1、金属材料与热处理课题课题四四 铁铁碳合金碳合金铁碳合金的基本组织与性能铁碳相图学习目标学习目标了解铁碳合金五种基本组织的组织结构和性能特点；掌握FeFe3C相图中各特征点、特征线的含义及各区域的 组织随成分、温度的变化规律；能够利用Fe-Fe-3C相图来选材、选择热加工方法；掌握金相组织观察实验的方法。课题课题四四 铁铁碳合金碳合金钢铁是现代工业中应用最广泛的金属材料，其基本组元是铁和碳两个元素，故统称为铁碳合金。为了掌握铁碳合金成分、组织及性能之间的关系，以便在生产中合理使用，首先必须了解铁碳相图。在铁碳合金中，铁与碳相互作用可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，稳定的化合物可以
2、作为一个独立的组元。在实际生产中，由于碳的质量分数超过5%的铁碳合金脆性很大，没有实用价值，所以在铁碳相图中，仅研究FeFe3C部分。相关知识课题课题四四 铁铁碳合金碳合金学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能由于铁和碳的相互作用，铁碳合金可形成下列五种基本组织。学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能 一、铁素体碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体晶胞示意图如图4-1所示。由于-Fe是体心立方晶格，晶格间隙较小，所以碳在-Fe中的溶解度很小。故铁素体中碳的质量分数极小，碳的质量分数最大为0.021 8%
3、（727）。随着温度的下降，溶碳量逐渐下降，在室温时，碳的质量分数为0.000 8%，所以铁素体是几乎不含碳的纯铁，其力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。铁素体的显微组织如图4-2所示。学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能图4-1 铁素体的晶胞示意图图4-2 铁素体的显微组织学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能 二、奥氏体碳溶解于-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体晶胞示意图如图4-3所示。由于在高温状态下存在的-Fe是面心立方晶格，晶格间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强，在1 148
4、 时，碳的质量分数达到2.11。随着温度的下降，溶碳量逐渐减小，在727 时，碳的质量分数为0.77。奥氏体中碳的质量分数比铁素体高，奥氏体呈面心立方晶格，虽其强度、硬度不高，但却具有良好的塑性，尤其是具有良好的锻压性能。奥氏体存在于727 以上的高温范围内，无室温组织。奥氏体的显微组织如图4-4所示。学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能图4-3 奥氏体的晶胞示意图图4-4 奥氏体的显微组织学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能钢丝、钢管的拉拔，型钢（角钢、槽钢、工字钢等）的轧制，热加工时的锻压锻打等都是将钢加热到使其组织转变为
5、奥氏体组织的温度再进行的。钢的正火、退火、淬火等热处理工艺加热后也将得到奥氏体组织。学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能渗碳体是铁和碳的金属化合物，具有复杂斜方晶格，如图4-5所示，其分子式为Fe3C，碳的质量分数为6.69，熔点为1 227。渗碳体的性能特点是熔点高、硬度高（9501 050 HV），塑性和韧性几乎为零。三、渗碳体图4-5 渗碳体的晶体结构渗碳体不能单独使用，主要作为铁碳合金中的强化相，在钢或铸铁中可以片状、球状或网状分布，其数量、形状、大小和分布对钢的性能影响很大。通常渗碳体越细小，在固溶体基体中分布得越均匀，合金的力学性能越好。学习情境一
6、学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存在形式，是亚稳定的金属化合物，在一定条件下（如高温长期停留或极缓慢冷却）能分解为铁和石墨，这一过程对铸铁的形成过程具有重要意义。学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能珠光体是奥氏体在高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，由铁素体和渗碳体组成的混合物，用符号P表示。其中，渗碳体和铁素体呈片层相间、交替排列的形式。珠光体的显微组织如图4-6所示，其中白色相为铁素体基体，黑色相为渗碳体。在缓慢冷却条件下，珠光体中
7、碳的质量分数为0.77，由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，因此其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，综合力学性能良好，即强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。四、珠光体学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能图4-6 珠光体的显微组织学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的混合物，用符号Ld表示。莱氏体是碳的质量分数为4.3的液态铁碳合金在1 148 时发生共晶转变的产物。当温度降到727 时，由于莱氏体中的奥氏体转变为珠光体，所以室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为低温莱氏体，用Ld表示。
8、低温莱氏体的显微组织如图4-7所示，图中黑色相为珠光体，白色相为渗碳体基体。莱氏体的性能与渗碳体的相似，即硬度高、塑性差。五、莱氏体学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能图4-7 低温莱氏体的显微组织学习情境一学习情境一 铁碳合金的基本组织与性能铁碳合金的基本组织与性能以上五种组织中，铁素体、奥氏体和渗碳体是单相组织，称为铁碳合金的基本相；珠光体和莱氏体是由基本相组成的多相组织。铁碳合金基本组织的性能特点见表4-1。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图Fe-Fe3C相图是指在极其缓慢的冷却条件下，不同成分的铁碳合金的组织状态随温度变化的图解。为了便于分析
9、和掌握Fe-Fe3C相图，将高温转变部分省略，简化后的Fe-Fe3C相图如图4-8所示。图4-8 简化后的Fe-Fe3C相图学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图Fe-Fe3C相图中各个特性点的温度、碳的质量分数及含义见表4-2。一、铁碳相图分析相图中各点分析相图中各点分析1.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图AC线和DC线为液相线，铁碳合金在液相线温度以上处于液态，用符号L表示。液态合金冷却到AC线时开始结晶出奥氏体；冷却到DC线时开始结晶出渗碳体，也称为一次渗碳体，用符号Fe3CI表示。AE线为固相线，表示奥氏体结晶终了的温度；ECF线是共晶线，液态合金冷却到ECF线温度(
10、1 148)时，将发生共晶转变，即相图中各线分析相图中各线分析2.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图由奥氏体和渗碳体组成的共晶体(A+Fe3C)称为高温莱氏体，用符号Ld表示。凡碳的质量分数在2.11%以上的铁碳合金冷却到1 148 时，都要发生共晶转变，形成高温莱氏体。ES线又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度线，随着温度的变化，奥氏体的溶碳量将沿着ES线变化。凡是碳的质量分数在0.77%以上的铁碳合金，自1 148 冷却到727 的过程中，都要从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，用符号Fe3C表示。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图PQ线是碳在铁素体中的溶解度线。铁碳
11、合金自727 冷却至室温的过程中，要从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，用符号Fe3CIII表示。现将Fe-Fe3C相图中的相界线及其含义归纳于表4-3。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图Fe-Fe3C相图中各相区的相组分见表4-4。通过对铁碳相图的分析，结合所学相图的基本知识，能够很容易看出铁碳相图中各区域的组织组分，如图4-9所示。相图中各相区分析相图中各相区分析3.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-9 Fe-Fe3C相图各区域的组织组分学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图在Fe-Fe3C相图中，按碳的质量分数和室温平衡组织的不同，铁碳合金可分为工业纯铁
12、、钢和白口铸铁三类，见表4-5。二、铁碳合金的分类工业纯铁从液态缓慢冷却的过程中，经液相线AC和固相线AE转变为奥氏体；经A3线奥氏体开始向铁素体转变，形成A+F组织；经GP线后转变为单相铁素体组织；经溶解度线PQ时析出Fe3C。因此，工业纯铁的室温平衡组织为F+Fe3C，其显微组织如图4-10 所示。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图三、铁碳合金的组织随温度变化的规律工业纯铁工业纯铁1.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-10 工业纯铁的显微组织学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图钢从液态缓慢冷却的过程中，经液相线AC和固相线AE转变为单相奥氏体。然后，共析钢
13、经共析点S转变为珠光体组织，如图4-11所示。亚共析钢经A3线析出先析铁素体，形成F+A组织，再经A1线剩余奥氏体转变为珠光体，到室温时，亚共析钢的平衡组织为F+P，如图4-12所示。过共析钢经Acm线析出先析渗碳体，形成Fe3C+A组织，再经A1线剩余奥氏体转变为珠光体，到室温时，过共析钢的平衡组织为Fe3C+P，如图4-13所示。钢钢2.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-11 共析钢结晶过程示意图图4-12 亚共析钢结晶过程示意图学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-13 过共析钢结晶过程示意图学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图共析钢的显微组织如图4-
14、14所示，其特征是铁素体和渗碳体以层片状形态相互混合交替排列。亚共析钢的显微组织如图4-15所示，其特征是铁素体晶粒和珠光体晶粒均匀分布。过共析钢的显微组织如图4-16所示，其特征是网状二次渗碳体分布在珠光体基体上。图4-14 共析钢的显微组织学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-15 亚共析钢的显微组织图4-16 过共析钢的显微组织学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图共晶白口铸铁经共晶点C发生共晶转变，形成高温莱氏体组织，再经A1线发生共析转变，得到低温莱氏体组织，如图4-17所示。亚共晶白口铸铁经液相线AC结晶出先共晶奥氏体，经共晶线ECF剩余液相发生共晶转变，形成高温
15、莱氏体。随温度降低，奥氏体中析出二次渗碳体，在A1线以上亚共晶白口铸铁的组织为A+Fe3C+Ld，经A1线奥氏体发生共析转变。到室温时，亚共晶白口铸铁的平衡组织为P+Fe3C+Ld，如图4-18所示。过共晶白口铸铁经液相线DC结晶出先晶渗碳体，经共晶线ECF剩余液相转变为高温莱氏体，形成Fe3C+Ld，经A1线奥氏体发生共析转变。到室温时，过共晶白口铸铁的平衡组织为Fe3C+Ld，如图4-19所示。白口铸铁白口铸铁3.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-17 共晶白口铸铁结晶过程示意图图4-18 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-19
16、过共晶白口铸铁结晶过程示意图学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图共晶白口铸铁的显微组织如图4-20所示，其特征是在渗碳体的基体上分布着颗粒状的珠光体。亚共晶白口铸铁的显微组织如图4-21所示，其特征是在莱氏体基体上分布着树枝状或块状的珠光体。过共晶白口铸铁的显微组织如图4-22所示，其特征是在莱氏体基体上分布着板条状的一次渗碳体。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-20 共晶白口铸铁的显微组织图4-21 亚共晶白口铸铁的显微组织学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图图4-22 过共晶白口铸铁的显微组织学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图随着碳的质量分数增加，
17、铁碳合金的室温平衡组织中渗碳体的数量增加，且渗碳体的形态、分布发生变化，因此，铁碳合金的力学性能也相应改变。铁碳合金的成分、组织组成、相组成及力学性能之间的变化规律如图4-23所示。四、铁碳合金的室温平衡组织、性能随成分变化的规律图4-23 铁碳合金的成分、组织组成、相组成及力学性能之间的变化规律从图4-23中可以看出，钢的室温组织以珠光体为基体，白口铸铁的室温组织以低温莱氏体为基体。钢中碳的质量分数为0.77%时，室温下具有完全的珠光体组织，离共析成分越远，珠光体组织的相对量越少，而铁素体或二次渗碳体的相对量越多。白口铸铁中碳的质量分数为4.3%时，室温下具有完全的低温莱氏体组织，离共晶成分
18、越远，低温莱氏体组织的相对量越少，而珠光体、二次渗碳体或一次渗碳体的相对量越多。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图铁碳合金的室温平衡组织是由铁素体和渗碳体两相构成的，随着碳的质量分数的增加，渗碳体的量逐渐增多，而铁素体的量相应地逐渐减少。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图铁碳合金的硬度与碳的质量分数大致呈线性关系，受组织形态的影响不大。强度受组织形态的影响较大:当碳的质量分数小于0.77%时，强度随铁碳合金中碳的质量分数增加而提高;当碳的质量分数超过0.9%时，二次渗碳体沿奥氏体晶界析出并形成完整的网状形态，使强度迅速下降；碳的质
19、量分数超过2.11%后，硬脆性很大的渗碳体成为铁碳合金的基体，强度很低。铁碳合金的塑性和韧性随铁碳合金中碳的质量分数增加而迅速下降。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图铁碳相图反映了钢铁材料的组织随化学成分和温度变化的规律，因此，在工程上为选材及制订铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。五、铁碳相图的应用学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图铁碳相图揭示了合金的性能与成分之间的关系，为合理选择材料提供了依据。如各种工程结构需要塑性和韧性好的材料，应选用低碳钢；各种机器零件需要综合力学性能好的材料，应选用中碳钢；各种工具需要高硬度、高耐磨性的材料，应选用高碳钢。
20、白口铸铁硬度高，耐磨性好，但切削加工困难，适合生产耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如冷轧辊、火车车轮、犁铧等。另外，白口铸铁还可用于生产可锻铸铁。在选材方面的应用在选材方面的应用1.学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图在制订热加工工艺方面的应用在制订热加工工艺方面的应用2.据铁碳相图可以找出不同成分的铁碳合金的熔点，从而确定合适的熔化温度和浇注温度。由图4-24可以看出，钢的熔化温度和浇注温度均比铸铁高，而靠近共晶成分的铁碳合金熔点最低，凝固温度范围最小，因而具有良好的铸造性能。所以共晶成分附近的铁碳合金适宜铸造成型。图4-24 铁碳相图与热加工工艺规范的关系学习情境二学习情境二 铁铁
21、 碳碳 相相 图图从铁碳相图中可以看出，白口铸铁的组织主要是莱氏体，硬度高，脆性大，不适合于压力加工，而钢的高温固态组织为单相奥氏体，强度低，塑性好，易于锻压成形。因此，钢材的锻造或轧制应选择在单相奥氏体的温度范围内进行。一般始锻温度不宜太高，以免钢材氧化严重，甚至发生奥氏体晶界部分熔化，使工件报废。终锻温度也不能过低，以免钢材塑性变差，导致工件开裂。各种碳钢合适的锻轧温度范围如图4-24所示。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图焊接时，从焊缝到母材各区域的温度是不同的。根据铁碳相图可知，在不同的温度下会获得不同的组织，冷却后也就可能出现不同组织与性能，这就需要在焊接后采用适当的热处理方法加以改善。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图各种热处理工艺与铁碳相图有非常密切的关系。退火、正火、淬火的加热温度选择都是以铁碳相图为理论依据的，这方面内容将在“钢的热处理”中详细讨论。必须指出，铁碳相图是在平衡(即无限缓慢地加热或冷却)条件下测定的，与实际生产条件下铁碳合金组织的变化规律有一定的差距。而且，生产上使用的铁碳合金，除铁、碳两个元素外，还有其他元素存在，这些元素也将对铁碳相图产生影响。学习情境二学习情境二 铁铁 碳碳 相相 图图Thank you
