铁碳相图及其合金[1]课件.ppt

1、铁碳相图及其合金第一节 铁碳合金的相结构 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe,-Fe,随后又有两次同随后又有两次同素异构转变，即面心立方格的素异构转变，即面心立方格的-Fe-Fe和体心立方格的和体心立方格的-Fe-Fe。碳溶入碳溶入-Fe-Fe和和-Fe-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体。铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相相FeFe3 3C C，称做渗碳体。，称做渗碳体。碳原子溶入碳原子溶入-fe-fe 中所形成的固溶体称做中所形成的固溶

2、体称做高温铁素体高温铁素体。它在。它在14001400以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳合金的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。一、铁素体碳原子溶入碳原子溶入-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的由于体心立方格的-Fe-Fe的晶体格间隙半径只有的晶体格间隙半径只有0.036nm0.036nm，而碳原子半径为，而碳原子半径为0.077nm0

3、.077nm，所以铁素，所以铁素体对碳的溶解度很小。在体对碳的溶解度很小。在727727时最大固溶度为时最大固溶度为0.02%,0.02%,而在室温时固溶度几而在室温时固溶度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下：抗拉强度Rm 250Mpa，屈服强度RE 140Mpa断后延伸率A11.3 40%-50%冲击韧性K 200 J/cm2布氏硬度HBS 80由此可见，铁素体有优良的由此可见，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧较低，在铁碳合金中是软韧相。铁素体是相。铁素体是912912以下

4、的平以下的平衡相，也称做常温相，在铁衡相，也称做常温相，在铁碳相图中用符号碳相图中用符号F F表示。表示。二、奥氏体 碳原子溶入碳原子溶入-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有。具有面心立方格的面心立方格的-Fe-Fe的间隙半径为的间隙半径为0.052nm0.052nm，比，比-Fe-Fe的间隙的间隙稍大，在稍大，在11481148时碳原子在其中的最大固溶度为时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%2.11%。随。随着温度的降低，碳在着温度的降低，碳在-Fe-Fe中的固溶度下降，在中的固溶度下降，在727727时是时是0.77%0.77%。奥氏体是奥氏体是

5、727727以上的平衡相，也称高温相以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面。在高温下，面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体通常用符号常用符号A A表示。表示。三、渗碳体渗碳体是铁与碳原子结合形成的渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物。具有金属性质的复杂间隙化合物。它的晶体结构复杂，属于复杂八它的晶体结构复杂，属于复杂八面体结构，分子式为面体结构，分子式为FeFe3 3C C，含碳量，含碳量6.69%6.69%。渗

6、碳体的硬度很高，渗碳体的硬度很高，HV800HV800，但极，但极脆，塑性和韧性几乎是零，强度脆，塑性和韧性几乎是零，强度Rm=30MpaRm=30Mpa左右。在铁碳合金中，左右。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能有很大影响。它在态对钢的性能有很大影响。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在。网状和板状形态存在。在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生下面的分解反在一定时间会发生下面的分解反应，析出石墨态的碳。应，析出石

7、墨态的碳。Fe3C 3Fe+C（石墨）一、相图图形介绍 在铁碳合金系中，含碳量高于在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%6.69%的铁碳合金性能极脆，没的铁碳合金性能极脆，没有使用价值。因此只研究有使用价值。因此只研究FeFeFeFe3 3C C，即含碳量小于，即含碳量小于6.69%6.69%这一这一部分，通常称为部分，通常称为FeFeFeFe3 3C C相图，也称相图，也称铁碳合金相图铁碳合金相图。在在FeFe3CFeFe3C相图中，较稳定的化合物相图中，较稳定的化合物FeFe3 3C C与与FeFe是组成二元合是组成二元合金的两个组元。金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。相图

8、有三个部分组成，左上角为包晶相图。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但它是在它是在14001400以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。FeFeFeFe3 3C C相图相图可简化为图可简化为图2-22-2的形式。的形式。第二节 铁 碳 合 金 相 图L4.3 A2.11 +Fe3C恒温1148恒温727相图的右上部为共晶相图相图的右上部为共晶相图，在，在1148时，含碳量时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应

9、：的合金发生共晶反应：A0.77 F0.02+Fe3C反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号P表示。表示。以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号Ld表示。表示。相图的下部为共析相图。相图的下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析

10、相图则是从一个固相中同时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在的奥氏体在727时发生共析反应：时发生共析反应：珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：布氏硬度 HBS 180断后延伸率 A11.3 20%25%冲击韧性 aK 3040J/cm强度极限Rm 750Mpa二、相图中点、线和相区的意义铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。所示。特性点温度（）含碳量（）特性

11、点含义 A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点B11482.11碳在奥氏体中的最大溶解度G9120-Fe -Fe的同素异构转变点S7270.77共析点铁碳合金下图中各主要线的意义是：铁碳合金下图中各主要线的意义是：AECF为固相线。为固相线。若温度低于若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。线时，铁碳合金凝固为固体。ECF为共晶线。为共晶线。若含碳量在若含碳量在ECF线投影范围（线投影范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在）内，铁碳合金在1148时必然发生共晶反映，形成莱氏体。时必然发生共晶反映，形成莱氏体。ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称为碳在

12、奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中的最大溶解度是在的最大溶解度是在1148时，可溶解碳时，可溶解碳2.11%，布在，布在727时，由于碳在奥氏体中的时，由于碳在奥氏体中的溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（渗碳体（Fe3CII）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称简称A3线线

13、.GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线.PSK为共析线为共析线,简称简称A1线线.合金含碳量在合金含碳量在PSK线投影范围（线投影范围（0.02%6.69%）内时，奥氏体在）内时，奥氏体在727时必然发生共析反应，形成珠光体。时必然发生共析反应，形成珠光体。PQPQ为碳在铁素体中溶解度变化线。为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在727727时，可溶解碳时，可溶解碳0.0218%0.0218%，在室温仅能溶解碳，在室温仅能溶解碳0.008%0.008%。故一般铁碳合金凡

14、是从。故一般铁碳合金凡是从727727缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（FeFe3 3C CIIIIII）。）。因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。所谓一次因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。所谓一次二次，三次渗二次，三次渗碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。简化的铁碳合金下图共

15、有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即L，A，F及及Fe3C;渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图上渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图上它的相区仅是一条竖直线。它的相区仅是一条竖直线。相图中有五个相区，即相图中有五个相区，即L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、A+FA+F及及F+FeF+Fe3 3C C。相图中的两条水平线是三相平衡相图中的两条水平线是三相平衡线上有三个点线上有三个点,分别与三个单相区以点相连接分别与三个单相区以点相连接,当

16、发生三相平衡反应时当发生三相平衡反应时,三个平衡相的三个平衡相的成分即这三个点的成分成分即这三个点的成分,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的说明了温度和三个平衡相的成分是固定的.从相图可以看出，含碳量大于从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe3C相区内，即合金的相结构都相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化。化。三、典型合金结晶过程

17、及室温组织工程上使用的工程上使用的铁碳合金分为钢和铸铁两大类铁碳合金分为钢和铸铁两大类，它们的区别在于所含碳量不，它们的区别在于所含碳量不同。同。含量碳量小于含量碳量小于2.11%2.11%的，称为铸铁。的，称为铸铁。在分析铁碳合金的平衡组织时，在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁等六种典型合金口铸铁等六种典型合金，如图，如图23所示。所示。（一）共析钢图图2323中合金中合金称为共析钢，其含碳量为

18、称为共析钢，其含碳量为0.77%0.77%。当温度在当温度在1 1点以上点以上时，合金为液相；时，合金为液相；温度温度降至降至1 1点时点时，开始从液相中析出奥氏体；，开始从液相中析出奥氏体；温度温度降至降至1 12 2点之间点之间时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC AC 变化，奥氏体的成变化，奥氏体的成分分 沿沿AEAE线变化。线变化。当温度当温度降至降至2 2点点时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至2 23

19、 3点之间时，点之间时，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。温度温度降至降至3 3点点，即共析点，即共析点S S时，含碳量时，含碳量0.77%0.77%的奥氏体在的奥氏体在727727温度下发生共温度下发生共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%0.02%的铁素体的铁素体F F和渗碳体和渗碳体FeFe3 3C C的共的共析组织，即珠光体析组织，即珠光体P P。珠光体是在珠光体是在727727恒温下生成的恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变，温度降到室温时组织基本不发生变化。只是铁素体的含量碳量从化。只是铁素体的含量

20、碳量从0.0250.025降至几乎为零，碳则以微量三次降至几乎为零，碳则以微量三次渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。恒温727共析钢的结晶过程如图共析钢的结晶过程如图24所示。珠光体的显微组织如图所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与所示，铁素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过程用反应式表示为：程用反应式表示为：LL+A P(二二)亚共析钢亚共析钢含碳量低于含碳量低于0.77%0.77%的钢均称为亚共析钢。的钢均称为亚共析钢。以图以

21、图2323中合金中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如图为例，亚共析钢的结晶过程，如图2626所示。所示。合金从液相冷却到合金从液相冷却到1.21.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织；点以后，结晶出单相的奥氏体组织；温度继续降至温度继续降至2222点之间时，奥氏体组织不变；点之间时，奥氏体组织不变；当温度降至当温度降至3 3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；核，随着温度降低而长大；温度降至温度降至4 4点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为4S/

22、4S/（PSPS），其成分沿着），其成分沿着GPGP线变化至线变化至P P点（含碳点（含碳0.02%0.02%），称作初生铁素体；剩下的奥氏体相的量为），称作初生铁素体；剩下的奥氏体相的量为P4/P4/（PSPS），其成分沿着），其成分沿着GSGS线变化至线变化至S S点（含碳点（含碳0.77%0.77%）。这时剩下奥氏体的成分和温度）。这时剩下奥氏体的成分和温度已具备珠光体转变的条件，在已具备珠光体转变的条件，在727727时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为初生铁素体（图析钢奥氏体的一部分转变为初生铁素体（图2727中白色

23、晶粒），另一部分转变为珠中白色晶粒），另一部分转变为珠光体组织（图光体组织（图2727黑色部分）。温度将继续降至室温时，显微组织基本不变（三次黑色部分）。温度将继续降至室温时，显微组织基本不变（三次渗碳体忽略不计）渗碳体忽略不计）为铁素体为铁素体+珠光体（珠光体（F+PF+P）。）。图27 亚共析钢的显微组织铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPSGPS相区（相区（P+FP+F）的）的PSPS线上计算出，称作组线上计算出，称作组织相对量。织相对量。合金（合金（2 2）中，珠光体量为：）中，珠光体量为：Qp=P4/PSQp=P4/PS100%100%铁素体量

24、为：铁素体量为：Q QF F=1=1Q Qp p 或或 Q QF F=4S=4SPSPS100%100%随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到增加到100%；当含碳；当含碳量增加到量增加到0.77%时，珠光体为时，珠光体为100%，即共析钢组织。，即共析钢组织。珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金。室温时，铁碳合金的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚

25、共的两相区中计算出亚共析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量：析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量：Q QF F=（6.696.69）/（6.696.690.020.02）100%100%Q QFe3CFe3C=1=1Q QF F 式中式中亚共析钢的含碳量。亚共析钢的含碳量。计算出的计算出的QF为初生铁素体与共析铁素体之和。为初生铁素体与共析铁素体之和。亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L L+A A FA F+P含碳量在含碳量在0.770.772.11%2.11%的钢的钢,均统称为过共析钢均统称为过共析钢.以图以图2-32-3中合金中合金3 3为例

26、为例,过共析钢的结晶过程如图过共析钢的结晶过程如图2-82-8所示所示.合金从液相冷却至合金从液相冷却至1 1、2 2点以后，结晶出单相奥氏体组织；点以后，结晶出单相奥氏体组织；温度继续冷却至温度继续冷却至2 23 3之间时，奥氏体组织不变；温度降至之间时，奥氏体组织不变；温度降至3 3点时，碳在奥氏体中达到点时，碳在奥氏体中达到饱和，开始析出饱和，开始析出FeFe3 3C C，称作二次渗碳体，写作，称作二次渗碳体，写作FeFe3 3C CIIII。FeFe3 3C CIIII沿着奥氏体晶界析出，呈沿着奥氏体晶界析出，呈网状分布网状分布(图图2 29)9)，随着温度降低，碳在奥氏体中溶解度下降

27、，不断析出。，随着温度降低，碳在奥氏体中溶解度下降，不断析出。温度降至温度降至4 4点（点（727727）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在A AFeFe3 3C C两相区两相区SKSK线上计线上计算出来。算出来。（三）过共析钢式中式中 过共析钢的含碳量过共析钢的含碳量剩余的奥氏体量为剩余的奥氏体量为1QFe3CII，其成分已沿着，其成分已沿着SE线变化至线变化至S点，已具备珠点，已具备珠光体转变的条件，在光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体的组时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体的组织相对量为：织相对量为：Qp1QFe3CII 或或

28、 Qp利用杠杆定律可以在利用杠杆定律可以在F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量：两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量：QFe3C1QF%10077.0-69.677.0-%100SKS4%10077.0-69.6-69.6QFe3CII=Lg L+A Ag Fe3CII A Fe3CII +As Fe3CII+P 恒温727这样计算出的这样计算出的QFe3C为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶为二次渗碳体与共析渗碳体之和。过共析钢的结晶过程可用反应式表示为：过程可用反应式表示为：过共析钢的显微组织如图过共析钢的显微组织如图29所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗

29、所示，图中白色的沿着晶界分布的组织即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。碳体；深色部分的组织为珠光体。过共析钢的显微组织如图过共析钢的显微组织如图29所示所示图图2 23 3中合金中合金称为共晶白口铁，含碳量为称为共晶白口铁，含碳量为4.34.3，其结晶过程如图，其结晶过程如图2 21010所示。所示。含碳量含碳量4.34.3的合金自液相冷却至的合金自液相冷却至1 1点，即降至共晶温度（点，即降至共晶温度（11481148）时，发生共晶反时，发生共晶反应，从液相中同时析出含碳量为应，从液相中同时析出含碳量为2.112.11的奥氏体和含碳量为的奥氏体和含碳量为6.696.69的渗碳体的共晶的渗

30、碳体的共晶体，这种机械混合物称为莱氏体用符号体，这种机械混合物称为莱氏体用符号L Ld d表示。莱氏体组织为球状或短杆状的奥氏表示。莱氏体组织为球状或短杆状的奥氏体均匀分布在渗碳体基体上。体均匀分布在渗碳体基体上。温度从温度从1 1点继续下降时，共晶体中的奥氏体碳的溶解度下降，不断析出二次渗碳体，点继续下降时，共晶体中的奥氏体碳的溶解度下降，不断析出二次渗碳体，奥氏体的成分是沿着奥氏体的成分是沿着ESES线变化的。线变化的。温度降至温度降至727727时，奥氏体中的含碳量已降至时，奥氏体中的含碳量已降至0.770.77，此时，奥氏体具备了共析转变，此时，奥氏体具备了共析转变的条件，转变为二次渗

31、碳体加铁素体的珠光体组织。这样，共晶白口铁的莱氏体组的条件，转变为二次渗碳体加铁素体的珠光体组织。这样，共晶白口铁的莱氏体组织形态不变，只是其中球状和短杆状的奥氏体转变成了二次渗碳体和珠光体，而且织形态不变，只是其中球状和短杆状的奥氏体转变成了二次渗碳体和珠光体，而且二次渗碳体又与一次渗碳体融为一体，不大容易分辨。二次渗碳体又与一次渗碳体融为一体，不大容易分辨。这种由一次渗碳体、二次渗这种由一次渗碳体、二次渗碳铁和珠光体组成的组织称为变态莱氏体，也有称为低温莱氏体，用符号碳铁和珠光体组成的组织称为变态莱氏体，也有称为低温莱氏体，用符号LLd d表示表示，其显微组织如图其显微组织如图2 2111

32、1所示。所示。共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为：共晶白口铁的结晶过程可用反应式表示为：L AFe3CI（AFe3CII）Fe3CI 恒温1148 恒温727（四）共晶白口铁PFe3CIIFe3CI（五）亚共晶白口铁 含碳量高于含碳量高于2.11%，低于，低于4.3%的铁均称为亚共晶白口铁。的铁均称为亚共晶白口铁。以图以图2-3合金合金5为例，为例，亚共晶白口铁的结晶过程如图亚共晶白口铁的结晶过程如图2-12所示。所示。在共晶反应之前，即在共晶反应之前，即12之间，从液相中已先结晶出一部分初生奥氏体之间，从液相中已先结晶出一部分初生奥氏体A，其，其形态如树枝状（图形态如树枝状（图212）。）

33、。冷却到冷却到2点时，剩下液相的温度和成分已具备共晶反应的条件，遂转化为莱氏点时，剩下液相的温度和成分已具备共晶反应的条件，遂转化为莱氏体体Ld。A与与Ld的相对量可利用杠杆定律从的相对量可利用杠杆定律从L+A相区相区EC线上计算出。初生线上计算出。初生A+Ld的组织形态冷却至室温时变化不大，只是温度在的组织形态冷却至室温时变化不大，只是温度在1148 以下时，以下时，A初及共晶初及共晶奥氏体中都要析出奥氏体中都要析出Fe3CII；冷却至冷却至727 时（即时（即3点时），又具备了共析反应的条件，转变为珠光体。室点时），又具备了共析反应的条件，转变为珠光体。室温的显微组织为二次渗碳体、树枝珠光

34、体及变态莱氏体，如图温的显微组织为二次渗碳体、树枝珠光体及变态莱氏体，如图213所示。合所示。合金的结晶过程可用反应式表式为：金的结晶过程可用反应式表式为：LAL ALd ALdFe3CII）恒温727恒温1148PLd+Fe3CII（六）过共晶白口铁 含碳量为含碳量为4.3%6.69%的铁，均统称为过共晶白口铁。的铁，均统称为过共晶白口铁。以图以图23中合金中合金6为为例，过共晶白口铁的结晶过程如图例，过共晶白口铁的结晶过程如图2-14所示。所示。从从1点开始自液相中结晶出呈板条状的一次渗碳体点开始自液相中结晶出呈板条状的一次渗碳体Fe3CI，剩下的液相在，剩下的液相在2点点1148转变为莱

35、氏转变为莱氏Ld。所生成的。所生成的Fe3CI+Ld的组织冷却至室温时，形态变化的组织冷却至室温时，形态变化不大。但是在随后的降温过程中，从奥氏体中要析出二次渗碳体不大。但是在随后的降温过程中，从奥氏体中要析出二次渗碳体Fe3CII,冷却冷却至至727（即（即3点）时又转变成珠光体点）时又转变成珠光体.过共晶白口铁室温时的显微组织为板条状的一次渗碳体及变态莱氏体过共晶白口铁室温时的显微组织为板条状的一次渗碳体及变态莱氏体,如图如图215所示。所示。L LFe3C LdFe3CI LdFe3CI恒温727恒温1148四、含碳量对铁碳合金组织和力学性能的影响含碳量小于含碳量小于0.02%0.02%

36、的铁碳合金称为工业纯铁的铁碳合金称为工业纯铁,它的力学性能与铁素体基本相同它的力学性能与铁素体基本相同,有良好的塑性和韧性有良好的塑性和韧性,较低的强度与硬度较低的强度与硬度.在铁碳合金中含碳量变化对组织和性能影响很大在铁碳合金中含碳量变化对组织和性能影响很大.从从Fe-Fe3C相图中可看出，相图中可看出，当含碳量不同时，组织将变化。图当含碳量不同时，组织将变化。图2-16为含碳量对碳钢组织影响的示意图。为含碳量对碳钢组织影响的示意图。当含碳量为当含碳量为0.77%时，为铁素体时，为铁素体+珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光体体+渗碳体。从示意图中可以很清

37、楚的得出含碳量变化后这些组织的变化情渗碳体。从示意图中可以很清楚的得出含碳量变化后这些组织的变化情况。况。含碳量变化后对力学性能的影响可见图含碳量变化后对力学性能的影响可见图2-17所示。从图中可看出，当含碳量增加后，所示。从图中可看出，当含碳量增加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性则下降。碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性则下降。这是由于含碳量增加后，碳钢中的渗碳体在不断的增加。但是，含碳量超过了这是由于含碳量增加后，碳钢中的渗碳体在不断的增加。但是，含碳量超过了0.9%后，由于游离状态的二次渗后，由于游离状态的二次渗碳体自晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之

38、间的结合力，使钢的脆性增加，碳体自晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加，反而使碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于反而使碳钢强度逐渐下降。当碳钢的含碳量大于1.4%后，在工程上已应用很少。后，在工程上已应用很少。五、铁碳合金在工程上的应用 铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工、热处理以及选配合钢、合金铸铁等方面有重要作铁碳合金相图在选择和使用材料、金属加工、热处理以及选配合钢、合金铸铁等方面有重要作用。用。铁碳合金相图能很好地反映钢铁材料的成分与组织之间的关系，可根据工程上的需要选材。铁碳合金相图能很好地反映钢铁材料的成分与组织之间的关系

39、，可根据工程上的需要选材。火电厂的锅炉支架、厂房结构、冷却塔、起重机构架、输电铁塔、锅炉水冷壁管、风机、风管、燃火电厂的锅炉支架、厂房结构、冷却塔、起重机构架、输电铁塔、锅炉水冷壁管、风机、风管、燃料输送设备和管道、粗细粉分离器等需要韧性、塑性好的含碳小与料输送设备和管道、粗细粉分离器等需要韧性、塑性好的含碳小与0.25%的碳钢；重要的地脚螺栓、的碳钢；重要的地脚螺栓、轴、齿轮等需要强度、韧性都较好的含碳轴、齿轮等需要强度、韧性都较好的含碳0.3%0.5%的钢；各类弹簧、板簧需要含碳的钢；各类弹簧、板簧需要含碳0.5%0.75%的的钢；而工具、模具、轴承类则需要含碳钢；而工具、模具、轴承类则需

40、要含碳0.8%1.3%的钢。的钢。白口铸铁的硬度高，脆性大，难于加工，只能用作拔丝模、磨煤机磨球等。如果在白白口铸铁的硬度高，脆性大，难于加工，只能用作拔丝模、磨煤机磨球等。如果在白口铸铁中加入足够的铬、镍等合金元素，制成合金白口铁，则是很好的耐磨材料，口铸铁中加入足够的铬、镍等合金元素，制成合金白口铁，则是很好的耐磨材料，在磨在磨煤机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。煤机、碎煤机、灰渣泵、管道内衬、喷燃器中有很广泛的应用。铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据，在铸铁、轧锻、焊接和热处理方面应用很铁碳合金相图是选择热加工工艺的重要依据，在铸铁、轧锻、焊接和热处理方面应用很广

41、。广。铁碳合金相图（与铸铁工艺的关系如图铁碳合金相图（与铸铁工艺的关系如图218所示），所示），从图中看出，铸铁从图中看出，铸铁的浇注温度低。越是接近共晶点的浇注温度低。越是接近共晶点C的铁碳合金结晶是，液相线温度低，合的铁碳合金结晶是，液相线温度低，合金的流动性好；固液线距离近，偏析倾向小，所以铸铁的铸造性能大大金的流动性好；固液线距离近，偏析倾向小，所以铸铁的铸造性能大大优于铸钢。优于铸钢。铁碳合金相图中有很广阔的奥氏体区，面心立方晶格的高温奥氏体有优铁碳合金相图中有很广阔的奥氏体区，面心立方晶格的高温奥氏体有优良的塑性和较好的强度，塑性变形抗力很低，是热锻、热轧极好的组织，良的塑性和较好

42、的强度，塑性变形抗力很低，是热锻、热轧极好的组织，轧、锻温度一般选在图中影线部分。锻造的原则是始锻（轧）的温度不轧、锻温度一般选在图中影线部分。锻造的原则是始锻（轧）的温度不宜过高，终锻温度不宜过低，以防止锻（轧）造裂纹出现。宜过高，终锻温度不宜过低，以防止锻（轧）造裂纹出现。不同成分的铁铸合金冷却后组织不同，在焊接时要选择不同的焊接工艺。如不同成分的铁铸合金冷却后组织不同，在焊接时要选择不同的焊接工艺。如锅炉中有大量不同材质的管道，其中含碳两越低的钢焊接性越好，含碳量增锅炉中有大量不同材质的管道，其中含碳两越低的钢焊接性越好，含碳量增加时，随着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。加时，随

43、着焊件壁厚的增加，需要预热和焊后回火处理。铁碳合金相图还是钢的热处理重要工具和依据。铁碳合金相图还是钢的热处理重要工具和依据。第三节 碳钢目前使用的金属材料中，碳钢占有重要地位。工程上使用的碳钢一般是指目前使用的金属材料中，碳钢占有重要地位。工程上使用的碳钢一般是指含碳量不超过含碳量不超过1.，且含有锰、硅、硫、磷等杂质的铁碳合金。，且含有锰、硅、硫、磷等杂质的铁碳合金。一、常存杂质对碳钢性能的影响碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统称五大元素，在炼钢是要对碳、锰、硅、硫、磷是碳钢中的常存元素，统称五大元素，在炼钢是要对含量进行分析和控制。碳在钢中的影响已如前述。锰、硅、硫、磷则称为含量进

44、行分析和控制。碳在钢中的影响已如前述。锰、硅、硫、磷则称为常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。常存杂质，它们的含量对碳钢的性能也有较大的影响。（1）锰的影响，锰的影响，锰作为炼钢时的脱氧剂而残存在钢中。它以置换固溶体锰作为炼钢时的脱氧剂而残存在钢中。它以置换固溶体的形式溶入铁素体，可以提高钢的强度。特别是它能与钢中的硫，化合形的形式溶入铁素体，可以提高钢的强度。特别是它能与钢中的硫，化合形成高熔点的成高熔点的MnS化合物，可消除硫的脆热性，因此，锰是有益元素。在化合物，可消除硫的脆热性，因此，锰是有益元素。在碳钢中锰的含量一般不超过碳钢中锰的含量一般不超过1.2%以下。以下。(2)

45、硅的影响，硅的影响，硅与锰相似，也是炼钢脱氧是残存在钢中的。硅溶入铁素体可以起硅与锰相似，也是炼钢脱氧是残存在钢中的。硅溶入铁素体可以起固溶强化的作用，但含量增多是钢变脆，一般控制在固溶强化的作用，但含量增多是钢变脆，一般控制在0.4%以下。以下。（3 3）硫的影响）硫的影响 硫是从矿石和燃料中带来的，虽经炼钢，炼铁，还未能完硫是从矿石和燃料中带来的，虽经炼钢，炼铁，还未能完全消除而残存钢中。硫不溶于铁，但容易以全消除而残存钢中。硫不溶于铁，但容易以FESFES的形式与的形式与FEFE形成低熔点共形成低熔点共晶体并存在与晶界上这种共晶体在晶体并存在与晶界上这种共晶体在958958时熔化，使得在

46、时熔化，使得在1100110012001200是是轧、锻的钢材发生晶间开裂并报废，称为热脆性，因此硫是有害元素，在轧、锻的钢材发生晶间开裂并报废，称为热脆性，因此硫是有害元素，在钢中的含量要控制在钢中的含量要控制在0.055%0.055%以下。当钢中有锰存在是，锰与硫产生高熔以下。当钢中有锰存在是，锰与硫产生高熔点的点的MnSMnS（熔点（熔点16201620），可以消除硫的热脆性。），可以消除硫的热脆性。（4 4）磷的影响）磷的影响 磷也是矿石经冶炼残存在钢中的有害杂质，它可以溶入铁磷也是矿石经冶炼残存在钢中的有害杂质，它可以溶入铁素体中使钢的韧性下降，并使脆性转变温度升高，这种现象称作素体

47、中使钢的韧性下降，并使脆性转变温度升高，这种现象称作冷脆性冷脆性。磷在钢中的含量被限制在磷在钢中的含量被限制在0.045%0.045%以内。以内。除了以上四种常存杂质外，还有氢、氧、氮等残存与钢中，这些气体易与除了以上四种常存杂质外，还有氢、氧、氮等残存与钢中，这些气体易与形成白点、气孔和非金属夹杂物。特别是氧化夹杂，如形成白点、气孔和非金属夹杂物。特别是氧化夹杂，如SiO2、MnO等。等。这些缺陷的存在，均要使钢材质量下降。这些缺陷的存在，均要使钢材质量下降。对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金属夹杂物限定在一定范围内。对于重要的电力设备零件，如汽轮机轮毂、叶片等，要求非金

48、属夹杂物限定在一定范围内。二、二、碳钢的分类、编号和用途（1）碳钢的分类）碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，通常按照钢的含碳量、质量和用途碳钢的分类方法很多，通常按照钢的含碳量、质量和用途分类。分类。按含碳量分为：按含碳量分为：a 低碳钢：含碳量低碳钢：含碳量0.25；b 中碳钢：含碳量在中碳钢：含碳量在0.250.6之间之间c 高碳钢：含碳量高碳钢：含碳量0.6。按钢的质量分为：按钢的质量分为：普通碳素钢：钢中含普通碳素钢：钢中含S0.055，P0.045；优质碳素钢：钢中含优质碳素钢：钢中含S0.04，P0.040；高级优质碳素钢：钢中含高级优质碳素钢：钢中含S0.030，P0.035。按钢

49、的用途分为：按钢的用途分为：碳素结构钢：用于制造工程构件碳素结构钢：用于制造工程构件(铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、起铁塔、锅炉支架、厂房钢结构、起重设备和工程机械结构、水冷壁管、风管、榆粉管道、及机械零件重设备和工程机械结构、水冷壁管、风管、榆粉管道、及机械零件f抽、齿轮、螺栓、螺母等抽、齿轮、螺栓、螺母等)。一般为低、中碳钢。一般为低、中碳钢。碳素工具钢：用于制造各种工具、刀具、刃具、模具、轴承等。一般碳素工具钢：用于制造各种工具、刀具、刃具、模具、轴承等。一般属于高碳钢。属于高碳钢。（2）碳钢的编号及用途）碳钢的编号及用途 世界上许多工业国家都有自己的编号方法。我世界上许多工业国家都有自己

50、的编号方法。我国碳钢的编号方法按国碳钢的编号方法按GB70079分为三种。分为三种。1）碳素结构钢）碳素结构钢 这类钢的牌号是按照力学性能中的屈服强度分成五类来编号的这类钢的牌号是按照力学性能中的屈服强度分成五类来编号的,数字也数字也大说明屈服强度大说明屈服强度Rel值越高值越高,碳钢中的含碳量也越高碳钢中的含碳量也越高;塑性也就要越低塑性也就要越低.碳素结构钢用于制造螺栓、螺母、钢板、圆钢以及各类型钢，广泛应碳素结构钢用于制造螺栓、螺母、钢板、圆钢以及各类型钢，广泛应用于机械制造及建筑等行业中。用于机械制造及建筑等行业中。2 2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢 （a a）正常含锰量的优质碳素