第四章鐵碳合金

第四章鐵碳合金及鐵碳相圖第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相鐵碳合金碳的存在形式：a：以原子形式固溶于鐵（鐵素體）中。b：以化合物（Fe3C）形式存在于鐵中。c：以石墨（G）形式存在于鐵中。（唯鑄鐵）第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相鐵碳（Fe-Fe3C）合金相圖：第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相一：鐵碳合金組元、基本相與性能1：純鐵（組元）性能：塑性好、強度、硬度低、體心立方晶格、具有同素異構轉變特性。σb=300MPaσs=170MPaΨ=75%δ=45%HB=75第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相同素異構轉變：L←→（1538℃）δ-Fe（體心立方）δ-Fe（體心立方）←→（1394℃）γ-Fe（面心立方）γ-Fe（面心立方）←→（912℃）α–Fe（無磁性）α–Fe（無磁性）←→（770℃）α–Fe（有磁性）第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相2：滲碳體：鐵與碳所形成的間隙化合物以Fe3C（或Cm）表示。性能：高硬度；塑（韌）性近于零。

HB≈800；Ψ≈0%；δ≈0%；3：鐵素體：碳固溶于α-Fe的間隙固溶體。體心立方晶體結構。以F（或α）表示。（高溫鐵素體以δ表示）性能：近于純鐵。如Fe-Fe3C二元合金相圖第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相4：奧氏體：碳固溶于γ-Fe的間隙固溶體。面心立方晶體結構。以A（或γ）表示。

性能：低硬度；具有良好的塑性和可鍛性。如Fe-Fe3C二元合金相圖第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相二：鐵碳合金組織組成物鐵素體與滲碳體的機械混合物，以P表示。（F+Fe3C）性能：由于滲碳體的固溶強化作用，強度、硬度遠高于鐵素體，但塑（韌）性低于鐵素體。如Fe-Fe3C二元合金相圖1：珠光體：第一節Fe-Fe3C系合金的主元與基本相如Fe-Fe3C二元合金相圖奧氏體與滲碳體的機械混合物，以Le表示。（A+Fe3C）2：萊氏體：珠光體與滲碳體的機械混合物，以Le′表示。（P+Fe3C）

3：低溫（變態）萊氏體：性能：性脆，幾乎沒有使用價值。第二節鐵碳合金相圖一：鐵碳合金相圖分析—相區、水平線鐵碳合金相圖有五個單相區1：相區七個雙相區如Fe-Fe3C二元合金相圖第二節鐵碳合金相圖A：包晶線HJE：2：水平線WC=0.09-0.53%之間的鐵碳合金要發生包晶反應。L0.53%+δ0.09%←→（1495℃）A0.17%B：共晶線ECF：WC=2.11-6.69%之間的鐵碳合金要發生共晶反應。A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C（共析）如Fe-Fe3C二元合金相圖第二節鐵碳合金相圖C：共析線ECF：WC=0.0218-6.69%之間的鐵碳合金要發生共析反應。

A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C（共析）如Fe-Fe3C二元合金相圖第二節鐵碳合金相圖A：ES線：3：析出線碳在奧氏體中的固溶線；奧氏體中二次滲碳體（Fe3CⅡ

）析出線。A→A′+Fe3CⅡ如Fe-Fe3C二元合金相圖B：CD線：液態鐵碳合金一次滲碳體Fe3CⅠ析出線。

L＞4.3%→L4.3%+

Fe3CⅠ第二節鐵碳合金相圖C：GS線：從奧氏體中析出先鐵素體F先線。

A0-0.77%-→F先+

A0.77%-D：PQ線：從鐵素體中析出三次滲碳體Fe3CⅢ線。

F0.0218%→F′0.0008%

+

Fe3CⅢ如Fe-Fe3C二元合金相圖第二節鐵碳合金相圖Fe3CⅠFe3CⅡFe3CⅢFe3C(共晶)Fe3C(共析)滲碳體第三節鐵碳合金平衡結晶一、亞共析鋼結晶過程A：1-2點間，液態冷卻，沒有相變。WC=0.17%鐵碳合金結晶過程L0.17%→L′0.17%

B：2-J點間，鐵碳合金液體中從結晶析出δ鐵素體。L0.17%→L′0.53%+δ0.09%

第三節鐵碳合金平衡結晶C：J點，發生包晶反應，生成奧氏體A。L0.53%+δ0.09%←→（1495℃）A0.17%D：

J-3點，奧氏體冷卻，沒有相變。E：3-4點間，從奧氏體中從析出先鐵素體F先。A0.17%→A′0.17%A0.17%→A′0.77%+F先0.0218%A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C（珠光體P）第三節鐵碳合金平衡結晶F：4點，發生共析反應，生成珠光體P。G：4-5點間，從鐵素體中從析出三次滲碳體Fe3CⅢ。F0.0218%→F′0.0008%

+

Fe3CⅢ最終組織亞共析鋼：

F+P（F0.0218%

+Fe3C（共析）+

Fe3CⅢ）第三節鐵碳合金平衡結晶A：1-2點間，液態冷卻，沒有相變。WC=3%鐵碳合金結晶過程L3%→L′3%

一、亞共晶白口鐵結晶過程B：2-3點間，從鐵碳合金液體中結晶析出奧氏體。L3%→L′4.

3%+A2.11%

第三節鐵碳合金平衡結晶請計算在3點（未發生共晶轉變）時，剩余液體：WL′4.

3%=？WL′4.

3%=？C：3點，剩余液體（含碳量為4.3%）發生共晶反應。第三節鐵碳合金平衡結晶L4.3%←→（1148℃）A2.11%+

Fe3C（萊氏體Le）D：

3-4點，從奧氏體中從析出二次滲碳體（Fe3CⅡ

）。A2.11%→A′0.77%+Fe3CⅡ第三節鐵碳合金平衡結晶E：4點，剩余奧氏體A0.77%發生共析反應，生成珠光體P。G：

4-5點間，從鐵素體中從析出三次滲碳體Fe3CⅢ。最終組織A0.77%←→（727℃）F0.0218%+

Fe3C-珠光體PF0.0218%→F′0.0008%

+

Fe3CⅢ亞共晶白口鐵P+Fe3CⅡ+Le′

（F0.0218%

+Fe3C（共析）

+Fe3CⅡ+

Fe3CⅢ+

Fe3C（共晶））第三節鐵碳合金平衡結晶A：1-2點間，液態冷卻，沒有相變。WC=5%鐵碳合金結晶過程L5%→L′5%

三、過共晶白口鐵結晶過程第三節鐵碳合金平衡結晶B：2-3點間，從液態鐵碳合金中析出一次滲碳體Fe3CⅠL5%→L4.3%+

Fe3CⅠ請計算在3點（未發生工晶轉變）時，剩余液體：WL′4.

3%=？第三節鐵碳合金平衡結晶C：3點，剩余液體（含碳量為4.3%）發生共晶反應。L4.3%←→（1148℃）A2.11%+

Fe3C-萊氏體Le下面過程同前述一致最終組織：過共晶白口鐵：Le′+Fe3CⅠ

（F0.0218%

+Fe3C（共析）+

Fe3CⅢ+

Fe3C（共晶）+Fe3CⅠ）第四節鐵碳合金分類鐵碳合金純鐵WC≤0.0218%鋼WC=0.0218～2.11%白口鐵WC=2.11～6.69%亞共析鋼WC=0.0218～0.77%共析鋼WC=0.77%過共析鋼WC=0.77%～2.11%亞共晶白口鐵WC=2.11～4.3%共晶白口鐵WC=4.3過晶白口鐵WC=4.3～

6.69%如圖一：按含碳量分類第四節鐵碳合金分類鐵碳合金純鐵F鋼F+Fe3C白口鐵F+Fe3C亞共析鋼F+P共析鋼P過共析鋼P+Fe3CⅡ亞共晶白口鐵P+Fe3CⅡ+Le′共晶白口鐵Le′過晶白口鐵Le′+Fe3CⅠ二：按組織分類如圖第三節鐵碳合金及相圖-171：分析：從Fe-Fe3C相圖可看出例題1：含碳量為0.60%鐵碳合金液1噸，從液態下緩慢冷卻至室溫，敘述結晶過程。并計算室溫組織中WF先=？kg；WFe3C=？kg。A：1-2點間，液態冷卻，沒有相變。

L0.60%→Lˊ0.60%B：2-3點，從液體中析出奧氏體A，L0.60%→A≤

0.60%+Lˊ≥

0.60%第三節鐵碳合金及相圖-17C：至3點，全部液體轉化為奧氏體A。L0.60%→A0.60%A0.60%→Aˊ0.77%+

F先0.0218%D：3-4點含碳量為0.6%的奧氏體冷卻。E：4-5點，從奧氏體A中析出先鐵素體F先。第三節鐵碳合金及相圖-17F：5點，剩余奧氏體A（含碳量為0.77%）發生共析反應，生成鐵素體F與滲碳體。A0.77%←→（恒溫）F0.0218%+Fe3C6.69%（共析）G：5-6點，從鐵素體析出三次滲碳體Fe3CⅢF先+F共析—Fˊ+Fe3CⅢH：6點（室溫）第三節鐵碳合金及相圖-17室溫組織為亞共析鋼：去掉中間過程有：L（A）0.6%←→F（F先+F共析）0.0008%+Fe3CⅢ6.69%+

Fe3C6.69%（共析）F先+P第三節鐵碳合金及相圖-19還原計算室溫組織中WF先=？kg；WFe3C=？kg。先求F先：即：A0.60%→Aˊ0.77%+

F先0.0218%

支點-0.6%端點-0.0218%端點-0.77%第三節鐵碳合金及相圖-19還原計算室溫組織中WF先=？kg；WFe3C=？kg。再求Fe3CⅢ6.69%+

Fe3C6.69%（共析）：

即：A0.60%→F0.0008%+Fe3C6.69%(去掉中間過程)支點-0.6%端點-0.0008%

端點-6.69%第三節鐵碳合金及相圖-19WF先=230kg問：WFe3C=90kg室溫組織：F先+P（F共析+Fe3C）1000-（230+90）=680是否是WF共析？第三節鐵碳合金及相圖-19F共析=？Fe3CA0.60%→Aˊ0.77%+

F先0.0218WAˊ0.77%=1000-WF先=

1000-230=770kg684-680=4kg是什么?F先F共析析出Fe3CⅢ-F先析出Fe3CⅢ第五節含碳量對組織與性能的影響一：含碳量對組織的影響鐵碳合金成分與相組織組成物的關系二；含碳量對鐵碳合金機械性的影響含碳量對鐵碳合金機械性的影響三：含碳量對鐵碳合金工藝性的影響A：切削加工性能B：鍛造性能C：鑄造性能D：可焊性能第六節金屬鑄錠宏觀組織-1鑄件：凝固后在鑄造狀態（或要經過熱處理）下使用的金屬。鑄錠（鋼錠）：凝固后還要經歷塑性變形的金屬件。各種形狀、規格的鋼材都要由鑄錠（鋼錠）或連鑄坯（一種連續澆鑄得到的鑄坯）經過壓力加工得到。第四節金屬鑄錠宏觀組織-1一、鑄錠的三晶區如鑄錠宏觀組織示意圖1、表面細晶粒區產生原因：2、柱狀晶區產生原因：性能特點：性能特點：第四節金屬鑄錠宏觀組織-2如鑄錠宏觀組織示意圖3、中心等軸晶區產生原因：性能特點：金屬液溫度下降時，體積收縮，一旦收縮體積得不到金屬液補充，就會形成收縮孔洞，集中的收縮孔洞稱為集中縮孔，簡稱縮孔。二、鑄錠（鑄件）的缺陷1、縮孔第四節金屬鑄錠宏觀組織-2如圓柱體試樣縮孔形成示意圖純金屬、共晶成分合金或凝固溫度范圍窄的合金，當合金液沖滿型腔后，當內澆道未凝固時，液態收縮可從澆鑄系統補充，型腔內充滿液體（如圖a）。隨著溫降低，靠近型腔壁的一層金屬凝固成硬殼，如內澆道已凝固，硬殼便形成一個充滿合金液的密封容器（如圖b）。縮孔的形成：第四節金屬鑄錠宏觀組織-2隨著溫度不斷降低，內部合金液凝固收縮得不到補充，在硬殼內中上部形成空隙，隨著合金液凝固、收縮的進行，該空隙不斷擴大，最后合金結晶完畢，在鑄件內中上部形成的空隙便時縮孔（如圖c、d、e、f）。縮孔的形成：如圓柱體試樣縮孔形成示意圖第四節金屬鑄錠宏觀組織-2如圓柱體試樣縮松形成示意圖金屬液溫度下降時，體積收縮，一旦收縮體積得不到金屬液補充，就會形成收縮孔洞，分散的收縮孔洞稱為分散縮孔，簡稱縮松。2、縮松凝固溫度范圍寬的合金當合金液沖滿型腔后，當內澆道未凝固時，液態收縮可從澆鑄系統補充，型腔內充滿液體（如圖a）。縮松的形成：第四節金屬鑄錠宏觀組織-4隨著溫降低，靠近型腔壁的一層金屬凝固成硬殼，如內澆道已凝固，硬殼便形成一個充滿合金液的密封容器。隨著溫度不斷降低，內部硬殼不斷加厚，兩相并存區逐步推向中心，發達的枝晶獎中心部分的合金液分隔成許多獨立的小液體區(如圖b)，這些獨立的小液體區最后趨于同時凝固，且得不到補充而形成分散的小孔洞即縮松(如圖c)。縮松的形成：第四節金屬鑄錠宏觀組織-5氣孔來源：3、氣孔侵入氣體、反應產生氣體、析出氣體等未得到及時排出，留在金屬固體中形成氣孔。作用：降低金屬承載截面積，產生應力集中，降低構件力學性能。純鐵的同素異構轉變曲線

還原Fe-Fe3C二元合金相圖（成分、溫度）

F、Fe3C

奧氏體Fe-Fe3C二元合金相圖（組織、相區）珠光體

萊氏體Fe-Fe3C二元合金相圖（組織、相區）還原Fe-Fe3C二元合金相圖（組織、相區）水平線

水平線2Fe-Fe3C二元合金相圖（組織、相區）作業3Fe-Fe3C二元合金相圖（相區）還原Fe-Fe3C二元合金相圖—析出線析出線析出線2Fe-Fe3C二元合金相圖—結晶分析2

鋼組織金相圖鋼組織金相圖還原Fe-Fe3C二元合金相圖—結晶分析2

還原

還原

白口鐵組織金相圖白口鐵組織金相圖還原白口鐵組織金相圖亞共晶白口鐵

過共共Fe-Fe3C二元合金相圖（成分、溫度）還原鋼與白口鐵金相組織示意圖還原Fe-Fe3C二元合金相圖—結晶分析3

還原

白口鐵組織金相圖白口鐵組織金相圖還原Fe-Fe3C二元合金相圖—例題1例題1

、

例題2

、例題3

、例題4

Fe-Fe3C二元合金相圖例題2還原Fe-Fe3C二元合金相圖—作業4作業5Fe-Fe3C二元合金相圖—作業6