图 共晶白口铸铁平衡组织
恒温转变线PSK
S 7270 C P Fe3C
珠光体是铁素体和渗碳 体两相的混合物，是共析 反应的产物，用符号“P” 表示。 珠光体是一种双相组织。 一般情况下，两相呈层片 状分布，强度较高、硬度 适中、有一定塑性。
图 铁碳相图
S 7270 C P Fe3C
图 铁碳相图
恒温转变线ECF
LC 11480 C E Fe3C
莱氏体（又称高温莱 氏体）共晶反应的产物， 用符号“Ld”表示。 变态莱氏体（又称低温 莱氏体）是由珠光体、二 次渗碳体和共晶渗碳体组 成，用符号“Ld΄”表示。
图 铁碳相图
LC 11480 C E Fe3C
ABC D
AHJ ECF
含
义
铁碳合金的液相线
铁碳合金的固相线
HJB
LB+ δ →AJ
ECF
LC→AE+Fe3C共晶转变线
GS 奥氏体转变为铁素体的开始线
ES
碳在奥氏体中的溶解度线
PSK As→ Fp+Fe3C 共析转变线
PQ
碳在铁素体中的溶解度线
图 铁碳相图
恒温转变线HJB
LB H 14950 C J
-Fe(<912 C ) 铁的同素异形体：
-Fe(BCC) -Fe(FCC) -Fe(BCC)
（2）铁的固溶体
铁素体 碳原子溶解在-Fe(低温相)和-Fe(高温相)中形成的固
溶体，为bcc结构。Fe原子位于点阵的结点上，而碳原子固 溶到晶格的八面体间隙中。相的强度、硬度较低，但塑性 和韧性较好。一般用F或表示。 奥氏体
1.碳的影响
在C%<1%时，随含碳量的 增加钢的强度、硬度增加，但 塑性、韧性降低； 当C%>1%后，随含碳量的 增加，钢的硬度增加，但强度、 塑性、韧性降低，这是因为 Fe3CⅡ成连续网状分布，进一步 破坏了铁素体基体之间的连接 作用所造成。
含碳量对碳钢机械性能的影响
思考题
1.如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁? 2.钢铆钉为什么一般用低碳钢制成? 3.为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜用于铸造成形? 4.大家唱的“比铁还硬,比钢还强”能不能改成“比钢还硬,
4.硫的影响
硫在钢中是有害的杂质。 液态时Fe、S能够互溶，固态时 Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点 为1190℃的化合物FeS。形成的共 晶体（r-Fe+FeS）以离异共晶形式 分布在r-Fe晶界处。 若将含有硫化铁共晶体的钢加 热到轧制、锻造温度时，共晶体熔 化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶 界开裂，这种现象称为钢的“热脆” 或“红脆”。
碳原子溶解在-Fe中形成的固溶体为fcc结构。Fe原子 位于点阵的结点上，而碳原子固溶到晶格的八面体间隙中。 一般用A或 表示。
（3）渗碳体
渗碳体wc=6.69%，熔点为 1227℃，渗碳体不发生同素 异晶转变；230℃以下时有弱 铁磁性，硬度很高 （950~1050HV），而塑性和 韧性几乎为零。
比铁还强”?
2.锰的影响
锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合 力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。 另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成MnS，起 到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。 钢中的含锰量一般为0.25~0.80%，它一部分溶入铁素体 起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体 形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，使钢具有较高的强度； 另一部分锰与硫形成MnS，与氧形成MnO，这些非金属 夹杂物大部分进入炉渣。
图 Fe-S相图
5.磷的影响
磷在钢中的存在一般属于 有害元素。 在1049℃时，磷在Fe中的 最大溶解度可达2.55%，在室 温时溶解度仍在1%左右，因 此磷具有较高的固溶强化作 用，使钢的强度、硬度显著 提高，但也使钢的塑性，韧 性剧烈降低，特别是使钢的 脆性转折温度急剧升高，这 种现象称为冷脆。
溶解度 J 1495 0.17 包晶点 K 1148 6.69 Fe3C的成分
N 1394 0 γ与δ同素异构转 变点(A4)
P 727 0.021 碳在α-Fe中的最 8 大溶解度
S 727 0.77 共析点 Q 室温 0.000 室温下碳在α-Fe
8 中的溶解度
图 铁碳相图
铁碳相图中的特征线
特性 线
第四节 铁碳相图和铁碳合金
图 铁碳相图
铁碳相图
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用 以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。 现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅简化了我 们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合 金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-Fe3C相 图也是必要的 。
（6）过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁的凝固过程示意图
过共晶白口铸铁的光学显微组织照片
按组织分区的铁碳合金相图
A
A
PA
F + A + Fe3CII A
P
P
L
Ld
L
L
L'd
Fe3CI + L
L +A
Ld
Ld
+ Fe3CII A
L'd
L'd
P
计算含碳量为3.0%的铁碳合金在室温下组织组成物的质量百 分比。
图 共析钢的室温组织
ES、PQ、GS线
ES线是碳在奥氏体中的溶解度 曲线。含碳量大于0.77%的合金， 从1148℃冷到727℃的过程中，将 自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳 体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的溶解度 曲线。铁碳合金由727℃冷却到室 温的过程中，铁素体中会有渗碳体 析出，这种渗碳体称为三次渗碳体 (Fe3CIII)。 GS线是冷却过程中，奥氏体向 铁素体转变的开始线；或者说是加 热过程中，铁素体向奥氏体转变的 终了线（具有同素异晶转变的纯金 属，其固溶体也具有同素异晶转变， 但其转变温度有变化）。
共析钢凝固过程示意图
（2）亚共析钢
亚共析钢凝固过程示意图
20、45和60钢的室温组织
（3）过共析钢
过共析钢凝固过程示意图
过共析钢光学显微组织照片
（4）共晶白口铸铁
共晶白口铸铁的凝固过程示意图
图 共晶白口铸铁的光学显微组织照片
（5）亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁的凝固过程示意图
亚共晶白口铸铁的光学显微组织照片
图 Fe-P相图
6.氮的影响
图 Fe-N相图
氮在钢中的存在一般认为是有害元素。 N在γ中的最大溶解度在650℃为2.8%N，在α中的最大 溶解度在590℃约为0.1%N,而在室温时的溶解度很小低于 0.001%N，因此将钢由高温快速冷却后，可得到溶氮过饱和 的铁素体。这种溶氮过饱和的铁素体是不稳定的，在室温长 时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高， 塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。 为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加 入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物， 以减小氮所造成的时效敏感性。
8.氧的影响
氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过 程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧
过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在
700℃时为0.008%，在500℃时在铁素体中的溶解度 <0.001%。 氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在钢 中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe203、Fe304、MnO、 SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响主要取决于这 些氧化物的性能，数量、大小和分布等。
2.11
3.0
L
A
0.77 2.11
Ld
Fe3CII
P
Ld
%

3.0 2.11 100% 4.30 2.11

40.6%
P% 6.69 2.11 (1 40.6%) 46% 6.69 0.77
4.30 6.69
碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响
含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系
4.4.3 合金铸件的组织与缺陷
铸件从宏观组织来看，可分为激冷晶区、柱状晶区和等 轴晶区。 铸件主要的宏观缺陷有缩孔、缩松、气泡、裂纹、偏析 等。
1.铸锭（件）的三晶区
铸件凝固后宏观组织具有 三个性质、晶体形态不同的 三个区域： 激冷区 柱状晶区 等轴晶区
图 铸锭组织的形成
1.铁碳合金中的组元及相
铁碳相图的组元为纯铁和碳。 铁碳相图中的相有碳在铁中形成的固溶体铁素体（F）、 奥氏体（A）、高温铁素体（δ）和铁与碳形成的间隙化合 物渗碳体（F变
纯铁在从液相冷却到 固相过程中会发生以下 相变：
L -Fe (1538~1394C) -Fe(1394~912 C)
一次渗碳体：从液态合金中结晶析出的共晶深碳体。其 形态呈粗大较规则的板片状。
二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体称之为二此渗碳 体，一般在奥氏体晶界呈网状分布。
三次渗碳体：从-Fe中析出的渗碳体，沿奥氏体晶界分 布，呈片状。
（2）铁的固溶体
铁素体 （F）
晶格类型 最大含碳量
性质
体心立方 0.0218% 室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
C 1148 0.43 共晶点
D 1227 6.69 Fe3C的熔点 E 1148 2.11 碳在 γ-Fe中
的最大溶解 度
F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 α与γ同素异
构转变点(A3)
图 铁碳相图
铁碳相图中的特征点（续）
符 温度 含碳 含义 号 /℃ 量/% H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大