第3章 铁碳合金

同学们，下午好！第3章铁碳合金主要教学内容：铁碳合金的基本相铁碳合金相图分析铁碳合金的成分、组织、性能间的关系碳钢教学重点与难点：铁碳合金相图分析教学目的和要求：掌握铁碳合金相图的分析方法了解铁碳合金的成分、组织及性能的关系学时：23.1铁碳合金的基本相3.1.1纯铁的同素异晶转变大多数金属结晶完成后晶格类型不再发生变化。但有少数金属，在结晶成固态后继续冷却时，晶格类型还会发生变化，如铁有体心立方晶格的α-Fe和面心立方晶格的γ-Fe，钴有密排六方晶格的α-Co和面心立方晶格β-Co。这种金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象称为同素异晶转变。由同素异晶转变所得到不同晶格的晶体，称为同素异晶体。在常温下的同素异晶体一般用希腊字母α表示，较高温度下的同素异晶体依次用β、γ、δ等表示。

图3-1为纯铁的冷却曲线1394℃1538℃10006008001200℃/温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-FeL727℃由图可见，液态纯铁在1538℃结晶成具有体心立方晶格的β-Fe,在1394℃和912℃发生同素异晶转变，分别转变成具有面心立方晶格的γ-Fe

和具有体心立方晶格的α-Fe，其反应式为：1394°C912°C体心立方面心立方体心立方δ-Feγ-Feα-Fe注：正是由于纯铁具有同素异晶转变的特性，人们在生产中才有可能对钢和铸铁进行各种热处理，以改变其组织和性能。固态金属的同素异晶转变过程与液态金属的结晶过程相似，但其原子扩散重结晶要比液态下困难的多，大体上遵循结晶的一般规律：有一定的转变温度转变时需要具有较大的过冷度有结晶潜热产生转变过程也是由晶核的形成与长大来完成转变时晶体的致密度改变，引起晶体体积变化，并产生较大的内应力为了区别于液态金属的结晶，同素异晶转变也称为重结晶。3.1.2铁碳合金的基本相及组织在铁碳合金中，存在那些相及组织，决定于铁和碳的相互作用。碳可以与铁化合组成化合物Fe3C

，也可以溶解在铁中形成固溶体，或者形成化合物与固溶体的机械混合物。因此在铁碳合金中，可以出现以下几种基本相及组织。铁碳合金的基本相及组织中，铁素体、奥氏体、渗碳体是基本相，珠光体和莱氏体则是由基本相组成的多相组织。钢铁材料的显微组织一般有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体、马氏体、贝氏体、索氏体、托氏体等。除铁素体、渗碳体和珠光体外，其他组织都是用一些著名科学家的名字命名的，以纪念他们在金属学领域作出的杰出贡献。1、铁素体（F）碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，用F表示。α-Fe是体心立方晶格，晶格间隙小，对C的溶解度小，在727℃时，其溶解度最大（ωc=0.0218%），在600℃时，C的质量分数为0.0057%,室温时的力学性能与纯铁相似。

铁素体显微组织铁素体（Ferrite）命名自拉丁文的铁（Ferrum）。铁素体在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒，在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布，但当含碳量接近共析成分时，铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。2、奥氏体(A)

碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，符号A表示。γ-Fe是面心立方晶格，晶格间隙较大，故溶C能力也较大，在1148℃时，C的质量分数2.11%,在727℃时，C的质量分数为0.77%。奥氏体的硬度较低（170~200HB），塑性较高（δ=40~50%），易于锻压成形。奥氏体显微组织奥氏体是一个高温相，存在于727℃以上的温度。面心立方晶格奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为平直，且常有孪晶存在。奥氏体（Austenite）是为纪念英国冶金学家罗伯茨.奥斯汀(Roberts-Austen，1843～1902)对金属科学的贡献而命名。罗伯茨.奥斯汀最大的贡献是绘制出了第一幅铁碳相图，1897年完成初稿，1899年彻底完成。罗伯茨.奥斯汀绘制的第一幅铁碳相图（1897年）（1900年）3、渗碳体(Fe3C）铁与碳形成的金属化合物，具有复杂的晶体结构用化学式Fe3C。其Ｃ的质量分数为6.69%,具有很高的硬度（约1000HV），其塑性和韧性几乎为０。渗碳体在铁碳合金中常以片状、粒状和网状等形式与其它相共存。它是钢的主要强化相，其数量、大小、形态和分布对钢的性能影响很大。

渗碳体的显微组织渗碳体（Cementite）因发现者称其为水泥（法语Ciment）以描述它在凝固过程中先析出晶体的粘结作用而得名。4、珠光体

（

P）——共析体它是奥氏体在冷却过程中，在727℃的恒温下发生共析转变得到的产物，因此它只存在于727℃以下。珠光体的平均含C量为0.77%,它是软的铁素体和硬的渗碳体组成的两相细密混合物，其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，它的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。1863年索比在英国协会纽卡斯尔年会上展示钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织。当时他已经证实:酸浸以后，钢具有各种不同的结晶组织。索比首先在显微镜下观察到由铁素体与渗碳体两相以层片状相间排列组成的机械混和物，后因其具有珍珠般（Pearl-like）的光泽而被命名为珠光体（Pearlite）。为了纪念索比，将较细的珠光体称为索氏体(Sorbite)；为纪念法国金相学家托斯特(L.J.Troost)将极细的珠光体称为托氏体（Troostite）。珠光体、索氏体和托氏体统称为珠光体类型组织，只是铁素体与渗碳体两相的片间距大小不同，形成温度越低，片间距越小。片间距越小，组织的硬度越高，塑性、韧性也越好。如托氏体的硬度高于索氏体，更高于珠光体。显微镜组织电镜组织珠光体5、莱氏体（

Ld）——共晶体

含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148℃时，从液相中同时结出奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。由于其在727℃时转变为珠光体，所以在室温时，莱氏体由珠光体和渗碳体所组成。为区别起见，将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体（Ld），727℃以下的称低温莱氏体（Ld′）。莱氏体性能和渗碳体相似，硬度很高（＞700HB），塑性很差。莱氏体是以德国冶金学家莱德堡（AdolfLedebur，1837-1916)命名的。有关他的资料很少，他因在1882年发现了铁碳合金而闻名。

莱氏体显微组织3.2铁碳合金（Fe__Fe3C）相图铁碳合金相图是表示在极其缓慢加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形。铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列稳定化合物（独立组元），因此，我们可以把Fe-C相图看成是由铁和一系列铁的碳化物组成的二元相图。由于质量分数大于5%的铁碳合金在工业上没有实用价值，我们所研究的铁碳合金相图，是质量分数低于6.69%的部分。简化的Fe-Fe3C相图

3.2.1

Fe-Fe3C相图分析共晶转变：温度1148℃，Wc=4.3%，成分为C点的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应（A+Fe3C）。图中C点为共晶点。

共晶转变的产物（AE＋Fe3C）称为莱氏体，用Ld表示。

共析转变：在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两种不同成分固相的转变。图中S点为共析点，Wc=0.77%.共析转变的产物（FP＋Fe3C）称为珠光体。1、Fe-Fe3C相图中的特性点

表3—1简化Fe-Fe3C相图中的特性点特性点温度/℃ωc（%）含义A15380熔点，纯铁的熔点C11484.3共晶点，发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔点，渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度点G9120同素异构转变点S7270.77共析点，发生共析转变A0.77%—→p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度点Q室温0.0008室温下碳在α-Fe中的溶解度2、Fe-Fe3C相图中的特性线

简化的Fe-Fe3C相图中的特性线特性线

含

义ACAC线

液体向奥氏体转变的开始线。即：L→A。CDCD线

液体向渗碳体转变的开始线。即：L→Fe3CⅠACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。AEAE线

液体向奥氏体转变的终了线，铁碳合金的固相线。ECFECF水平线

共晶线。AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。GSGS线，奥氏体向铁素体转变的开始线，

又称A3线。GPGP线

奥氏体向铁素体转变的终了线。ESES线

是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：L→Fe3CⅡ。又称Acm线PQPQ线

碳在铁素体中的溶解度曲线。PSKPSK水平线

共析线（727℃），又称A1线。3、

Fe-Fe3C相图中的特性区1）单相区有F、A、L和Fe3C四个单相区2）两相区五个两相区：L＋A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A＋F两相区、F+Fe3C两相区3）三相区ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C）PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C）3.2.2典型铁碳合金结晶过程分拆根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可分为三大类：1）工业纯铁ωc＜0.0218%，其室温组织为铁素体（F）。2）钢0.0218%＜ωc≤2.11%，又可分为：亚共析钢0.0218%＜ωc＜0.77%，其室温组织为珠光体+铁素体；共析钢ωc=0.77%，其室温组织为珠光体（P）；过共析钢0.77%＜ωc＜2.11%，其室温组织为珠光体+二次渗碳体。3）白口铸铁2.11%＜ωc＜6.69%，又可分为以下三种：亚共晶白口铸铁2.11%＜ωc＜4.3%，其室温组织为变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体；共晶白口铸铁ωc=4.3%，其室温组织为变态莱氏体（Ld′）；过共晶白口铸铁4.3%＜ωc＜6.69%，其室温组织为变态莱氏体+一次渗碳体。工业纯铁是钢的一种，其化学成分主要是铁，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。因为它实际上还不是真正的纯铁，所以称这一种接近于纯铁的钢为工业纯铁。一般工业纯铁质地特别软，韧性特别大，电磁性能很好。常见的有两种规格，一种是是作为深冲材料的，可以冲压成极复杂的形状；另一种是作为电磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。

1、工业纯铁合金液体在1-2点间转变为

，3-4点间

→

，5-6点间

→

。到7点，从

中析出Fe3C。NSJBH

L+

+

+

图3—5

工业纯铁结晶示意图随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F+Fe3CⅢ。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。典型铁碳合金相图2、共析钢的结晶过程

1点温度以上，合金处于液态。缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继续下降，奥氏体量逐渐增加，直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体。2点至3点间为单一奥氏体的冷却。当温度降到S点（727℃）时，奥氏体在恒温下发生共析转变，转变为珠光体。共析钢在室温下的平衡组织为100%的珠光体。其中铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律进行计算：Fe3C=PS/PK×100%=(0.77-0.0218)/(6.69-0.0218)=11.3%

Fp

=（1-Fe3C）×100%=88.7%

共析钢结晶过及珠光体显微组织1点以上1点~2点2点~S点S点以下3、亚共析钢的结晶过程

亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似。当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素体，温度继续下降，铁素体量逐渐增加，奥氏体量逐渐减少，尚未转变的奥氏体的碳含量沿GS线逐渐增加，当缓冷到4点(727℃)时，剩余的奥氏体的Wc=0.77%，发生共析转变而形成珠光体。共析转变结束后，合金组织由铁素体加珠光体组成，冷却到4点以下，组织不再产生改变。所有亚共析钢的室温平衡组织均为铁素体+珠光体，随着碳含量的增加，铁素体量减少，珠光体量增加。亚共析钢的结晶过及显微组织

1点以上1点~2点2点~3点3点~4点4点以下0.6%C4、过共析钢在平衡条件下的固态相变及组织过共析钢按匀晶转变形成单相奥氏体。当奥氏体冷到1点温度时，开始沿着晶界析出二次渗碳体。由于析出了含碳量极高的二次渗碳体，使未转变的奥氏体含碳量减少。随着温度的下降，奥氏体的含碳量沿ES线变化。当合金冷却到2点时，剩余奥氏体的含碳量达到共析浓度，在恒温下发生共析转变，生成珠光体。因此，过共析钢室温下平衡组织由珠光体和沿晶界析出的网状二次渗碳体（网状碳化物）构成。钢的含碳量越高，二次渗碳体所占的比例越大。过共析钢的结晶过程及显微组织

1点以上1~2点2~3点3~4点4点以下5、共晶白口铸铁

室温组织：珠光体+二次渗碳体+共晶渗碳