机械基础课件：铁碳合金

2.1铁的同素异构转变2.2铁碳合金的基本组织2.3Fe-Fe3C合金状态图分析2.4典型合金的结晶过程及其组织2.5铁碳合金相图的作用思考题钢和铸铁是现代工业中极为重要的金属材料。钢和铸铁的产量比其他一切非铁金属的产量的总和还要多。钢和铸铁虽然因成份不同而品种很多，但其最基本的组成是铁和碳两种元素。因此，钢和铁又称为铁碳合金。同一种固态纯金属(或其他单元相物质)由一种稳定状态转变为另一种晶体结构不同的稳定状态的过程，称为同素异构转变。

具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。同一金属的同素异构体按其稳定存在的温度由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。纯铁的同素异构转变如下：

δ-Fe

γ

-Fe

α

-Fe

(体心立方晶格)(面心立方晶格)(体心立方晶格)

2.1铁的同素异构转变1394°912°

由于铁的晶体结构不同，碳在铁中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。因为铁可以发生同素异构转变,所以能对钢铁进行各种热处理。在铁碳合金系中，可配制多种不同成份的铁碳合金，它们在不同温度下的平衡组织是不同

的

，但总是由几个基本组织所组成。液态时，铁和碳可以无限互溶；在固态，碳可

溶于铁

中，当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物。因此，在铁碳合金中，

碳可以与铁组成化合物，也可形成固溶体，还可以形成混合物。2.2铁碳合金的基本组织2.2.1铁素体(F)

碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F来表示。实验证明，α-Fe中可以溶解微量的碳原子，其溶解量在室温时约为0.008%，随着温度的升高，溶解量逐渐增多，到727℃时溶碳量逐渐增加到0.0218%。由于铁素体的含碳量比较低，因此铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低。测得铁素体在室温下的机械性能如下：抗拉强度为180～280MPa；硬度为50～80HBS；塑性，即断后伸长率为30%～50%；冲击韧度为160～200J/cm2。2.2.2奥氏体(A)

碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号A来表示。奥氏体的溶碳能力比较强，比α-Fe高。在1148℃时溶碳量可达2.11%；随着温度的下降,溶碳能力逐渐减小,在727℃时溶碳量为0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑性，是绝大多数钢在高温下进行锻造和轧制时所要求的组织。奥氏体在1148℃时的机械性能如下：抗拉强度为400MPa；硬度为160～200HBS；塑性，即断后伸长率为40%～50%。2.2.3渗碳体(Fe3C)

渗碳体是铁与碳组成的金属化合物，其含碳量为6.69%。渗碳体的熔点为1127℃，硬度很高(约为800HBS)，塑性很差，伸长率和冲击韧性几乎为零，是一个硬而脆的组织。渗碳体是碳钢中主要的强化组织，它的形态、分布及大小对钢的力学性能影响很大。渗碳体在适当条件下(如长期高温或缓慢冷却)能分解为铁和石墨，这对铸铁具有重要意义。渗碳体的主要性能如下：熔点为1127℃；含碳量ωC=6.69%；硬度为800HBS；塑性、韧性几乎为零。2.2.4珠光体(P)

珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。在放大倍数较高的显微镜下，可清楚地看到它是渗碳体和铁素体片层相间、交替排列形成的混合物。

在缓慢冷却的条件下，珠光体的含碳量是0.77%，其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，大体上是两者的平均值。珠光体的强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。珠光体的主要性能如下：抗拉强度为770MPa；硬度为180HB；塑性，即断后伸长率为20%～35%；冲击韧度为30～40J/cm2。2.2.5莱氏体(Ld与Ld′)

莱氏体是铁碳合金中的共晶混合物,即含碳量为4.3%的液态铁碳合金在1148℃时从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的混合物,用符号Ld表示。因为奥氏体在727℃时会转变成珠光体，所以在室温下的莱氏体是珠光体和渗碳体组成的混合物。为区别起见，将727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体(L

d)；将727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体(Ld′)。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高(700HBS)，塑性很差。想一想：奥氏体存在于常温下的铁碳合金中吗？铁素体呢？铁碳合金状态图是表示在缓慢冷却(或缓慢加热)的条件下，不同成份的铁碳合金的状态或组织随温度变化的图形。2.3Fe-Fe3C合金状态图分析2.3.1铁碳合金状态图的组成

在铁碳合金中，铁和碳可以形成一系列的化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，而工业用铁碳合金的质量分数一般不超过5%，因为碳的质量分数更高的铁碳合金脆性很大，难以加工，没有实用价值。因此，研究铁碳合金只限于Fe-Fe3C(碳的质量分数为6.69%)范围内，故铁碳合金状态图也可以认为是Fe-Fe3C相图。图2-1为简化的Fe-Fe3C相图。图2-1简化的铁碳合金状态图2.3.2状态图主要点、线、区的分析

1.状态图上的主要点

2.状态图上的主要线

ACD线：液相线，液相冷却至此温度线开始析出，加热至此全部转化为液相。

AECF线：固相线，液态合金冷却至此温度线全部结晶为固相。

GS线：常称为A3线，冷却时奥氏体开始析出铁素体的转变线，加热时铁素体全部溶入奥氏体。

ES线：常称为Acm线，碳在奥氏体中的溶解度曲线。

ECF线：共晶线，含碳量2.11％~6.69%，至此温度线发生共晶反应，结晶出奥氏体与渗碳体的混合物，即莱氏体。PSK线：共析线，含碳量在0.0218％~6.69%，至此发生共析反应，产生出珠光体。

3.状态图中的相区

铁碳合金状态图中，共有液相(碳在铁中的液熔体，用L表示)、奥氏体(A)、铁素体(F)、渗碳体(Fe3C)四个基本相，各区的组织见图2-1。

2.4.1铁碳合金的分类

铁碳合金按含碳量的多少可以分为工业纯铁、钢和白口铸铁。

(1)工业纯铁(ωC≤0.0218%)，其性能特点为塑性韧性好，硬度强度低。

(2)钢(0.0218%＜ωC≤2.11%)，又分为

共析钢：ωC=0.77%，室温组织为P。

亚共析钢：0.0218%＜ωC＜0.77%，室温组织为F+P。

过共析钢：0.77%＜ωC≤2.11%，室温组织为P+Fe3CⅡ。2.4典型合金的结晶过程及其组织

(3)白口铸铁(也称生铁)(2.11%＜ωC≤6.69%)，又分为

共晶白口铸铁：ωC=4.3%，室温组织为Ld′。

亚共晶白口铸铁：2.11%＜ωC＜4.3%，室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld′。

过共晶白口铸铁：4.3%＜ωC≤6.69%，室温组织为Ld′+Fe3CⅠ。2.4.2典型合金的结晶分析

下面以典型的碳钢为例，分析它们的结晶过程和组织转变，如图2-2所示。图2-2典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置

1.共析钢

图2-2中合金Ⅰ是含碳量为0.77%的共析钢。当金属液冷却到和AC线相交的1点时，开始从液相(L)中结晶出奥氏体，到2点时金属液结晶终了，此时，合金全部由奥氏体组成

。在2点到3点之间，组织不发生变化。当冷却到3点时，奥氏体发生共析转变，A0.7%

(F0.0218%+Fe3C)，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体的混合物，即珠光体。温度继续下降，组织不再发生变化，共析钢的室温组织是珠光体。其结晶过程示意图如图2-3所示。727℃图2-3共析钢的结晶过程

2.亚共析钢

图2-2中合金Ⅱ是含碳量为0.45%的亚共析钢，其冷却结晶过程如下：当金属液冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，从奥氏体中开始析出铁素体，随着温度的降低，析出的铁素体量不断增多，剩余的奥氏体量不断减少，而奥氏体中碳的质量分数沿GS线变化(增加)，当温度降到与PS线相交的4点时，奥氏体的含碳量达到0.77%，此时，剩余的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。4点以下至室温，合金组织不再发生变化。亚共析钢的室温组织为F+P，其结晶过程如图2-4所示。图2-4亚共析钢的结晶过程

3.过共析

图2-2中合金Ⅲ是含碳量为1.2%的过共析钢，其冷却结晶过程如下：金属液冷却到1点时，开始结晶出奥氏体，到2点时结晶完毕，2点到3点间为单相奥氏体，当合金冷却到与ES线相交的3点时，奥氏体中的碳含量达到饱和，开始析出二次渗碳体，继续冷却，析出的二次渗碳体量增多，剩余奥氏体中碳的含量不断减少，沿ES线变化，当温度降到与PSK线相交的4点时，剩余奥氏体中碳的含量达到0.77%，于是发生共析反应，奥氏体转变为珠光体。从4点以下至室温，组织不再发生变化。最后得到的组织是珠光体和网状的二次渗碳体P+Fe3CⅡ，其结晶过程如图2-5所示。图2-5过共析钢的结晶过程图2-2中的合金Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别为含碳量为4.3%的共晶白口铸铁、含碳量为3.0%的亚共晶白口铸铁和含碳量为5.0%的过共晶白口铸铁。其分析过程请读者根据典型成份的钢的分析方法自行分析。图2-6含碳量对钢的力学性能的影响铁碳相图在生产实践中具有重大的意义，主要用于钢材料的选用和铸、锻等热加工工艺制定等方面。

(1)在铸造方面：选择合适的浇铸温度，含碳量接近4.3%的白口铸铁熔化温度低,铸铁的流动性好，便于浇铸。

(2)在煅造方面：选择合适的温度区，一般在奥氏体区钢的塑性较好,便于锻压成型。2.5铁碳合金相图的作用

(3)在热处理方面：用于退火、正火、淬火等温度的选择。

(4)在选材方面：铁碳合金相图所表明的成份、组织和性能的规