金属学及热处理课件：铁碳合金

铁碳合金[目标]1.了解铁碳相图在铸造、锻造、焊接等工艺技术中的应用；2.掌握铁碳合金基本相；铁碳相图分析；典型铁碳合金平衡结晶过程及组织；铁碳合金成分-组织-性能关系；[重点]1.掌握铁碳合金基本相及其性能特点；

2.铁碳合金成分-组织-性能关系；

[难点]

典型铁碳合金平衡结晶过程及组织。铁碳合金4.1纯铁的结构及其同素异晶转变纯铁冷却曲线及同素异晶转变

铁的晶体结构会随温度变化而改变，这种现象称为同素异晶转变（或同素异构转变）。1394℃912℃(bcc)(bcc)(fcc)

-Fe

-Fe

-Fe铁碳合金γ-Fe

Fe

α-Fe

Fe3C：

C→

:铁素体F0.02%近于纯铁硬、脆多:奥氏体A2.11%4.2铁碳合金的基本相溶入塑性韧性高碳溶入

-Fe中形成的间隙固溶体。最大溶碳量（727C时）为0.0218%，室温溶碳量为0.0008%。符号：F或

性能：强度和硬度低（80HBW）、塑性和韧性高（A≈40%）4.2.1铁素体（Ferrite）铁素体晶体结构示意图

铁素体显组织示意图

碳溶入

-Fe中形成的间隙固溶体

最大溶碳量（1148C时）为2.11%、727C时溶碳量为0.77%。

符号：A或

性能：强度硬度较低（160～200HBW）塑性韧性高（A≈40～50%）相比F，A可溶入更多的碳，强度和硬度更高；同时因具有面心立方晶格，也具有更好的塑性韧性

4.2.2奥氏体（Austenite）奥氏体晶体结构示意图

奥氏体显微组织示意图碳和铁相互作用形成的间隙化合物符号：Cm

或Fe3C。性能：硬度高（800HBW）；

脆性大，塑性几乎为零（A≈0）

铁碳合金的室温组织，一般是在铁素体基体中分布着片状、粒状或网状渗碳体，渗碳体的大小、形状和分布对铁碳合金的性能有很大的影响。

当C含量高达6.69%时，铁碳合金的组织全部为硬而脆的渗碳体而不能使用。4.2.3渗碳体（Cementite）Fe3C晶格示意图

4.3铁碳合金相图4.3.1

Fe-Fe3C相图概述简化后的Fe-Fe3C相图

点

CwC%说明A15380纯铁的熔点D12276.69渗碳体的熔点C11484.3共晶点G9120

-Fe

-Fe的转变温度（A3）S7270.77共析点（A1）E11482.11碳在

-Fe中的最大溶解度P7270.02碳在

-Fe中的最大溶解度Q6000.0057碳在

-Fe中的溶解度液相线：ACD固相线：AECF共晶线：ECFGS线（A3线）：A向F转变开始线ES线（Acm线）：C在A中的溶解度曲线PSK线（A1线）：共析线GP线：A向F转变结束线PQ线：C在F中的溶解度曲线铁碳相图中的重要线单相区:含有一个相的区域

如：L、A、F、Fe3C，共四个；两相区：含有两个相

如：L+A、L+Fe3CI、A+F、A+Fe3CII、A+Fe3CIII，共五个；三相区：两条水平线——共晶线和共析线即：L+A+Fe3C和A+F+Fe3C相区。铁碳相图中的重要区域1.铁碳合金相图——如何画共晶点共晶转变L→(A

+Fe3C)Ldc1148℃共析转变A→(F

+Fe3C)PS727℃共析点2.铁碳合金相图——相区AFe3CFLA+FA+Fe3CF+Fe3CL+AL+Fe3C3.铁碳合金相图——线的含义AFe3CFLC液相线C在A中溶解度曲线T↓

→

A中析出多余的C：Fe3CⅡC在F中溶解度曲线T↓

→

F中析出多余的C：Fe3CⅢL+Fe3CⅠ固相线3.铁碳合金相图——线的含义AFe3CFLC液相线L+Fe3CⅠ固相线GS:A→

F转变开始线GP:A→F转变终止线∵

γ-Fe

→

α-Fe∴A→

F1）同素异构温度随含碳量增加而降低2）同素异构温度不再是恒温2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%工业纯铁共析钢亚共析钢过共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁钢铸铁ABCDFENGPSKJHALFδFeFe3C2.11%4.3%6.69%0.77%0.02%4.3.2铁碳合金的分类4.3.3碳素钢平衡结晶过程及组织碳钢平衡组织转变示意图

分别介绍共析钢、亚共析钢、过共析钢平衡结晶过程及组织1.共析钢的组织转变

a）光学显微镜AS

P（FP+Fe3C）A1（727℃）b）扫描电镜珠光体显微组织

（2）珠光体性能：综合性能

——较高强硬度

一定塑韧性（1）珠光体形态：F片

+Fe3C片片层结构、交错排列；紧密混合，机械混合物组

成

物Rm/（MPa）HBWA×100αK/（J/㎝2）铁

素

体150～2308040200渗

碳

体－≈800≈0≈0珠

光

体77018025≈302.亚共析钢的组织转变

a)WC=0.20%

b)WC=0.40%

c)WC=0.60%亚共析钢的室温平衡组织3.过共析钢的组织转变

WC=1.2%钢的室温平衡组织WC=1.4%钢的室温平衡组织4.3.4白口铸铁结晶过程简介1.共晶白口铸铁结晶过程

共晶白口铸铁室温平衡组织Lc

Ld（AE+Fe3C）（1148℃）共晶白口铸铁结晶过程示意图2.亚共晶白口铸铁结晶过程

亚共晶白口铸铁室温平衡组织3.过共晶白口铸铁结晶过程

过共晶白口铸铁室温平衡组织12S1.共析钢的组织转变（另一种描述，可根据需要选用）

12S=tS:A→(F

+Fe3C)P<tS:(F

+Fe3C)Pp+Fe3CⅢA1线后基本无变化S12432.亚共析钢的组织转变

（另一种描述，可根据需要选用）

=t4:A

+FP

(F

+Fe3C)+FPS<t4:Fe3CⅢ=t3:A

+FF343’t3~t4：A

↓

+F

↑

3→S

3’→PppFFQ≈03’12433.过共析钢的组织转变（另一种描述，可根据需要选用）

43=t4:A

+Fe3CⅡP

(F

+Fe3C)+Fe3CⅡA

+

Fe3CⅡt3~t4：A

↓

+

Fe3CⅡ

↑

3→Sp=t3:A中C处于饱和

状态S<t4:Fe3C

ⅢQ≈04.4铁碳合金组织组成物及其含量计算1.碳含量为0~0.0218%的工业纯铁室温平衡组织：F+Fe3CⅢ当碳含量为0.0218%时，工业纯铁（或F）中Fe3CⅢ的含量最大：

2.碳含量为0.0218%~0.77%的亚共析钢室温平衡组织：F+P碳质量分数x%的亚共析钢的室温平衡组织中F和P的相对含量为：3.碳含量为0.77%的共析钢室温平衡组织：P

相组成：F+Fe3C

碳质量分数0.77%的共析钢中F和Fe3C的相对含量为：

4.碳含量为0.77%~2.11%的过共析钢室温平衡组织：P+Fe3CⅡ碳质量分数x%过共析钢室温平衡组织P和Fe3CⅡ相对含量为：4.5铁碳合金的性能及其相图应用4.5.1铁碳合金成分与平衡组织、力学性能关系1.碳钢成分→相→组织关系铁碳合金含碳量与相及组织的关系2.碳素钢中碳含量对其力学性能的影响1）Wc↑：F↓Fe3C↑Rm、HRC↑

,A、Z↓2）Wc＞1％时，Fe3C呈连续网状，脆性大

生产中Wc＜1.35％锉刀

1.钢铁材料选用建筑结构钢：低碳钢机器零件：中碳钢工模具：高碳钢

4.5.2