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1、主讲：匡唐清 华东交通大学材料工程系 材料科学基础 Fundamentals of Material Science FMS 第4章 铁碳合金相图 知识要点掌握程度相关知识 铁碳合金组元性质熟悉铁和碳元素性质，掌 握铁的同素异晶转变 铁、碳、渗碳体；-Fe、- Fe、-Fe；铁素体、奥氏 体 FeFe3C典型合金 平衡结晶过程 熟悉FeFe3C相图各点线 面的物理意义，掌握相图 中的基本反应，注重典型 合金平衡结晶过程分析和 杠杆定律的应用 FeFe3C相图分析：线、 区物理意义，平衡反应； 典型合金平衡结晶过程： 工业纯铁、钢、白口铸铁 FeFe3C相图 的应用 掌握以相组成物和组织组 成物
2、标示的FeFe3C相图 ，熟悉其在生产中的基本 应用 组织组成物标示的Fe Fe3C相图，含碳量与材料 力学性能，相图在选材、 工艺制定中的应用 碳钢掌握碳钢编号原则和分类 钢中常存杂质元素，碳钢 分类，常用碳钢 FMS 概述 纯铁 渗碳体 FMS 概述 u 铁碳合金 p碳钢(Steels) p铸铁(Cast irons) u碳的存在形式 p渗碳体Fe3C(亚稳相) p石 墨(稳定相) uFe-Fe3C相图 p亚稳定相图 ， Wc=0-6.69% pWc6.69%的铁碳合金脆性极大 ，没使用价值 p含碳量 6.69%的Fe3C为稳定金属 化合物，可作为一个组元 uFe-C相图（铁-石墨相图）
3、p稳定相图， Wc=0-100% p虚线所示 FMS 4.1 铁碳合金组元性质 u组元 u基本相 FMS 4.1.1 铁元素和碳元素 u铁元素 p26th元素，过渡族金属 u碳元素 p原子序数6；原子量12.01；密度2.25g/cm3 p有金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管等形式 ；在铁碳合金中以固溶单质原子或石墨等形 式存在 p石墨 硬度35HBW；塑性接近于零； 层内为共价键，层间为分子键； 优良固体润滑剂； Fe数值值 原子量55.85 熔点1538 汽化温度2738 密度7.87g/cm3 FMS 4.1.2 铁碳合金组元 u纯铁及其性能特点 p塑性、韧性好，强度很低，少做结构材料 p1
4、kg高纯铁/4000元 p1吨钢/4000元 p具有铁磁性，用于要求软磁性的场合（仪器仪表铁心） 性 能纯 铁45钢(退火) 铁含量wFe99.899.9% 99.55%左右 抗拉强度b176274MPa600 (MPa) 屈服强度0.298166MPa355 (MPa) 伸长率3050%16% 断面收缩率7080%40% 冲击吸收功aK160200J/cm2 硬度5080HBW197HBW FMS 4.1.2 铁碳合金组元 u铁的同素异晶转变 FMS 4.1.2 铁碳合金组元 u铁的同素异晶转变 p晶格类型变化相变晶粒细化 p钢性能合金化、热处理固态相变同素异晶 转变 FMS 4.1.2 铁
5、碳合金组元 u铁素体和奥氏体 名称符号晶格最大溶碳量Wc性能 铁素体碳溶于-Fe 中的间隙固 溶体 bcc0.09% (1495) 奥氏体A或碳溶于-Fe 中的间 隙 固溶体 fcc2.11% (1148) 硬度较低 (HB170220) ，塑 性高(40%50%) 具有顺磁性 铁素体F或碳溶于-Fe 中的间隙固 溶体 bcc 0.0218% (727) 0.008% (室温) 与纯铁基本相同， 塑性、韧 性好，而 强度、硬度低，并 有铁磁性 FMS 4.1.2 铁碳合金组元 u渗碳体 (Cementite，Fe3C) p铁和碳形成的间隙化合物，晶 体结构复杂，含碳量为6.69% p熔点为12
6、27 p在230C以下具有铁磁性。 p硬(HB800)而脆，塑性极低（延 伸率接近于0） p钢铁材料中的主要强化相 FMS 4. 2 Fe-Fe3C相图分析 uFe-Fe3C相图由包晶转变、共晶转变和共析转变三 部分连接而成 FMS 4. 2.1 相图中的点、线、区及其意义 u点：16个 符号温度/ C（% ） 说明 A15380纯铁的熔点 B14950.53包晶转变时液态合金的成份 C11484.30共晶点 D12276.69渗碳体的熔点 E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度 F11486.69渗碳体的成分 G9120转变温度（A3） H14950.09碳在-Fe中的最大溶解度 J14
7、950.17包晶点 K7276.69渗碳体的成分 N13940转变温度（A4） P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度 S7270.77共析点（A1） Q6000.0057碳在-Fe中的溶解度 FMS 4. 2.1 相图中的点、线、区及其意义 u线 p液相线ABCD p固相线AHJECF p两条磁性转变线 770（居里点）铁素体 磁性转变线 230渗碳 体磁性转变 线 FMS 4. 2.1 相图中的点、线、区及其意义 u三条等温转变线 共析线 包晶线 共晶线 珠光体P 莱氏体Ld 奥氏体A FMS 4. 2.2 包晶转变（水平线HJB） uwc0.09% p匀晶转变为铁素体固溶体 p再发
8、生固溶体的同素异晶转变，得到单相奥氏体 u0.09% wc 0.53% p1495恒温，wc=0.53%液相与wc=0.09%的铁素 体包晶反应，得到wc=0.17%的单相奥氏体 p铁碳合金包晶转变温度高，包晶偏析不严重 u0.53% wc 0.0218% p727恒温，wc=0.77%的奥 氏体共析转变为 wc=0.0218%的铁素体和渗 碳体Fe3C组成的混合物珠光 体P p珠光体层片状，渗碳体与 铁素体含量约为1/8；金相 组织中，厚片为铁素体，薄 片为渗碳体 FMS 4. 2.1 相图中的点、线、区及其意义 u三条特性曲线 固态转变 线 PQ线：碳在F中的固溶度曲线， 当温度低于此曲线
9、时，从F中析 出三次渗碳体（记为Fe3CIII）。 ES线：碳在奥氏体中的溶 解度曲线。当温度低于此 曲线时，就要从奥氏体中 析出二次渗碳体，用 Fe3C表示,也叫Acm线。 GS线:A析出F的起始 温度，或F全部转变 为A的终了温度，又 称A3线 FMS 4. 2.1 相图中的点、线、区及其意义 u区 p 5个单相区 L、Fe3C p7个两相区 L+、L+、L+Fe3C、 +、+ Fe3C、+、 +Fe3C p3个三相区 L+(HJB线) L+Fe3C(ECF线) + Fe3C(PSK线) FMS 4. 3 Fe-Fe3C相图典型合金平衡结晶过程 u工业纯铁(Wc0.0218%) u碳钢(0
10、.0218Wc2.11%) p白口铸铁 全部碳以Fe3C形成 p灰口铸铁 部分或全部碳以石墨形式存 在 FMS 4. 3.1 工业纯铁(Wc0.0218%) FMS 4. 3.1 工业纯铁(Wc0.0218%) u结晶过程 pLL+ (12) 匀晶转变 p + (34) 同素异晶转变，晶界优先形核 p + (56) 同素异晶转变，晶界优先形核 p +Fe3CIII (7) 脱溶转变，晶界上片状析出 u室温组织：+Fe3C uFe3CIII最大量计算：0.326% FMS 4. 3.1 工业纯铁(Wc0.0218%) u组织 FMS 4. 3.2 钢 u共析钢(Wc=0.77%) pLL+ 匀晶
11、转变（12） p+PP(F+Fe3C) 共析转变（3） pF F+Fe3CIII 脱溶转变（3） Fe3CIII与 Fe3C联接，难辨、量少 对珠光体的组织性能影响 不明显 p室温组织 P(F+Fe3C) FMS 4. 3.2 钢-共析钢(Wc=0.77%) u珠光体中铁素体和渗碳体含量计算 FMS 4. 3.2 钢 u亚共析钢 (0.0218%Wc0.77%) pLL+ L + (12) 匀晶转变 pL+L + + (2) 包晶转变 pLL+ (23) 匀晶转变 p + F (45) 同素异晶转变 p + P(F +Fe3C) P (5) 共析转变 pF F+Fe3CIII (5) 脱溶沉淀
12、，量少忽略 p室温组织：F+P F产生在共析转 变之前，称为 先共析铁素体 FMS 4. 3.2 钢-亚共析钢(0.0218%Wc0.77%) u室温相组成 p+Fe3C u组织组成物含量计算(wC=0.40%) u相组成物含量计算(wC=0.40%) FMS 4. 3.2 钢-亚共析钢(0.0218%Wc0.77%) u室温组织-铁素体F珠光体P 20钢 40钢 65钢 FMS 4. 3.2 钢-过共析钢（0.77%Wc2.11%） u结晶过程 匀晶转变 共析转变 脱溶转变 脱溶转变 FMS 4. 3.2 钢-过共析钢（0.77%Wc2.11%） u室温组织 pP+Fe3CII u相组成 p
13、+ Fe3C u Fe3CII最大量计算： FMS 4. 3.2 钢-过共析钢（0.77%Wc2.11%） u组织 FMS 共析、亚/过共析钢的显微组织示意图 共析钢亚共析钢过共析钢 FMS 4. 3.3 白口铸铁 u共晶白口铸铁（Wc=4.3%） pLL+Ld(+Fe3C)Ld (1) 共晶反应，莱氏体 pLd(+Fe3C)+Fe3C+Fe3C （ 12） 脱溶转变，高温Ld p + P P(F+ Fe3C) (2) 共析反应， Fe3C与Fe3C难区分 pF F + Fe3CIII (2) 脱溶转变， Fe3CIII较少，可忽略 p室温组织 室温莱氏体Ld(P+ Fe3CII+ Fe3C)
14、 形态与高温共晶莱氏体相同，但 组织组成物和相组成物都发生变 化 FMS 4. 3.3 白口铸铁-共晶（Wc=4.3%） u室温组织：Ld u相组成：+ Fe3C uLd-Ld转变 pLd(+ Fe3C)Ld(P+ Fe3CII+ Fe3C) 白色-共晶渗碳体 黑色-珠光体 FMS 4. 3.3 白口铸铁 u亚共晶白口铸铁（2.11%Wc4.3%） 匀晶转变 共晶转变 脱溶转变 共析转变 FMS 4. 3.3 白口铸铁-亚共晶（2.11%Wc4.3% ） u室温组织 pP+Ld u相组成 p+ Fe3C u组织组成物含量计算(以wC=3.0%为例) 先共晶奥氏体 ： 莱氏体： 先共晶奥氏体析
15、出的二次渗碳体 ： FMS 4. 3.3 白口铸铁-亚共晶（2.11%Wc4.3% ） u组织 FMS 4. 3.3 白口铸铁 u过共晶白口铸铁（4.3%Wc6.69%） 匀晶转变 共晶转变 脱溶转变 共析转变 FMS 4. 3.3 白口铸铁-过共晶（4.3%Wc6.69% ） u室温组织 pFe3CI+Ld p一次渗碳体较为粗大 u相组成 p+ Fe3C u组织组成物含量计算(以wC=5.0%为例) 先共晶渗碳体 ： 莱氏体： FMS 4. 3.3 白口铸铁-过共晶（4.3%Wc6.69% ） u组织 FMS 铸铁室温组织 共晶白口铁 亚共晶白口铁 过共晶白口铁 一次渗碳体 莱氏体珠光体 莱氏体 莱氏体 珠光体 渗碳体 FMS 4. 3 Fe-Fe3C相图典型合金平衡结晶过程 u室温组织 种类分类名称含碳量室温平衡组织 铁 工业纯铁 0.0218铁素体；或铁素体+三次渗碳体 钢 亚共析钢0.0218-0.77先共析铁素体+珠光体 共析钢0.77珠光体 过共析钢0.77-2.11先
