11 材料的制备与相图（5 铁碳合金相图）

第四章

铁碳合金相图材料给了设计以血液，让设计拥有体温、色泽与动力机械工程材料合金相图又称平衡图或平衡状态图。它以合金成分为横坐标，以温度为纵坐标，表示同一合金系在平衡状态下不同成分的合金在不同温度下由哪些相组成，以及相间平衡关系的图形。平衡是指热力学平衡，即一定成分的合金在一定温度下各相的量不再发生变化，处于动态平衡状态。处在动态平衡状态下的相称为平衡相。合金的性能是由合金的成分、组织决定的，因而合金相图是研究合金成分、组织、性能之间关系最重要的工具。

合金相图的概念和重要性复

习

回

顾主

要

内

容4相图应用2——能够分析铁碳合金成分与组织、性能之间的关系2绘制和分析铁碳合金相图1掌握铁碳合金中基本相、组织3相图应用1——分析典型合金的结晶过程规律第四章

铁碳合金相图机械工程材料教学内容和教学目标（1）能够掌握铁碳合金的基本相和组织，并根据其性能特点解释各成分铁碳合金的性能。（2）能够掌握铁碳合金相图的结晶规律，并指导生产获得预期的材料组织。（3）能够根据铁碳合金相图，合理选择不同含碳量的钢和铸铁，用于制备不同使用性能要求的机器零件。（4）能够合理选择钢和铸铁毛坯的浇铸温度；能够为钢锻造成形制定合理的锻压温度区间。学习成果达成机械工程材料（1）解释成语“趁热打铁”蕴含的科学原理和作用，“铁”

属于哪类铁碳合金。（2）利用实验室的金相显微镜，检测各种钢材的类型和含碳量，说明理由。（3）某企业需要制造大直径齿圈，请你选择合适的毛坯材料，制定制备工艺参数。项

目

设

计机械工程材料你能回答吗？？？成语“趁热打铁”

的科学依据

？制作工艺摆件用的铁丝为什么那么容易成形？提出问题第四章

铁碳合金相图

大国重器航母甲板制造技术？——科技强国航母诞生记第四章

铁碳合金相图机械工程材料第四章

铁碳合金相图

机械工程材料现在理解掌握引

导

记

忆

型

学

习

法记住记住记住第一部分

学习和教学方法介绍传统学习法反馈式教学流程按学生的掌握程度分级、分段逐步推进找到不认识的符号，记录否观察相组分标注的铁碳合金相图都认识了吗？教师讲解，提示学生记录要点是观察组织组分标注的铁碳合金相图第四章

铁碳合金相图

贯彻整个教学过程铁素体（F）

珠光体（P）

奥氏体（A）

高温莱氏体（Ld）(渗碳体（Fe3C）

低温莱氏体（Ld‘）目标达成自我检验图形引导下的分步诱导教学流程教学过程设计第四章

铁碳合金相图自我评价目标达成度学习方法创新第四章

铁碳合金相图

说课自我评价学习目标达成度第四章

铁碳合金相图趁热打铁答：加热到单相A区，塑性好，易变形

原来，我也可以为大国重器的制造出力学习方法创新自我评价目标达成度第四章

铁碳合金相图

机械工程材料第二部分

进入铁碳合金相图的学习

就新材料与高端制造而言，设计是灵魂，材料是基础，工艺是关键，测试是保证。——师昌绪请同学们按照我们的课堂要求，拿出你的记录本和笔课

前

准

备

本节课，你需要主动参与教学中，最终的学习效果和掌握的程度是同学您自我评价的哦！第四章

铁碳合金相图机械工程材料机械工程材料

这都是之前学生的记录和绘图，请大家看看直观认识课本中的铁碳合金相图简化后标注组织的Fe-Fe3C相图简化后标注组织及组织示意图的Fe-Fe3C相图同素异构（晶）现象：同一元素在不同条件下具有不同的晶体结构同素异构（晶）转变：外界条件发生变化，晶体类型发生转变。（0，912℃）同素异构（晶）转变是一种固态转变，形成同素异构（晶）体。该过程同样遵循晶核形成和晶核长大的结晶规律，与液体结晶相类似，故又称为重结晶。纯铁存在着同素异构（晶）转变，即在固态下有不同的结构。纯铁的熔点（0，1538℃）。

纯铁的同素异构(晶)转变L1394γ-Fe912α-Feδ-Fe纯铁的冷却曲线1538纯金属的同素异构现象第四章

铁碳合金相图

第四章

铁碳合金相图

机械工程材料

正是纯铁的同素异构转变性质，才使得铁碳合金具有如此多彩的相图，使通过热处理改变组织和性能称为可能，铁碳合金成为了人类发展史上的重要应用材料。纯金属的同素异构现象4.1铁碳合金中的基本相和组织分析和简化相图第四章

铁碳合金相图

4.1铁碳合金中的基本相和组织

铁碳合金的基本相铁素体（F）

铁素体是碳在α-Fe中形成的间隙固溶体。

奥氏体（A）奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物，分子式Fe3C，是铁碳相图中的另一个组元。

第四章

铁碳合金相图

铁碳合金的基本相显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织。有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而在显微镜下各晶粒稍显明暗不同。4.1铁碳合金中的基本相和组织第四章

铁碳合金相图

铁素体（F）α-Fe体心立方间隙总体积较大，但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小。在727℃时溶碳能力最强，溶解度为0.0218％；随着温度下降溶碳量逐渐减小，室温下的溶碳量仅为0.0008%，几乎为0。因此铁素体的力学性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。并有铁磁性。Fe-Fe3C相图中，室温下无奥氏体相，奥氏体存在于727~1495℃的高温范围内。高温下奥氏体的显微组织晶粒也呈多边形，但晶粒较大、晶界较平直。

铁碳合金的基本相4.1铁碳合金中的基本相和组织第四章

铁碳合金相图

奥氏体（A）γ-Fe虽然面心立方间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大。最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%.奥氏体的硬度低，塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造,热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓"趁热打铁".渗碳体（Fe3C）复杂斜方晶格的间隙化合物，是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式“Fe3C”表示.它的碳质量分数6.69%，熔点为1227℃。质硬而脆，耐腐蚀.塑性、韧性几乎为0。渗碳体不能单独使用，只能作为钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态,它们的大小、数量分布对铁碳合金性能有很大影响.

铁碳合金的基本相4.1铁碳合金中的基本相和组织第四章

铁碳合金相图

在铁碳合金中一共有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下所有的铁碳合金中只有两个基本相，就是铁素体和渗碳体。由于铁素体中的含碳量非常少。所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中。重要总结

铁碳合金的基本相4.1铁碳合金中的基本相和组织第四章

铁碳合金相图

铁素体F

奥氏体A渗碳体Fe3C

铁碳构成的混合相珠光体P

莱氏体Ld和Ld'

铁碳构成的混合相珠光体（P）

珠光体是铁素体和碳化物

形成的共析混合物（P=F+Fe3C）。共析温度

727℃，含碳量仍保持为0.77%。硬度高的渗碳体和塑韧性良好的铁素体呈片状相间分布，故强度高，塑性、韧性和硬度介于两者之间，是常温下综合机械性能优良的组织。球化退火的珠光体中渗碳体呈细小的球状或粒状分布在铁素体基体中，称之为球状珠光体或粒状珠光体。一、铁碳合金中的基本相和组织第四章

铁碳合金相图

层（或片）状珠光体

球（或粒）状珠光体

铁碳构成的混合相变态莱氏体形貌特征为不规则的颗粒型的珠光体分布在渗碳体基体上。大量的渗碳体的存在，其性能接近渗碳体，故它是一种硬脆组织，塑韧性很差，其硬度值约为560HBW，伸长率A几乎为0。所以既不能进行压力加工，也不能进行切削加工，这就是白口铸铁不能得到广泛使用的原因。第四章

铁碳合金相图

4.1铁碳合金中的基本相和组织莱氏体（Ld和Ld’）

莱氏体是奥氏体和碳化物所组成的共晶体。Ld

=A+Fe3C

含碳量为4.3%，1148℃时发生共晶反应所得。727度以下，转变为低温莱氏体

（Ld’=P+Fe3C）Fe3CⅡ+Fe3CP第四章

铁碳合金相图

72791215380.02180.772.114.3wC%6.69EKGQ600LL+ALd+Fe3CⅠLd+A+Fe3CⅡLd’+P+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠLd’LdA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡAF+PFF+Fe3CⅢF+APL+Fe3CⅠDCS

P1227A1148铁碳合金状态图主要特征点ACDEGPS4.2铁碳合金相图第四章

铁碳合金相图

4.2铁碳合金相图第四章

铁碳合金相图

72791215380.02180.772.114.3wC%6.69EKGQ600LL+ALd+Fe3CⅠLd+A+Fe3CⅡLd’+P+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠLd’LdA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡAF+PFF+Fe3CⅢF+APL+Fe3CⅠDCS

P1227A1148铁碳合金状态图主要特征线4.2铁碳合金相图第四章

铁碳合金相图

4.2铁碳合金相图第四章

铁碳合金相图

7270.02180.772.114.3wC%6.69KGQLL+ALd+Fe3CⅠLd+A+Fe3CⅡLd’+P+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠLd’LdA+Fe3CⅡP+Fe3CⅡAF+PFF+Fe3CⅢF+APL+Fe3CⅠD1227AC1148S9126001538PE相图的绘制方法7271148TTF第四章

铁碳合金相图

4.2铁碳合金相图C点为共晶点。温度1148℃，wC＝4.3%。ECF共晶线。结晶出奥氏体和渗碳体所组成的混合物（共晶体），称为高温莱氏体（Ld）由一定成分的液相，在一定温度下，同时析出成分不同的两种固相的转变，称为共晶转变或共晶反应。共晶反应表达式：重点指出S点为共析点。温度727℃，wC＝0.77%。PSK共析线。结晶出铁素体和渗碳体所组成的混合物（共析体），称为珠光体（P）由一定成分的固相，在一定温度下，同时析出成分不同的两种固相的转变，称为共析转变或共晶反应。共析反应表达式：Fe-Fe3C合金分类，根据铁碳合金含碳量及组织的不同（1）工业纯铁——wC

≤0.0218%F（2）钢——0.0218%＜wC

≤2.11%

亚共析钢＜0.77%F+P

共析钢＝0.77%P

过共析钢＞0.77%P+Fe3CⅡ（3）白口铸铁——2.11%＜wC

＜6.69%

亚共晶白口铁＜4.3%P+

Ld’+Fe3CⅡ

共晶白口铁＝4.3%Ld’

过共晶白口铁＞4.3%Ld’+Fe3CⅠ4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

工业纯铁——wC≤0.0218%F4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

结晶过程组织变化为：L→L↓+A↑→A→A↓+F↑→F+Fe3CⅢ少量碳在铁素体中的最大溶解度是P点（727℃，wC=0.0218%）；

室温时，铁素体中溶碳量几乎为零（wC=0.0008%）。冷却过程中，铁素体中不能溶解的碳将以三次渗碳体（Fe3CⅢ）的形式析出。根据杠杆定律，室温下，Fe3CⅢ的最大量为Fe3CⅢ的最大量出现在wC=0.0218%的合金中。工业纯铁的常温组织以铁素体F为主，Fe3CⅢ的量极少，可以不予考虑。F室温显微组织:层片状P

(F+共析Fe3C)共析钢(C=0.77%)结晶过程4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

亚共析钢(C=0.4%)结晶过程室温组织:

F+P4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

过共析钢(C=1.2%)结晶过程室温组织P+Fe3CII4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

杠杆定律应用——1.亚共析钢组织含量计算4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

算例1：在727℃共析转变完成时，计算wC=0.45%的碳钢组织和相的相对量。（1）共析转变完成时，组织为F和P，F中wC=0.0218%，P中wC=0.77%，F、P相对量为QF、QP，计算如下：（2）共析转变完成时，基本相为F和Fe3C，F中wC=0.0218%，Fe3C中wC=6.69%，F、Fe3C相对量为QF、QFe3C，计算如下：或或算例2：在常温下，计算wC=0.45%的碳钢组织和相的相对量。QFQP0.02180.770.45QFQFe3C0.02186.690.45算例2：在常温下，计算wC=0.45%的碳钢组织和相的相对量。常温下，组织仍为F和P常温下，F中wC=0.0008%，接近于0，如果忽略不计，有因此，在显微分析中，可以根据P和F所占面积的相对量，来估算出亚共析钢中碳的质量分数wC杠杆定律应用——1.亚共析钢组织含量计算QFQP0.00080.770.45杠杆定律应用——1.亚共析钢组织含量计算4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

（a）wC=0.25%

（b）wC=0.45%

（c）wC=0.65%

不同含碳量的亚共析钢显微组织在显微分析中，可以根据P和F所占面积的相对量，来估算出亚共析钢中碳的质量分数wC1.2%钢，共析转变刚刚完成时727度，相和组织的质量百分数？（2）组织P+Fe3CⅡ0.776.69（1）相F+Fe3C0.0218%6.69%6.69算例2：在常温下，计算wC=1.2%的碳钢组织和相的相对量。杠杆定律应用——2.过共析钢组织含量计算QFQFe3C0.02186.691.2QPQFe3C0.776.691.2室温组织:（低温）莱氏体Ld′

（P+Fe3CII+

共晶

Fe3C

）共晶白口铁(C=4.3%)4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

室温组织:Ld′+P+Fe3CII亚共晶白口铁(C=3%)4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

室温组织:Ld′+Fe3CI过共晶白口铁(C=5%)4.3典型铁碳合金的结晶过程及组织第四章

铁碳合金相图

简化后标注组织及组织示意图的Fe-Fe3C相图铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：

Fe3CⅢ（沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素体内的片层状）→Fe3CⅡ（沿A晶界呈网状分布）→共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→Fe3CⅠ（分布在莱氏体上的粗大片状）。4.4铁碳合金成分-组织-性能关系第四章

铁碳合金相图

铁碳合金中含碳量与相及组织组成物间的关系4.4铁碳合金成分-组织-性能关系第四章

铁碳合金相图

高温组织中有共晶莱氏体高温固态组织为单相固溶体成分及组织特征wc(%)00.0218

0.77

2.11

4.3

6.69相组成物相对量（%）0100FFe3C分类钢白口铸铁组织与相亚共析钢工业纯铁项目过共析钢过共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁钢100Ld'组织组成物相对量（%）0FFe3CⅡPFe3CⅠ含碳量对钢组织和性能的影响