第四章-铁碳合金相图课件

第四章铁碳合金相图第一节铁碳合金的基本相第二节铁-碳合金相图分析第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织第四节铁碳合金的成分、组织、性能间的关系图4-1Fe－C相图的组成

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。图4-2Fe－Fe3C相图的组成第一节铁碳合金的基本相同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而发生变化的现象，也称同素异构转变。Fe的冷却曲线及相应的晶体结构L-Feδ-Feγ-Feα-Fe1538℃1394℃912℃液相体心面心体心同素异构转变（重结晶）的特点1）在固态下进行；2）同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶界处形成；3）同素异构转变有较大的过冷度；4）同素异构转变往往要产生较大的内应力

☆注意重结晶与再结晶的区别一、铁素体铁素体（F）

碳原子固溶到α-Fe中形成的间隙固溶体特点：铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好铁素体的晶胞示意图

铁素体的显微组织

二、奥氏体奥氏体（A或γ）1）碳原子固溶到γ-Fe中形成的间隙固溶体；2）高温相，存在于727℃以上，一般不存在于室温；3）奥氏体强度不高，塑性很好。

4）1148℃时溶碳量最大（wc=2.11%)5)727℃时溶碳量最小（wc=0.77%)奥氏体的晶胞示意图奥氏体的显微组织三、渗碳体渗碳体（Fe3C）铁与碳形成的间隙化合物，含碳量6.69%；室温相——常作为钢的第二弥散强化相；渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性；

一次渗碳体Fe3CI：从液相直接结晶出来。

二次渗碳体Fe3CII：从A中析出。

三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。渗碳体的晶胞示意图四、铁碳合金中的相（相组成物）

1、石墨

石墨（G）

Fe-C合金中游离存在的碳石墨的强度、塑性、硬度都很低四、铁碳合金中的相（相组成物）

2、液相

液相（L）

液态的铁碳合金

铸铁浇注照片四、铁碳合金中的基本组织

（组织组成物）3、珠光体（P）共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物（共析体）。

A0.77(F+Fe3C)≡P珠光体的力学性能介于F和Fe3C之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

727℃P的金相显微镜组织四、铁碳合金中的基本组织

（组织组成物)4、高温莱氏体（Ld）

L4.3(A+Fe3C)≡Ld

共晶转变高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。1148℃四、铁碳合金中的基本组织

（组织组成物）3、低温莱氏体（Ld’）

在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。低温莱氏体是室温下的一个基本组织四、铁碳合金中的基本组织

（相组成和组织组成物总结）

相组成:

L、A、F、Fe3C、G；

组织组成:F、A、Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、P、Ld、Ld’第二节铁-碳合金相图分析

简化后的Fe－Fe3C相图

Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义

（一）相图中的主要点点温度碳量含义A15380纯铁熔点B14950.53包晶转变时的液相成分C11484.3共晶点LC---------(AE+Fe3C)≡LdD12276.69Fe3C熔点E11482.11C在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶Fe3C成分点G9120γ-Fe-----α-Fe同素异构转变点H14950.09C在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶成分点LB+δH--------AJK7276.69共析Fe3C成分点N13940δ-Fe-----γ-Fe同素异构转变点P7270.0218C在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点AS---------(FP+Fe3C)≡PQ室温0.0008

主要特性点（二）相图中的主要相变线主要线温度（℃）含义ABCD1538~1227液相线AHJECF1538~1148固相线HJB1495包晶转变线ECF1148共晶线PSK727共析线A1ES1148~727C在γ-Fe中的溶解度线AcmPQ727~600C在α-Fe中的溶解度线

GS912~727A向F转变的开始线A3GP912~727A向F转变的终了线主要特性线（四）Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类1、工业纯铁

Wc≤0.02%2、碳素钢0.02%＜Wc≤2.11%

1）共析钢Wc=0.07%

2）亚共析钢0.02%＜Wc＜0.77%3）过共析钢0.77%＜Wc≤2.11%3、白口铸铁2.11%＜Wc＜6.69%

1）共晶白口铸铁Wc=4.3%

2）亚共晶白口铸铁2.11%＜Wc＜4.3%3）过共晶白口铸铁4.3%＜Wc＜6.69%

第三节典型铁碳合金的结晶过程及其组织

一、合金Ⅰ（共析钢）1点以上L；1~2点L+A；2~3点A；3点共析转变AS(FP+Fe3C)≡P（片层状分布）共析铁素体共析渗碳体珠光体团3~4点F+Fe3CIII+Fe3C

≡P室温下：相组成物F、Fe3C；组织组成物P727℃共析结晶过程结晶过程二、合金Ⅱ（亚共析钢）1点以上L；2点包晶转变δ0.09+L0.53A0.171~2点L+δ；5点共析转变A0.77(FP+Fe3C)≡P2~3点A+L；5~6点F+Fe3CIII+P————F+P3~4点A；（Fe3CIII含量很少，可以忽略不计）4~5点A+F；室温下：相组成物F、Fe3C；组织组成物F、P1495℃727℃结晶过程亚共析结晶过程含碳量的估算（F—白色P—黑色）通过光学显微镜观察估计某一铁碳合金中的P所占比例，可用杠杆定律估算出该合金的WC即：WC=0.77%QP亚共析钢显微照片三、合金Ⅲ（过共析钢）1点以上L；4点共析转变A0.77(FP+Fe3C)≡P1~2点L+A；4~5点P+Fe3CII

2~3点A；室温下：相组成物F、Fe3C3~4点A+Fe3CII组织组成物P、Fe3CII

727℃显微组织照片结晶过程过共析结晶过程钢部分典型合金结晶过程分析四、合金Ⅳ（共晶白口铸铁）1点以上：L；1点：共晶转变L4.3(A2.11+Fe3C)≡Ld；1~2点：A+Fe3CII+Fe3C≡Ld

二次渗碳体与共晶渗碳体混成一体；2点；共析转变A0.77(FP+Fe3C)≡P；2~3点：(P+Fe3CII+Fe3C)≡Ld’；

室温下：相组成物F、Fe3C；组织组成物Ld’

渗碳体的基体上分布着树枝状的珠光体显微照片1148℃727℃结晶过程亚共析结晶过程五、合金Ⅴ（亚共晶白口铸铁）1点以上：L；

1~2点：L+A；2点：共晶转变L4.3(A2.11+Fe3C)≡Ld2~3点：A+Fe3CII+Ld；3点：先共晶A共析转变A0.77(FP+Fe3C)≡PLdLd’3~4点：P+Fe3CII+Ld‘；室温下：相组成物F、Fe3C；组织组成物：P、Fe3CII、Ld’

显微组织照片1148℃727℃结晶过程亚共析结晶过程六、合金Ⅵ（过共晶白口铸铁）1点以上：L；1~2点：L+Fe3CI；（先共晶渗碳体，呈粗大条状）2点：共晶转变L4.3(A2.11+Fe3C)≡Ld；

2~3点：Fe3CI+Ld；3点：LdLd’、Fe3CI；3~4点：Fe3CI+Ld’；室温下：相组成物F、Fe3C；组织组成物Ld’、Fe3CI

1148℃过共晶白口铁显微照片结晶过程亚共析结晶过程白口铸铁部分典型合金结晶过程分析七、按组织组成物分区的Fe-Fe3C相图F+PPP+Fe3CIIAA+Fe3CIIF+AA+Fe3CII+LdA+Fe3CII+Ld’Fe3CI+LdFe3CI+Ld’Ld’Ld表4.3

铁碳合金的分类第四节铁碳合金的成分、组织、性能间的关系

一、含碳量与平衡组织间的关系随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在A晶界上——形成莱氏体时，渗碳体则成了基体。）二、含碳量与力学性能间的关系（1）硬度

WC增加，硬度增加；（2）强度

WC<0.9%时，WC增加，强度提高，WC>0.9%时，WC增加，强度降低；（3）塑性、韧性

WC增加，塑性、韧性下降；为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性、韧性，碳素钢的含碳量一般不超过1.4%。三.碳含量与工艺性能的关系

(一)切削加工性

低碳钢(Wc≤0．25%)中含有大量F，硬度低、塑韧性好，切削时产生的切削热大、易粘刀，且切屑不易折断，影响工件表面粗糙度，故切削加工性差。高碳钢(Wc＞0．6%)中Cm较多，当Cm呈片状或网状分布时，刀具易磨损，故切削加工性也差。中碳钢(Wc＝0．3～0．60%)中F和Cm比例适当，硬度和塑性适中，切削加工性能较好。钢的硬度大致为170～250HBW时切削加工性最好。白口铸铁中由于存在以Cm为基体的L′d组织，硬度太高，很难进行切削加工。(二)可锻性钢加热到高温可得到塑、韧性良好的单相A组织，因此其可锻性良好。另外，碳含量低的钢较碳含量高的钢可锻性好。白口铸铁无论在低温或高温,其固态组织中都含有硬而脆的L′d，所以不能锻造。WC≦2.11%时（纯铁与碳素钢），高温时可获得单相A固溶体组织（塑性好），可进行热变形加工。(3)铸造性

合金的铸造性能首先与液相线温度，液、固相线之间的距离大小有关。碳钢由于液相线温度高、熔点高，流动性差，收缩大，易形成分散缩孔，热裂倾向大，所以钢的铸造性比铸铁差。铸铁由于液相线温度低，熔点比钢低，特别是共晶成分的铸铁熔点最低，各项铸造性在铁碳合金中均为最佳，所以在铸铁中一般均选择共晶点附近成分的合金。(4)可焊性

低碳钢塑性好，可焊性好。随碳含量增加，钢的塑韧性明显下降，可焊性变坏。所以，焊接用钢主要是低碳钢或低碳合金钢。总之，铁碳相图具有巨大实际意义，它为钢铁选材及制定热加工工艺提供重要依据。四、Fe-Fe3C相图在工业生产中的应用

1、在选材方面的应用根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）:1）要求塑性、韧性好而强度不高的机件——低碳钢（WC<0.25%）；（如冷冲压件）2）要求强度、塑性、韧性等综合性能好的机件———中碳钢（WC=0.3%~0.55%）并进行适当的热处理；（如机床主轴）3）各种工具用钢——高碳钢。（如锉刀）2、在铸造方面的应用1）确定合理的浇注温度铸件的合理浇注温度一般选在液相线以上50~100℃；2）铸铁件的化学成分多选在共晶点附近，此成分的铁碳合金结晶温度区间较小，流动性好、分散缩孔小。

3、在锻造方面的应用根据相图选择最佳压力加工工艺温度范围。锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200℃左右。停止锻轧温度一般要控制在800℃左右。4、在热处理方面的应用Fe-Fe3C相图中的A1、A3、Acm三条相变线是确定碳素钢热处理工艺加热温度的依据。

PSK：

A1GS：A3ES：Acm第三节碳素钢一、钢中常存杂质对钢性能的影响

二、碳素钢的分类、钢号和主要用途

一、钢中常存杂质对钢性能的影响

1、Mn的影响钢中常在杂质有：Si、Mn、S、P和氧、氢、氮等气体。Mn是炼钢时用锰铁给钢液脱氧后而残余在钢中的元素。锰有较强的脱氧能力，锰大部分溶于F，使钢强化，锰对钢有益。锰能降低S对钢的危害。一般碳素钢中把锰控制在0.25%~0.8%范围内。一、钢中常存杂质对钢性能的影响

2、Si的影响（P70）Si主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。Si比锰脱氧能力强，硅溶于F，提高钢的强度和硬度，但会使塑性和韧性降低。硅促进Fe3C分解成石墨，若钢中出现石墨会使钢的韧性严重下降，产生所谓的“黑脆”。硅在碳素钢中一般控制在0.17~0.37%范围内一、钢中常存杂质对钢性能的影响

3、S的影响S可使钢的“热脆”性增加。（S不溶于α-Fe，而以化合物FeS的形式存在，其熔点为1190℃，而FeS又能于Fe形成共晶体分布于晶界上，其熔点仅为985℃。）S对钢的焊接性能也有不良影响，容易导致焊缝热裂。所以，S在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.05%。但是，S能改善钢材的切削性能。一、钢中常存杂质对钢性能的影响

4、P的影响P会引起钢的“冷脆”。（P在钢中全部溶于α-Fe中，使钢的强度和硬度增高，同时，塑性和韧性显著降低。当钢中含P量达0.3%时，钢完全变脆，这种脆性现象在低温时更为严重。）P还降低钢的焊接性能。所以，P在钢中是有害杂质，其含量一般要求不大于0.045%。但是，S能改善钢材的切削性能和耐腐蚀性能。一、钢中常存杂质对钢性能的影响

5、气体的影响（P71）氧会降低钢的力学性能，尤其是疲劳强度。对钢无益，越少越好。N会以氮化物的形式析出，增加钢的强度和硬度，但会降低钢的塑性和韧性，使钢变脆。H会使钢的脆性显著增加，称为“氢脆”。H会使钢中产生裂纹，称为“白点”。二、碳素钢的分类、钢号和主要用途

（一）碳素钢的分类1、按钢中含碳量分（1）低碳钢WC≦0.25%（2）中碳钢0.25%<WC≦0.6%（3）高碳钢WC>0.6%2、按钢的质量分（1）普通钢WS≦0.05%WP≦0.045%（2）优质钢WS≦0.035%WP≦0.035%（3）高级优质钢W