2.铁碳合金及其性能
• a. Fe-Fe3C相图 碳钢和铸铁是最为广泛使用的金 属材料，铁碳相图是研究钢铁材料 的组织和性能及其热加工和热处理 工艺的重要工具。
2.铁碳合金组织和性能
一、 碳在钢铁中的四种存在形式：
1. 固溶体：
（1）铁的同素异构转变
L Fe Fe Fe
3．三条重要固态转变线:
① GS线（A3 ）：A开始析出铁素体F （降温时）的温度线，或者F全部全部 溶于A（升温时）的温度线。
② ES线（Acm）：碳在A中的溶解度曲 线。低于此温度奥氏体中就将析出渗 碳体，称二次渗碳体。
3．三条重要固态转变线:
③ PQ线：碳在F中的溶解度线， 727℃，碳在铁素体中有最大溶解 度为0.0218%，而冷却时就会有渗 碳体析出。
过共晶白口铸铁
相组成物： F%= Fe3C%= 组织组成物： Le’，Fe3C Fe3C%= Le’%=Lc%=
典型铁碳合金的结晶过程及其组织
铁碳合金碳含量增加，组织按下列顺序变化： F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、 Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
2.铁碳合金组织和性能
5、莱氏体（ Ld ）：A与Fe3C组成的机械 混合物。 性能---硬度高，塑性差。 6、低温莱氏体/变态莱氏体(Ld’)：P与 Fe3C组成的机械混合物。
Fe-Fe3C相图分析
点：16个。 线：两条磁性转变线； 三条等温转变线； 其余三条线：GS,ES,PQ。 区：5个单相区， 7个两相区， 3个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图。 组织组成物标注的相图。
1 2 3
（2）共析钢 C%=0.77%
L → L+A → A → → P 相组成物：F和Fe3C
1 2 3-3‘
F%=
Fe3C%=
组织组成物 ： P (层片状) 100%
500×
S0
F
Fe3C
800×
片间距S0
（3）亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%
L→L+A → A → A+F → A+P+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%=
1538℃ 1394℃ 912℃
770℃，α -Fe由顺磁性转变为铁磁性(A2) 230 ℃,Fe3c由顺磁性转变为铁磁性(A0)
2.铁碳合金及其性能
（2）铁素体和奥氏体
铁素体：碳与α-Fe形成的间隙固溶 体。(F/α) 奥氏体：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体， 高温组织。(A/γ)
2.铁碳合金及其性能
b.铁碳合金及平衡组织
1.铁碳合金
2.铁碳合金的平衡结晶
（1）工业纯铁 （C%≤0.0218%）
L—L+A —A—A+F 5 4 ——F—F+Fe3CIII 相组成物： Fe3C C%=6.69% F C%<0.0008% 相相对量： F%= Fe3C 组织组成物：F（等轴晶） 和Fe3CIII（小片状）
Fe3C%=
组织组成物：Le'
（6）亚共晶白口铸铁—2.11%<C%<4.3%
亚共晶白口铸铁（2.11%<C%<4.3% ）
相组成物：F， Fe3C 相相对量： F%= Fe3C%= 组织组成物：P， Le’，Fe3CII
亚共晶白 口铸铁金 相
（7）过共晶白口铸铁（C%＞4.3% ）
过共晶白口铁结晶过程示意图
2.碳对力学性 能的影响
强度、硬度升高， 塑韧性下降。
3.碳对工艺性能的影响
（1）切削加工性 （2）可锻性：C%<2.11%，适合锻造，可得到 单相组织。 C%<0.25%，适合冷塑变，变形阻力小。 （3）铸造性：C%～4.3%，适合铸造，流动性 好。 （4）适合热处理：0.0218 %< C% <2.11 % ， 有固态相变。
① HJB线—发生包晶转变， 温度为1495℃，转变产物为奥氏体。 即： L0.53+δ0.09=A0.17
• ② ECF线—发生共晶转变，温度 为1148℃，转变产物为奥氏体和 渗碳体的机械混合物,称为莱氏 体，用符号“Le”表示。 • L4.3= A2.11+Fe3C
• ③ PSK线—发生共析转变，温度 为727℃，转变产物为铁素 体和 渗碳体的机械混合物，称为珠光 体，以符号 “P”表示。 • A0.77= F0.0218+ Fe3C
LC AE Fe3C 即 L4.3 A2.11 Fe3C
1148℃ 1148℃
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混 合物，称莱氏体，以符号Ld表示。在显微镜下 莱氏体的形态是：块状或粒状A（室温时转变成 珠光体）分布在渗碳体基体上。
3）S点为共析点 合金在平衡结晶过 程中冷却到727℃时，S点成分的A发 生共析反应，生成P点成分的F和Fe3C。
区：
1）五个基本相区： ABCD以上---液相区 AHNA---δ NJESGN---A（γ）
GPQG---F（α）
DFKL--- Fe3C
七个两相区
1. L+δ 2. L+γ 3.L+ Fe3C 4. δ+γ 5.α+γ 6.γ+ Fe3C 7.α+ Fe3C.
三个三相区
三条水平线，三条恒温转变线： :HJB线、ECF线和PSK线.
点：
1）J为包晶点 合金在平衡结晶过程 中冷却到1495℃时，点成分的L与H点 成分的δ发生包晶反应，生成J点成 分的A。
LB H AJ 即 L0.53 0.09 A0.17
1495 ℃ 1495 ℃
点：
2）C点为共晶点 合金在平衡结晶过 程中冷却到1148℃时，C点成分的L发 生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。
Fe3CII%=
P%=
过共析钢
P
Fe3CII
T12钢金 相
（5）共晶白口铸铁（C%=4.3%）
共晶白口铸铁（C%=4.3%）
共晶白口 铁 金相
L→L+Le→Le (A+Fe3C共晶) →Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII) →Le’(P+Fe3C共晶+Fe3CII) 相组成物：F，Fe3C F%=
习题3
习题
习题3答案
AS FP Fe3C 即 A0.77 F0.0218 Fe3C
727℃ 727℃
共析反应产物是铁素体与渗碳体的共 析混合物，称珠光体，以符号 P 表示。在 显微镜下珠光体的形态呈片状。在放大倍 数很高时，可清楚看到相间分布的渗碳体 片（窄条）与铁素体（宽条）。
线：液相线ABCD，固相线AHJECF。 3）两条磁性转变线： MO---铁素体的磁性转变线 过230 ℃的虚线---渗碳体的磁性转 变线
4）三条水平线 HJB---包晶转变线 ECF---共晶转变线 PSK---共析转变线
（1）包晶转变线HJB：1495 ℃ ， LB+δH——AJ （2）共晶转变线ECF L4.3—— A2.11+Fe3C（共晶渗碳体） Le4.3 高温莱氏体 （3）共析转变线PSK——A1线 AS——FP+Fe3C（共析渗碳体） A0.77—— F0.0218+Fe3C——P（珠光体）
2.渗碳体：铁与碳形成的金属化合物。 (Fe3C) 3.石墨： Fe3C 3Fe+C
2.铁碳合金组织和性能
1、铁素体（F）：碳与α-Fe形成的间隙固溶 体。 性能---强度和硬度低，塑性和韧性好。 2、奥氏体（A）：碳与γ-Fe形成的间隙固溶 体。高温组织，在大于727℃时存在。 性能---塑性好，强度和硬度高于F。在锻 造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易 于加工。
2.铁碳合金组织和性能
3、渗碳体（ Fe3C ）：铁与碳形成的金属 化合物。 性能---硬度高，脆性大，塑性、韧性 几乎为零 4、珠光体（ P ）：F与Fe3C组成的机械混 合物。 性能---力学性能介于两者之间。
3、渗碳体（ Fe3C ）：
渗碳体有不同的形态: 一次渗碳体是由液态直接析出的渗碳体，呈 白色长条状； 二次渗碳体是从奥氏体中析出的渗碳体，呈 网状分布， 三次渗碳体是从铁素体中析出的渗碳体，沿 晶界呈小片状，共晶渗碳体在莱氏体中为连 续基体，共析渗碳体是同铁素体交替形成呈 交 F%=
亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%
F P 45钢金相
（4）过共析钢（0.77%<C%<2.11%）
L→L+A→A→A+Fe 1 3CII →→P+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C F%=
1 2 3 4-4‘
Fe3C%=
组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量：