第四节 碳钢
金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合 金分为两大类：
黑色金属
金）；
铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合 包括黑色金属以外的所有金属及其合
有色金属
金。
在铁碳合金中，碳质量分数小于2.11%的合金称为钢。 常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%，其强度和韧 性均较好，工程性能比较优越。
（到约0 .8wt%c达
到峰值）。塑性
和韧性随含碳 量增加而下降 。
二、 铁碳合金相图的应用
设计选材
铁碳合金的性能是随含碳量而变化的，根据 零件的性能要求，可以确定铁碳合金的成分范围。 塑性、韧性
塑性、韧性、强度
低碳钢 wC%(0.10,0.25) 中碳钢 wC%(0.25,0.60) 高碳钢 wC%(0.60,1.30)
组织组成物
是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可 一是两相或者多相混合物。
铁碳合金中的组织组成物
铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体：F与Fe3C片层相间的两相混合 物 莱氏体：A与Fe3C两相混合物

F
P
高 温 铁 素 体
奥氏体
铁 素 体
渗 碳 体
钢中的基本相
。
二、铁碳相图分析
E
P
S
K
r
Q
室温下有α＋P两种组织
rS 0.77 0.4 w 49.4% PS 0.77 0.0218 Pr 0.4 0.0218 wP 50.6% PS 0.77 0.0218
r ’
K ’
4. 过共析钢[0.77%<w(C) ≤2.11%]平衡结晶过程
T12钢的室温平衡组织
碳质量分数在 2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均 发生共晶反应。 水平线PSK为共析反应线 碳质量分数为 0.0218%～6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发 生共析反应。PSK线亦称A1线。 GS线 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线 , 通常称A3线。 ES线 是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线。
点的符号 A B C D E F G H K P S 温度℃ 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 727 727 727 含碳量% 0.00 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0.00 0.09 6.69 0.0218 0.77 说明 纯铁的熔点 包晶反应时液态合金的浓度 共晶点，LcA+Fe3C 渗碳体熔点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 -Fe-Fe 同素异构转变点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 碳在-Fe 中的最大溶解度 共析点
亚共晶白口铁的高温组织 Ld+γ+Fe3CⅡ
• 亚共晶白口铁的室温组织
L’d+P+Fe3CⅡ
P
L’d
7、过共晶白口铸铁(4.30%-6.69%C)的结晶过程分 析
过共晶白口铁的高温组织 Ｌd＋Fe3CⅠ
• 过共晶白口铁的室温组织
L’d＋ Fe3CⅠ
L’d
Fe3C
I
白口铸铁的相及组织
• 白口铸铁的室温相为
E
P
S
K
r
Q
室温下有P+Fe3CII两种组织
rK 6.69 1.2 wP 93% SK 6.69 0.77 S r 1.2 0.77 wFe3CII 7% SK 6.69 0.77
r ’
K ’
钢的金相组织
钢在室温下有两个相：α＋Fe3C
亚共析钢的金相组织 铁素体+珠光体(α+P)
共析钢的金相组织
珠光体 (P) 过共析钢的金相组织 珠光体+渗碳体(P+Fe3CII)
白口铸铁的结晶过程分析
5、共晶白口铸铁（4.3%C）结晶过程分析
共晶白口铁的高温组织为Ld γ+Ｆe3C(共晶)+Fe3CⅡ 共晶白口铁的室温组织为L’d Ｐ+Ｆe3C(共晶)+Fe3CⅡ
6、亚共晶白口铸铁（2.11%-4.30%C）的结晶过程 分析
第一节
铁碳合金系相图
一、Fe-Fe3C相图的组元和基本相 1.组元
纯铁
同素异构转变
纯铁的组织和性能
性能
纯铁的力学 性能因纯度 及晶粒大小 不同有较大 差别。
σs (MPa)
100~170
σb (MPa)
δ (%) Ψ (%) ak (J/cm2) HB
180~230
30~50 70~80 160~200 50~80
α+Fe3C
• 亚共晶白口铁的金相组织
P + Fe3CⅡ + L’d 共晶白口铁的金相组织 L’d =P + Fe3CⅡ + Fe3C(共晶）
• 过共晶白口铁的金相组织
Fe3CI + L’d
白口铁的金相组织
第三节 铁碳合金的成分—组织—性能关 系
一、含碳量与铁碳合金机械性能的关系
硬度随含碳量 增加而增加。 强度度随含碳 量增加而增加
一、碳钢的成分和分类 1、碳钢的成分
实际使用的碳钢，除铁、碳两个主要元素之外，还含有 少量Mn、Si、S、P、H、O、N等非特意加入的杂质元素。 它们对钢材性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规 定的范围之内。
2、碳钢的分类
碳钢中的杂质存在形式 1．锰：锰是有益元素。
① 锰原子溶于α-Fe中形成置换固溶体。
② 锰原子溶于渗碳体中形成合金渗碳体。 ③ 锰作为常存元素时，一般Mn＜0.8%。
2．硅 硅作为脱氧剂加入钢中。如： FeO+Si→Fe+SiO2 ① 硅溶于α-Fe中有一定强化作用。 ② 作为常存元素时，Si＜0.5%。
3．硫： 硫是有害元素。 ① 硫在钢中以FeS形式存在，使钢变 脆。 ② FeS和Fe能形成低熔点的共晶体， 当钢进行轧制时，共晶体融化，钢材变脆，
1.根据Fe—Fe3C平衡状态图，确定下列钢在给 定温度时的组织：
温度 含碳量 ℃ 0.2％ 0.77％ 1.2％ 770 680 700 组织 温度℃ 组织 900 770 740 温度℃ 20 20 20 组织
2．分析在缓慢冷却条件下，45钢和T10钢的结晶过 程和室温组织。 3．试求碳含量为1.2％的钢，室温下的相组成物和组 织组成物的相对重量，并画出其在室温下的显微组织 示意图。 4．什么是共晶转变和共析转变？计算珠光体在共析 温度和莱氏体在共晶温度时的相组分的相对量。
１、 重要的点 C点为共晶点
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混 和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 共晶转变线ECF：1148摄氏度，C%=4.3%。
L4.3 体），
A2.11+Fe3C（共晶渗碳
Le4.3 高温莱氏体 Le，Ld
S点为共析点 共析反应的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。
硬度、耐磨性
制定热加工工艺
铸造工艺：确定浇注温度 锻造工艺：确定锻造温度
焊接工艺：分析组织和性 能 热处理工艺：是制订热处理 工艺的基础。
运用Fe-Fe3C相图时应注意以下两点： ① Fe-Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平 衡状态, 如含有其它元素, 相图将发生变化。 ② Fe-Fe3C相图反映的是平衡条件下铁碳合金 中相的状态, 若冷却或加热速度较快时, 其组织 转变就不能只用相图来分析了。
2. 共析钢 [w(C) = 0.77%]平衡结晶过程
其中铁素体和渗碳体的含量可以用杠杆定律进行计 算：727℃ WFe3C = PS/PK = (0.77-0.0218)/(6.69-0.0218) = 11.3% WF = 1- WFe3C = 88.7%。 室温下 WFe3C = PS/PK = (0.77- 0)/(6.69-0) = 11.5% WF = 1- WFe3C = 88.5%。
第四章 铁碳合金
工程材料中又以钢铁（铁碳合金）材料应用最广。钢铁中 含碳量其室温平衡组织和性能有巨大影响。 由于铁碳合金是应用最广的工程材料，下面将学习Fe-C 相图。Fe-C相图很复杂，但实用的部分只0～6.69%C(重量百分 比)的部分，如图所示。其中右端（6.69%C）是属化合物Fe3C。 这段相图称为Fe-Fe3C相图，由三个基本类型的相图组成 ： 1.包晶相图部分 （区域很小，且无实际意义，通常忽略其作 用）； 2.共晶相图部分 ； 3.共析相图部分
共析转变线PSK：727摄氏度，C%=0.77%。
A0.77
F0.0218+Fe 3C， P（珠光体）
珠光体的强度较高, 塑性、韧性和和硬度介于渗碳体和铁素 体之间, 其机械性能如下： 抗拉强度极限 σb 770 Mpa 延伸率δ 20%～35% 硬度 180 HB
２、 Fe-Fe3C相图中重要的线
纯铁塑性、韧性好，但强度、硬度低。
晶粒度级别
晶粒度级别越高，晶粒越细。我国将细晶粒度分为8级 k s o d
2. 基本相 （除液相外） 铁素体 ：碳固溶于体心立方晶格的α-Fe中形成
的间隙固溶体，用α或者F表示。 碳在其中的固溶度很小，最大溶解度是727℃时的 0.0218%，因此α相区在相图中区域很小。
wFe3C III
0.01 0 100% 0.15% 6.69 0
工业纯铁的室温组织
Ｆ+Fe3CⅢ
Ｆ e3CIII 含量随 wC 增加而增加，当 wC=0.0218% 时,Ｆe3CIII含量达最大值
wFe3CIII
0.0218 0 |Max 0.3% 6.69 0
3. 亚共析钢 [0.0218%<w(C) <0.77%]平衡结晶过 程
铁素体+珠光体