华南理工大学机械工程材料第五章

精品课程机械工程材料第五章铁碳合金第一节铁碳合金的组元及基本相第二节Fe—Fe3C相图分析第五节碳钢第四节含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织

第一节铁碳合金的组元及基本相精品课程纯铁的冷却曲线1394℃1538℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400δ-Fe

α-Feγ-Fe912℃

第一节铁碳合金的组元及基本相一、纯铁的同素异构转变●晶格类型bccfccbcc●致密度0.680.74→（胀大）0.68●熔点：1538℃●性能：σb↓HB↓ψ↑ak↑FeFeFeCC-¾¾®¬-¾¾®¬-°°agd9121394精品课程

铁具有三种同素异构状态，即δ-Fe,γ-Fe,α-Fe。纯铁的同素异构转变具有很大的实际意义，它是钢的合金化和热处理的基础。

第一节铁碳合金的组元及基本相精品课程

●相是指合金中成分、结构及性能都相同的均匀的组成部分，相与相之间由界面分开。

铁素体、奥氏体、渗碳体都是铁碳合金中的基本相。

●组织是指用肉眼或借助各种不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部的情景，包括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。

铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体是铁碳合金中的基本组织二、基本相及基本组织名称符号定义最大含碳量%力学性能σb

HBψak

铁素体α或FC在α-Fe中的间隙固溶体0.0218(727C)↓↓↑↑奥氏体γ或AC在γ-Fe中的间隙固溶体2.11(1148C)↓↓↑↑渗碳体Fe3C或Cm

C与Fe的间隙化合物6.69↓↑珠光体Pα与Fe3C的机械混合物0.77莱氏体Ldγ+Fe3CⅡ+Fe3C的机械混合物4.3Ld′P+Fe3CⅡ+Fe3C的机械混合物↓↑基本组织及基本相精品课程基本组织及基本相精品课程铁素体的显微组织工业纯铁的室温组织奥氏体的显微组织

铁素体奥氏体基本组织及基本相精品课程渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的复杂间隙化合物。属于正交晶系，晶体结构十分复杂。熔点为1227℃，硬度高，但脆性大，塑性差，延伸率接近于零。渗碳体作为钢中的强化相，它的形态、大小、数量及分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体在高温下可以分解形成石墨状的自由碳，即：

高温Fe3C→3Fe+C（石墨）

基本组织及基本相精品课程珠光体莱氏体FFe3CγFe3CPFe3C∵碳在铁中的含量超过溶解度后剩余的碳可以有两种形式存在，即以渗碳体Fe3C和石墨碳的形式存在。∴铁碳合金有两种相图，即Fe-C和Fe-Fe3C相图。

在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变的。精品课程精品课程Fe06.69Fe3CC,wt%Temperature(C)KFD727CEC4.32.111148CL1495CTemperature(C)PS0.77HJBANGQ1538C1394C912C第二节Fe-Fe3C相图分析

精品课程Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)0.77727C4.32.111148CLC,wt%1495C1538C1394C912CPSKECFHJBANGQD第二节Fe-Fe3C相图分析

图中各特性点的温度、碳质量分数及意义！熟记L+L+Fe3C+Fe3C+Fe3CLL+0.77ANGQ727C4.32.111148CFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)C,wt%1495C1538C1394C912CPSKECFHBDJ三相区3个：三条水平线

两相区7个：L+δ、L+γ、L+Fe3C、γ+δ、γ+α、γ+Fe3C、α+Fe3C++单相区5个：

δ、γ、α、L、Fe3C精品课程第二节Fe-Fe3C相图分析

相图的液相线是ABCD,固相线是AHJECF

第二节Fe-Fe3C相图分析精品课程●线：1）水平线（3条）HJB--包晶转变线:

ECF--共晶转变线:包晶转变(HJB水平线)4.31148CECFD共晶转变(ECF水平线)HJBANANGQ727C4.32.111148CFe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)C,wt%1495C1538C1394C912CPSKECFHBDJ莱氏体γFe3CPFe3CPSK--共析转变线:精品课程共析转变(PSK水平线)727C912CPGQ0.77SK第二节Fe-Fe3C相图分析珠光体FFe3C具有三种恒温转变的相图精品课程●PQ线：C在α中的溶解度曲线。冷却时，从α析出Fe3CⅢ的开始线或加热时，Fe3CⅢ溶入α中的终了线。2）特征曲线（3条斜线）●

GS线（又称A3线）：冷却时，从γ析出α的开始线，或加热时α溶入γ中的终了线。●

ES线（又称Acm线）：C在γ中的溶解度曲线。冷却时，从γ析出Fe3CⅡ的开始线或加热时，Fe3CⅡ溶入γ中的终了线。727C912CP0.77SKGQE具有三种恒温转变的相图精品课程二次渗碳体三次渗碳体珠光体具有三种恒温转变的相图精品课程Fe-Fe3C相图的分析小结：

五个重要的成份点:P、S、E、C、K。

五条重要的线:GS、ES、PQ、ECF、PSK。

三个重要转变:包晶转变、共晶转变、共析转变。

二个重要温度:1148℃、727℃。二、相图组织组成物标注

1、用相组成物标注室温时均由F+Fe3C两相组成2、用组织组成物标注精品课程第二节Fe-Fe3C相图分析Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%LL+L+Fe3CL++++Fe3C+Fe3C用相组成物标注精品课程Fe06.69Fe3CTemperature(C)Temperature(C)PSK0.77727CECF4.32.111148CHJBANGQDC,wt%LL+L+Fe3CⅠL+++Ld+Fe3CⅠLd+Fe3CⅠ+Ld+Fe3CⅡP+Ld+Fe3CⅡPLdLdP++Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Fe3CⅢ用组织组成物标注精品课程用组织组成物标注精品课程第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织一、铁碳合金的分类

名称含碳量（wC%）平衡组织工业纯铁(P以左)﹤0.0218F+Fe3CIII钢P(0.02C%)～E(2.11C%)亚共析钢（PS之间）0.0218~0.77F+P共析钢(S点)0.77P过共析钢（SE之间）0.77~2.11P+Fe3CII白口铸铁E(2.11C%)～F(6.69C%)亚共晶白口铁（EC之间）2.11~4.3P+Fe3CII+Ld′共晶白口铁(C点)4.3Ld′过共晶白口铁（CF之间）4.3~

6.69Fe3CI+Ld′精品课程二、典型合金的平衡结晶过程分析

精品课程第三节铁碳合金的平衡结晶过程及组织（1）工业纯铁

L→L+δ→δ+γ→γ→γ+α→α→α+Fe3CⅢ（2）亚共析钢L→L+γ→γ→γ+α→α+P（α+Fe3C）（3）共析钢

L→L+γ→γ→P（α+Fe3C）（4）过共析钢L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P+Fe3C（α+Fe3C）（5）亚共晶白口铁（6）共晶白口铁（7）过共晶白口铁工业纯铁的结晶过程WP为0.01%的工业纯铁结晶过程示意图工业纯铁室温平衡状态显微组织（500×）Temperature(C)ANGQ1234Fe

0PSC0.77E2.11HJB1234567Fe3CⅢ

精品课程12346共析钢的结晶过程共析钢结晶过程示意图精品课程123L→L+γ→γ→P（α+Fe3C）共析钢的室温平衡组织为珠光体。珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体亚共析钢的结晶过程L→…→γ→α+γ→P（α+Fe3C）+α亚共析钢结晶过程示意图Temperature(C)ANGQ1234Fe

0PSC0.77E2.11HJB精品课程亚共析钢的室温组织均由(先共析)铁素体和珠光体组成。钢中碳的质量分数越高，则组织中的珠光体量越多。α+P亚共析钢的室温平衡组织（α+P）(a)Wt=0.2%;(b)Wt=0.4%;(c)Wt=0.6%精品课程

亚共析钢金相组织图

精品课程过共析钢的结晶过程L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→

P（α+Fe3C）+Fe3CⅡ12过共析钢结晶过程示意图Temperature(C)ANGQ1234Fe

0PSC0.77E2.11HJB1以上1-22-3Fe3CП

3-44以下Fe3CПP1234精品课程过共析钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。珠光体+二次渗碳体Wt=1.2%的过共析钢的室温组织（500×）(a)硝酸酒精浸蚀；(b)苦味酸钠浸蚀在过共析钢中，二次渗碳体的数量随钢中碳含量的增加而增加，当含碳量较多时，除了沿奥氏体晶界呈网状分布外，还在晶内呈针状分布。共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁结晶过程示意图

精品课程白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒是由共晶奥氏体转变而来的珠光体亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁结晶过程示意图精品课程杠杆定律的应用1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算（1）0.4%C钢：●组织组成物(α+P)

WP=1-49.5%=51.95%●相组成物（α

+Fe3C）

WFe3C=1-94.3%=5.98%精品课程杠杆定律的应用1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算（2）0.77%C钢(共析钢)：●组织组成物(P)

WP=100%●相组成物（α

+Fe3C）

WFe3C=1-88%=12%精品课程杠杆定律的应用（3）1.0%C钢：●组织组成物(P+Fe3CⅡ)

●相组成物(α

+Fe3C)

WFe3CⅡ=1-96.1%=3.9%WFe3C=1-85.05%=14.95%1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算精品课程杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：

①一次渗碳体的相对含量②共晶渗碳体的相对含量③二次渗碳体的相对含量④共析渗碳体的相对含量⑤三次渗碳体的相对含量

1.典型合金的组织组成物和相组成物的计算精品课程杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：

①一次渗碳体的相对含量②共晶渗碳体的相对含量

①T→1148+0℃,Fe3CⅠ=（5%-4.3%）/(6.69%-4.3%)=29.3%②T→1148-0℃,Fe3C总1=(5%-2.11%)/(6.69%-2.11%)=63.1%Fe3C共晶=Fe3C总1-Fe3CⅠ=63.1%-29.3%=33.8%

1.典型合金的组织组成物和相组成物的计算精品课程杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：③二次渗碳体的相对含量④共析渗碳体的相对含量③T→727+0℃,Fe3C总2=(5%-0.77%)/(6.69%-0.77%)=71.5%Fe3CⅡ=Fe3C总2-Fe3C总1=71.5%-63.1%=8.4%④T→727-0℃,

Fe3C总3=(5%-0.0218%)/(6.69%-0.0218%)=74.7%Fe3C共析=Fe3C总3-Fe3C总2=74.7%-71.5%=3.2%1.典型合金的组织组成物和相组成物的计算精品课程杠杆定律的应用（4）5.0%C过共晶白口铸铁组织中：⑤三次渗碳体的相对含量⑤室温时，Fe3C总=(5%-0.0008%)/(6.69%-0.0008%)=74.74%Fe3CⅢ=Fe3C总-Fe3C总3=74.74%-74.7%=0.04%

1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算精品课程杠杆定律的应用（5）2.5%C亚共晶白口铸铁组织中，珠光体相对含量：方法一：先共析奥氏体量T→1148+0℃，A先

=(4.3%-2.5%)/(4.3%-2.11%)=82.2%L共晶=1-82.8%=17.2%T→1148℃，A共晶=[(6.69%-4.3%)/(6.69%-2.11%)]*L共晶=52.18%*17.2%=9.29%

T→1148-0℃,A总=（82.2%+

9.29%）=91.49%Fe3C共晶=8.51%T→727+0℃，Fe3CII=[(2.11%-0.77%)/(6.69%-0.77%)]*A总

=22.64%*91.49%=20.71%A剩=A总-Fe3CII=91.49%-20.71%=70.78%P=A剩=70.78%1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算精品课程杠杆定律的应用（5）2.5%C亚共晶白口铸铁组织中，珠光体相对含量：方法二：珠光体的含量等于奥氏体的含量，因此T→727+0℃P=A=(6.69%-2.5%)/(6.69%-0.77%)=70.78%1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算精品课程2.几种Fe3C量的计算(1)

(WγE=1-47.8%=52.2%)(2)

(Wα=1-11.22%=88.78%)杠杆定律的应用精品课程杠杆定律的应用(几种Fe3C量的计算)

(3)

(4)精品课程第四节含碳量对铁碳合金组织和性能的影响一、含碳量对平衡组织的影响随着含碳量的增加，铁碳合金的组织发生如下变化：精品课程α+Fe3CⅢ(工业纯铁）P+Fe3CⅡ+Ld’（亚共晶白口铁）→Ld’+Fe3CⅠ

→（过共晶白口铁）Ld’→（共晶白口铁）P+Fe3CⅡ→（过共析钢）

P→（共析钢）α+P→

（亚共析钢)含碳量对平衡组织的影响精品课程●C%↑，Fe3C%↑●Fe3C的分布及形态：随C%↑Fe3CⅢ（α晶界上）→P（α基体上）→Fe3CⅡ网状（原γ晶界上）→Ld’（基体）→Fe3CⅠ（长条状）铁碳合金的含碳量与组织的关系含碳量对力学性能的影响

1.钢2.白口铁精品课程含碳量对钢性能的影响C%↑,Fe3C%↑，σb↑*，HB↑，ψ↓，ak↓。*σb出现极大值，原因：∵C%↑,P↑，σb↑；但Fe3CⅡ呈网状,连成网后，脆断，σb↓。

∴钢的含碳量一般﹤1.3%。Fe3C%↑，作基体，HB↑，ψ↓，ak↓，脆，应用不广泛。含碳量对工艺性能的影响1.切削加工性精品课程2.可锻性：C%↓，γ状态下，可锻性↑；白口铁不可锻。

低碳钢的可锻性较好，随着含碳量的增加，可锻性逐

渐变差。硬度一般在HB170～250时较好。含碳量：低碳钢：α↑，易粘刀；高碳钢：Fe3C↑，HB↑；中碳钢：α与Fe3C比例适当，切削加工性较好；导热性：γ导热性↓（刀具易发热），加工硬化率↑，切削加工性↓。

含碳量对工艺性能的影响精品课程3.铸造性：视其相图形状。金属的铸造性包括流动性、收缩性和偏析倾向等。当浇注温度相同时，含碳高的钢的液相线与钢液温度之差较大，即过热度较大，对钢液的流动性有利，所以钢液的流动性随含碳量的增高而增高。随着含碳量的增加，碳素钢的体积总收缩率增加。固相线与液相线的水平距离和垂直距离越大，枝晶偏析越严重，所以铸铁的成分越远离共晶点，其枝晶偏析越严重。铁碳相图的应用1.为选材提供成分依据；2.为制订热加工工艺提供依据；3.使用时的局限性：（1）不说明非平衡组织及变化；（2）不反映相变机理及动力学—即不反映相变的阶段和时间；（3）只表示极纯的铁碳合金，不反映合金钢的情况。精品课程第五节碳钢钢材生产的主要流程：

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材料的组织和性能除与其成分，加工工艺及热处理有关外，还与它的冶金质量密切相关。

钢的冶金质量是指钢在冶炼、浇注及压力加工后的质量，主要包括钢中所含的杂质元素及非金属夹杂物，钢锭的宏观组织及压力加工后的组织与缺陷，它们均是钢材冶金质量的重要标志。炼铁→炼钢→铸锭→压力加工成各种规格的钢材第五节碳钢一、常存杂质及其影响

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P：溶于铁素体，固溶强化↑↑，韧性↓↓，尤以低温时为甚—冷脆﹗

S：S+Fe→FeS,FeS-Fe形成低熔点共晶体（熔点：9850C），分布在晶界，锻造时（1150～1200℃）晶界熔化—热脆﹗有Mn时，Mn优先与S→MnS，熔点：16200C。

Mn和Si：作为脱氧剂而加入，都溶于铁素体，有固溶强化作用。

Mn还能降低S的有害（热脆）作用。