第一节 铁碳合金的基本组织 一、纯铁的同素异构转变 大多数金属结晶终了后，在继续冷却的过程中，其晶体结构不再发生变化。但有些金属如铁、钴、钛等，在固态下因所处温度不同而具有不同的晶格形式。金属在固态下随温度的改变由一种晶格变为另一种晶格的变化，称为同素异构转变或同素异晶转变。由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体或同素异晶体。常温下的同素异构体一般用符号α表示，温度较高时的同素异构体依次用符号β、γ、δ表示。

金属的同素异构转变过程与金属液的结晶过程很相似，实质上它是一个重结晶过程。 同素异构转变同样遵循结晶的一般规律：转变时需要过冷；有潜热产生；转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长大来完成的 同素异构转变是在固态下发生的，原子扩散比较困难，致使同素异构转变需要较大的过冷度。 同素异构转变前后晶格类型不同，原子排列的疏密程度发生改变，将引起晶体体积的变化，故同素异构转变往往会产生较大的内应力。

纯铁的冷却曲线 δ - Fe γ - Fe α - Fe 1600 1534℃ 温度 1500 1400 1394℃ 1300 1200 1000 600 800 1200 温度 时间 1600 1500 500 700 900 1100 1300 1400 1534℃ δ - Fe 1394℃ γ - Fe 912℃ α - Fe

二 铁碳合金的基本组织 一、铁素体 碳溶于α–Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。在727℃时溶碳量最大，可达0.0218%。随着温度的下降，溶碳量逐渐减小，在600℃时约为0.0057%，室温时几乎等于零。因此，铁素体的性能几乎和纯铁的相同，即强度、硬度低，塑性、韧性好（σb=180~280MPa，50~80HBS，δ=30%~50%）。铁素体的显微组织与纯铁相同，在显微镜下观察，呈明亮的多边形晶粒组织，如图5–3所示。

二、奥氏体 碳溶于γ–Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。在1148℃时溶碳量最大，可达2.11%。随温度下降溶碳量逐渐降低，727℃时溶碳量为0.77%。 奥氏体的力学性能与其溶碳量和晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为170~220HBS，伸长率为40%~50%，因此，奥氏体的硬度较低而塑性较好，易于锻压成形。 奥氏体存在于727℃以上的高温范围内，高温下奥氏体的显微组织也是由多边形晶粒构成的，但一般情况下，晶粒较粗大，晶界较平直，如图5–4所示。

三、渗碳体 渗碳体的分子式为Fe3C，它是一种具有复杂晶体结构的金属化合物，其晶体结构如图5–5所示。 渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点约为1227℃，硬度很高（800HBW），但塑性和韧性几乎为零，脆性很大。渗碳体不发生同素异构转变，却有磁性转变，在230℃以下具有弱的铁磁性。 渗碳体的组织形态很多，在铁碳合金中与其他相共存时，可以呈片状、粒状、网状或板条状。渗碳体是碳钢中的主要强化相，它的数量、形态、大小与分布对钢的性能有很大的影响。 渗碳体是一种亚稳定相，在一定条件下可以发生分解，形成石墨。

四、珠光体(P) 铁素体和渗碳体组成的机械混合物叫做珠光体．通常用P表示。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物，故机械性能介于渗碳体和铁素 体之间。它的强度较好(σb约为750MPa)，HB约为180。期显微组织如图所示，黑色部分为铁 素体，白色部分为渗碳体，珠光体呈层片状特征，表面具有珍珠光泽。

五、莱氏体(Ld) 莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量 。 当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号“Ld”表示。在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号“Ld′”，表示，称为变态莱氏体。莱氏体组织由于含碳量高，基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。

铁碳合金基本组织 三次渗碳体 二次渗碳体 渗碳体 铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体

第二节 铁碳合金相图 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。

Fe - Fe3C 相图的建立 Fe T° Fe3C

Fe - Fe3C 相图 L A Ld Ld’ P 匀晶相图 共晶相图 L+A 共析相图 Fe Fe3C T° A D 1148℃ C L+ Fe3CⅠ E 2.11%C 4.3%C F A ( A+Fe3C ) G 共析相图 Ld Ld+Fe3CⅠ A+ Fe3CⅡ A+Le+Fe3CⅡ S A+F 727℃ F 0.0218%C P ( F+ Fe3C ) K 0.77%C P P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ Ld’+Fe3CⅠ P+F P+Fe3CⅡ ( P+Fe3C ) Q 6.69%C

Fe - Fe3C 相图 L L+A A Ld Ld’ P Fe Fe3C T° A D 1148℃ C L+ Fe3CⅠ E 2.11%C ( A+Fe3C ) G Ld Ld+Fe3CⅠ A+ Fe3CⅡ A+Ld+Fe3CⅡ S A+F 727℃ F 0.0218%C P ( F+ Fe3C ) K 0.77%C P P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ Ld’+Fe3CⅠ P+F P+Fe3CⅡ ( P+Fe3C ) Q 6.69%C

第二节 铁碳合金相图 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。简化后的Fe–Fe3C相图如图所示。 L+F3C D 1227 0.0218 6.69 1148

表3–1 Fe–Fe3C相图中的特性点 特性点 温度/℃ 碳的质量分数（%） 含 义 A 1538 纯铁的熔点 C 1148 4.3 共晶点 含 义 A 1538 纯铁的熔点 C 1148 4.3 共晶点 D 1227 6.69 渗碳体的熔点 E 2.11 碳在奥氏体中的最大溶解度 G 912 纯铁的同素异构转变温度 P 727 0.0218 碳在铁素体中的最大溶解度 S 0.77 共析点 Q 室温 0.0008 碳在铁素体中的溶解度 L+F3C D 1227 0.0218 6.69 1148

现将Fe–Fe3C相图中的相界线及其含义归纳于表3–2。 2．相图中各线分析 现将Fe–Fe3C相图中的相界线及其含义归纳于表3–2。 表3–2 Fe–Fe3C相图中的特性线 特性线 含 义 AC 液相线，液态合金冷却到该线时开始结晶出奥氏体 DC 液相线，液态合金冷却到该线时开始结晶出一次渗碳体 AE 固相线，奥氏体结晶终了线 ECF 共晶线，液态合金冷却到该线时发生共晶转变 ES 碳在奥氏体中的溶解度线，常称Acm线 GS 奥氏体转变为铁素体的开始线，常称A3线 GP 奥氏体转变为铁素体的终了线 PSK 共析线，常称A1线，奥氏体冷却到该线时发生共析转变 PQ 碳在铁素体中的溶解度线 L+F3C D 1227 0.0218 6.69 1148

表3–3 Fe–Fe3C相图各相区的相组分 相区范围 相组分 ACD线以上 L AESGA A GPQG F AECA L+A DCFD L+ Fe3C GSPG A+F ESKFE A+ Fe3C PSK线以下 F+ Fe3C ECF线 L+A+ Fe3C PSK线 A+F+ Fe3C

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，如图所示。

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、钢和白口铸铁三类，见表3–4。 二、铁碳合金的分类 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、钢和白口铸铁三类，见表3–4。 表3–4 铁碳合金的分类 合金类别 工业纯铁 钢(wC<2.11%) 白口铸铁(2.11%<wC<6.69%) 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶 白口铸铁 共晶 过共晶 碳的质量分数（%） ≤0.0218 0.0218~0.77 0.77 0.77~2.11 2.11~4.3 4.3 4.3~6.69 室温组织 F F+P P P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Ldˊ Ldˊ Ldˊ+ Fe3CⅠ

L+F3C D 1227 0.0218 6.69 1148

1．工业纯铁 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Fe3CⅢ。

工业纯铁的室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ，如图所示。

2．共析钢( Wc = 0.77% ) 共析钢的结晶过程

共析钢组织金相图

3．亚共析钢 亚共析钢的结晶过程

亚共析钢组织金相图

4．过共析钢 过共析钢的结晶过程

过共析钢组织金相图

5．共晶白口铸铁 共晶白口铸铁的结晶过程

共晶白口铁组织金相图

6.亚共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁的结晶过程

亚共晶白口铁组织金相图

7.过共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁的结晶过程

过共晶白口铁组织金相图

工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁

四、铁碳合金的室温平衡组织、性能随成分变化的规律 随着碳的质量分数增加，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。 1.碳的质量分数对平衡组织的影响

2.碳的质量分数对力学性能的影响

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。 铁碳相图的应用 铁碳相图从客观上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定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺提供了重要的理论依据。 1．在选材方面的应用 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。

铁碳相图的应用 2．在制定热加工工艺方面的应用 根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。 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。 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。 各种热处理工艺与铁碳相图有非常密切的关系。

任务五非合金钢（碳钢）

钢中的元素 钢中除Fe、C两种主要组成元素外。 杂质元素： 因冶炼等原因，钢中不 合金元素： 杂质元素和合金元素在钢中的作用 可避免地存在的一些元素。 合金元素： 为改善钢的性能，冶炼 时有目的地加入钢中的元素。

不管是杂质元素、还是合金元素， 都会对钢的组织和性能产生影响。

一、杂质元素对钢性能的影响 钢中的常存杂质元素 Mn、Si、S、P

来 源 有益作用 有益元素 有害影响 炼钢时加入的脱氧剂。 1、Si的作用 来 源 炼钢时加入的脱氧剂。 有益作用 能消除FeO夹杂对钢的不良影响，少量能溶入F中起固溶强化作用，提高钢的强度、硬度及弹性。 有益元素 有害影响 过多会造成塑性下降，冲击性能变差。

来 源 有益作用 有益元素 有害影响 炼钢时加入的脱氧剂。 能与S化合形成MnS，减轻S的有害影响；少量能溶入F 中起固溶强化作用。 来 源 炼钢时加入的脱氧剂。 有益作用 能与S化合形成MnS，减轻S的有害影响；少量能溶入F 中起固溶强化作用。 有益元素 有害影响 过多会造成塑性下降。

来 源 有益作用 有害影响 有害元素 炼钢原料和燃料。 3、S的作用 来 源 炼钢原料和燃料。 有益作用 在钢中形成FeS , FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体 分布在晶界上，使得对钢进行热加工时容易脆化开裂，这种现象称为热脆。 有害影响 有害元素

来 源 有益作用 有害影响 有害元素 炼钢原料和燃料。 少量能溶入F中，使强度、硬度显著提高。 4、P的作用 来 源 炼钢原料和燃料。 有益作用 少量能溶入F中，使强度、硬度显著提高。 有害影响 引起钢的塑性和韧性急剧下降，尤其在低温时脆性更大，这种现象称为冷脆。 有害元素

杂质元素总结： 元素有益与有害是相对的： 硅、锰虽有益，但也不是多多益善； 硫、磷虽有害，应该严格控制含量。

二、钢的分类 非合金钢（碳素钢） 按化学成分分类 低合金钢 合金钢

非合金钢分类 低碳钢： <0.25% 按碳含量Wc 中碳钢： 高碳钢： >0.60% 普通质量碳钢： 按质量 优质碳钢： 0.25~0.60% 非合金钢分类 高碳钢： >0.60% 普通质量碳钢： 按质量 优质碳钢： 特殊质量碳钢： 碳素结构钢： 按用途 碳素工具钢： 碳素铸钢：

低合金钢分类 普通质量低合金钢 按质量 优质低合金钢 特殊质量低合金钢 可焊接的低合金高强度结构钢 按主要性能及特性 低合金耐热钢 低合金钢筋钢 铁道用低合金钢，等

合金钢分类 优质合金钢 按质量 特殊质量合金钢 工程结构用合金钢 按主要性能及特性 机械结构用合金钢 不锈、耐蚀和耐热钢 工具钢 轴承钢 特殊性能钢

非合金钢（碳钢） 碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 铸造碳钢

三、碳素结构钢： Q×××AF 沸腾钢F 屈服点 脱氧方法 镇静钢Z 屈服点s的值 质量等级：A、B、C、D、E 半镇静钢b 特殊镇静钢TZ 质量等级：A、B、C、D、E

例： Q235AF 表示屈服点为235MPa、质量为A级的碳素结构钢，是沸腾钢。 Q285B 表示屈服点为285MPa、质量为B级的碳素结构钢，是镇静钢，省略Z。

Q235 成 分 含碳量较低，Wc<0.30% 热 处 理 性 能 典型牌号 正火，使用时不进行热处理。 碳素结构钢 成 分 含碳量较低，Wc<0.30% 正火，使用时不进行热处理。 热 处 理 较高的强度，良好的塑性与韧性；并具有良好的焊接性。 性 能 Q235 典型牌号

如表3-2（P40） 应 用 Q195、Q215、Q235、Q255、275 可用于受力较大的机械零件，如链轮、拉杆等。 应 用 Q195、Q215、Q235、Q255、275 可用于受力较大的机械零件，如链轮、拉杆等。 一般桥梁、建筑结构，普通机械零件，如螺钉、螺母等。

四、优质碳素结构钢： 用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。 例： —— 表示平均碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。 45

———表示Wc为0.65%、含锰量较高（WMn=0.9~1.2%)的优质碳素结构钢。 08F

45 Wc=0.05-0.85%，多数为低中碳成分，少数高碳。 成 分 热 处 理 性 能 典型牌号 一般使用时必须进行热处理。 优质碳素结构钢 Wc=0.05-0.85%，多数为低中碳成分，少数高碳。 成 分 一般使用时必须进行热处理。 热 处 理 较高强度，较好塑性与韧性。性能变化范围较大。 性 能 典型牌号 45

应 用 如表3-3（P41） 08F、 20、 45、 65 冷冲压件，如汽车和仪表外壳、容器、罩子等。 应 用 如表3-3（P41） 08F、 20、 45、 65 冷冲压件，如汽车和仪表外壳、容器、罩子等。 冷冲压件、焊接件和标准件、渗碳件等零件。 调质件：机床齿轮、机床主轴、曲轴、连杆等重要零件。 弹性件和耐磨件：小尺寸弹簧、低速车轮等

五、碳素工具钢： T（“碳”）+两位数字（表示钢中平均碳的质量分数的千分数）。 例： —— 表示平均碳质量分数为0.8%的碳素工具钢。 T8 —— 表示平均碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。 T12A

T8、T10、T12A 成 分 Wc=0.70-1.30%，高碳钢 热 处 理 性 能 典型牌号 必须经淬火回火处理。 碳素工具钢 成 分 Wc=0.70-1.30%，高碳钢 热 处 理 必须经淬火回火处理。 高的硬度、强度，良好的耐磨性，一定的塑性与韧性。 性 能 T8、T10、T12A 典型牌号 各类手工工具和低速工具。

应 用 如表3-4（P43） T7、T8、 T10、 T12、T13A 承受振动、冲击的工具，如冲头、大锤、木工工具。 应 用 如表3-4（P43） T7、T8、 T10、 T12、T13A 承受振动、冲击的工具，如冲头、大锤、木工工具。 用于需要较高耐磨性和一定韧性的工具，如手工锯条、剪金属用剪刀。 不受振动和冲击的耐磨工具，如丝锥、锉刀、乔刀、板牙、量具等。

六、铸造碳钢： ZG+两组数字（分别表示最小屈服点和最小抗拉强度）。 例： —— 表示最小屈服点为310MPa、最小抗拉强度为570MPa的铸造碳钢。 ZG310-570

ZG200-400 成 分 Wc=0.20-0.60%，低中碳 热 处 理 性 能 典型牌号 铸造成形，经热处理后使用。 铸造碳钢 成 分 Wc=0.20-0.60%，低中碳 热 处 理 铸造成形，经热处理后使用。 较高的硬度、强度和塑性、韧性，即综合力学性能较好。 性 能 典型牌号 ZG200-400

应 用 如表3-5（P44） ZG200-400、ZG270-500、ZG310-570 用于受力不大，要求良好塑性和焊接性的零件，如机座、变速箱壳体。 用于受力较大的复杂零件，如轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体。 强度和耐磨性较好，但韧性、焊接性降低。用于重载齿轮、制动轮。