第二章鐵碳合金什么是鐵碳合金？以鐵、碳為主要成分的合金。其中鐵的含量大于95%。學習內容1.純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變2.鐵碳合金的基本組織3.鐵碳合金狀態圖4.工業用鋼金屬工藝學---國家級精品課程第一節純鐵的晶體結構及其同素異晶轉變【重點內容】1.金屬的結晶、結晶過程、晶核的形成，長大規律及其影響因素。2.過冷現象、過冷度、冷卻速度與過冷度的關系及細化晶粒的辦法。3.純鐵的晶體結構。4.純鐵同素異晶（構）轉變。

一、金屬的結晶什么是金屬的結晶？液態金屬冷卻凝固轉變為固態晶體的過程，稱結晶。結晶：

液體-->晶體凝固：

液體-->固體（晶體或非晶體）非晶體：蜂蠟、玻璃等液體凝固=結晶凝固晶體：金屬、NaCl、冰等原子（離子、分子）在三維空間呈周期性規則排列無規則堆積原子間距大、排列混亂冷卻曲線與過冷度結晶的過程可用“溫度—時間的曲線”（冷卻曲線）來表示。過冷現象：實際結晶溫度總是低于其理論結晶溫度的現象。過冷度：理論結晶溫度(To)與其實際結晶溫度Tn之差△T=To-Tn注：過冷是結晶的必要條件，結晶過程總是在一定的過冷度下進行。過冷度的大小與冷卻速度的關系純金屬的冷卻曲線結晶過程==形核+長大

液態金屬晶核長大形核完全結晶晶粒

自發形核（均質形核）晶核的形成方式非自發形核（異質形核）晶核的長大方式：樹枝狀長大長大后成為一個晶粒晶粒大小分級每個晶核長成的晶體稱為晶粒。晶粒大小及控制

晶粒大小對金屬機械性能有較大的影響，在常溫下工作的金屬，其強度、硬度、塑性和韌性，一般是隨晶粒細化而有所提高的。影響晶粒大小的因素有哪些？

形核率N(晶核數/s·cm3)：單位時間、單位體積液體中形成的晶核數量。

長大速度G

(cm/s)：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時間內遷移的距離。晶粒大小的控制（1）增大過冷度；（2）變質處理；（3）振動（1）過冷度的影響

冷卻速度愈大，過冷度愈大。實線部分，隨著ΔT的增大，形核率和長大速度都大，且N的增加比G增加的快，晶粒愈細。

（2）變質處理在液態金屬結晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發晶核的固態質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒，這種處理方法即為變質處理。（3）振動對正在結晶的金屬施以機械振動、超聲波振動和電磁振動，均可使樹枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒細化。

二、純鐵的晶體結構晶體中原子在空間的排列，可用晶格來表示。晶格中一個最基本的幾何單元叫晶胞。根據對晶胞的分析，最常見的晶格類型有體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。純鐵的晶格有體心立方和面心立方兩種。原子數1＋8×(1/8)=2典型金屬：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb性能特點：強度很高，塑性較好致密度：68％（原子所占的體積與該晶胞體積之比）體心立方晶體結構純鐵的晶格有體心立方和面心立方兩種。面心立方晶體結構原子數(1/2)×6＋(1/8)

×8=4典型金屬：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag性能特點：塑性極好致密度：74％三、純鐵同素異晶轉變液態鐵緩慢冷卻到熔點左右經過第一次結晶后，到室溫的過程中，晶格類型將發生改變。這種隨著溫度的改變，固態金屬晶格也隨之改變的現象，稱為同素異晶轉變。γ-Fe

轉變為α-Fe

時，金屬的體積將膨脹還是收縮？純鐵的冷卻曲線及晶體結構變化

第二節鐵碳合金的基本組織基本概念：合金、組元、相、組織將一種金屬元素同一種或幾種其它元素結合在一起所形成的具有金屬特性的新物質，稱為合金。組成合金的最基本的、獨立的物質稱為組元，通常是指組成該合金的元素或某些化合物，根據合金組元數目的多少，把合金分為二元合金、三元合金和多元合金。如：鐵碳合金就是由鐵和碳二組元組成的二元合金。相是指在合金中，凡成分相同、晶體結構相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。在顯微鏡下能觀察到的金屬和合金的微觀形貌、圖象稱為組織，合金又可分為不同的組織。鐵碳合金的基本組織可分為固溶體、金屬化合物和機械混合物三種類型。一、固溶體某些合金的組元在固態時，具有一定的互相溶解能力。溶質原子溶入溶劑晶格中，而仍保持溶劑晶格類型的金屬晶體，稱固溶體。在固溶體中保持其原晶體結構的組元（元素）—溶劑，其余的組元（元素）—溶質根據溶質原子在溶劑晶格中所處位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩類。

間隙固溶體和置換固溶體鐵碳合金中的固溶體都是碳溶解到鐵的晶格中的間隙固溶體

間隙固溶體：溶質原子處于溶劑晶體結構的間隙位置。

固溶體

置換固溶體：溶質原子置換溶劑在晶格結點上的原子。1、鐵素體（F）Ferrous鐵素體是碳溶解在α-Fe中形成的間隙固溶體。由于α-Fe晶粒的間隙小，溶解碳量極微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是幾乎不含碳的純鐵。具有良好的塑性和韌性，但強度和硬度卻較低。它在770℃以下具有磁性。性能：σb=180～230MPaHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%

ak=156～196J·cm-2鐵素體的晶體結構顯微鏡下觀察，鐵素體呈大小不一的多邊形顆粒形狀。2、奧氏體（A）Austenite奧氏體是碳溶解在γ-Fe中形成的間隙固溶體。γ-Fe的溶碳能力較高，最大為2.11%（1148℃）。由于γ-Fe一般存在于727～1394℃之間，所以奧氏體也只出現在高溫區域內。性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的變形抗力。是絕大多數鋼種在高溫進行壓力加工所需的組織。奧氏體的的晶體結構顯微鏡觀察，奧氏體呈現外形不規則的顆粒狀結構，但晶界較鐵素體平直。這是奧氏體不銹鋼在顯微鏡下觀察到的單相奧氏體孿晶組織。“固溶強化”通過溶入某種溶質元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現象稱為固溶強化。強化原因：溶質原子溶入后，引起溶劑金屬的晶格產生畸變，進而位錯運動時阻力增大。因此固溶強化是材料的一種主要的強化途徑。固溶體的性能當溶質元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質含量的升高，固溶體的性能將發生明顯改變。其一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導電性逐漸下降等。二、金屬化合物合金組元間發生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質，稱為金屬化合物。性能：熔點高，硬度高，脆性大。合金中含有金屬化合物后，其強度、硬度和耐磨性有所提高，而塑性和韌性則降低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。鐵碳合金中的滲碳體屬金屬化合物。滲碳體是鐵與碳形成的穩定化合物。含碳量為6.69%。性能：HBW=800，硬度很高，脆性極大，塑性、韌性幾乎為零，是鋼中的強化相。顯微鏡下觀察，滲碳體(Fe3C)呈銀白色光澤。滲碳體在一定條件下可以分解出石墨。

滲碳體

Fe3C滲碳體(Fe3C)晶格結構滲碳體組織金相圖在顯微鏡下，滲碳體的顯微組織呈：片狀、網狀、球狀三、機械混合物它是兩種或兩種以上的相按一定質量百分數組成的物質。混合物各相保持其原有晶格。混合物的性能：取決于各組成相的性能，以及它們分布的形態、數量及大小。鐵碳合金中的機械混合物有珠光體和萊氏體。1.珠光體（P）Perlite珠光體是鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。珠光體的平均含碳量為0.77%，在727℃以下溫度范圍內存在。性能：σb=750MPaHB=160～180較高

δ=20～25%φ=30～40%適中顯微鏡觀察，珠光體呈層片狀特征，表面具有珍珠光澤，因得名。這是T8鋼的退火組織（白色為鐵素體、黑色為滲碳體）。2.萊氏體Ld

Ledeburite由奧氏體和滲碳體組成的兩相機械混合物。奧氏體在727℃時將轉變為珠光體，所以在室溫下由珠光體和滲碳體組成的機械混合物，稱為低溫萊氏體，用符號Ld/表示。高溫萊氏體僅存于727℃以上。萊氏體硬度很高，脆性大，塑性很差。

這是共晶白口鑄鐵的鑄造組織，珠光體呈橢圓狀分布在滲碳體的基體上。因其含滲碳體較多，故性能與滲碳體相近。第三節鐵碳合金狀態圖【基本要求】：1.熟練掌握鐵碳合金相圖中的點、線、區域的含義。2.熟練掌握鋼在結晶過程中的組織轉變；能利用狀態圖對典型合金的結晶過程進行分析。

3.

掌握碳鋼的牌號及用途；什么是鐵碳合金相圖？鐵碳合金狀態圖是研究在平衡條件下，鐵碳合金的成分、組織和性能之間的關系及變化規律，這里的平衡是指極其緩慢的冷卻。它以溫度為縱坐標、合金成分（Fe3C或含碳量）為橫坐標的圖形。它是說明合金成分、溫度和組織三者關系的圖形。簡化圖1538Q

Fe-Fe3C狀態圖wC/%→溫度/℃→LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe一、鐵碳合金狀態圖的建立合金狀態圖是通過一系列實驗測出不同成分的鐵碳合金在緩慢冷卻過程中的冷卻曲線和組織轉變，然后在成分與溫度坐標圖中標出臨界點溫度（結晶開始和結晶結束的溫度），并把物理意義相同的點連成曲線，這樣構成的完整圖形便是鐵碳合金狀態圖。二、鐵碳合金狀態圖的分析1.組元和相（1）組元：

鐵－石墨相圖：Fe,C;

鐵－滲碳體相圖：Fe，Fe3C。（2）相：

L,A(γ),F(α),Fe3C(K)。1538Q

Fe-Fe3C狀態圖wC/%→溫度/℃→LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe2．特性點：1538Q

Fe-Fe3C狀態圖wC/%→溫度/℃→LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe3．特性線：①ACD線—液相線②AECF線—固相線③ECF線—共晶反應線④GS線（A3)—鐵素體從A中析出開始線⑤ES線—碳在奧氏體中的溶解度曲線⑥PSK線—共析反應線⑦PQ線—C在F中的溶解度曲線，冷卻至此線有Fe3CⅢ析出1538Q

Fe-Fe3C狀態圖wC/%→溫度/℃→LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe四個單相區(1)ACD線以上的液相區（L）(2)AESGA線圍著的單一奧氏體相區（A，γ）(3)GPQG線圍著的單一鐵素體相區（F，α）(4)DFK垂線代表的單一滲碳體相區（Fe3C）4.區域

五個雙相區

ACEA線圍著的液相與奧氏體相區（L+A）

CDFC線圍著的液相與滲碳體相區（L+Fe3C）

GSPG線圍著的奧氏體與鐵素體相區（A+F）

EFKSE線圍著的奧氏體與滲碳體相區（A+Fe3C）

QPSK以下為鐵素體與滲碳體相區（F+Fe3C）4.區域5.共晶反應與共析反應（轉變）共晶點：C，共晶反應線：ECF從一種液相中結晶出兩個不同的固相。

即L4.3(A2.11+Fe3C)產物為機械混合物稱高溫萊氏體,Ld共晶轉變在恒溫下進行。液態合金成分在共晶線范圍內的都要經歷共晶轉變。共析點：S，共析線：PSKS點成分的奧氏體冷卻到PSK線溫度時，恒溫下將同時析出P點成分的鐵素體和滲碳體的機械混合物，珠光體,P。即A0.77(F0.02+Fe3C)1538Q

Fe-Fe3C狀態圖wC/%→溫度/℃→LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+A91212270.772.114.36.697271148APSECDFKG0Fe3CFe6.鐵碳合金的分類工業純鐵：C%<0.0218共析鋼：C%=0.77亞共析鋼：0.0218<C%<0.77過共析鋼：0.77<C%<=2.11共晶白口鐵：C%=4.3亞共晶白口鐵：2.11<C%<4.3過共晶白口鐵：4.3<C%<6.69三、鋼在結晶過程中的組織轉變共析鋼(?)：L→L+A→A→P亞共析鋼(Ⅱ)：L→L+A→A→A+F→P+F過共析鋼(Ⅲ)：L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ共晶白口鐵：L→Ld→Ld’亞共晶白口鐵：L→L+A→Ld+A+Fe3CⅡ→Ld’+P+Fe3CⅡ過共晶白口鐵：L→L+Fe3C?→Ld+Fe3C?→Ld’+Fe3CLAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

Fe-Fe3C狀態圖wC/%→0.772.114.36.69溫度/℃→72711480?ⅡⅢ123112233441.共析鋼Wc=0.77%室溫組織：LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

wC/%→0.772.114.36.69溫度/℃→72711480?ⅡⅢ12311223344結晶過程：2.亞共析鋼Wc=0.6%室溫組織：P+LAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

wC/%→0.772.114.36.69溫度/℃→72711480?ⅡⅢ12311223344結晶過程：3.過共析鋼Wc=1.2%室溫組織：P+Fe3CLAL+AL+Fe3C?F+AFPF+PLd’LdLd’+Fe3C?Ld+Fe3C?Ld’+Fe3CⅡ+PFe3CⅡ+PFe3CⅡ+ALd+Fe3CⅡ+APQSECDFKG

wC/%→0.772.114.36.69溫度/℃→72711480?ⅡⅢ12311223344結晶過程：4.含碳量對鐵碳合金組織性能的影響(1)對平衡組織的影響圖鐵碳合金中組織與成分的關系(2)對力學性能的影響含碳量對鋼力學性能的影響

含碳量越高，鋼的強度和硬度越高，而塑性和韌性越低。這是由于含碳量越高，鋼中的增強相Fe3C越多的緣故。當含碳量超過過共析成分（0.77%），達到0.9％時，在晶界析出網狀二次滲碳體，使鋼的強度有所降低。5.鐵碳合金平衡相圖的應用1