中科大金属学及热处理课件04铁碳合金

第四章：铁碳合金§4-1铁碳合金的基本相§4-2Fe－Fe3C相图分析§4-3典型合金的结晶及其组织§4-4铁碳合金的成分、组织、性能间的关系上一级§4-1铁碳合金的基本相Fe-C合金基本相：铁素体(F)(固溶体）、奥氏体(A)(固溶体）、渗碳体（Fe3C)(金属化合物）一、铁素体（F）：碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，溶碳能力极差。727℃可达0.0218%σb：250～350MPaδ：30～50%ψ：70～80%

σ0.2：100～170MPa

ak：160～200J/cm2HBS：80～120上一级良好的塑性与韧性。在显微镜下，呈明亮的等轴多边形状。二、奥氏体(A)：碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，溶碳量较大；奥氏体在高温状态存在；δ：40～50%、HBS：170～220、无磁性。上一级三、渗碳体(Fe3C)：Fe与C形成的金属化合物Fe3C，其含碳量为6.69%，极硬、脆。σb：35MPa、HV：800～820F、A、Fe3C都能溶入合金元素，形成合金固溶体或合金渗碳体起到强化的作用，渗碳体是钢中主要的强化相。它的形状与分布对钢的性能有很大影响。上一级§4-2Fe－Fe3C相图分析铁碳合金相图上一级一、分析点、线的物理意义1、相图中的点（1）组元的熔点A：Fe的熔点；D：Fe3C的熔点(计算）（2）同素异构转变点N：d-Fe

g－Fe；G

：g－Fe

a-Fe（3）碳在铁中最大溶解度点P：C在a-Fe中的最大溶解度E:C在

g-Fe中的最大溶解度H：C在

d-Fe中的最大溶解度Q：室温下C在a-Fe中的溶解度上一级(4)三相共存点S：共析点（gs＋aP＋Fe3C）C：共晶点

（gE＋LC＋Fe3C）J：包晶点（dH＋gJ＋LB

）2、相图中的线ABCD线（液相线）：其上为液相AHJECF线（固相线）：其下为固相HJB线(包晶转变线)，ECF线(共晶转变线)，PSK线(共析转变线)上一级（1）固溶度线ES：碳在奥氏体中的溶解度随温度的变化线PQ：碳在铁素体中的溶解度随温度的变化线（2）同素异构转变线NH和NJ，GS和GP3、相图中的相区单相区：L、a、g、d、Fe3C两相区：L+d,L+Fe3C，L+g,

d+g,g+a g+Fe3C,a+Fe3C注意：根据相图规则，两个单相区之间必然夹一个两相区，两相区的两个相就由这两个单相区的相组成。上一级4、Fe-Fe3C相图中的转变（1）匀晶转变：由液相直接结晶出单一固相的转变。L

d:由液相中直接结晶出d相。（合金的成分线和AB线相交）Lg:由液相中直接结晶出g相。（合金的成分线和BC线相交）LFe3C:由液相中直接结晶出Fe3C相。（合金的成分线和CD线相交）上一级（2）同素异构转变d-Fe(b.c.c)

g-Fe(f.c.c)g-Fe(f.c.c)

a-Fe(b.c.c)（3）析出转变：从一个固相中析出另一个固相的转变g

Fe3CII；a

Fe3CIII（3）恒温转变

a）共晶转变（ECF线）：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。

Lc

gE＋Fe3Cb）共析转变（PSK线）：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。gs

aP

＋Fe3C上一级c）包晶转变（HJB线）：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应---包晶转变（反应）

dH＋LB

gJ二、恒温转变产物共晶转变产物：γ与Fe3C的机械混合物（γ+Fe3C）称为莱氏体（Ld）共析转变产物：铁素体(F)与渗碳体(Fe3C)的机械混合物称为珠光体（P）包晶转变产物：单相奥氏体（gJ

）上一级§4-3典型合金的结晶及其组织一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同显微组织和性能，通常根据相图中P点，E点将铁碳合金氛围工业纯铁，钢和白口铸铁三大类。1．工业纯铁成分P点以左（Wc<0.0218%）的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。上一级2、钢成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进行热加工。根据含碳量不同又可分为三类：（1）

共析钢——含碳量=0.77%（2）

亚共析钢——含碳量<0.77%（3）

过共析钢——含碳量>0.77%上一级3．

白口铸铁成分为E点右面（C%=2.11~6.69%）的铁碳合金。其特点是液态结晶时都有共晶转变，因而与钢相比有较好的铸造性能。但高温中组织硬脆的渗碳体量很多，故不能进行压力加工，根据相图：白口铸铁分为：共晶白口铸铁——C%=4.3%；亚共晶白口铸铁——C%<4.3%；过共晶白口铸铁——C%>4.3%上一级二、Fe-Fe3C合金的结晶过程及组织转变123123123上一级1.合金Ⅰ（共析钢）1点→2点与匀晶相图完全相同。2点为奥氏体2点→3点组织不变3点

上一级2.合金Ⅱ（亚共析钢）1点→3点结晶过程与共析钢相似3点

奥氏体开始转变成铁素体3点→4点由奥氏体逐渐转变成铁素体4点剩余奥氏体发生共析转变亚共析钢的室温组织为铁素体和珠光体。在显微分析中，可以根据珠光体和铁素体所占面积的相对量，来估算出亚共析钢中碳的质量分数WC。WC=P×0.77%(P：珠光体在显微组织中所占的面积百分比)上一级3．合金Ⅲ（过共析钢）1点→3点间的结晶过程与共析钢相同。3点开始析出二次渗碳体。3点→4点不断析出二次渗碳体。4点

发生共析转变而形成珠光体。过共析钢室温组织为二次渗碳体和珠光体。上一级4．合金Ⅳ（共晶白口铸铁）1点：发生共晶转变1点→2点：奥氏体不断析出二次渗碳体2点：奥氏体发生共析转变而形成珠光体室温组织为：变态莱氏体上一级5．合金Ⅴ（亚共晶白口铸铁）1点：开始结晶出初晶奥氏体2点：发生共晶转变2点→3点：初晶奥氏体不断析出二次渗碳体3点：发生共析转变而形成珠光体亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体。上一级6．

合金Ⅵ（过共晶白口铸铁）1点：液相中开始结晶出一次渗碳体1点→2点：不断析出一次渗碳体2点：发生共晶转变而形成莱氏体2点→3点：析出二次渗碳体3点：发生共析转变形成珠光体过共晶白口铸铁的室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体。上一级§4-4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的增加，组织变化趋势为：上一级二、含碳量与力学性能间的关系随着含碳量的增加，渗碳体增加，应力增加，塑性下降。当含碳量小于0.9%时，随着钢中含碳量的增加，钢的强度硬度值直线上升，而塑性、韧性不断降低；当钢中含碳量大于0.9%时，因沿晶界形成的二次渗碳体网趋于完整，不仅使钢的塑性、韧性进一步降低，而且强度也明显下降。

上一级上一级三、含碳量与工艺性能间的关系（一）

铸造性能

共晶成分的铸铁，不仅液相与固相线的距离最小，而且熔点亦最低，故流动性好，分散缩孔小，偏析小，是铸造性能好的铁碳合金。

上一级（二）

可锻性和可焊性金属的