铁碳合金

第四章 铁碳合金

一、目的与要求

主要讲授铁碳合金的基本相和基本组织；铁碳合金相图的分析、铁碳合金的分类、典型铁碳合金的结晶过程及室温组织；碳钢的概念、常存杂质元素对钢性能的影响、常用碳钢等内容。

二、重点与难点

重点：铁碳合金相图的相变规律、典型合金的结晶过程、常见碳钢。 难点：铁碳合金相图的相变、典型铁碳合金的结晶过程及室温组织。

三、教学方法与手段

课堂讲解、多媒体演示、实验。 四、教学内容与步骤 五、习题与思考题

1．何谓金属的同素异构转变？试画出纯铁的结晶冷却曲线和晶体结构变化图。

答：由于条件（温度或压力）变化引起金属晶体结构的转变，称同素异构转变。

2．为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？

答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%,α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。 3.何谓铁素体（F）,奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P）,莱氏体（Ld）？它们的结构、组织形态、性能等各有何特点？

答：铁素体（F）：铁素体是碳在??Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格。由于碳在

??Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、

硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。

奥氏体（A）：奥氏体是碳在??Fe中形成的间隙固溶体，面心立方晶格。因其晶格间隙

尺寸较大，故碳在??Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。

渗碳体（Fe3C）：铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的

硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。

珠光体（P）：由铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体

有较高的强度和硬度，但塑性较差。

莱氏体（Ld）：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的

相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。

4.Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？

答：①碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金

的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。②为选材提供成分依据：

F?Fe3C相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的

组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；为制定热加工工艺提供依据：对铸造，根据相图可以找出不同成分的钢或铸铁的熔点，确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计铸造性能的好坏。对于锻造：根据相图可以确定锻造温度。对焊接：

根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来减轻或消除组织不均匀性；对热处理：

F?Fe3C相图更为重要，如退火、正火、淬火的加热温度都要参考铁碳相图

加以选择。③由于铁碳相图是以无限缓慢加热和冷却的速度得到的，而在实际加热和冷却通常都有不同程度的滞后现象。

5.画出 Fe-Fe3C 相图，指出图中 S 、C 、E 、P、N 、G 及 GS 、SE 、PQ 、PSK 各点、线的意义，并标出各相区的相组成物和组织组成物。 答:

C：共晶点1148℃ 4.30%C，在这一点上发生共晶转变，反应式：

Lc?AE?Fe3C，

当冷到1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体的两相混合物——莱氏体

?Le???AE?Fe3C?

E：碳在??Fe中的最大溶解度点1148℃ 2.11%C G：??Fe???Fe同素异构转变点（A3）912℃ 0%C H：碳在??Fe中的最大溶解度为1495℃ 0.09%C

J：包晶转变点1495℃ 0.17%C 在这一点上发生包晶转变，反应式：

LB??H?AJ当冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反

应生成具有J点成分的固相A。

N：??Fe???Fe同素异构转变点（A4）1394℃ 0%C P：碳在??Fe中的最大溶解度点 0.0218%C 727℃

S：共析点727℃ 0.77%C 在这一点上发生共析转变，反应式：

As?Fp?Fe3c，

当冷却到727℃时从具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和渗碳体的两相混合物——珠光体P（

Fp?Fe3c）

ES线：碳在奥氏体中的溶解度曲线，又称Acm温度线，随温度的降低，碳在奥化体中

的溶解度减少，多余的碳以

Fe3C形式析出，所以具有0.77%～2.11%C的钢冷

却到Acm线与PSK线之间时的组织渗碳体。

A?Fe3CⅡ，从A中析出的Fe3C称为二次

GS线：不同含碳量的奥氏体冷却时析出铁素体的开始线称A3线，GP线则是铁素体析

出的终了线，所以GSP区的显微组织是F?A。

PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线，随温度的降低，碳在铁素体中的溶解度减少，

多余的碳以

Fe3C形式析出，FeCFeC由

从F中析出的3称为三次渗碳体3Ⅲ，

Fe3CⅢ很少，一般忽略，认为从727℃冷却到室温

于铁素体含碳很少，析出的的显微组织不变。

PSK线：共析转变线，在这条线上发生共析转变

AS?FP?Fe3C，产物（P）珠光

体，含碳量在0.02～6.69%的铁碳合金冷却到727℃时都有共析转变发生。

6.简述 Fe-Fe3C 相图中三个基本反应：包晶反应,共晶反应及共析反应，写出反应式，标出含碳量及温度。

答：共析反应：冷却到727℃时具有S点成分的奥氏体中同时析出具有P点成分的铁素体和

??F0.02+Fe3C6.69 渗碳体的两相混合物。γ0.8??包晶反应：冷却到1495℃时具有B点成分的液相与具有H点成分的固相δ反应生成具

727???γ0.16 有J点成分的固相A。 L0.5+δ0.1??共晶反应：1148℃时具有C点成分的液体中同时结晶出具有E点成分的奥氏体和渗碳体

1495???γ2.14+ Fe3C6.69 的两相混合物。 L4.3??7.何谓碳素钢？何谓白口铁？两者的成分组织和性能有何差别？ 答：碳素钢：含有0.02%~2.14%C的铁碳合金。

白口铁：含大于2.14%C的铁碳合金。

碳素钢中亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成，其中珠光体中的渗碳体以细片状分布在铁素体基体上，随着含碳量的增加，珠光体的含量增加，则钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。当含碳量达到0.8%时就是珠光体的性能。过共析钢组织由珠光体和二次渗碳体所组成，含碳量接近1.0%时，强度达到最大值，含碳量继续增加，强

1147?度下降。由于二次渗碳体在晶界形成连续的网络，导致钢的脆性增加。

白口铁中由于其组织中存在大量的渗碳体，具有很高的硬度和脆性，难以切削加工。 8.亚共析钢、共析钢和过共析钢的组织有何特点和异同点。

答：亚共析钢的组织由铁素体和珠光体所组成。其中铁素体呈块状。珠光体中铁素体与渗

碳体呈片状分布。共析钢的组织由珠光体所组成。过共析钢的组织由珠光体和二次渗碳体所组成，其中二次渗碳体在晶界形成连续的网络状。

共同点：钢的组织中都含有珠光体。不同点：亚共析钢的组织是铁素体和珠光体，共

析钢的组织是珠光体，过共析钢的组织是珠光体和二次渗碳体。

9.分析含碳量分别为 0.20% 、 0.60% 、 0.80% 、 1.0% 的铁碳合金从液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织.

答：0.80%C:在1~2点间合金按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。

冷到3点时（727℃），在恒温下发生共析转变，转变结束时全部为珠光体P，珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体，当温度继续下降时，珠光体中铁素体溶碳量减少，其成分沿固溶度线PQ变化，析出三次渗碳体碳体长在一起，彼此分不出，且数量少，可忽略。

室温时组织P。

0.60% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出A，在2点结晶结束，全部转变为奥氏体。

冷到3点时开始析出F，3-4点A成分沿GS线变化，铁素体成分沿GP线变化，当温度到4点时，奥氏体的成分达到S点成分（含碳0.8%），便发生共析转变，形成珠光体，此时，原先析出的铁素体保持不变，称为先共析铁素体，其成分为0.02%C，所以共析转变结束后，合金的组织为先共析铁素体和珠光体，当温度继续下降时，铁素体的溶碳量沿PQ线变化，析出三次渗碳体，同样很少，可忽略。

所以含碳0.40%的亚共析钢的室温组织为：F+P

1.0% C：合金在1~2点间按匀晶转变结晶出奥氏体，2点结晶结束，合金为单相奥氏体，

冷却到3点，开始从奥氏体中析出二次渗碳体析出，呈网状分布，3-4间

Fe3CⅢ，它常与共析渗

Fe3CⅢ量

Fe3CⅡ，Fe3CⅡ沿奥氏体的晶界

Fe3CⅡ不断析出，奥氏体成分沿ES线变化，当温度

到达4点（727℃）时，其含碳量降为0.77%，在恒温下发生共析转变，形成珠

光体，此时先析出的

Fe3CⅡ保持不变，称为先共析渗碳体，所以共析转变结束

Fe3CⅢ。

时的组织为先共析二次渗碳体和珠光体，忽略

室温组织为二次渗碳体和珠光体。 10．指出下列名词的主要区别：

1）一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体与共析渗碳体； 答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。

二次渗碳体：从A中析出的

Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3C称为三次渗碳体Fe3CⅢ。

三次渗碳体：从F中析出的

共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 2） 热脆与冷脆。

答：热脆：S在钢中以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点共晶，当钢材在1000℃~1200℃

压力加工时，会沿着这些低熔点共晶体的边界开裂，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。

冷脆：P使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢

变脆，这种现象称为“冷脆”。

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