Transcript 工程材料第二章第三讲

2.2. 3 铁碳合金的结晶
铁碳合金的结晶
[教学内容]
1 Fe-Fe3C相图
2 Fe-C合金平衡结晶过程
3 铁碳相图的应用
铁碳合金的结晶
[重点掌握]
1. 铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、
珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；
2. 铁碳合金相图中各点、钱、区的含义，了解成份、
温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，
分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；
3. 铁碳相图的应用。
铁碳合金相图

铁碳合金—碳钢和
铸铁，是工业应用
最广的合金。

含碳量为0.0218%
~2.11%的称钢

含碳量为 2.11%~
6.69%的称铸铁。
4

铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、
FeC，它们都可以作为纯组元看待。

含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已
无实用价值。

实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研
究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的
理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺
依据.
5
一、铁碳合金的组元和相
⒈ 组元
1．Fe组元
δ-Fe(bcc) —1394℃—γ-Fe(fcc)—912℃—αFe(bcc) (同素异构转变)
强度低、硬度低、韧性、塑性好
2．Fe3C （ Cm）
（在Fe-C相图中表现为位于6.69％C处的竖直线）
熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

⒉相

⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。
碳在δ -Fe中的固溶体称δ - 铁素体，用δ 表示。

都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时最大为


铁素体
0.0218%，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多面体晶粒，性能与纯
铁相似。
6

⑵ 奥氏体:

碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或  表示。

是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，
1148℃时最大为2.11%。

组织为不规则多面体晶粒，晶
界较直。

碳钢室温组织中无奥氏体。
奥氏体
7

⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。

Fe3C硬度高、强度低，脆性大，塑性几乎为零。

Fe3C是一个亚稳相，在一
定条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反
应对铸铁有重要意义。

钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度
很小，因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石
墨的形式存在。
铸铁中的石墨
8
二、铁碳合金相图的分析

⒈ 特征点(14个）
L
J
N
⇄
L+
L+Fe3C

G
+
 +Fe3C
⇄
⇄
 +Fe3C
⇄
⇄
9

⒉ 特征线

⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD

⑵ 三条水平线和三个重要点

HJB：包晶线LB+δH⇄ J

包晶点J

ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C

共晶点C

共晶产物是 与Fe3C的机械混合物，
称作莱氏体, 用Le表示。为蜂窝状,
以Fe3C为基，性能硬而脆。
莱氏体
10

PSK：共析线

共析点S
L+δ
S ⇄FP+ Fe3C

L+ 
δ+ 
L+ Fe3C
+
共析转变的产物是与
Fe3C的机械混合物, 称作
 + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体，用P表示。

珠光体的组织特点是
两相呈片层相间分布,
性能介于两相之间。
珠光体
PSK线又称A1线 。
11

⑶ 其它相线

GS线是合金冷却时从A
中开始析出F的临界温
度线，也称为A3 线.

HN,JN—δ⇄  固溶体转
变线。

ES—碳在 -Fe中的固
溶线。又称Ac m线。

PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
12

⒊ 相区

⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C

⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、
+Fe3C、+ 、
+Fe3C

⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、
PSK(++ Fe3C)三条水平线
相邻相区接触法则为：相邻相区相数差为1。
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三、典型合金的平衡结晶过程

铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：

⑴ 工业纯铁(<0.0218%C) 组织为单相铁素体。

⑵ 钢 (0.0218~2.11%C)
高温组织为单相奥氏体

① 亚共析钢
(0.0218~0.77%C)

② 共析钢 (0.77%C)

③ 过共析钢
(0.77~2.11%C)
工
业
纯
铁
14

⑶ 白口铸铁
(2.11~6.69%C)
铸造性能好, 硬而脆

① 亚共晶白口铸铁
(2.11~4.3%C)

② 共晶白口铸铁
(4.3%C)

③ 过共晶白口铸铁
(4.3~6.69%C)
15

(一)工业纯铁的结晶过程

(<0.0218%C) 组织为单相铁素体。
结晶过程

从铁素体中析出的渗
碳体称三次渗碳体，
用Fe3CⅢ表示。
Fe3CⅢ以不连续网状
或片状分布于晶界。
随温度下降，Fe3CⅢ
量不断增加，合金的
室温平衡组织为
F+Fe3CⅢ 。
17

㈡共析钢的结晶过程
合金液体从1点起开始-结晶出A，2点间转变为,到S点
发生共析转变： S⇄P+Fe3C,  全部转变为珠光体。
结晶过程
18

珠光体在光学显微镜下呈
片状。

珠光体中的渗碳体称共
珠光体
析渗碳体。室温组织为P.
Q
19
Ⅲ

㈢ 亚共析钢的结晶过程
A
H
B
J
G
S
P
+Fe3C
结晶过程
0.0218~0.77%C亚共析钢冷却时发生包晶反应.
以0.4%C的钢为例.合金在 4 点以前通过匀晶—包晶—
匀晶反应全部转变为。到4点，由 中析出 。到5点,
 成分沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。
温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ.

亚共析钢室温下的组织为F(白色
块状）+P（黑色层片状）。

在0.0218~0.77%C 范围内珠光
体的量随含碳量增加而增加。
含0.20%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
含0.45%C钢的组织
21
㈣ 过共析钢的结晶过程
 合金在1~2点转变为  , 到 3 点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中析
出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示,

其沿晶界呈网状分布.温度下降, Fe3CⅡ量增加。到4点，  成分沿ES线变化
到S点，余下的 转变为P。室温平衡组织为Fe3CⅡ＋ P
22
过共析钢的结晶过程
过共析组织.spl
过共析组织.spl
23
㈤ 共晶白口铁的结晶过程

液相冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体Le, Le是共晶 与共
晶Fe3C的机械混合物，呈蜂窝状。

Fe3C
24

C点以下,  成分沿ES线变化，共晶将析出Fe3CⅡ. Fe3CⅡ与
共晶Fe3C 结合，不易分辨。
温度降到2点,
 成分达到0.77%,共晶 发生共析反应，转变为
珠光体，这种
由P与 Fe3C组成的共晶体称低温莱氏体, 用Le’表示.
2点以下，共晶体中珠光体的变化同共析钢。
25
共晶白口铁的结晶过程
结晶过程
26

共晶白口铁室
温组织为Le’
(P+ Fe3C), 它
保留了共晶转
变产物的形态
特征。
27
㈥ 亚共晶白口铁的结晶过程
 合金在 1~2 点间析出  。到 2 点，液相成分变到C 点，并转变为
Le。2~3 点间从  中析出 Fe3CⅡ,一次的Fe3CⅡ被共晶  衬托出
来。到3点， 转变为P.高温Le也转变为低温Le’,最后P+Fe3CⅡ+Le’
28

㈦ 过共晶白口铁的结晶过程

1~2点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳体，
用 Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分
变到C点并转变为Le。
1
D
2
F
3 K
4
Fe3C
29

2点以下, Fe3CⅠ成分重量不再
变化, Le变化同共晶合金,其室
温组织为Fe3CⅠ+Le’。
30

㈧ 组织组成物在铁碳合金相图上的标注

组织组成物与相组成物标注区别主要在 +Fe3C和
+Fe3C两个

相区.
+Fe3C相区
中有四个组
织组成物区,
+Fe3C相区
 + Fe3C
 + Fe3C
中有七个组
织组成物区.
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A

温N
度
L+ 
B
H
L
J
D
A+ 
L+A
C
E
A
F
S
A+F
P
P+F
Le
A+ Fe3CⅡ+Le
Le+ Fe3CⅠ
K
F+ Fe3C
P
Q
Fe
F
A+ Fe3C
G
A+
Fe3CⅡ
L+ Fe3C
P+
Fe3CⅡ
F+ Fe3CⅢ
Le’
P+ Fe3CⅡ+Le’
C%
Le’+ Fe3CⅠ
Fe3C
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三、铁碳合金的成分—组织—性能关系
按照铁碳相图, 铁碳合金在室温下的组织都由Fe和Fe3C两相组
成, 两相的质量分数由杠杆定律确定。随碳含量的增加, F的量逐
渐变少, 由100%按直线关系变至0%(碳质量分数为6.69%C时);
Fe3C的量则逐渐增多, 由0%按直线关系变至100%。
在室温下, 碳含量不同时, 不仅F和Fe3C的质量分数变化, 而且
两相相互组合的形态即合金的组织也在变化。随碳含量增大, 组
织按下列顺序变化：
F、F+P、P、P+Fe3CII、P+Fe3CII+Le'、Le'、Le'+Fe3CI、Fe3C
碳质量分数小于0.0218%的合金的组织全部为F; 0.77%C时全
部为P; 4.3%C时全部为Le’; 6.69%C时全部为Fe3C。在上述碳含
量之间, 则为相应组织组成物的混合物。

含碳量对室温平衡组织的影响

含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢 铁
分 类
钢
工
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
含碳量% 0 0.0218
0.77
共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁
2.11
过共晶白口铸铁
4.3
6.69
二次渗碳体
100
组织组 铁素体
成物相
对量% 0
白 口 铸 铁
一次渗碳体
珠光体
莱氏体
三次渗碳体
相组成 100
物相对
量%

Fe3C
0
34
铁碳合金的结晶
三、铁碳合金的成分—组织—性能关系
相图的形状与合金的性能之间存在一定
的对应关系。
硬度主要决定于组织中组成相或组织
组成物的硬度和质量分数, 随碳含量的
增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度低
的F减少,合金的硬度呈直线关系增大,
由全部为F的硬度约80 HB增大到全部
为Fe3C时的约800 HB。
强度是一个对组织形态很敏感的性能。
随碳含量的增加, 亚共析钢中P增多而F
减少。P的强度比较高, 其大小与细密程
度有关。组织越细密, 则强度值越高。F
的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳
含量的增大而增大。
铁碳合金的结晶
三、铁碳合金的成分—组织—性能关系
但当碳质量分数超过共析成
分之后, 由于强度很低的Fe3CII沿
晶界出现, 合金强度的增高变慢,
到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成
完整的网, 强度迅速降低, 随着碳
质量分数的进一步增加, 强度不断
下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le
时, 强度已降到很低的值。再增加
碳含量时, 由于合金基体都为脆性
很高的Fe3C, 强度变化不大且值
很低, 趋于Fe3C的强度(约20
MPa～30 MPa)。
铁碳合金的结晶
三、铁碳合金的成分—组织—性能关系
塑性
铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变形全
部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性
连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。
亚共析钢的硬度、强度和塑性可根据成分或组织作如下的估
算：
硬度≈80×w（F）+180×w（P） (HB)
或硬度≈80×w（F）+800×w（Fe3C） (HB)
强度( σb)≈230×w（F）+770×w（P） (MPa)
延伸率( δ )≈50×w（F）+20×w（P） (%)
式中的数字相应为F、P或Fe3C的大概硬度、强度和延伸率;
w（F）、w（P）、w（Fe3C）相应表示组织中F、P或Fe3C的
质量分数。
四、Fe- Fe3C相图的应用
Fe- Fe3C相图在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用在钢铁材料
的选用和加工工艺的制订两个方面。
1. 在钢铁材料选用方面的应用
Fe- Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用
提供了根据。
建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低
的钢材。
机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适
中的中碳钢。
工具要用硬度高和耐磨性好的材料， 则选碳含量高的钢种。
纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低,
可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐
磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂
的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
四、Fe- Fe3C相图的应用
2. 在铸造工艺方面的应用
根据Fe- Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液
相线以上50 ℃～100 ℃。从相图上可看出, 纯铁和共晶白口铸铁的
铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔
少, 可以获得致密的铸件, 所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。
在铸钢生产中, 碳质量分数在0.15%-0.6%之间, 因为这个范围内钢的
结晶温度区间较小, 铸造性能较好。
3. 在热锻、热轧工艺方面的应用
钢处于奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 因此锻造或轧制选在
单相奥氏体区进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100 ℃～
200 ℃范围内。一般始锻温度为1150 ℃～1250 ℃, 终锻温度为750
℃～850 ℃。
4. 在热处理工艺方面的应用
Fe- Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些热
处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe- Fe3C相图确定
的。这将在热处理一节中详细阐述。
四、Fe- Fe3C相图的应用
在运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点：
① Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平
衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。
② Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金
中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其组织转
变就不能只用相图来分析了。
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一、填空题
1. 珠光体是（ ）和（ ）混合在一起形成的机械混合物。
2. 碳溶解在（ ）中所形成的（ ）称为铁素体。
3. 在Fe-Fe3C相图中，共晶点的含碳量为（ ），共析点的含碳
量为（ ）。 共晶转变温度是（ ），共析转变温度是（ ）。
4. 低温莱氏体是（ ）和（ ）组成的机械混合物。
5. 高温莱氏体是（ ）和（ ）组成的机械混合物。
二、简答题
1.说明碳钢中含碳变化对机械性能的影响。
2.写出铁碳相图上共晶和共析反应式及反应产物的名称。
3.结合Fe-Fe3C相图指出A1、A3和Acm代表哪个线段，并说
明该线段表示 的意思。
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