第五章 铁碳合金相图

第五章铁碳合金相图和碳钢铁碳合金——碳钢和铸铁，是工业中应用最广的合金。含碳量为0.0218%~2.11%的称钢含碳量为2.11%~6.69%的称铸铁。第一节纯铁、铁碳合金的相结构及其性能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%)→铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据。一、

纯铁及其同素异构转变物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异（构）晶转变。同素异晶转变属于相变之一—固态相变。1、铁的同素异晶转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：纯铁的同素异构转变1394℃912℃-Fe⇄

-Fe⇄-Fe⇄-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异晶体。-Fe-Fe2、固态转变的特点固态下的相变也是一个形核和长大的过程，但有着与结晶不同之处，其特点为：（1）形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。（2）由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。（3）固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。二、Fe－Fe3C合金的相结构及其性能1、组元：Fe、Fe3C2、相⑴铁素体：碳在α-Fe中的固溶体称铁素体，用F或

表示。

碳在δ-Fe中的固溶体称δ-铁素体，用δ表示。

都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体⑵奥氏体:碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，

钢材热加工都在区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体⑶渗碳体：即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。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。

第二节Fe－Fe3C相图的分析1、特征点⇄⇄⇄⇄⇄LJNG+Fe3C+Fe3CL+Fe3CL++

一、

Fe－Fe3C的特征点与特征线2、特征线⑴液相线—ABCD，固相线—AHJECFD

⑵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，用Le表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体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。其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。珠光体L+δL+L+Fe3Cδ++Fe3C+F+Fe3C⑷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α-Fe中的固溶线。3、相区⑴五个单相区：L、、、、Fe3C

⑵七个两相区：L+

、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C⑶三个三相区：即HJB(L++)、ECF(L++Fe3C)、PSK(++Fe3C)三条水平线二、典型合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁(<0.0218%C)组织为单相铁素体。⑵钢(0.0218~2.11%C)高温组织为单相，易于变形，

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)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)㈠工业纯铁的结晶过程

（Ⅰ合金）合金液体在1-2点间转变为，3-4点间→，5-6点间→。到7点，从中析出Fe3C。4321+L+L+L567++Fe3C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。随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。室温下Fe3CⅢ的最大量为:㈡共析钢的结晶过程

（Ⅱ合金）合金液体在1-2点间转变为。到S点发生共析转变：S

⇄αP+Fe3C，全部转变为珠光体，P在光镜下呈指纹状。转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比：P中的渗碳体称共析渗碳体。S点以下，共析α中析出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合不易分辨。室温组织为P。珠光体㈢亚共析钢的结晶过程(Ⅲ合金)0.09~0.53%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.以0.45%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，但量少，忽略不计。

+Fe3CⅢ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百分比为：

组织组成物的相对重量百分比为：

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。含0.45%C钢的组织含0.20%C钢的组织含0.60%C钢的组织㈣过共析钢的结晶过程

（Ⅳ合金）合金在3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。Fe3CⅡ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。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：含1.4%C钢的组织㈤共晶白口铁的结晶过程

（Ⅴ合金）合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le)，莱氏体是共晶

与共晶Fe3C的机械混合物，呈蜂窝状。此时：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。温度降到2点，成分达到0.77%，此时：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Le’表示。

2点以下，共晶体中P的变化同共析钢。共晶白口铁室温组织为Le’（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：

㈥亚共晶白口铁的结晶过程

（Ⅵ合金）合金在1~2点间析出

。到2点，液相成分变到C点，并转变为Le。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。亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Le’。室温下组织组成物相对重量百分比为：㈦过共晶白口铁的结晶过程

（Ⅶ合金）1--2点间从液相中结晶出Fe3C。从液相中析出的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Le。2点以下，Fe3CⅠ成分重量不再发生变化，Le变化同共晶合金，其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。

㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物的标注与相组成物的标注主要区别在+Fe3C和+Fe3C两个相区。

+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。+Fe3C+Fe3C3、含碳量对工艺性能的影响⑴切削性能：中碳钢比较合适。⑵可锻性能：低碳钢比高碳钢好。⑶铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。⑷焊接性能：低碳钢好于高碳钢。⑸热处理性能：第六章介绍。焊缝组织铸造一、含碳量对钢组织和力学性能的影响根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的相及组织组成物之间的定量关系：随含碳量增加，组织中Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在

基体内(P中Fe3C)变为分布在A晶界上(Fe3CⅡ)，最后形成莱氏体时，Fe3C已作为基体出现。

第三节碳钢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，含碳量对力学性能的影响钢的性能即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Le’，合金太脆。二、常存杂质元素对钢性能的影响1．锰

——有益；0.25--0.80%a.脱氧剂：

降低FeO→↓脆性，b.脱硫剂：Mn+S→MnS(降低S的有害作用)↑热加工性能c.固溶强化，使性能更优。2．Si

——有益

a.脱氧→↓脆性

b.固溶强化3．磷

——有害Fe3P

室温下<100℃，脆性大→冷脆4．硫

——有害5．O、N、HO

——↓机械性能，强度、塑性降低，有害元素

N

——产生兰脆，有害元素若钢中存在Al、V、Ti↑→兰脆消失→强度，硬度提高。

H

——氢脆、白点，有害元素985℃时，产生的共晶体（Fe+FeS）→加入Mn→MnS（除硫）热脆二、碳钢的分类1．碳含量：低碳钢C%<0.25%

、中碳钢0.25<C%<0.6%、高碳钢C>0.6%2．质量（S、P杂质含量）：

普碳钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢3．按用途：碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢三、碳钢的牌号及作用

1．普通碳素结构钢碳素结构钢分为五类20种，其牌号主要依据钢材的厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服强度数值进行划分，然后以钢的质量等级和脱氧方法进行细分。其牌号中符号的意义如下：Q——代表钢的屈服点字母。

A、B、C、D——反映碳素结构钢中有害元素（S、P）含量多少的质量等级符号，按字母顺序，等级高含S、P量下降。

F、b、Z、TZ——表示脱氧方法的符号。其中

F——沸腾钢、b——半镇静钢、Z——镇静钢、TZ——特殊镇静钢。例如Q235A﹒F表示屈服强度为235MPa的质量等级为A级的沸腾钢。碳素结构钢新旧牌号对照和用途GB700－79牌号GB700－88牌号备注应用1号钢（A1、B1）Q195Q195的化学成分与B1同，力学性能与A1同塑性好，有一定强度。用于承受载荷不大的桥梁构件，也作铆钉、冲压件、焊接件A2Q215A——C2Q215B——A3Q235A——强度较高，塑性好。用于承受载荷较大的结构，也可制作转轴、心轴、拉杆、螺栓、螺母C3Q235B————Q235C用于重要焊接结构——Q235D用于重要焊接结构A4Q255A——强度更高。可制作链、销、转轴、轧辊、主轴等中等载荷零件C4Q255B——C5Q275不分等级，化学成分和力学性能均需保证多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢用途

钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。

建筑构件钢桥梁2．优质碳素结构钢钢号用平均碳含量的万分数的数字表示。如：08F（F表沸腾钢），20A（后有“A”表高级优质钢），45，15Mn（表含Mn量高）。制作各种机器零件，一般进行热处理。08F

塑性好，冷冲压件10，20

冷冲压件，焊接件，渗碳处理。35，45，40，50

齿轮、轴类60，65

弹簧汽车曲轴

用途

较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。

制作各种机器零件，一般进行热处理。

08F

塑性好，冷冲压件10，20

冷冲压件，焊接件，渗碳处理。35，45，40，50

齿轮、轴类60，65

弹簧3．碳素工具钢

0.65------1.35C%，用以制作刃具、量具、模具钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示。如：T