金属材料及热处理 课件 项目四 铁碳合金相图

项目四铁碳合金相图与非合金钢认知任务一认识铁碳合金相图与非合金钢任务二认识铁碳合金相图任务三认识典型铁碳合金的结晶过程及室温组织任务四认识碳的质量分数与铁碳合金组织及性能的关系任务五认识铁碳合金相图的应用及其局限性任务六认识非合金钢（碳钢）一

纯铁的同素异构转变铁属于过渡族元素，熔点为1538℃，密度为7.87g/cm3。固态铁具有同素异构性，即在不同温度范围具有不同的晶体结构。

任务一认识铁碳合金相图与非合金钢二

铁碳合金的基本组织

1.铁素体碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号“F”或“α”表示。在α-Fe体心立方晶格中，最大间隙半径只有0.031nm，比碳原子半径0.077nm小得多，因而溶碳能力较低。在727℃时溶碳量为0.0218％，室温时几乎为零。铁素体具有较好的塑性和韧性，而强度和硬度很低。

2.奥氏体碳溶于γ-Fe

中形成的间隙固溶体，用符号“A”或“γ”表示。在γ-Fe面心立方晶格中，间隙半径为0.053nm，略小于碳原子半径，所以溶碳能力较α-Fe大。在1148℃时溶碳量为2.11％，在727℃时为0.77％。奥氏体也是一个强度、硬度较低而塑性、韧性较高的相。

3.渗碳体渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，其晶胞内铁与碳原子数比为3：1，通常用分子式Fe3C表示。渗碳体的含碳量为wC=6.69％，熔点为1227℃。渗碳体的硬度很高，但强度较低，塑性和韧性几乎为零，是一个硬而脆的组织。

4.珠光体珠光体是铁素体和渗碳体组成的混合物，用符号“P”表示。珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，综合力学性能较好。5.莱氏体莱氏体是碳的质量分数为4.3％的合金。当合金冷却到1148℃时，从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的复合组织，称为莱氏体，又称高温莱氏体，用符号“Ld”表示。室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用符号“L‘d”

表示。莱氏体的性能与渗碳体类似，也是既硬又脆的组织。任务二认识铁碳合金相图铁碳合金相图是指在平衡条件下，即在极其缓慢的加热（或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同的温度下所处状态的一种图形，简称铁碳相图。

一简化后的铁碳合金相图二、铁碳合金相图中特性点的意义

特性点

温度／℃

wC／％

含义

A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点，

LC

⇋

AE+Fe3CD12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69共晶渗碳体成分点G9120同素异构转变点K7276.69共析渗碳体成分点P7270.218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点，AS

⇋FP+Fe3CQ600(室温)0.0057(0.0008)600℃(室温)时碳在α-Fe中的溶解度三、铁碳合金相图中特性线的意义1.共晶转变线ECF线为共晶转变线，C点为共晶点。LC

⇋

AE+Fe3C在铁碳合金相图中，碳的质量分数wC＞2.11％的液态合金，冷却到ECF线时都将发生共晶转变，生成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。2.共析转变线PSK线为共析转变线，又称A1线，S点为共析点。AS

⇋

FP+Fe3C碳的质量分数wC＞0.0218％的合金，冷却到PSK线时都将发生共析转变，生成由铁素体和渗碳体组成的共析组织，称为珠光体（P）。3.其他主要特性线ACD线液相线。AECF线固相线。GS线又称A3线，是α⇋γ固容体转变线。ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。PQ线碳在铁素体中的溶解度曲线。一

铁碳合金的分类1.工业纯铁

wC≤0.0218％。2.钢

0.0218％＜wC≤2.11％。（1）亚共析钢0.0218％＜wC≤0.77％；（2）共析钢wC=0.77％；（3）过共析钢0.77％＜wC≤2.11％。

任务三认识典型铁碳合金的结晶过程及室温组织3.白口铸铁

2.11％＜wC＜6.69％。（1）亚共晶白口铸铁2.11％＜wC≤4.3％；（2）共晶白口铸铁wC=4.3％；（3）过共晶白口铸铁4.3％＜wC≤6.69％。二

典型铁碳合金的结晶过程

1.共析钢合金Ⅰ为共析钢，wC=0.77％。共析钢在室温下的平衡组织为珠光体，用符号P表示。2.亚共析钢合金Ⅱ为亚共析钢，wC=0.45％。亚共析钢在室温下的平衡组织由先共析铁素体和珠光体组成。3.过共析钢合金Ⅲ为过共析钢，wC=1.2％。过共析钢在室温下的平衡组织由珠光体和网状二次渗碳体组成。4.共晶白口铸铁合金Ⅳ为共晶白口铸铁，wC=4.3％。共晶白口铸铁在室温下的平衡组织为由渗碳体和珠光体组成的低温莱氏体，用符号L'd表示。5.亚共晶白口铸铁合金Ⅴ为亚共晶白口铸铁，wC=3.0％。亚共晶白口铸铁在室温下的平衡组织为珠光体、二次渗碳体和低温莱氏体。6.过共晶白口铸铁合金Ⅵ为过共晶白口铸铁，wC=5.0％。过共晶白口铸铁在室温下的平衡组织为一次渗碳体和低温莱氏体。任务四认识碳的质量分数与铁碳合金组织及性能的关系一

碳的质量分数与平衡组织间的影响

随着碳的质量分数的增加，铁碳合金在室温下可以形成不同的组织：F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ+L‘d→L’d→L‘d+Fe3CⅠ由于碳的质量分数和形成条件不同，铁素体和渗碳体的组织形态和分布都会产生很大的变化。二

碳的质量分数与力学性能的影响随着碳的质量分数的增加，铁碳合金的硬度直线上升，而塑性和韧性不断下降。当wC<0.9％时，碳钢的强度随着碳的质量分数的增加而不断提高；在wC=0.9％时，强度出现峰值；而当wC>0.9％时，碳钢的强度反而开始下降。任务五认识铁碳合金相图的应用及其局限性一、在钢铁材料选用方面的应用需要塑性好、韧性高的材料时，一般选用wC<0.25％的低碳钢；要求材料的强度、塑性和韧性等性能都较好时，应选用wC=0.3％～0.55％的中碳钢；若需要硬度高、耐磨性好的材料，如各种工具用钢，应选用wC>0.55％的高碳钢；对于一些形状复杂、不受冲击、同时又需要较高的耐磨性的零件，则可选用白口铸铁铸造而成。二、在热加工工艺制订方面的应用1.在铸造方面的应用根据铁碳合金的成分确定合适的浇注温度。2.在锻造方面的应用选择的合适的锻造或轧制工艺温度范围。3.在热处理方面的应用制定各种热处理工艺的加热温度。铁碳合金相图仅反映了在极其缓慢的加热和冷却条件下，铁碳合金平衡组织的状态。而实际生产中的加热和冷却速度均较快，合金中除了碳以外，还会有多种合金元素、杂质元素，因此，不能完全依据铁碳合金相图来分析解决生产中的所有问题。

三、铁碳合金相图应用的局限性任务六认识非合金钢（碳钢）碳的质量分数小于2.11％的铁碳合金称为碳钢（非合金钢）。一、杂质元素对碳钢性能的影响碳钢中除铁和碳两个主要元素外，一般还含有锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等元素以及非金属夹杂物。这些元素往往是从矿石和冶炼过程中进入钢中的，一般统称为常存杂质元素。1.锰（Mn）碳钢中锰的质量分数一般为wMn=0.25％～0.80％。锰可以强化铁素体，增加珠光体相对量，提高钢的强度和硬度。一般认为锰在钢中是一种有益的元素。2.硅（Si）硅在镇静钢中的质量分数一般为wSi=0.10％～0.40％；沸腾钢中wSi=0.03％～0.07％。硅可以强化铁素体，提高钢的强度、硬度和弹性。硅在钢中也是一种有益的元素。

3.硫（S）硫在铁素体中的溶解度极小，在钢中主要以FeS的形式存在。FeS可以和铁形成低熔点（985℃）的共晶体，并且主要分布在奥氏体晶界上。热脆：当钢加热到1100～1200℃进行锻造或轧制时，由于晶界上的低熔点共晶体熔化，使钢极易沿晶界开裂。硫是在钢中是一种有害的杂质元素，必须严格控制。炼钢时加入锰铁，使锰与硫化合成高熔点（1620℃）的MnS，可避免了热脆现象的产生。

4.磷（P）磷可溶于铁素体中，使铁素体得到强化，提高了钢的强度和硬度。冷脆：磷可使钢的塑性和韧性显著降低，特别是在低温下使钢变脆。磷是在钢中也是一种有害的杂质元素，也要严格控制。

5.非金属夹杂物是在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物进入钢液形成的，主要有氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。会降低钢的力学性能，形成纤维组织与带状组织。6.气体在冶炼过程中，钢液中会吸收一些氮、氧、氢等气体，对钢的质量产生不良影响。氢脆：氢会严重影响钢的力学性能，使钢易于脆断。二、碳钢的分类按化学成分分类：非合金钢、低合金钢、合金钢。按主要质量等级分类：非合金钢又可分为普通质量非合金钢、优质非合金钢、特殊质量非合金钢三类。1.按冶炼浇注时的脱氧程度分类（1）沸腾钢（2）镇静钢（3）半镇静钢2.按碳的质量分数分类根据钢中碳的质量分数，可以分为：（1）低碳钢

wC＜0.25％；（2）中碳钢

0.25％≤wC≤0.60％；（3）高碳钢wC＞0.60％。3.按钢质量分类根据钢中所含有害杂质S、P的含量，可以分为：（1）普通碳素钢

wS≤0.050％、wP≤0.045％；（2）优质碳素钢

wS≤0.040％、

wP≤0.040％；（3）高级优质碳素钢

wS≤0.03％、wP≤0.035％。4.按钢的用途分（1）碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程构件，一般属于低碳钢和中碳钢。（2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具和模具等，一般属于高碳钢。三、碳钢的牌号、性能与用途1.碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分顺序组成。例如：Q235―A·F“Q”

表示钢材屈服点，“235”表示屈服点数值，“A”表示质量等级，“F”表示沸腾钢。力学性能可以满足一般工程结构及普通机器零件的要求，应用很广。这类钢一般在供应状态下直接使用，不需要进行热处理。2.优质碳素结构钢牌号是用两位数字表示，这两位数字表示平均碳的质量分数的万分数。例如：45钢，表示钢中平均碳的质量分数为0.45％。按含锰量的不同，可分为普通含锰量（w

Mn=0.35％～0.8％）和较高含锰量（w

Mn=0.70％～1.20％）两组。含锰量较高的一组，应在牌号数字后附加“Mn”，如15Mn、70Mn等。

优质碳素结构钢的硫、磷含量较低（wS≤0.035％，wP≤0.035％），非金属夹杂物含量较少，组织均匀，表面质量较好，塑性、韧性都较高，出厂时既保证化学成分，又保证力学性能。主要用于制造较重要的机械结构零件。一般都要经过热处理以达到要求的力学性能指标。3.碳素工具钢牌号是在汉字“碳”或其汉语拼音首位字母“T”的后面加数字表示，数字表示钢中平均碳的质量分数的千分数。若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后加字母“A”或汉字“高”。例如：T8表示钢中平均碳的质量分数为0.8％的碳素工具钢，T12A表示钢中平均碳的质量分数为1.2％的高级优质碳素工具钢。

碳素工具钢化学成分的特点是碳的质量分数高（wC=0.65％～