蔡启舟工程材料学（ii）第四章

工程材料学（II）第四章铁碳合金—组元、相图、平衡组织与性能授课教师：蔡启舟｜华中科技大学Contents目录工程材料学（II）第四章：铁碳合金01铁碳合金的组元及基本相02Fe-Fe₃C合金相图分析03典型合金的平衡结晶与组织分析04碳对铁碳合金组织与性能的影响CHAPTER01铁碳合金的组元及基本相理解Fe与C两大组元的特性及铁素体、奥氏体、渗碳体三种基本相结构COMPONENTS铁碳合金的组元铁碳合金由铁和碳两大组元构成，铁的同素异构转变（δ-Fe→γ-Fe→α-Fe）是理解铁碳相图的物理基础，碳的两种存在形态（石墨与渗碳体）决定了合金的组织与性能差异。铁的同素异构转变晶体结构示意：BCC与FCC晶格01工业纯铁含铁量99.8%~99.9%，杂质0.1%~0.2%中以碳为主，是研究铁碳合金的基础参照99.8%含铁量02铁具有同素异构转变特性：液态→δ-Fe(bcc,1538℃)→γ-Fe(fcc,1394℃)→α-Fe(bcc,912℃)，每次转变伴随晶格改组和性能变化1538℃δ-Fe转变03碳在合金中以石墨（稳定态）或Fe₃C（亚稳态）两种形态存在，决定了铁碳合金相图需同时考虑Fe-C与Fe-Fe₃C两套系统2形态碳存在第四章·铁碳合金基本相铁素体：碳在铁中的间隙固溶体铁素体是碳在α-Fe或δ-Fe中形成的间隙固溶体，体心立方结构决定了其碳溶解度极低（最大仅0.0218%），因而表现出低硬度、高塑性的力学特征，是低碳钢中主要的软韧相。α-铁素体（常规铁素体）BCC·α/F碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，体心立方晶格（bcc），用符号α或F表示最大碳溶解度0.0218%（727℃），室温时仅0.0008%，碳几乎全部以渗碳体形式析出硬度80~100HBS，抗拉强度180~280MPa，延伸率30%~50%，是典型的软韧相0.0218wt%Cmaxδ-铁素体（高温铁素体）BCC·δ·≥1394℃碳溶于δ-Fe中形成的高温间隙固溶体，同样为体心立方结构，用符号δ表示最大碳溶解度0.09%（1495℃），仅存在于1394℃以上高温区，冷却后转变为其他组织高温下稳定性较好，碳扩散速率较高，对后续相变过程有重要影响1495℃peakIRON-CARBONPHASE·AUSTENITE奥氏体：热加工与热处理的母相奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的面心立方间隙固溶体，727~1148℃间碳溶解度从0.77%升至2.11%。其优良塑性使之成为热加工的理想状态，同时也是各种热处理转变的起始相，是连接铁碳相图与实际工艺的核心纽带。晶体结构与相稳定性碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，面心立方晶格（fcc），符号γ或A，是高温稳定相。fcc碳溶解度与温度关系碳溶解度范围0.77%（727℃）~2.11%（1148℃），面心立方的较大间隙使溶碳能力显著优于铁素体。2.11%力学性能与热加工硬度160~200HBS，塑性优良（δ≈40%~50%），是所有热加工（锻造、轧制）的理想组织状态。δ≈40~50%热处理的起始相淬火等热处理均先将钢加热至奥氏体态再冷却转变，因此奥氏体被称为"热处理的母相"。母相Cementite·Iron-CarbonAlloy渗碳体Fe₃C：铁碳合金的强化相渗碳体（Fe₃C，含碳6.69%）是铁碳合金中硬而脆的金属化合物，HBS≈800、δ≈0，以不同形态（片状、网状、粒状）分布于基体中对钢的强度、硬度和耐磨性起决定性强化作用，同时作为亚稳相可分解为铁和石墨。晶体结构化学式Fe₃C，含碳量6.69%，复杂正交晶格结构，理论熔点1227℃，可用符号Cm表示6.69%C硬脆特性硬度约800HBS，塑性几乎为零（δ≈0、ψ≈0），是典型的硬脆相，在钢中充当强化相提升耐磨性800HBS亚稳分解渗碳体是亚稳相，一定条件下可分解为Fe+C（石墨），这一分解过程是铸铁石墨化理论的核心基础Fe+C形态效应形态对性能影响显著：片状渗碳体提供高强度但降低塑性，球化处理后粒状渗碳体则改善切削加工性片/粒状居里温度渗碳体在230℃以上失去铁磁性（居里温度约230℃），这一物理特性可用于组织鉴别230℃IRON-CARBONALLOY三大基本相特征对比铁素体、奥氏体与渗碳体构成了铁碳合金的三种基本相。铁素体与δ铁素体均为体心立方结构且溶碳极少，奥氏体为面心立方、溶碳能力最强，渗碳体为化合物、硬而脆，三者的不同组合与分布决定了钢铁材料的全部组织多样性。铁碳合金基本相特征对比相名称符号/化学式晶体结构最大溶碳量硬度(HBS)性能特征α-铁素体α/Fbcc（体心立方）0.0218%（727℃）80~100软韧相，塑性好δ-铁素体δbcc（体心立方）0.09%（1495℃）≈80~100高温相，软韧奥氏体γ/Afcc（面心立方）2.11%（1148℃）160~200高温相，塑性好渗碳体Fe₃C/Cm复杂正交6.69%（固定）≈800硬脆相，强化相四种基本相从软韧的铁素体到硬脆的渗碳体，构成了钢与铸铁组织多样性的基础CHAPTER02Fe-Fe₃C合金相图分析系统解析相图中的关键点、特征线与三相平衡转变，建立成分-温度-组织的对应关系PHASEDIAGRAMFe-Fe₃C相图概览Fe-Fe₃C相图以碳含量（0~6.69%）为横轴、温度为纵轴，由液相线ABCD和固相线AHJECF界定液固转变区域，固相线以下再由A₁、A₃、Acm等特征线划分出铁素体、奥氏体、渗碳体等单相区及两相共存区，构成铁碳合金组织分析的完整坐标体系。Fe-Fe₃C合金相图·教学用图01横轴为碳的质量百分数（0~6.69%C），纵轴为温度，完整覆盖从纯铁到渗碳体的全部成分范围0–6.69%C02液相线ABCD以上为全液相区L，固相线AHJECF以下为全固相区，两线之间为液固两相共存区L↔L+S↔S03固相区由PSK线（A₁，727℃）、GS线（A₃）、ES线（Acm）划分为α+Fe₃C、γ、γ+Fe₃C等多个单相与两相区727℃·A₁PHASEDIAGRAM·KEYFEATURES相图关键特征点与特征线Fe-Fe₃C相图的核心骨架由三条水平转变线构成：HJB包晶线（1495℃）、ECF共晶线（1148℃）和PSK共析线（727℃），配合液相线ABCD、固相线AHJECF及溶解度曲线ES和PQ，完整定义了铁碳合金在不同温度和成分下的相平衡边界。液相固相液相线与固相线ABCD与AHJECF界定结晶温度区间，两线间距越大结晶范围越宽HJB包晶反应线·1495℃液相+δ铁素体→奥氏体，含碳0.09%~0.53%的合金ECF共晶反应线·1148℃液相→奥氏体+渗碳体（莱氏体Ld），含碳2.11%~6.69%PSK共析反应线（A₁）·727℃奥氏体→铁素体+渗碳体（珠光体P），含碳0.0218%~6.69%ESPQ溶解度曲线ES（Acm）：碳在γ-Fe中溶解度，1148℃2.11%降至727℃0.77%；PQ：碳在α-Fe中溶解度PERITECTICREACTION包晶反应：液相+δ铁素体→奥氏体包晶反应（1495℃）是铁碳相图中的第一个三相平衡转变，不同碳含量的合金在反应后残留相不同，需结合后续冷却追踪最终组织。01反应方程式L(0.53%C)+δ(0.09%C)→γ(0.17%C)在HJB线恒温进行，三相共存1495℃02完美包晶点含碳0.17%时反应完美结束δ相与液相同时耗尽，获得单相奥氏体100%γ03低碳区（δ过量）含碳0.09%~0.17%时δ相过量残留δ铁素体经同素异构转变为奥氏体δ残留→γ04高碳区（L过量）含碳0.17%~0.53%时液相过量残留液相随后继续结晶为奥氏体L残留→γEUTECTICREACTION·1148°C共晶反应：液相→奥氏体+渗碳体（莱氏体）共晶反应（1148℃）是液态铁碳合金在恒温下同时结晶出奥氏体（2.11%C）和渗碳体的转变，产物莱氏体（Ld）是区分钢与铸铁的组织学标志。含碳4.3%为共晶成分，低于此值为亚共晶，高于此值为过共晶。01共晶反应式：L(4.3%C)→γ(2.11%C)+Fe₃C，在ECF线（1148℃）恒温进行，产物称为莱氏体（Ld）。该反应是铁碳相图中最关键的恒温转变之一，标志着液态合金向固态组织的根本转变。02莱氏体组织特征：奥氏体（冷却后变为珠光体）分布在共晶渗碳体基体上，呈黑白斑点状形貌。这种独特的两相机械混合物决定了铸铁的力学性能和加工特性。03含碳量分类：4.3%为共晶成分；2.11%~4.3%为亚共晶，先析出奥氏体再共晶；4.3%~6.69%为过共晶，先析出一次渗碳体再共晶。不同成分合金的凝固路径和组织构成存在显著差异。04变态莱氏体：温度降至727℃以下，莱氏体中奥氏体发生共析转变为珠光体，此时组织称为变态莱氏体（Ld'）。这一二次转变进一步细化了室温下的组织形貌。EutectoidReaction共析反应：奥氏体→铁素体+渗碳体（珠光体）共析反应（727℃，A₁线）是奥氏体（0.77%C）在恒温下分解为铁素体（0.0218%C）和渗碳体的层片状交替组织——珠光体（P）。几乎所有碳钢在冷却过程中都会经历共析转变，珠光体层片间距越小则硬度和强度越高。共析反应式γ(0.77%C)→α(0.0218%C)+Fe₃C，在PSK线（A₁线，727℃）恒温进行727℃珠光体组织铁素体与渗碳体层片交替排列的共析组织，金相下呈指纹状形貌P钢的分类含碳0.77%为共析钢，全转珠光体；低于为亚共析钢，先析铁素体；高于为过共析钢，先析二次渗碳体0.77%C层片间距冷却越快间距越小，硬度和强度越高：细珠光体→索氏体→托氏体P→S→TCHAPTER03典型合金的平衡结晶与组织分析逐一追踪七种典型成分铁碳合金从液态到室温的组织演变路径CHAPTER04·CLASSIFICATION铁碳合金的分类体系按碳含量与组织特征分为三大类七种典型合金：共析（0.77%C）与共晶（4.3%C）两个临界成分将全部合金系统性地划分为七类。<0.0218%C工业纯铁碳含量<0.0218%，凝固后不发生共析反应，室温平衡组织为等轴晶铁素体（α）硬度最低·塑性最好0.0218%–2.11%C钢01亚共析钢（0.0218%~0.77%C）：铁素体+珠光体，碳越高珠光体比例越大02共析钢（0.77%C）：100%珠光体，分析组织转变的基准参照03过共析钢（0.77%~2.11%C）：珠光体+二次渗碳体（网状沿晶界分布）共析点0.77%C2.11%–6.69%C白口铸铁01亚共晶（2.11%~4.3%C）：珠光体+二次渗碳体+变态莱氏体02共晶（4.3%C）：100%变态莱氏体（Ld'），珠光体分布于渗碳体基体03过共晶（4.3%~6.69%C）：一次渗碳体+变态莱氏体，粗大条状贯穿共晶点4.3%CEUTECTOIDTRANSFORMATION共析钢（0.77%C）的平衡结晶过程共析钢从液态冷却结晶为单相奥氏体后，在727℃恒温发生共析反应，奥氏体完全转变为层片状珠光体。其转变路径最为简洁，是理解亚共析钢和过共析钢组织演变的基准参照。01冷却路径：液相L→L+γ→单相γ（奥氏体）→727℃共析转变→100%珠光体P（α+Fe₃C层片交替）02共析反应在727℃恒温完成：γ(0.77%C)→α(0.0218%C)+Fe₃C(6.69%C)，组织由单相变为两相层片状03727℃以下至室温，组织基本保持珠光体不变，铁素体中微量三次渗碳体析出通常忽略不计04室温组织组成物为珠光体P，相组成物为铁素体α+渗碳体Fe₃C，杠杆定律可计算两相比例珠光体光学显微镜下层片状交替组织·α+Fe₃CCHAPTER04·铁碳合金相图亚共析钢（0.0218%~0.77%C）的平衡结晶亚共析钢从奥氏体区冷却时，先在A₃线以下析出先共析铁素体，剩余奥氏体碳含量沿GS线升高至0.77%后在A₁线发生共析转变为珠光体。室温组织为铁素体+珠光体，随碳含量增加珠光体比例线性增大。01冷却路径：L→L+γ→单相γ→γ+α（先共析铁素体沿晶界析出）→727℃共析转变→α+P（铁素体+珠光体）L→α+P02先共析铁素体从奥氏体晶界析出，剩余γ碳含量沿GS线升高，到达727℃时恰好增至0.77%触发共析反应727℃·0.77%C03室温组织为铁素体F+珠光体P，碳含量越高珠光体占比越大（如45钢约58%P，60钢约77%P）F+P04随珠光体比例增大，材料强度和硬度升高、塑性和韧性下降，这是碳含量影响力的学性能的核心机制P↑→σb↑δ↓PhaseTransformation过共析钢（0.77%~2.11%C）的平衡结晶过共析钢在Acm线以下先从奥氏体晶界析出网状二次渗碳体（Fe₃CII），剩余奥氏体碳含量沿ES线降至0.77%后在A₁线发生共析转变为珠光体。网状渗碳体使材料脆性增大，工业上常通过球化退火改善其加工性能。01冷却路径：L→L+γ→单相γ→γ+Fe₃CII（二次渗碳体沿晶界析出）→727℃共析转变→P+Fe₃CII（珠光体+网状渗碳体）02网状分布：二次渗碳体沿原奥氏体晶界呈网状分布，随碳含量增加网层变厚，使材料脆性显著增大03共析触发：剩余奥氏体碳含量沿ES线降低至0.77%后触发共析反应，室温组织为珠光体+网状二次渗碳体04球化退火：工业上过共析钢淬火前需球化退火——将片状珠光体和网状渗碳体转变为粒状珠光体，改善切削加工性并减少淬火开裂铁碳合金·平衡结晶共晶白口铸铁（4.3%C）的平衡结晶共晶白口铸铁在1148℃发生完全共晶反应生成莱氏体（γ+Fe₃C），冷却过程中奥氏体析出二次渗碳体并在727℃转变为珠光体，最终室温组织为变态莱氏体（P+Fe₃C），组织极硬且脆，几乎不具备塑性加工能力。01冷却路径L→1148℃共晶反应→Ld（γ+Fe₃C莱氏体）→冷却中γ析出Fe₃CII→727℃共析转变→Ld'（P+Fe₃C变态莱氏体）02共晶反应·1148℃恒温下液态合金100%转变为莱氏体，组织为奥氏体均匀分布在共晶渗碳体基体上03二次渗碳体析出1148~727℃冷却过程中莱氏体内奥氏体沿ES线析出Fe₃CII，碳含量逐渐降低至0.77%04共析转变·727℃奥氏体发生共析转变为珠光体，室温变态莱氏体呈黑白斑点状（黑色P+白色Fe₃C基体）IRON-CARBONALLOY·2.11%~4.3%C亚共晶白口铸铁的平衡结晶亚共晶白口铸铁从液态先析出初生奥氏体，剩余液相在1148℃发生共晶反应生成莱氏体，冷却过程中所有奥氏体均析出二次渗碳体并在727℃转变为珠光体，室温组织为树枝状珠光体+网状二次渗碳体+变态莱氏体。01冷却路径：L→L+γ（初生奥氏体树枝晶）→1148℃共晶反应→γ+Fe₃CII+Ld→727℃共析→P+Fe₃CII+Ld'02初生奥氏体从液相中先析出，呈树枝状生长，剩余液相成分沿BC线向4.3%C移动至共晶成分031148℃时剩余液相发生共晶反应生成莱氏体，组织中同时存在初生奥氏体和莱氏体两种形态04室温组织：黑色树枝状为珠光体（由初生γ转变），白色网状为Fe₃CII，黑白斑点区为变态莱氏体Ld'HYPEREUTECTICWHITECASTIRON过共晶白口铸铁（4.3%~6.69%C）的平衡结晶过共晶白口铸铁从液态先析出粗大条状一次渗碳体（Fe₃CI），剩余液相在1148℃发生共晶反应生成莱氏体，最终室温组织为粗大一次渗碳体+变态莱氏体。由于组织中存在大量粗大渗碳体，力学性能极差，几乎无工程应用。01冷却路径L→L+Fe₃CI（一次渗碳体粗大条状析出）→1148℃共晶反应→Fe₃CI+Ld→727℃共析→Fe₃CI+Ld'02一次渗碳体析出一次渗碳体从液相中先析出，呈粗大条状或长片状，这是过共晶白口铁最显著的组织特征03共晶反应1148℃剩余液相发生共晶反应生成莱氏体，随后冷却中莱氏体内奥氏体析出二次渗碳体并发生共析转变04室温组织白色条状为一次Fe₃C，黑白斑点区域为变态莱氏体Ld'，相组成物仍为α+Fe₃C铁碳合金相图七种典型合金相组成随碳含量的变化所有铁碳合金室温下的相组成物只有铁素体和渗碳体两种，渗碳体质量分数随碳含量线性增长（从0%到100%）。杠杆定律可以精确计算铁碳合金在室温下各相的相对含量。随着碳含量从0%增至6.69%，铁素体逐渐减少至零，渗碳体从微量增至100%。铁素体α：碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方结构，室温溶碳量极低（约0.0008%），是合金中的软韧相。渗碳体Fe₃C：铁与碳形成的间隙化合物，含碳6.69%，硬度极高（约800HB），脆性大，是合金中的硬脆强化相。线性规律：渗碳体含量与碳含量近似线性增长；共析点（0.77%C）时渗碳体约11.5%，共晶点（4.3%C）时约65%。不同碳含量铁碳合金室温相组成比例数据来源：杠杆定律计算·质量分数(%)CHAPTER04碳对铁碳合金组织与性能的影响揭示碳含量对力学性能（硬度、强度、塑性）和工艺性能（切削、锻造、焊接）的系统性影响规律ChapterIV·Fe-CPhaseAnalysis碳含量对平衡组织的影响随碳含量增加，铁碳合金室温组织经历从纯铁素体→铁素体+珠光体→全珠光体→珠光体+网状渗碳体→莱氏体系列的系统性演变。组织形貌递进变化等轴铁素体→F+P混合→100%珠光体→P+网状Fe₃CII→树枝状P+Ld'→条状Fe₃CI+Ld'α→Fe₃C组织组成物变化规律铁素体从近100%递减至0%，珠光体在共析成分（0.77%C）处达到100%峰值，之后递减让位于渗碳体和莱氏体100%P相组成物保持简单任何碳含量下室温相组成仅为α+Fe₃C两相，渗碳体质量分数与碳含量呈线性正比α+Fe₃C工业纯铁亚共析钢共析钢0.77%C过共析钢亚共晶/过共晶MECHANICALPROPERTIES碳含量对力学性能的影响碳含量对力学性能呈现三种不同趋势：硬度随碳含量线性上升；强度在0.9%C附近出现峰值后下降（网状渗碳体导致脆化）；塑性和韧性持续下降。强度曲线的拐点揭示了渗碳体形态从弥散强化到网状脆化的关键转变。硬度HB：随碳含量增加持续线性上升，从0.1%C到1.2%C约增长至3倍以上，碳化物数量增加是主因。抗拉强度σb：在0.9%C附近达到峰值后开始下降，过共析钢中网状渗碳体导致脆化。延伸率δ：塑性持续下降，碳含量越高材料越脆，韧性指标同步恶化。碳含量对力学性能的综合影响趋势横轴：碳含量（%C）MachinabilityFactors碳含量对切削加工性能的影响切削加工性能受硬度、导热性、晶粒尺寸和渗碳体形态四因素综合影响。硬度250HBW附近切削性最优；渗碳体球化可显著改善高碳钢切削性能。硬度影响太软易粘刀、表面粗糙度差；太硬则刀具磨损严重。适中硬度为最佳切削区间。250HBW导热性影响奥氏体钢导热性差，切削区温度集中，加剧刀具磨损，切削加工性较差。Austenite晶粒尺寸影响粗晶粒材料切屑易断裂，排屑顺畅，切削加工性优于细晶材料。CoarseGrain渗碳体形态片状珠光体+网状渗碳体加工性差；球化退火转为粒状后可显著改善。SpheroidizingMATERIALSCIENCE·CH.04碳含量对可锻性与可焊性的影响低碳钢因铁素体含量高、塑性好而具有优异的可锻性和可焊性。锻造需在单相奥氏体区进行并严格控制温度区间；碳含量越高焊接热影响区越易产生马氏体硬化开裂。可锻性铁素体含量优势—低碳钢比高碳钢可锻性更好，铁素体含量高、塑性好、变形抗力低，热加工窗口更宽单相奥氏体区锻造—始锻温度不能过高以免过烧（晶界氧化），终锻温度不能过低以免产生裂纹相图指导—锻造温度区间必须依据Fe-Fe₃C相图确定，确保材料始终处于塑性良好的单相区可焊性马氏体硬化风险—碳含量越高可焊性越差，焊接热影响区快速冷却易产生硬脆马氏体，导致冷裂纹预处理策略—低碳钢（<0.25%C）焊接性能优良，一般不需预热；中高碳钢焊前需预热、焊后需缓冷或回火处理WELDABILITYTHRESHOLD<0.25%C低碳钢无需预热即可焊接中高碳钢需焊前预热+焊后缓冷Iron-CarbonAlloys碳钢的分类与典型工程应用工业碳钢按碳含量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三大类，其组织特征和力学性能差异直接决定了各自的应用领域。<0.25%C低碳钢组织以铁素体为主，塑性韧性好、焊接性优良，广泛用