材料科学基础铁碳相图

材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience贾涓

,6359,31888184金属材料工程内容学时1.金属的晶体结构162.金属的结晶83.合金相结构与二元合金相图124.铁碳合金相图85.三元合金相图126.金属的塑性变形107.回复与再结晶108.金属的固态扩散610.金属材料的强化机制8总学时90材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience第一章金属的晶体结构CrystalstructureoftheMetals1.1金属键离子键共价键分子键——范德华力氢键原子间的键合方式：失去电子的金属离子浸在自由电子的海洋中晶体结构空间点阵与晶格晶胞晶格常数抽象成纯粹的几何点选取几何单元CrystalstructureSpacelatticeCrystallatticeUnitcellSpaceunitLatticeconstantLatticeparameter晶体学基础Fundamentalsofcrystallography1.2英国矿物学家及晶体学家William.Hollowes.Miller(1801.4.6-1880.5.20)一种矿石名为“针镍矿”是以他的名字命名的（millerite）。在WilliamWhewell

辞职后，他在1832年接替得到了这个矿物学家教授的职位直到1870年。他的主要作品《晶体学》在1838年发表，同年他被选举为英国皇家学会会员，米勒指数就是以他的名字命名的，他的方法早在1839年就已经在他关于晶体学的文章中表述过了.晶向指数和晶面指数(Millerindices)

——材料名人与故事体心立方(body-centeredcubic)面心立方(face-centeredcubic)密排六方(close-packedhexagonal)参考球与球面投影补充：晶体的极射赤面投影晶向和参考球相交的点称迹点。

晶面的法线和球面的交点称为极点，用来表示该晶面。晶体学基础晶体非晶体(原子规则排列)(原子不规则排列)晶体结构空间点阵、晶胞7/14极射赤面投影(二维)（晶向、晶面）指数、族、晶带、间距、夹角FCCBCCHCP几个参数堆垛方式间隙多晶型晶体缺陷与晶体强度点缺陷

(PointDefect)晶体中的点缺陷包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及它们组成的复杂缺陷。1-空位；2-自间隙原子；3-间隙原子；4，5-置换原子一些金属的理论强度与实验强度比较晶体理论强度(G/30)GPa实际强度/MPa理论强度/实际强度Ag2.640.37~7×103Al2.370.78~3×103Cu4.100.49~8×103Ni6.703.2-7.35~2×103Fe7.1027.5~3×102Mo11.3371.6~2×102Nb3.4833.3~1×102Cd2.070.57~4×103Mg（柱面滑移）1.4739.2~4×10Ti（柱面滑移）3.5413.7~3×102Be（基面滑移）10.321.37~8×103Be（柱面滑移）10.3252~2×102柏氏矢量示意图----螺型位错位错的滑移位错的滑移面缺陷

晶体中的面缺陷包括表面、相界、晶界（大角、小角、孪晶界、亚晶界）。low-anglehigh-angleGrainIGrain2Grain3原子规则排列点阵、结构晶系/布拉菲点阵三维描述7/14，两者差异？金属单质fcc，bcc，hcp结构参数原子个数配位数密排面……影响因素本章小结原子偏离规则排列位置点缺陷线缺陷面缺陷类型平衡浓度本质、特征、类型、组织形貌柏氏矢量、位错密度滑移、攀移表面晶界（大角、小角）相界CrystallizationofMetals第二章金属的结晶晶体液体结晶结晶：液体-->晶体凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）freezing2.1结晶的基本概念纯晶体的结晶过程形核+长大Nucleation+Growth

具体过程：不同地点同时、不断形核→核长大→相遇→多晶体。结晶速度：取决于形核率N和长大速度G,一般△T↑，结晶速度↑。2.2.1均匀形核

homogeneousnucleation由均匀母相中形成新相结晶核心的过程，是一种无择优位置的形核。△G有一最大值，对应于rk称rk为：临界晶核b.均匀形核的形核功△Gk为形核功均匀形核的条件必须过冷，过冷度越大，结晶的趋势也越大。同时具备与过冷度相适应的r≥rc晶核和形成晶核的能量。2.2.2非均匀形核

non-homogeneousnucleation实际生产时，金属液体中难免含有少量杂质，而且总是在一定容器中凝固，为液体原子在固态杂质颗粒表面及容器表面形核创造了条件。择优位置形核的过程就是非均匀形核。非均匀形核比均匀形核过冷度小得多。2.3.1液-固界面的微观结构a.平滑界面(smoothinterface)b.粗糙界面(roughinterface)1.连续长大：液固界面微观粗糙，通过液相原子向所有位置普遍添加的方式进行，使整个界面沿法线方向向液相中移动。2.3.2晶核长大机制2.二维晶核长大机制微观光滑界面，依靠能量起伏，长大速率缓慢。3.螺型位错长大机制：若界面上存在着螺型位错，使界面出现台阶，液相中原子便可不断地添加到这些台阶上面使晶体长大。2.3.3纯金属的生长形态TmTX负温度梯度TTmX正温度梯度(在固液界面上实际上存在着两种温度梯度)2.3.5晶粒大小的控制晶粒大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径表示。研究凝固过程的主要目的之一是探索控制铸造金属组织，首先是晶粒大小，晶粒大小对金属材料的力学性能具有重要影响。伸长率%平均直径mmσb(MPa)9.77.02.516418621028.830.639.5晶粒的大小取决于晶核的形成速度N和长大速度G。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒.2.4.1金属铸锭组织外层是随机取向的等轴细晶的细晶区，又称激冷区。ChillZone平行于热流方向排列的柱状晶晶区。ColumnarZone在铸锭中心的较粗大的随机取向等轴晶粒的等轴晶区。EquiaxedZone2.4金属铸锭的组织与缺陷2.4.2铸锭组织的控制浇铸温度冷却速度化学成分变质处理机械振动与搅拌等等物理不均性：缩孔、疏松、气泡、裂纹结晶不均性：晶粒大小、形状、位向和分布化学不均性：宏观偏析、显微偏析铸件内部的宏观组织及宏观缺陷2.4.3金属铸锭中的缺陷成型的第一个环节回答：1.结晶的热力学条件

2.结晶过程遵循的基本规律

3.如何控制晶粒使性能最佳基本规律结晶前的液体/晶胚形核长大本质原子跨过界面；方式？界面/扩散控制？本章小结类别热力学条件（临界半径/形核功）影响因素及控制材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience第三章合金相结构及二元相图合金相结构总结合金相固溶体中间相/金属间化合物置换固溶体间隙固溶体正常价化合物电子化合物间隙相与间隙化合物拓扑密堆相Ni-Cu合金相图，是最简单的相图之一42wt%Ni20120013003040501100L(liquid)a

(solid)L

+aL

+aT(°C)A35C0L:35wt%NiCu-Nisystem•Phasediagram:Cu-Nisystem.•ConsidermicrostucturalchangesthatpanythecoolingofaC0=35wt%Nialloy46354332a:43wt%NiL:32wt%NiBa:46wt%NiL:35wt%NiCEL:24wt%Nia:36wt%Ni2436D3.4.2匀晶系合金的平衡凝固c10f05Developmentofmicrostructureduringthenon-equilibriumsolidificationofa35wt%Ni-65wt%Cualloye:Segregation-nonuniformdistributionofelementswithingrains.Weakergrainboundariesifalloyisreheated.3.4.3匀晶系合金的非平衡凝固偏析：实际铸造生产中，合金在铸型中的冷却速度比较快，是非平衡态。☆晶体内部化学成分不均匀的现象称晶内偏析☆晶内偏析决定于冷却速度，偏析元素的扩散能力以及液固相线之间距离枝晶偏析：树枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象。a.平衡凝固，b.熔液中溶质完全混合c.熔液中溶质完全不混合d.熔液中溶质部分混合浓度C010C0k0cdbac3.2.2成分过冷TAT0LTA-mC0/K0B%C0A温度(a)纯金属有其固定的理论凝固温度Tm,当液态金属中实际温度低于Tm时引起的过冷－－热学过冷。SLZ温度界面T0GRTT1温度温度温度界面C0界面距离ZZZT0(b)(c)(d)(e)482componentshasaspecialcompositionwithamin.meltingT.Binary-EutecticSystems•3singlephaseregions

(L,a,b)

•Limitedsolubility:a:mostlyCub:mostlyAg

•TE:NoliquidbelowTE:CompositionattemperatureTE

•CE

Cu-Agsystem

L(liquid)aL

+aL+b

ba+b

C,wt%Ag2040608010002001200T(°C)

400600800

1000CETE8.071.991.2779°C

coolingheating•Eutecticreaction

L(CE)

(CE)+(CE)•Foralloyswhere

C0<2wt%Sn•ResultatroomtemperatureisapolycrystallinewithgrainsofaphasehavingcompositionC0MicrostructuralDevelopments

inEutecticSystems-I0L+a200T(°C)

C,wt%Sn10220C0300100La

30a+b400(roomTsolubilitylimit)TEaLL:C0wt%Sna:C0wt%SnPb-Snsystem3.5.2合金的平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）2wt%Sn<C0<18.3wt%Sn•Resultsinpolycrystallinemicrostructurewitha

grainsandsmallb-phaseparticlesatlowertemperatures.MicrostructuralDevelopments

inEutecticSystems-IIL

+

a200T(°C)

C,wt%Sn1018.3200C0300100La30

a+b400(sol.limitatTE)TE2(sol.limitatTroom)LaL:C0wt%Snaba:C0wt%SnPb-Snsystemc10f13MicrostructuresinEutecticSystems-IIIPb-Snsystem•Co=CE

•Resultsinaeutecticmicrostructurewithalternatinglayersofa

and

b

crystals.coolingheatingPb-SnMicrostructuresThedarklayersarePb-richαphase,thelightlayersaretheSn-richβphase.54•Foralloyswith18.3wt%Sn<C0<61.9wt%Sn•Result:

aphaseparticlesandaeutecticmicroconstituentMicrostructuresinEutecticSystems-IV18.361.997.8eutecticaeutecticbWL=(1-Wa)

=0.50Ca

=18.3wt%Sn

CL

=61.9wt%SnWa

==0.50•JustaboveTE:•JustbelowTE:C

=18.3wt%SnC

=97.8wt%Sn

W

=

=0.727W

=0.273wt%SnPb-SnsystemL+

200

T(°C)C,wt%Sn2060801000300

100

LabL+

40

+

TEL:C0wt%SnL

L

CL-C0CL-C

Cβ-C0Cβ-C

Primaryα

①伪共晶：在非平衡凝固的条件下，成分在共晶点附近的合金也能获得100%的共晶组织。称为伪共晶组织。②形成原因：不平衡结晶；合金成分位于共晶点附近。③不平衡组织由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。

共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。（伪共晶区偏移）1.伪共晶3.5.3非平衡结晶2.不平衡共晶①

不平衡共晶：位于共晶线以外成分的合金发生共晶反应而形成的组织。②原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附近。有些非发生共晶反应的合金，非平衡凝固(快速)，冷到共晶线以下，有少量液相残留下来，这些液相部分可能发生共晶转变，形成不平衡共晶组织。这种组织很粗大，在冶金工厂的低倍检验中称为液析。Ⅱ温度成分Lαβα＋βL+αL+β3.离异共晶①

离异共晶：两相分离的共晶组织。②

形成原因平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近。不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。③

消除：扩散退火。

包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。异常β相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近。SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E3.6.3不平衡结晶3.8相图与性能的关系本章小结二元相图包晶相图共晶相图匀晶相图平衡凝固非平衡凝固晶内偏析、枝晶偏析、成分过冷、伪共晶、离异共晶、包晶偏析相图与性能：力学性能、加工性能、铸造性能、热处理可能性合金相结构一、名词解释致密度，大角度晶界，位错密度，形核功，过冷度，枝晶偏析，成分过冷二、针对金属与合金的理想晶体结构，回答以下问题：（1）写出FCC和HCP结构中的最密排面及它们的堆垛方式。（2）写出立方晶体中{110}晶面族所包含的晶面。（3）画出立方晶体中的晶向和晶面指数：(101)、、[112]。（4）计算体心立方的四面体间隙和八面体间隙大小，以rB/rA形式给出。三、针对实际金属晶体结构，回答以下问题：（1）点缺陷主要影响材料的什么性能？线缺陷呢？（2）某立方晶体沿（111）面的方向滑移，如果滑移由刃型位错产生，则位错线方向和柏氏矢量方向分别是什么？（3）实际晶体中的面缺陷有哪些？

1.点缺陷主要影响材料的物理性能，比如电阻率、比热容、密度等。线缺陷主要影响材料的力学性能，比如强度和塑韧性。2.柏氏矢量的方向与晶体滑移方向一致，为（1-10），而位错线首先处于滑移面中，其次与柏氏矢量方向垂直，为（11-2）3.实际晶体中的面缺陷有：相界，表面，晶界，孪晶界等。四、（1）指出以下几个说法中的错误：a.临界晶核，就是体系自由能的减少完全补偿表面自由能的增加时的晶胚大小。b.无论温度分布如何，常用纯金属生长都是呈树枝状界面。（2）为什么非均匀形核比均匀形核容易？（3）铸态金属的晶粒大小受哪些因素影响？如何控制晶粒大小？五、（1）置换固溶体与间隙固溶体有什么不同？哪种可以形成无限固溶体？固溶体凝固过程与纯金属凝固过程有什么异同点？1.按溶质原子所处的位置可以将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体，溶质原子取代溶剂原子位置的固溶体称为置换固溶体，而溶质原子处于溶剂原子间隙中的固溶体为间隙固溶体。置换固溶体在条件满足的情况下，可以形成无限固溶体。相同点：都是形核+长大的过程，都需要过冷度，都需要能量起伏和结构起伏。不同点：合金在一个温度范围内结晶；合金结晶是选分结晶：需成分起伏。（2）如图为Pb-Sn共晶相图，根据相图写出合金I、II、III、IV的凝固过程（合金I、II、III、IV的含Sn量依次为：10%、61.9%、25%、90%）。写出四种合金平衡凝固后室温下的组织组成和相组成。I：L→L+α→α→α+βII；相：α，β；组织：α，βIIII：L→(α+β)；相：α，β；组织：（α+β）III：L→L+α→α+(α+β)→(α+β)+α+βII；相：α，β；组织：(α+β)，α，βIIIV：L→L+β→β+(α+β)→(α+β)+β+αII；相：α，β；组织：(α+β)，αII，β计算合金III的相组成百分含量，合金I、II的组织组成百分含量，其中α相和β相在室温下的最大固溶度分别为2%和99.2%合金III中的相为α，β，W(α)=(99.2-25)/(99.2-2)=76.3%，W(β)=1-76.3%=23.7%合金I中的组织为α，β，W(α)=(99.2-10)/(99.2-2)=91.8%，W(β)=1-91.8%=8.2%合金II中的组织为（α+β），含量为100%。材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience第四章Fe-Fe3C相图Fe-Fe3Cphasediagram4.1铁碳合金组元性质4.2Fe-Fe3C相图分析★★★★4.3铁碳合金平衡结晶过程★★

★★4.4Fe-Fe3C相图的应用★★4.5碳钢★Fe3CFe2CFeC温度FeC(6.69%C)渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。因此，铁碳相图有两类：

Ⅰ

液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％

Ⅱ

液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量的范围是0～100％。

123456ABCDEFGHNJPMOSKQ1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγαγ＋CmL+Cmα＋CmFeFe3Cγ+L4.1铁碳合金中的组元及相

纯铁（iron）1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe力学性能：σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％

HB＝50～80aK＝1.5～2MNm/m2应用：主要应用于电子材料，作为铁芯。碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性能为：σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、δ30%~50%，αk160~200J/㎝2、硬度~80HB。碳在δ-Fe中形成的间隙固溶体称为δ铁素体，(δ)，最大溶碳量为1495℃时的0.09％。铁素体（Ferrite）碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为：σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状态下进行塑性成形。奥氏体（Austenite）渗碳体（Cementite）渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.69%，渗碳体具有很高的硬度和耐磨性、脆性很大，其力学性能指标大致为：硬度800HB、抗拉强度(σb)30MPa、伸长率(δ)~0、冲击韧度(αk)~0。珠光体（Pearlite）F＋Fe3C的一种机械

混合物，用符号P表

示，其组织为层片状

结构，综合了铁素体

和渗碳体优点，其综

合力学性能好。莱氏体（Ledeburite）莱氏体是由A＋Fe3C组成的一种机械混合物，用符号Ld表示，其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体，主要体现了渗碳体特点，硬而脆。4.2Fe-Fe3C

相图分析FeT°Fe3C符号温度/℃

ω（C）/%说明A1538℃0纯铁的熔点B1495℃0.53包晶转变时液态合金的成分C1148℃4.30共晶点D1227℃6.69渗碳体的熔点E1148℃2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148℃6.69共晶反应生成的渗碳体G912℃0α-Fe向γ-Fe转变温度（A3）H1495℃0.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J1495℃0.17包晶点K727℃6.69共析反应生成的渗碳体M770℃0纯铁的磁性转变点N1394℃0γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）O770℃～0.5ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度P727℃0.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S727℃0.77共析点（A1）Q600℃0.0057600℃时碳在α-Fe中的溶解度液相线：ABCD固相线：AHJECF五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C七个两相区：L＋δ，L＋γ，L＋Fe3C，δ＋γ

，

α＋γ，α＋Fe3C，γ＋Fe3C两条磁性转变线：MO（铁素体的）及过230℃的虚线（渗碳体的）三条水平相变线：HJB——包晶转变线

ECF——共晶转变线

PSK——共析转变线1.包晶转变反应式:LB

+

H

AJ1495℃3.共析转变反应式:AS

(

FP

+Fe3C)P

727℃2.共晶转变反应式:LC

(

AE

+Fe3C)Ld

1148℃4.2.5三条重要的特性曲线GS线：A3线——冷却过程中奥氏体析出铁素体的开始线。ES线：Acm线——C在奥氏体中的溶解度曲线。PQ线——C在铁素体中的溶解度曲线。共晶反应析出的Fe3C为一次渗碳体。奥氏体中析出的Fe3C为二次渗碳体。铁素体中析出的Fe3C为三次渗碳体。4.3典型铁碳合金的平衡凝固工业纯铁(iron)：C%<0.0218%钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为：共析钢(eutectoidsteel)：C%：0.77%亚共析钢(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%过共析钢(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%铸铁(castiron)：

C%：2.11～6.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutecticcastiron)：

C%：4.30%亚共晶铸铁(hypoeutecticcastiron)：

C%：2.11～4.30%过共晶铸铁(hypereutecticcastiron)：

C%：4.30～6.69%1.工业纯铁(Wc<0.0218%)纯铁组织金相图2.共析钢

(Wc=0.77%)共析钢组织金相图相组成：α+Fe3C组织组成：P

共析钢

(Wc=0.77%)3.亚共析钢(Wc=0.45%)亚共析钢组织金相图组织组成：α

+P亚共析钢(Wc=0.45%)相组成：α

+Fe3C

a)含碳量0.20％b)含碳量0.40％c)含碳量0.60％abc4.过共析钢(Wc=1.2%)过共析钢组织金相图组织组成：Fe3C+P过共析钢(Wc=1.2%)相组成：α

+Fe3Ca)硝酸酒精浸蚀b)苦味酸钠的浸蚀白色网状相为二次渗碳体黑色网状为二次渗碳体暗黑色为珠光体浅白色为殊光体5.共晶白口铸铁(Wc=4.3%)共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P——Ld‘共晶白口铸铁(Wc=4.3%)相组成：α

+Fe3C6.亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)亚共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+P+Ld’——？亚共晶白口铸铁(Wc=3.0%)相组成：α

+Fe3C7.过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)过共晶白口铸铁组织金相图组织组成：Fe3C+Ld‘过共晶白口铸铁(Wc=5.0%)相组成：α

+Fe3C工业纯铁(iron)：C%<0.0218%钢(steel)：C%：0.0218～2.11%，又分为：共析钢(eutectoidsteel)：C%：0.77%亚共析钢(hypeutectoidsteel)：C%：0.0218～0.77%过共析钢(hypereutectoidsteel)：C%：0.77～2.11%铸铁(castiron)：

C%：2.11～6.69%，有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。又分为：共晶铸铁(eutecticcastiron)：

C%：4.30%亚共晶铸铁(hypoeutecticcastiron)：

C%：2.11～4.30%过共晶铸铁(hypereutecticcastiron)：

C%：4.30～6.69%碳含量相组成组织组成工业纯铁<0.0218%F+Fe3CF亚共析钢0.0218-0.77%F+Fe3CF+P共析钢0.77%F+Fe3CP过共析钢0.77-2.11%F+Fe3CFe3C+P亚共晶铸铁2.11-4.30%F+Fe3CFe3C+P+Ld’共晶铸铁4.30%F+Fe3CLd’过共晶铸铁4.30-6.69%F+Fe3CFe3C+Ld’

总结：从Fe-Fe3C相图可知，铁碳合金室温下的相组成物都是铁素体和渗碳体，并且随含碳量的增加，渗碳量不断增多。而室温组织组成物却有α、Fe3CⅢ、P、Fe3CⅡ、Fe3CⅠ

和Ld’。补充：Fe-石墨相图与铸铁AGNQαG

123456BCDEFHJPMOSK1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγγ＋G

α＋G02510152025与Fe-Fe3C相图的不同之处：1）液相线：ABCD’

固相线：AHJE’C’F’2）在Fe-Fe3C相图中所有析出渗碳体的线、点，在Fe-石墨相图中除位置除有所改变外，都是析出石墨：

C’D’线析出初次石墨

E’S’线析出二次石墨

E’C’F’线通过共晶转变形成的共晶体是奥氏体与片状石墨组成的团状组织。含碳量小于2.11％的合金在一般情况下都是按照亚稳系统转变的。含碳量高于2.11％的合金，在实际生产中是把成分控制在共晶或亚共晶范围内，在高温区，按稳定系统凝固与转变，得到共晶与二次石墨；在低温区，按亚稳系统转变得到珠光体。

L2.08A4.250.68A0.0218Fα－FeG共晶G二次G共析G三次第一阶段第二阶段第三阶段铸铁经不同程度石墨化后所得的组织名称程度第一阶段第二阶段第三阶段显微组织灰口铸铁充分进行充分进行充分进行F＋G充分进行充分进行部分进行F＋P＋G充分进行充分进行不进行P＋G麻口铸铁部分进行部分进行不进行Ld’＋P＋G白口铸铁不进行不进行不进行

Ld’＋P＋Fe3C国际标准铸铁石墨分类

×100(ISO945-1975)

铸铁中的石墨按形貌特征可分为四类：片状石墨、蠕虫状石墨、球状石墨、絮状石墨，但各类石墨之间存在许多过渡和异形石墨，国际标准中把石墨形态分为六类。

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ工业上的铸铁是一种以铁、碳、硅、为基础的复杂的多元合金，其含碳量一般在2.0%～4.0%的范围内变动。除碳、硅以外，铸铁中还存在锰、磷、硫等元素。类别组织特征断口特征成分特征性能特征工程结构件铸铁灰铸铁基体+片状石墨灰口只含C、Si、Mn、P、S及少量合金元素150-400MPa，基本上无塑性球墨铸铁基体+球状石墨灰口（银白色断口）普通五元素或外加元素400-900MPa，2%-20%，15-120J/cm3蠕墨铸铁基体+蠕虫状石墨灰口（斑点状断口）同球墨铸铁比球墨铸铁低，但高于灰铸铁可断铸铁（黑心）基体+团絮状石墨灰口（黑色线状断口）低碳、低硅、铬<0.06%300-700MPa2-12%特殊用途铸铁抗磨铸铁基体+不同类型Fe3C白口可加入低、中、高量合金元素高的抗腐蚀性，但韧度较低耐热铸铁基体+片状或球状石墨灰口有Si、Al、Cr系高的耐热性及抗氧化性，强度低、脆耐腐蚀铸铁基体+片状或球状石墨灰口合金元素Si、Ni含量高主要有高的耐腐蚀性灰铸铁：一种断口呈灰色，碳以片状石墨形式出现的铸铁。灰铸铁的金相组织：片状石墨、金属基体和晶界共晶物组成。A型

片状

片状石墨均匀分布

B型

菊花状

片状与点状石墨聚集成菊花状分布C型

块片状

部分带尖角块状、粗大片状初生石墨及小片状石墨D型

枝晶点状

点、片状枝晶间石墨呈无向分布E型

枝晶片状

短小片状枝晶石墨呈方向分布F型

星状

星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀分布

1级(＞100mm)

2级(50～100mm)

3级(25～50mm)

4级(12～25mm)

5级(6～12mm)

6级(3～6mm)

7级(1.5～3mm)

8级(≤1.5mm)

灰铸铁的石墨长度等级(×100)金属基体按组织特征,铸态或经热处理后的灰铸铁基体可以是铁素体、片状珠光体、粒状珠光体、托氏体、粒状贝氏体、针状贝氏体、马氏体（×500）铁素体

片状珠光体

粒状珠光体托氏体

马氏体针状贝氏体

粒状贝氏体球墨铸铁

球墨铸铁是指铁液经球化处理后，使石墨大部或全部呈球状形态的铸铁。球墨铸铁可以通过合金化和热处理，进一步提高性能。级别球化率1>=95%石墨呈球状，少量团状，允许及少量团絮状290-95%石墨大部分呈球状，余为团状和极少量团絮状380-90%石墨大部分呈团状和球状，余为团絮状，允许少量蠕虫状470-80%石墨大部分呈团絮状和团状，余为球状和少量蠕虫状560-70%石墨呈分散分布的蠕虫状和球状、团状、团絮状6不规定石墨呈聚集分布的蠕虫状和片状及球状、团状、团絮状

4级

5级

6级

1级

2级

3级

1.共析组织是由铁素体和石墨组成的，石墨呈点状分布在铁素体基体上。各类铁碳合金中的石墨形态

2.碳含量大于2.08%的合金中，二次石墨和共析石墨一般都依附在共晶石墨上生长。最终得到片状石墨加铁素体组织。石墨可有两种形态：

A型石墨无方向性均匀分布

B型石墨呈片状与点状聚集成的菊花状分布A型B型a.共晶成分铁-石墨相图凝固如果碳含量偏低，则在共晶转变之前有较多的先共晶奥氏体呈树枝状析出，此时奥氏体—石墨共晶只能在枝晶间生长。此时石墨呈D型分布。b.亚共晶成分铁-石墨相图凝固D型石墨在枝晶间呈点片状分布过共晶成分的铁碳合金凝固后组织中含有初次石墨

C型：初次石墨呈粗大的片状

F型：初次石墨呈星状分布C型F型c.过共晶成分铁-石墨相图凝固浇铸前在液体里加入镁或稀土元素并加入少量硅：石墨呈球状——球墨铸铁d.进行变质处理回顾：Fe-石墨相图与铸铁AGNQαG

123456BCDEFHJPMOSK1538℃1394℃1154℃1148℃910℃770℃738℃727℃230℃1493℃Lγγ＋G

α＋G02510152025灰铸铁：一种断口呈灰色，碳以片状石墨形式出现的铸铁。灰铸铁的金相组织：片状石墨、金属基体和晶界共晶物组成。A型

片状

片状石墨均匀分布

B型

菊花状

片状与点状石墨聚集成菊花状分布C型

块片状

部分带尖角块状、粗大片状初生石墨及小片状石墨D型

枝晶点状

点、片状枝晶间石墨呈无向分布E型

枝晶片状

短小片状枝晶石墨呈方向分布F型

星状

星状（或蜘蛛状）与短片状石墨混合均匀分布4.4Fe-Fe3C相图的应用1.碳对平衡组织的影响00.02180.772.114.350%100%FCmⅡCmⅠC%P室温组织组成相对量图表0.02180.772.114.3050%100%FCmC%相组成相对量图表2.碳对力学性能的影响纯铁与珠光体性能对比纯铁σb＝176～274MPaσ0.2＝98～166MPaδ＝30～50％，ψ＝70～80％HB＝50～80珠光体σb＝1000MPaσ0.2＝600MPaδ＝10％，ψ＝12～15％HB＝2413.碳对可锻性能的影响钢的可锻性首先与含碳量有关。低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐渐变差。奥氏体具有良好的可锻性，易于塑性变形。因此钢材的始锻或始轧温度一般选在单相奥氏体区。终锻温度不能过低，以免塑性变差。包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向。（1）流动性：化学成分和浇铸温度C量增加，结晶温度间隔增大，流动性应该变差。但是，随C量增加，液相线温度降低。因此，同样浇铸温度下，含C量高的钢过热度大，对钢液的流动性有利。铸铁液相线较低，流动性比钢好。共晶成分铸铁流动性最好。4.碳对铸造性的影响（2）收缩性：两个主要影响因素：化学成分和浇注温度化学成分一定，浇注温度越高，液态收缩越大；浇注温度一定，碳含量增加，体积收缩增大；固态收缩减小。（3）偏析倾向：固液相线的水平距离和垂直距离越大，偏析越严重。铸铁成分越靠近共晶点，偏析越小。5.碳对切削加工性能的影响炼钢脱氧时，Mn可把FeO还原成铁，并形成MnO。降低钢种脆性，提高强度和硬度。Mn还可与钢液中的S形成MnS（熔点：1600oC），一定程度上消除S的影响。这些反应产物大部分进入炉渣，小部分残留在钢中成为非金属夹杂物。1.Mn的影响4.5碳钢4.5.1钢中常见杂质元素残余的Mn，凝固后溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。还可溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C。是钢中的有益元素。钢中Si含量通常小于0.5%，脱氧时进入，形成SiO2进入炉渣或者成为非金属夹杂物。Si同样可以溶于奥氏体或铁素体中，起固溶强化作用。含量不超过1％时，不降低钢的塑性和韧性。所以，认为Si是钢中的有益元素。2.Si的影响冷镦件和冷冲压件的钢材，因Si对铁素体的强化作用，使钢的弹性极限升高，以至在加工过程中造成模具的磨损过大，动力消耗过大，因此冷镦件和冷冲压件常常采用含Si很低，不脱氧的沸腾钢。硅钢中的Si提高铁的电阻率和最大磁导率，降低矫顽力、铁芯损耗和磁时效。S可溶于液态铁中，但在固态铁中的溶解度极小，并可与铁形成FeS。FeS与γ铁形成熔点为989℃的（Fe＋FeS）的共晶体，这种共晶体将在钢液凝固后期凝固，并存在于奥氏体枝晶间。（Fe＋FeS）共晶体的量很少，几乎都是离异共晶。网状FeS对钢的力学性能损害极大。3.S的影响如果钢中存在（Fe＋FeS）共晶体，在加热到1150～1200℃之间时，会成为液体。变形过程中会开裂，称这种现象为热脆或红脆。如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（Fe＋FeO＋FeS)三相共晶体，其危害更大。所以，S是一种有害元素。普通质量钢中其含量≤0.055％；优质钢中其含量在0.040％以下；高级优质钢则≤0.030％；要求更高时，甚至限制其含量≤0.020％。

高硫钢具有耐高温、自润滑、耐磨损、抗粘结（咬和）的优良性能，它可以广泛应用于钢铁、机械、矿山、油田、港口、汽车、农用车、结构件，高硫合金钢取代低硫合金钢，并具有长的使用寿命。4.P的影响由于Fe-P相图中液相线和固相线距离很大，因此P在Fe中具有很强的偏析倾向。在铁基合金中，P对铁素体较之其它元素具有更强的固溶强化能力，但在P含量较高时，它会剧烈地降低钢的塑性和韧性。P会降低钢的冲击韧性，提高钢的韧脆转化温度，提高钢的冷脆。P还会使钢发生蓝脆现象。蓝脆就是指钢在加热到150～300℃时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象。这是因为在空气中加热到150～300℃时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。蓝脆一般是有害的。因此，在含量较高时，P是一种有害元素。一般情况下，普通钢的P含量限制在0.045％以下；优质钢在0.04％以下；高级优质钢在0.035％以下。高P钢也可被利用：

1）在炮弹钢中加入较多的P，可使炮弹在爆炸时产生更多的弹片，杀伤更多的敌人；

2）在易削钢中使铁素体适当脆化，提高切削加工零件的表面光洁度；

3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性。2023/9/21/09:56:40高强深冲钢及P的作用

随着汽车工业的快速发展和节约能源、减轻汽车自重的需要，高强度深冲钢成为研发热点。

目前日本开发的含P深冲钢：屈服强度：235MPa抗拉强度：390MPa高强度钢板在不同强化机制下抗拉强度和延伸率的关系2023/9/21/09:56:40固溶强化元素对钢屈服强度影响2023/9/21/09:56:40研究表明，要获得综合性能优良的含P高强IF钢，需要从微合金化、超低碳、钢质纯净及热轧、冷轧和退火工艺等方面控制，以获得强的｛111}//ND有利织构及较均匀的铁素体晶粒。含P高强度钢有：低碳含P钢板和超低碳含P钢板（含P高强度IF钢）平炉钢：0.001～0.008％纯氧顶吹转炉钢：0.003～0.006％电炉钢：0.008～0.03％。5.N的影响

含有N的低碳钢在冷塑性变形后，性能将随时间变化，即强度、硬度增高，塑性