铁碳合金状态图教案

第三章 铁碳合金状态图

教学目的： 重点： 难点：

（引入）铁碳合金状态图就是用热分析法测得不同浓度的铁碳合金的冷却曲线，然后将冷却曲线上各结晶温度转变点描绘在温度-成分坐标上，以得到铁碳合金金相组织、温度及合金成分之间的关系。

热分析法：是借助于光学高温计及金相显微镜，测得各种成分铁碳合金在缓慢冷却过程中的溶液结晶温度及固态下二次结晶的组织转变温度，对合金金相组织随温度变化的状况进行分析的方法。

第一节 铁碳相图

一、 铁碳合金的组元

纯铁在不同温度区间具有不同的晶体结构。塑形、韧性好，强度低。 碳在固态铁碳合金中有三种存在形式 二、 铁碳合金的基本相及组织 1、铁素体（F）

铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。

由于α-Fe晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是几乎不含碳的纯铁。 性能： σb =180～230MPa HB=50～80 δ=30～50% φ=70～80%

ak=156～196J·cm-2

显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。 2、渗碳体（Fe3C）

渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。 含碳量为6.69%

性能：HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。 3、奥氏体（A）

奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。 γ-Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。

由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也只出现在高温区域内。

显微镜观察，奥氏体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。 性能： δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是绝大多数钢种在

高温进行压力加工所需的组织。 4、珠光体（P）

珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。

珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。 显微镜观察，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽，因此得名。 性能： σb =750MPa HB=160～180 较高 δ =20～25% φ=30～40% 适中 5、莱氏体（Ld）

莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。

铁碳合金中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发生共晶转变，生成高温莱氏体。合金继续冷却到727℃时，其中的奥氏体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱氏体。统称莱氏体。

三、 铁碳相图分析

目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。右图为简化后的Fe－Fe3C状态图。

1、 主要特征点

特性点 温度℃ 含碳量％（Wc） 含义 A 1538 0 纯铁熔点 C 1148 4.30 共晶点

D 1227 6.69 渗碳体的熔点

E 1148 2.11 C在γ-铁中的最大溶解度 G 912 0 α铁γ铁同素异构转变点 P 727 0.0218 C在α铁中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点 2、主要线段

ACD 线——液相线，即此线以上为液态合金，开始结晶线。 AECF 线——固相线，此线以下为固体合金。

ECF 线——共晶线，凡经过此线的合金均会发生共晶转变。

GS 线——习惯用A3来表示，A中开始析出F，既有： 。 ES 线——用A cm表示，开始析出渗碳体--Fe3CII。

PSK 线——又叫共析线，用A1来表示，析出珠光体，共析反应。 3、主要区域

液体Y、铁素体F、奥氏体A和渗碳体Fe3C是铁碳合金的基本组织，或者说是基本晶体结构，即基本相，其他各区组织都由这些基本相按不同比例混合而成。

ACDA 区——液相区（Y ）； AESGA 区——奥氏体区（A ）； GPQG 区——铁素体区（F ）；

DFKL 区（6.69％线）——一次渗碳体区（直接从液相中析出Fe3CI）

AGQA 区（0％线）——纯铁区（同素异晶转变区）； S – 0.77％线（区）——珠光体区，为共析组织；

E – 2.11％线（区）——二次渗碳体区，随A中C的溶解度下降，析出二

次渗碳体；

C – 4.3％线（区）——莱氏体区，为共晶组织 4、相区

1）单相区

有F、A、L和Fe3C四个单相区 2）两相区

五个两相区：L＋A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A＋F两相区、F+Fe3C两相区 3）三相区

ECF共晶线是液相、奥氏体、渗碳体的三相共存线（L、A、Fe3C） PSK共析线是奥氏体、铁素体、渗碳体的三相共存线（A、F、Fe3C） 5、总结

1、相区与相区内的组织不一样；

2、对于每个相区，不论温度成分怎么变，其组织种类不变，但相的成分和相对量可能变化；

3、相图左侧两个单相固溶体： á-Fe、 γ-Fe ；相区右侧一个单相Fe3C，之间为上述固溶体组成的两相共存区； 4、共析点、共析线

5、共晶点、共晶线

四、 铁碳合金状态图的作用

铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合金的成分、温度、组织三者之间的关系。 a) 当含碳量增加时，铁素体的比例减少，珠光体比例增大，故而碳钢

的机械强度和硬度增大，塑性和韧性降低； b) 当含碳量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多，硬度增加，强度、

塑性、韧性均下降； c) 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量就控制了碳钢的组织和性能；

碳钢的机械性能又决定了碳钢的用途。

第二节 铁碳合金的基本组织与性能

一、 不同成分的铁碳室温平衡组织

二、

成分组织对性能的影响

1、含碳量与铁碳合金平衡组织间的关系

铁碳合金的室温组织都是由铁素体和滲碳体两相组成。随着含碳量的增加，铁素体量逐渐减少，滲碳体量逐渐增多，且它的形状和分布也有所不同，从而形成不同的组织。

2、含碳量与力学性能间的关系

强度：当Wc<0.9％时，随着Wc增加，不断提高；当Wc>0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布，使钢的强度下降。 硬度：随Wc的增加而提高。

塑性：随Wc的增加而迅速降低。 冲击韧性：随Wc的增加而迅速降低。 3、含碳量对工艺性能的影响 a.铸造性

铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性好，铸造性能最好。从相图上盾，结晶温度越高，结晶温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。 b.可锻性

低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。 c.可焊性

含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。 d.切削加工性

含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在160~230HB时，切削加工性能最好。

第三节 钢的结晶过程分析

共析反应：在一定温度下（恒温），由一种 固相同时析出两种 固相的过程，称为共析反应或共析转变，其生成的组织称为共析组织；

共晶反应：在一定温度下（恒温），由一种 液相同时析出两种 固相的过程，称为共晶反应或共晶转变，其转变组织称为共晶组织； 一、 共析钢的组织转变

液态金属冷却至点1时开始生成A晶核； 冷却至点2后，液体金属全部结晶为A；

冷却至点3后，发生共析反应，在室温下A全部转变为P。 二、 亚共析钢的组织转变

液态金属冷却至点1时开始生成A晶核； 冷却至点2后，液体金属全部结晶为A；

冷却至点3后，在GS至PSK间随温度下降不断析出F，同时剩余A中的含碳量沿GS线不断增加而得到珠光体P。 三、 过共析钢的组织转变

液态金属冷却至点1时开始生成A晶核； 冷却至点2后，液体金属全部结晶为A；

冷却至点3后，在GS至PSK间随温度下降不断析出Fe3CⅡ，同时剩余A中的含碳量沿ES线不断减少而得到珠光体P。

（总结）铁碳相图的运用 1、选用材料：

由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。

2、叛断切削加性能：

低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。 3、制定热加工工艺：

在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。 4、应用于热处理生产：

由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。