第二单元铁碳相图（预计学时数：4课时）【学习目的和要求】1.知识掌握：本部分主要介绍了纯铁的相变、铁碳合金相、二元铁碳合金相图、铁碳合金的类型、钢的冷却析晶过程与形成的组织（亚共析钢、共析钢和过共析钢）。2.能力培养：通过本部分内容的学习，使学生了解碳元素在钢中的作用，掌握铁碳相图、不同钢种的析晶过程与最终形成的相组成、组织结构与性能。3.教学方法：讲授过程中多注重对相图的理解，增加同学的实际练习机会，在课堂上添加教学互动环节。【重点】铁碳相图、各种钢的平衡冷却析晶过程与形成的相和组织。【难点】铁碳相图的分析，钢和铁平衡冷却过程示意图第一节金属学相关概念1.1基本概念（1）金属：具有不透明、金属光泽的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。（2）金属的晶体结构体心立方、面心立方、密排六方（3）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。（4）固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（5）金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物（6）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。（7）铁素体：碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。（8）奥氏体：碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。（9）渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）（10）珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3C）（11）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物。6
6 第二单元 铁碳相图 （预计学时数：4 课时） 【学习目的和要求】 1.知识掌握：本部分主要介绍了纯铁的相变、铁碳合金相、二元铁碳合金相图、 铁碳合金的类型、钢的冷却析晶过程与形成的组织（亚共析钢、共析钢和过共析钢）。 2.能力培养：通过本部分内容的学习，使学生了解碳元素在钢中的作用，掌握铁 碳相图、不同钢种的析晶过程与最终形成的相组成、组织结构与性能。 3.教学方法：讲授过程中多注重对相图的理解，增加同学的实际练习机会，在课 堂上添加教学互动环节。 【重点】 铁碳相图、各种钢的平衡冷却析晶过程与形成的相和组织。 【难点】 铁碳相图的分析，钢和铁平衡冷却过程示意图 第一节 金属学相关概念 1.1 基本概念 （1）金属：具有不透明、金属光泽的导热和导电性并且其导电能力随温 度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。 （2）金属的晶体结构 体心立方、面心立方、密排六方 （3）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特 性的物质。 （4）固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类 型与组元之一相同的固相称之为固溶体。 （5）金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于 任一组元的新相称之为金属化合物 （6）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种 晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。 （7）铁素体：碳在 α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。 （8）奥氏体：碳在 γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。 （9）渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）。 （10）珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3C） （11）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物
1.2知识拓展固溶体是不同于完整晶体的一种固体状态，类似于液体中有纯净液体和含有溶质的溶液一样，晶体中含有外来杂质原子的固体也相当于一种固体的溶液，简称为固溶体。其中原来的晶体相当于溶剂，外来杂质原子相当于溶质。值得注意的是，所谓固溶体必须保持在掺入外来杂质原子后原来的晶体结构不发生转变。另一方面固溶体的晶体结构虽然和溶剂相同，晶格结构保持不变，但因溶质原子的溶人引起了点阵常数的改变并导致点阵畸变，破坏了基质点排列的有序性和引起周期势场的畸变，使其性能发生变化，置换固溶体如材料的导电性、强度以及其他很多功能。固溶体普遍存在于金属材料和无机非金属材料中，实用的金属材料多数是合金，它们就是固溶体：固溶体一般有一个固溶度（就像溶液有溶解度一样），当外来杂质原子溶人过量，超过固溶体的固溶度，原来基质晶体的结构就会被破坏。根据溶质原子在晶体点阵中的位置，可以将固溶体分为二类：一类是置换固溶体，即溶质原子替代了原来溶剂原子的位置；另一类是间隙固溶体，当溶质和溶剂的原子尺寸差较大时，特别在溶质原子尺寸较小时，溶质原子填充了点阵的间隙位置，形成间隙固溶体。若有两组元A和B组成固溶体时，除了形成以A为基或以B为基的固溶体之外，当超过固溶体的溶解限度时，还可能形成晶体结构不同于该两组元间隙固溶体的新相。新相可有多种类型，但它们在二元相图上所处的位置总是两个固溶体区域之间的中间部位，所以通常把这些固溶体相总称为中间相，金属材料中，许多合金属于这种中间相，由于中间相常具有金属性，所以有时就叫做金属化合物。第二节铁碳合金的组元2.1纯铁：纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图所示：工业纯铁的机械16001538性能特点是强1500d-Fe1394度、硬度低，塑-（體心立方）1400性好，机械性能1300C1200大致如下：家"-Fe1100度（面心立方）....1000温912拉伸强度：福90018~28x10°N/m2a-Fe800（體心立方）屈服强度：700业60010~17×10°N/m2新500延伸率：福时间30~50%投纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394及912℃时，先后发生2次断面收缩率：服晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变70~80%发（allotropictransformation）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁冲击值：的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下：160~200J/cm2-Fe台y-Fe台α-Fe布氏硬度：温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe：温度在912~1394℃间的铁HB50~80为面心立方晶格，称为-Fe；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为-Fe。7
7 1.2 知识拓展 固溶体是不同于完整晶体的―种固体状态，类似于液体中有纯净液体和含有溶质的 溶液―样，晶体中含有外来杂质原子的固体也相当于一种固体的溶液，简称为固溶体。 其中原来的晶体相当于溶剂，外来杂质原子相当于溶质。值得注意的是，所谓固溶体必 须保持在掺入外来杂质原子后原来的晶体结构不发生转变。另一方面固溶体的晶体结构 虽然和溶剂相同，晶格结构保持不变，但因溶质原子的溶人引起了点阵常数的改变并导 致点阵畸变，破坏了基质点排列的有序性和引起周期势场的畸变，使其性能发生变化， 如材料的导电性、强度以及其他很多功能。固溶体普遍存在于金属材枓和无机非金属材 料中，实用的金属材料多数是合金，它们就是固溶体；固溶体一般有一个固溶度（就像 溶液有溶解度一样），当外来杂质原子溶人过量，超过固溶体的固溶度，原来基质晶体 的结构就会被破坏。根据溶质原子在晶体点阵中的位置，可以将固溶体分为二类；一类 是置换固溶体，即溶质原子替代了原来溶剂原子的位置；另一类是间隙固溶体，当溶质 和溶剂的原子尺寸差较大时，特别在溶质原子尺寸较小吋，溶质原子填充了点阵的间隙 位置，形成间隙固溶体。若有两组元 A 和 B 组成固溶体时，除了形成以 A 为基或以 B 为基的固溶体之外，当超过固溶体的溶解限度时，还可能形成晶体结构不同于该两组元 的新相。新相可有多种类型，但它们在二元相图上所处的位置总是两个固溶体区域之间 的中间部位，所以通常把这些固溶体相总称为中间相，金属材料中，许多合金属于这种 中间相，由于中间相常具有金属性，所以有时就叫做金属化合物。 第二节 铁碳合金的组元 2.1 纯铁： 纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图所示： 纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394及912℃时，先后发生2次 晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变 （allotropic transformation）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁 的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下： δ−Fe ⇔γ−Fe ⇔ α−Fe 温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912~1394℃间的铁 为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格， 称为δ-Fe。 间隙固溶体 工业纯铁的机械 性能特点是强 度、硬度低，塑 性好，机械性能 大致如下： 拉伸强度： 18~28×107 N/m2 屈服强度： 10~17×107 N/m2 延伸率： 30~50% 断面收缩率： 70~80% 冲击值 ： 160~200J/cm2 布氏硬度： HB 50~80 置换固溶体
2.2碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在α-Fe和y-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方结构的八面体空隙。奥氏体与y-Fe均具有顺磁性。2.3铁碳化合物当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化物Fe:C的形式存在。Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。第三节铁碳相图及相图分析3.1铁碳相图HA1538L+d特殊要求：B149515000+？此相图为本门课50.170.531400程的理论基础，L13941300非常关键，要求L+FesC1227L+YD每位同学都能独1200-A立绘图。LEC110011484.32.111000掌握技巧：G912（1）记形状：900+Fe:Cu+?8(2)标单相800度S(3)写双相tt.明K700P0.77727(4)0.0218Fec600关键点.：O(1)三条水平线500（2)七个关键点400"+FerC3002001000Fe?466.69（%（重量）8
8 2.2 碳在铁中的固溶体 碳的原子半径较小，在α-Fe 和γ-Fe 中均可进入Fe 原子间的空隙而形 成间隙固溶体。 碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F 或α 表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α 结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点770℃以下均具有铁磁性。 碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A 或 γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ 结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性。 2.3 铁碳化合物 当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化 物Fe3C 的形式存在。Fe3C 称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合 物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。 特殊要求： 此相图为本门课 程的理论基础， 非常关键，要求 每位同学都能独 立绘图。 掌握技巧： （1） 记形状； （2） 标单相 （3） 写双相 （4） 关键点：： （1）三条水平线 （2）七个关键点 第三节 铁碳相图及相图分析 3.1 铁碳相图
3.2相图分析（1）图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。（2）整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成：①在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变：LB+O-Y转变产物是Y。此转变仅发生在含碳0.09-0.53%的铁碳合金中。②在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：L-Y+FeC转变产物是y和FesC的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号Ld或Le表示。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生此转变。③在PSK水平线（727C）发生共析转变：y-→ap+ Fesc转变产物是a和FesC的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。（3）Fe-Fe:C相图中还有三条重要的固态转变线：①GS线：中开始析出α或α全部溶入的转变线，常称此温度为A3温度。②ES线：碳在y中的溶解度线。常称此温度为Acm温度。低于此温度时，中将析出Fe3C，称为二次渗碳体FesCr，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体FesCr。③PQ线：碳在a中的溶解度线。a从727℃冷却下来时，也将析出FesC，称为三次渗碳体FesCm。（4）相图中各特性点的温度、碳含量及其含义。符号温度（℃）含义碳含量（wt%）A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点Lc→Y+Fe,CD12276.69Fe:C的熔点E11482.11碳在y-Fe中的最大溶解度F11486.69FesC的成分0G912α-Fe-Fe同素异晶转变点（A3）H14950.09碳在8-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点L+>YK7276.69Fe3C的成分N13940-FeS-Fe同素异晶转变点（As)P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A）ap+Fe,C6000.0057Q600℃（或室温）时碳在a-Fe中的溶解度0.0008(室温)9
9 3.2 相图分析 （1）图中ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。 （2）整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成： ① 在HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变： LB+δH→γJ 转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09-0.53%的铁碳合金中。 ② 在ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变： LC→γE +Fe3C 转变产物是γ和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite）， 用符号Ld或Le 表示。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生此转变。 ③ 在PSK 水平线（727℃）发生共析转变： γ→αp+ Fe3C 转变产物是α和Fe3C的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用 符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。 共析转变温度通常称为A1温度。 （3）Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线： ① GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为 A3温度。 ② ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm 温度。低于此温 度时，γ中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体 中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。 ③ PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出 Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CIII。 （4）相图中各特性点的温度、碳含量及其含义
第四节典型铁碳合金的平衡凝固根据组织特征，可参照Fe-Fe3C相图将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：(1）工业纯铁<0.0218%C(2)共析钢0.77%C(3)亚共析钢0.0218~0.77%C(4)过共析钢0.77~2.11%C4.30%C(5）共晶白口铸铁(6)亚共晶白口铸铁2.11~4.30%C（7）过共晶白口铸铁4.30~6.69%C4.1工业纯铁的平衡凝固过程分析：11合金溶液在1~2点温度区间结晶出固溶体。冷+却至3点时，开始发生固溶体的同素异构转变8→。这一转变在4点结束，合金为单相。冷至5~6点之间又发生同素异构转变→a，6点以下全部为a。冷却至7点时，碳在a中的溶解度达到饱和，在7点以下，将从α中析出三次渗碳体Fe;Cm.因此工业纯铁的室温组织为α+Fe;C持10
10 第四节 典型铁碳合金的平衡凝固 根据组织特征，可参照Fe-Fe3C相图将铁碳合金按含碳量划分为七种类 型： (1) 工业纯铁 <0.0218%C (2) 共析钢 0.77%C (3) 亚共析钢 0.0218~0.77%C (4) 过共析钢 0.77~2.11%C (5) 共晶白口铸铁 4.30%C (6) 亚共晶白口铸铁 2.11~4.30%C 合金溶液在1~2 点温度 区间结晶出δ固溶体。冷 却至3 点时，开始发生 固溶体的同素异构转变 δ →γ。这一转变在4点结 束，合金为单相γ。冷至 5~6点之间又发生同素 异构转变γ→α，6 点以 下全部为α。冷却至7 点 时，碳在α中的溶解度达 到饱和，在7 点以下， 将从α中析出三次渗碳 体Fe3CIII。因此工业纯铁 的室温组织为α+Fe3CIII。 分析： (7) 过共晶白口铸铁 4.30~6.69%C 4.1 工业纯铁的平衡凝固过程