学时：54,工 程 材 料（工程材料及机械制造基础）,第五章 铁 碳 合 金,第一节 铁碳合金的相结构与性能 1.铁素体 铁素体：是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体。 符号：常用“F” (Ferrite)表示 晶格：体心立方晶格 溶碳能力：727最大，为0.0218%；室温为0.0008% 性能：强度、硬度低，塑性、韧性好 2.奥氏体 奥氏体：是碳在 Fe中形成的间隙固溶体 符号：常用“A” (Austenite)表示 晶格：面心立方晶格 溶碳能力：1148最大，为2.11%；727为0.77% 性能：强度、硬度低，塑性、韧性好,铁素体,奥氏体,3.渗碳体 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 含碳量：6.69% 性能：强度、硬度极高，极脆 4.珠光体 珠光体：铁素体与渗碳体的片层状机械混合物。 符号：P 性能：强度、硬度较高，有一定的塑性、韧性 5.莱氏体 莱氏体：珠光体与渗碳体的片层状机械混合物。 符号：Ld 性能：强度、硬度极高，极脆 6.固溶体 固溶体：是碳在 Fe 中形成的间隙固溶体。,珠光体,莱氏体,第二节 铁碳合金相图,一、相图分析 1.特性点： A:纯铁熔点，1538 B:包晶反应时液态合金的浓度，1495，0.53%C C:共晶点，1148，4.30%C， D:渗碳体熔点（计算值），1227，6.69%C E:碳在Fe中的最大溶解度点，1148，2.11%C G:Fe Fe 同素异构转变点，912 H:碳在Fe中的最大溶解度，1495，0.09%C J:包晶转变点1495，0.17%C N:FeFe同素异构转变点，1394 P:碳在Fe中的最大溶解度点，727，0.0218%C S:共析点，727，0.77%C Q:碳在Fe中的溶解度点,室温，0.0008%C,2.特性线 ABCD 线：液相线 AHJECF：固相线 HJB 线：包晶转变线 ECF 线：共晶转变线 PSK 线：共析转变线。 ES 线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm线 GS 线：析出铁素体的开始线，又称A3 线 GP 线：铁素体析出的终了线 PQ 线：碳在铁素体中的溶解度曲线 3.组织区域 已在相图上标出,铁碳合金的匀晶转变：有三种情况。 含碳量0.53%：由液体直接析出固溶体； 含碳量0.53%4.3%：由液体直接析出A； 含碳量4.3%：由液体直接析出Fe3CI。,铁碳合金的包晶转变图,铁碳合金的包晶转变：在1495时，由含碳量为0.09% 的固溶体与含碳量为0.53%的 液体相互作用， 生成含碳量为 0.17% 的奥氏体的过程。,成分低于H点：温度到达AB线，直接析出固溶体； 到达HJB线，全部转变成固溶体； 成分在H与J之间：温度到达AB线，先析出0.09%C的 固溶体，液体的含碳量升高；温度 到达HJB线，液体达0.53%C, 部分 固溶体与全部液体发生包晶转变 成分J点：温度到达AB线，先析出0.09%C的固溶体, 液体的含碳量升高；温度到达HJB线，液体 达0.53%C,产生包晶转变； 成分在J与B之间：温度到达AB线，先析出0.09%C的 固溶体，液体的含碳量升高；温度 到达HJB线，液体达0.53%C, 全部 固溶体与部分液体发生包晶转变,铁碳合金的共析转变图,铁碳合金的共析转变：含碳量为0.77%的A，在727时， 同时析出F、Fe3C，生成P的过程.,成分低于P点：温度到达GS线，开始析出F；温度到达 GP线，A全部转变成F; 成分在P与S之间：温度到达GS线，开始析出F，A的含 碳量升高；温度到达PSK线，A的含 碳量达到0.77%，发生共析转变； 成分在S点：温度降到S点，发生共析转变，即含碳量 为0.77%的A，在727时直接析出F、 Fe3C； 成分在S与E之间：温度到达SE线，开始析出Fe3C,A的 含碳量降低；温度到达PSK线，A的 含碳量达到0.77%，发生共析转变,铁碳合金的共晶转变图,铁碳合金的共晶转变：含碳量为4.3%的液体，在1148时, 同时析出A、Fe3C，生成Ld的过程。,成分在E与C之间：温度达到BC线，开始析出含碳量为 2.11%的A，液体含碳量升高；温度 达到ECF线，液体含碳量达4.3%， 发生共晶转变； 成分在C点：温度达到C点，发生共晶转变，即含碳量 为4.3%的液体，在1148时同时析出A、 Fe3C； 成分在C与F之间：温度达到CD线，开始析出Fe3C ， 液体含碳量降低；温度达到ECF线, 液体含碳量达4.3%，发生共晶转变,二、典型铁碳合金结晶过程 (一)工业纯铁(0.77%C)组织为珠光体和二次渗 碳体 (三)白口铸铁（2.116.69%） 1.亚共晶白口铁(4.3%C)组织为一次渗碳体和 莱氏体；,1.含碳0.01%的工业纯铁的结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程: 匀晶转变：合金溶液在1-2 点温度区间按匀晶转变 结晶出固溶体。 同素异构转变：固溶体冷却到3 点时发生固溶体 的同素异构转变，A，A不断在 固溶体的晶界上形核并长大，在 4点结束，全部呈单相A。 同素异构转变：冷却到5-6间又发生同素异构转变 AF，F同样在 A的晶界形核并长 大，6点以下全部是铁素体。 析出Fe3C：冷却到7点时，碳在F的溶解量达到饱 和, 将从F中析出三次渗碳体Fe3C。 室温组织：F 相组成物：F 、Fe3C,2.含碳0.77%的共析钢结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程: 匀晶转变：在1-2点间合金按匀晶转变结晶出A， 在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。 共析转变：冷到3点时(727) ，在恒温下发生共 析转变，A0.77 F0.0218+ Fe3C，转变结 束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳 体称为共析渗碳体 析出Fe3C：温度继续下降时，珠光体中铁素体溶 碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化, 析出三次渗碳体Fe3C，它常与共析 渗碳体长在一起，彼此分不出，且数 量少，可忽略。 室温组织：P，含P量100%。 相组成物：F 、Fe3C,3.含碳0.40%的亚共析钢结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程: 匀晶转变：合金在1-2点间按匀晶转变结晶出固溶体. 包晶转变：到2点，含0.09%的C，液体含0.53%的C， 在恒温下发生包晶转变,0.09+L0.53A0.17。 有液相剩余。 匀晶转变：在2-3点间液相继续转变为A0.53。所有A的 成分均沿JE线变化冷到3点，合金全部由含 碳0.40%的奥氏体所组成。 析出F：到4点时，开始析出F，4-5点A成分沿GS线变化, A含碳量升高，铁素体成分沿GP线变化。 共析转变：到5点时，奥氏体的成分达到S点成分(含碳 0.77%)便发生共析转变 析出Fe3C：温度下降，铁素体的溶碳量沿PQ线变化， 析出Fe3C，Fe3C量很少，可忽略。,4.含碳1.2%的过共析钢结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程： 匀晶转变：合金在1-2 点间按匀晶转变结晶出奥氏 体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体。 析出Fe3C：到3点，开始从奥氏体析出二次渗碳体 Fe3C，Fe3C沿奥氏体的晶界析出，呈 网状分布，3-4间Fe3C不断析出，奥氏 体成分沿ES 线变化。 共析转变：当温度到达4点（727）时，其含碳量降 0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠 光体，此时先析出的Fe3C 保持不变，称 为先共析渗碳体，所以共析转变结束时的 组织为先共析Fe3C和P，忽略Fe3C。 室温组织：二次渗碳体和珠光体。 相组成物： F、Fe3C,5.含碳4.3%的共晶白口铁结晶过程分析：（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程： 共晶转变：合金溶液冷却到1点(1148)时，在恒温 下发生共晶转变，L4.3A2.11 + Fe3C，全 部为莱氏体(Ld)，其中的奥氏体称为共 晶奥氏体，而渗碳体称为共晶渗碳体。 析出Fe3C ：1-2间共晶奥氏体中析出Fe3C，依附在 共晶渗碳体上分辨不出，其含碳量降低. 共析转变：到2点(727)时，共晶奥氏体的成分为S 点(0.77%C)，在恒温下发生共析转变，形 成珠光体；而共晶渗碳体不发生变化，忽 略2室温之间Fe3C的析出，其组织是低 温莱氏体,用(Ld)表示，与Ld形貌相似。 室温组织：Ld 相组成物： F、Fe3C,6.含碳3.0%的亚共晶白口铁结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程： 匀晶转变：1-2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，称为 初生奥氏体，其成分沿JE线变化，液相沿 BC线变化，其含碳量升高。 共晶转变：到2点时，初生奥氏体成分为2.11%C，液 相成分为C点(4.3%C)，此时在恒温下发生 共晶转变。 析出Fe3C：在2-3点之间，初生奥氏体和共晶奥氏 体中不断析出Fe3C ，成分沿ES线变化, 其含碳量降低。 共析转变：到3点时，所有奥氏体的成分为0.77%C， 发生共析转变，形成珠光体，共析转变时, 共晶渗碳体和二次渗碳体保持不变。 室温组织： 珠光体、二次渗碳体和莱氏体 （二次渗碳体依附在共晶渗碳体上很难分辨）,7.含碳5.0%的过共晶白口铁结晶过程分析（合金） 冷却曲线：如下图,结晶过程： 匀晶转变：1-2间结晶出一次渗碳体Fe3C，液相沿BC 线变化，其含碳量降低。 共晶转变：到2点时，液相成分为4.3%C，此时在恒温 下发生共晶转变。 析出Fe3C:在2-3点之间，初生奥氏体和共晶奥氏体 中不断析出Fe3C ，成分沿ES线变化,其 含碳量降低。 共析转变：当温度到达3点时，所有奥氏体的成分为 0.77%C，发生共析转变，形成珠光体， 共析转变时，共晶渗碳体和二次渗碳体保 持不变。 室温组织：一次渗碳体和莱氏体(Fe3C+Ld) 相组成物： F、Fe3C,三、铁碳合金的成分与性能的关系 (一)铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对量,(二)含碳量对铁碳合金机械性能的影响,第三节 碳 钢 一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 常存的杂质元素:Si、Mn、S、P、O、N、H 1.Mn：一般认为Mn在钢中是一种有益的元素。 Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使 铁素体强化； 另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都 使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，成熔点为 1620，能减轻S的有害作用。 Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时， 它对钢的性能影响并不明显。 来源：钢中的Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。 含量：在碳钢中含锰量通常0.80%；在含锰合金钢中, 含锰量一般控制在1.0-1.2%范围内。,2.Si：一般认为Si在钢中是一种有益的元素。 Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从 而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性 降低。 有一部分Si 则存在于硅酸盐夹杂中。 当Si 含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在 时，它对钢的性能影响并不显著。 来源：也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁 含量：在碳钢中含Si量通常0.35%,3.S：一般认为S在钢中是一种有害的元素。 硫不溶于铁，而生成FeS，FeS与Fe形成共晶体