第3章铁碳合金

铁碳合金—俗称钢铁材料，是工业生产中应用最广泛的合金。含碳量为0.0218%~2.11的称为钢。含碳量为2.11%~6.69%的称为铸铁。第3章铁碳合金3.1.1纯铁的同素异晶转变:金属在晶态时，晶格类型随温度改变的现象为同素异晶转变3.1铁碳合金基本相1394°C912°C体心立方面心立方体心立方δ-Feγ-Feα-Fe

纯铁的冷却曲线13941538液体10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912δ-Fe

α-Feγ-Fe纯铁的冷却曲线℃770不同晶格原子密排程度不同，同素异晶转变会导致金属体积发生变化

1、铁素体F

碳溶入体心立方晶格-Fe中形成的间隙固溶体为铁素体,用符号F表示。铁素体的间隙小溶碳能力很低,727℃时最大为0.0218%，600℃下仅为0.006%。铁素体的力学性能性能与纯铁相似。即硬度低，塑性、韧性好。

3.1.2铁碳合金的三种基本相铁素体

2、奥氏体A

碳溶入面心立方晶格γ-Fe中形成的固溶体称奥氏体。用A表示。保持了面心立方晶格的晶体结构。间隙大溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%，727℃时为0.77％。

强度低，塑性、韧性好。奥氏体3、渗碳体Fe3C铁与炭形成具有复杂晶格结构的金属化合物为渗碳体。含碳6.69%,用Fe3C表示。Fe3C硬度高、塑性、韧性几乎为零。主要作为铁碳合金中的强化相存在。

另外两种混合物：珠光体P：铁素体F+渗碳体Fe3C莱氏体Ld：奥氏体A+碳体Fe3C铸铁中的石墨钢中的渗碳体3.2铁碳合金相图简化后的Fe-Fe3C状态图铁碳合金相图是平衡条件下（加热或冷却过程均极其缓慢），表示铁碳合金的成分、温度和组织三者关系的图形。只研究含碳量0~6.69％，含碳量过大的合金无使用价值。3.2.1Fe-Fe3C相图概述Fe-Fe3C相图纵坐标：温度

横坐标：成分1、Fe-Fe3C相图特性点

2、特性线

ACD—液相线，线上均为液态L

AECF—固相线，又称A4线。此线以下均为固态。

AE----此线以下为单相奥氏体。

ECF—共晶线液相LC→（AE+Fe3C）共晶产物称作莱氏体，用Ld表示；

A→A+Fe3CⅡ奥氏体冷却过程中析出二次渗碳体。

ES—碳在A中的固溶线，又称Acm线。随温度降低奥氏体溶碳量降低2.11%→0.77%，析出二次渗碳体

GS—A与F固溶体转变线,GS又称A3线。

PSK—共析线AS→（FP+Fe3C）共析产物称作珠光体，用P表示。

PQ—碳在F中的固溶线。3、两个重要转变：（1）共析转变铁碳合金中奥氏体慢冷至727℃温度的S点时，发生恒温共析转变，即奥氏体（WC=0.77%）同时转变为铁素体F（WC=0.0218%）和渗碳体Fe3C（WC=6.69%），其转变式为：

(2）共晶转变铁碳合金慢冷至1148℃温度的C点时，发生恒温共晶转变，即液相铁碳合金（WC=4.3%）同时转变为奥氏体AE（WC=2.11%）和渗碳体Fe3C（WC=6.69%），其转变式为:珠光体P莱氏体Ld4.铁碳Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%钢——0.0218%＜C%≤2.11%

亚共析钢Wc＜0.77%

共析钢Wc＝0.77%

过共析钢Wc＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%＜6.69%

亚共晶白口铁Wc＜4.3%共晶白口铁Wc＝4.3%过共晶白口铁Wc＞4.3%几种

常见

碳钢3.2.2典型铁碳合金的结晶与组织转变分析1.碳钢的结晶与组织转变分析(1).共析钢的组织转变过程合金І为共析钢，自液相1点冷却至2点间结晶出奥氏体A,冷却到S点发生共析转变A生成珠光体P。

AS⇄FP+Fe3C珠光体在光镜下呈片状。强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。过程：合金→

L+A→A→P（2)亚共析钢的组织转变过程亚共析钢Ⅱ冷却在4点以前通过匀晶结晶全部转变为奥氏体A。到4点，由A中析出铁素体F

。继续冷却铁素体增多到5点，A成分沿GS线变到S点，剩余A发生共析转变生成珠光体。亚共析钢的室温组织为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，而铁素体的量相应减少。过程：合金→L+A→A→A+F→P+F(3)过共析钢结晶过程

合金Ⅲ在1~2点转变为A，沿ES线冷却到3点，A开始析出Fe3CⅡ，并沿晶界呈网状分布。继续冷却到4点A1温度时不断增加Fe3CⅡ，A成分沿ES线变化到S点成分，剩余A共析转变为P。过共析钢室温组织为P+Fe3CⅡ，Fe3CⅡ量随含碳量而增加。过程：合金→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ2.白口铸铁结晶过程1)共晶白口铸铁：液态合金→冷却至C点1148℃---共晶结晶莱氏体Ld(A+共晶Fe3C）→冷却至727℃---A沿ES线变化析出Fe3CⅡ，A共析生成P，还有

共晶Fe3C

合金→1148℃

Ld（共晶Fe3C+A）→727℃Ld′（共晶Fe3C+P+Fe3CⅡ）

Ld---莱氏体Ld′--低温莱氏体2)亚共晶白口铸铁：液态合金转变与上述相同，只是共晶线以上生成的部分奥氏体A不断析出Fe3CⅡ，最后剩余的A转变为珠光体P室温组织：P+Fe3CⅡ+Ld′

3)过共晶白口铸铁：多出了最先结晶出的条状初次渗碳体室温组织：Fe3CⅠ+Ld′三种在组织性能：均为硬而脆。1.碳钢合金的成分与平衡组织、力学性能的关系（1）碳钢的组织组成物的性能特点平衡组织：铁素体、珠光体和渗碳体性能关系见表3.3

表3.3铁素体、珠光体和渗碳体的主要力学性能3.2.3碳钢的性能及合金相图的应用σb抗拉强度δ伸长率аk冲击韧性HBS布氏硬度

亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强硬度升高，塑韧性降低。

过共析钢组织中有珠光体二次渗碳体含碳量为<1.0%时,组织大部分部为P,其中有少量二次渗碳体，钢的强硬度继续升高。含碳量＞1.0%，出现连续网状Fe3CⅡ，强度下降，脆性大