结晶出一次渗碳体。温度不断下降，冷至2点(11480C)时，液体成分达到共晶成分，发生共晶转变，形成莱氏体。1点以上1-2点2点时2-3点3点以下图3-13过共晶白口铸铁的结晶过程示意图过共晶白口铸铁(合金Ⅵ)的结晶过程

过共晶白口铸铁结晶过程示意(2)过共晶白口铁的显微组织过共晶白口铁：含碳量为Wc=4.3%～6.69%之间，过共晶白口铸铁的组织是由粗大片状的一次渗碳体加变态莱氏体组成。显微组织如图3-14所示。图3-13过共晶白口铸铁3.3铁碳合金的成分、组织、性能间的关系3.3.1含碳量对平衡组织的影响3.3.2含碳量对力学性能的影响3.3铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系在一定的温度下，合金的成分决定了组织，而组织决定了合金的性能。铁碳合金的室温组织是由铁素体和渗碳体两相组成的。当含碳质量分数不同，组织中就有两个相的相对数量、分布及形态也不同，不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。铁碳合金的成分、组织、性能及相组分间的定量关系如图3-15所示。图3-15铁碳合金成分、组织、性能的对应关系3.3.1含碳量对平衡组织的影响1.相的变化铁碳相图在共析温度以下为F与Fe3C的两相区，所有铁碳合金由此两相组成。室温时,含碳量低于0.0218%的合金全部为铁素体(忽略三次渗碳体)；随着含碳量的增加，铁素体的含量呈直线关系减少；当含碳量为6.69%时铁素体降为零。与此同时，渗碳体的含量则由零直线增加至100%。2.组织的变化同一种组织组成物或组成相，由于生成条件的不同，虽然本质相同，但形态确有很大差别，对性能的作用也大不一样。从图中3-15可以看出，铁碳合金室温组织随碳的质量分数的增加，铁素体的相对量减少，而渗碳体的相对量增加。对钢而言，随着碳的质量分数的增加，亚共析钢中的铁素体量减少，过共析钢中的二次渗碳体量增加；对铸铁而言，随着碳的质量分数的增加，亚共晶白口铸铁中的珠光体和二次渗碳体量减少，过共晶白口铸铁中一次渗碳体和共晶渗碳体量增加。

3.3.2含碳量对力学性能的影响从图中3-16可以看出，工业纯铁含碳量很低，是由单相铁素体构成的，其塑性很好而强度和硬度很低。在亚共析钢中，组织中的铁素体是随着含碳的增多而减少，而珠光体量相应增加。共析钢为珠光体组织，其具有较高的强度和硬度，但塑性较低。在过共析钢中，随着含碳量增加，开始时强度和硬度继续增加，当含碳量为0.9%时，抗拉强度达到最大值。3-16含碳量对碳钢力学性能的影响3.4铁碳相图的应用

3.4.1.选材方面的应用3.4.2加工工艺方面的应用3.4铁碳相图的应用

铁碳合金相图从客观上反映了钢铁材料的组织随化学成分和温度变化的规律，因此，在工程上为选材及制订铸造、锻造、焊接、热处理及切削加工等工艺提供了重要的理论依据。

1.在铸造工艺方面的应用由铁碳相图可知，钢的熔化温度和浇注温度均比铸铁高，而靠近共晶成分的铁碳合金熔点最低，凝固温度范围最小，