登云科技职业学院 ——机电系

第四章 铁碳合金 §4-1 合金的相结构 合金：两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。 第四章 铁碳合金 §4-1 合金的相结构 合金：两种或两种以上的金属元素，或金属和非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质，称为合金。 组元：组成合金的元素，称为组元。合金总的稳定化合物也可作组元，例如Fe3C。 相：在合金中，凡化学成分和晶格构造相同、并与其他部分有界面分开的均匀组成部分，称为相。 例如：钢液是液相。 组织：一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体。 相，按其晶格结构的基本属性分为固溶体和金属化合物。 机械中大量使用合金的原因： 1.合金比纯金属强度、硬度高，且成本低； 2.可以改变合金的成分和进行不同的热处理在很大的范围内调节其性能。

一、固溶体 溶剂和溶质:对铁碳合金，一部分碳原子溶入到铁的晶格内，保持铁的晶格，则铁是溶剂，碳是溶质。 固溶体:这种溶质的原子进入溶剂晶格，仍保持溶剂晶格类型的金属晶体，称为固溶体。 固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。 1.置换固溶体：溶质原子代替了一部分溶剂原子，占据了溶济的某些节点。如Mn、Cr溶入铁中形成置换固溶体。如图4-1 图4-1 置换固溶体

2.间隙固溶体：溶质的原子进入溶剂晶格空隙部分，不占据节点的位置。如图4-2。如钢种的碳溶入α－Fe中形成间隙固溶体。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，叫有限互溶。合金组元可以以任何比例互相溶解叫无限互溶。 图4-2 间隙固溶体

3.固溶体强化：形成固溶体时，溶剂的晶格产生不同程度的畸变，这种畸变使塑性变形阻力增加，表现为固溶体的强度、硬度增加，这种现象称为固溶体强化。如图4-3，4-4 图4-3 铁碳合金固溶体 图4-4 间隙固溶体晶格畸变

金属化合物：组成合金的组元之间发生相互作用而形成的具有不同于原组元晶格结构的一种具有金属特性的新物质。是金属与金属，或金属与非金属之间形成的具有金属特性的化合物。黄铜中的CuZn,铁碳合金中的渗碳体(Fe3C)。如图4-5 金属间化合物特点:熔点高、硬而脆，它是许多合金的重要组成相，提高金属的强度 、硬度、耐磨性，而塑性韧性降低。 例如渗碳体Fe3C是金属化合物硬度极高800HBS可以划玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性近于零。 弥散强化：金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时,使合金的强度，硬度，耐热性和耐磨性明显提高的现象。

相图：表示合金系中的合金状态与温度、成分之间关系的图解。利用相图能知道各种成分的合金在不同温度下存在哪些相，各个相的成分及其相对量。 二元合金相图：由两组元组成的合金系构成的相图。 一、二元相图的建立 例：Cu－Ni二元合金相图测定，如图4-6 配置不同成分Cu－Ni二元合金(L-液相，α－固相） 测定合金冷却曲线，从冷却曲线上找出临界点（结晶开始与终了温度），把各临界点温度标注在坐标中，连接各临界点。

1.二元匀晶相图：凡是二组元在液态和固态下均能完全相互溶解的二元合金相图，如Cu－Ni、 Au-Ag、Fe-Ni。 相图的分析：二元匀晶相图有 三个相区。两个单相区，一个 双相区：AmB线以上为液相L； AnB线以下为α固溶体区； AmB线和AnB线之间为L＋α 为双相区。如图4-7 图4-7 二元匀晶相图

Al-Si合金相图分析 相图有三个相： 液相L、固相Al和Si； 三个区：液相区L、 单相区（ Al+L）与 （ Si +L)、双相区 图4-8 二元共晶相图

铁碳合金是以铁为基础的合金，也是钢和铁的总称。 3.二元共析相图：具有共析转变的二元相图。从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同的两种新的固相的转变过程。 §4-3 铁碳合金的结构和相图 铁碳合金是以铁为基础的合金，也是钢和铁的总称。 一、铁碳合金的基本组织 铁碳合金的基本组元是Fe与Fe3C； 基本相有铁素体、奥氏体和渗碳体三种； 基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体和低温莱氏体六种。

1. 铁素体F：碳溶解于α—Fe中形成的间隙固溶体，600℃时溶碳量为0. 006％，727℃时0 1.铁素体F：碳溶解于α—Fe中形成的间隙固溶体，600℃时溶碳量为0.006％，727℃时0.0218％。因铁素体溶碳量少，故固溶体强化作用甚微，其力学性能和纯铁相近，特征是强度、硬度低，塑性、韧性好。如图4-9 2.奥氏体 A：奥氏体—碳溶入γ-Fe中形成的固溶体，呈面心立方。1148℃时最大溶碳量2.11％，在727℃时溶碳量为0.77％，铁碳合金中奥氏体为高温组织。奥氏体的力学性能和溶碳量有关，一般说，其强度不高，硬度不高，塑性优良。锻造和轧制时为利于塑性变形，通常将钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。如图4-10 3.渗碳体Fe3C ：铁与碳相互作用所形成的具有复杂晶格结构的金属化合物。渗碳体的硬度极高（950～1050HV），可刻划玻璃，但极脆，塑性、韧性几乎为零。 。

4. 珠光体P：铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体wc0 4.珠光体P：铁素体和渗碳体的机械混合物。珠光体wc0.77％，强度(770MPa)较高，硬度（180～200HBS）适中，有一定的塑性（δ≈20％～35％）和韧性,综合力学性能较好。适于压力加工及切削加工。相图中珠光体是层片状的组织。如图4-12 光学显微镜观察组织 电子显微镜观察组织 图4-12 珠光体显微组织

高温莱氏体：奥氏体（A）和渗碳体(Fe3C)的混合物，用符号Ld表示。 727℃以上。 5.莱氏体：分为高温莱氏体和低温莱氏体。 高温莱氏体：奥氏体（A）和渗碳体(Fe3C)的混合物，用符号Ld表示。 727℃以上。 低温莱氏体：室温下的莱氏体，由珠光体(P)和渗碳体(Fe3C)组成，用符号Ld′表示。 727℃以下。如图4-13 莱氏体wc4.3％，Fe3C 相对量也较多（约占64％以上），故莱氏体的性能与渗碳体相似，即硬而脆。 图4-13 低温莱氏体显微组织

机械混合物：是在结晶过程中形成的两相组织，例如可以是纯金属、固溶体、或化合物的混合物，各相保持原有的晶格，混合物的性能介于各组成相之间，和各相的形状、大小、和分布有关。

二、铁碳合金的结构和相图 图4-14 简化的铁碳相图 铁碳合金相图：表示在平衡条件下，不同成分的铁碳合金、在不同温度下与组织或状态之间关系的图形。如图4-14，4-15 图4-14 简化的铁碳相图

铁碳合金状态图的分析 1.四个单相区：1)液相（L） 2）奥氏体相（A） 3）铁素体相（F） 4）渗碳体相（Fe3C） 2.相图中的特征点 见表1-1 表1-1 铁碳合金状态图中各特征点的意义

1）ACD线——液相线，用L表示，此线以上是液体，温度降至此线开始结晶。 2）AECF线——固相线，合金温度降至此线全部结晶成固态。 3.特性线 1）ACD线——液相线，用L表示，此线以上是液体，温度降至此线开始结晶。 2）AECF线——固相线，合金温度降至此线全部结晶成固态。 *注意液相线和固相线之间的区域：L+A和L+Fe3CI（一次渗碳体、初生渗碳体） *C点：温度为1148ºC含碳量为4.3％，发生共晶反应结晶出奥氏体和渗碳体，是一种机械混合物，称为莱氏体，Ld，反应式为： 1148ºC Lc ------- Ld（A+Fe3C） 3）ECF线—共晶线，含碳量为2.11％～6.639％得所有合金（即铸铁）经此线都要发生共晶反应，形成一定量的莱氏体，只有C点全部结晶为莱氏体。

4）GS线——常用A3表示，温度降至此线奥氏体析出铁素体，这是同素异晶转变的结果。 5）ES线——碳在奥氏中的溶解度曲线，常用Acm表示，温度越低，奥氏体的溶碳量越小，过饱和的碳将以渗碳体的形式析出 6）PSK线——共析线，当S点成分的奥氏体冷却到PSK线时，发生共析反应，同时析出铁素体和渗碳体，合称珠光体P。反应式为： 727ºC As P(F+Fe3C)

*注意各种成分的铁碳合金冷却到PSK线时都要发生共析反应，除S点外，其他的合金都将形成一定量的珠光体。 7）PQ线——碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体冷却到此线，将以Fe3C形式析出过饱和的碳，形成的渗碳体，称为三次渗碳体Fe3CIII，三次渗碳体数量极少，对钢铁性能影响一般可忽略不计。 4.相图中五个两相区：L+A、L+ Fe3C 、A+F 、A+ Fe3C 、F+ Fe3C 5.两个三相共存区：L+A+ Fe3C 、A+F+ Fe3C 6.铁碳相图中铁碳合金的分类 分为工业纯铁、钢和白口铸铁。 1）工业纯铁：wC＜0.0218%的铁碳合金，其室温组织：铁素体。

3)铸铁:即生铁 含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合金，安室温组织的不同，分为三类： 2） 钢：含碳量小于2.11％的铁碳合金，按室温组织不同又可分为三类，以0.77％为界： 共析钢：成分为0.77%C的铁碳合金，室温组织：珠光体； 亚共析钢：成分为0.0218~0.77%C的铁碳合金，室温组织：铁素体+珠光体； 过共析钢：成分为0.77~2.11%C的铁碳合金，室温组织：珠光体+二次渗碳体。 3)铸铁:即生铁 含碳量为2.11％～6.69％的铁碳合金，安室温组织的不同，分为三类： 共晶白口铸铁：4.3%C的铁碳合金，室温组织：变态莱氏体； 亚共晶白口铸铁：成分为2.11~4.3%C的铁碳合金，室温组织：变态莱氏体+珠光体+二次渗碳体； 过共晶白口铸铁：成分为4.3~6.69%C的铁碳合金，室温组织：变态莱氏体+一次渗碳体 。

三、典型成分合金平衡结晶过程分析 图4-16 典型成分合金平衡结晶过程

1.共析钢：室温组织珠光体。如图4-17 图4-17 共析钢结晶过程

2.亚共析钢：室温组织铁素体和珠光体。如图4-18 图4-18 亚共析钢结晶过程 3.过共析钢 ：室温组织珠光体和网状二次渗碳体。如图4-19 图4-19 过共析钢结晶过程

4.共晶白口铸铁：室温组织：珠光体+二次渗碳体+共晶渗碳体，即变态莱氏体（L’d）。如图4-20 图4-20 共晶白口铸铁结晶过程 5.亚共晶白口铸铁:室温组织珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体 。如图4-21 图4-21 亚共晶白口铸铁结晶过程

6.过共晶白口铸铁:室温组织一次渗碳体+变态莱氏体 。如图4-22 图4-22 过共晶白口铸铁

1.铁碳合金成分与组织间的关系 如图4-23 图4-23 铁碳合金的相组成物、组织组成物的相对含量与含碳量关系

2. 含碳量对铁碳合金力学性能的影响 wC＜0. 9%时，含碳量， 强度和硬度，塑性、 韧性；而当wC＞0