純鐵的冷卻曲線純鐵屈服強度(σ0.2)：100~170MPa抗拉強度(σb)：180~270MPa伸長率(δ)：30％~50％斷面收縮率(ψ)；70％~80％沖擊韌度(αK)；160~200J/cm2硬度HBS：50~80純鐵的塑性韌性好，但強度硬度低，很少用作結構材料。由于純鐵具有高的磁導率，軟磁材料1鐵碳合金相圖7/20/2023純鐵的冷卻曲線奧氏體（γ或A）低溫鐵素體（α或F）溶解碳溶解碳鐵碳合金的相結構溶解碳高溫鐵素體（δ）2鐵碳合金相圖7/20/2023鐵素體鐵素體：是碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，用符號“α”（或F）表示，呈體心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度極小，在727℃時達到最大溶解度0.0218%。鐵素體的顯微組織為多邊形晶粒。鐵素體性能：鐵素體的力學性能特點是塑性、韌性好，而強度、硬度低。（δ=30%~50%，AKU=128~160J）,σb=180~280MPa，50~80HBS）3鐵碳合金相圖7/20/2023奧氏體奧氏體：是碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，用符號“γ”（或A）表示，呈面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃時為0.77%，在1148℃時溶解度最大，可達2.11%。奧氏體是一種高溫組織，穩定存在的溫度范圍為727~1394℃，顯微組織為多邊形晶粒。奧氏體性能：相對于鐵素體具有一定的強度和硬度，塑性和韌性也好。（σb=400MPa，170~220HBS），塑性和韌性也好（δ=40%~50%）。具有順磁性，可作為無磁鋼。

4鐵碳合金相圖7/20/2023無磁鋼：沒有鐵磁性從而不能被磁化的穩定奧氏體鋼。Fe-Mn-Al-C系列奧氏體，其電磁性能(磁導率)，組織穩定，力學性能優良，磁導率低而電阻率高，在磁場中的渦流損耗極小。無磁鋼的用途：（1）石油鉆井無線隨鉆側斜系統(MWD)：是在油田鉆井過程中的專業定向儀器。一般用于定向井，而定向井需要測斜度及方位的，測斜時儀器在無磁鉆具內部可以免受外界磁場的影響從而保證結果的準確性。（2）高壓電器和大中型變壓器油箱內壁、鐵芯拉板、線圈夾件、螺栓、套管、法蘭盤等漏磁場中的結構件；（3）起重電磁鐵吸盤、磁選設備筒體、選箱以及除鐵器、選礦設備等；5鐵碳合金相圖7/20/2023NMS-1406鐵碳合金相圖7/20/2023雙相不銹鋼(DSS，DuplexStainlessSteel)：是指不銹鋼中既有奧氏體又有鐵素體組織結構的鋼種，習慣稱α+γ雙相不銹鋼或雙相不銹鋼。Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點。其中雙相不銹鋼的耐孔蝕性能、耐腐蝕性能優于超低碳合金鋼（316L）與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，導熱系數高，具有超塑性等特點。與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應力腐蝕有明顯提高。具有優良的耐孔蝕性能。主要用于海水淡化。7鐵碳合金相圖7/20/2023滲碳體滲碳體(中間相-尺寸因素化合物-間隙化合物)：當鐵碳合金中碳含量超過它在鐵中的溶解度限度時，多余的碳主要和鐵形成的一種具有復雜晶格的金屬化合物Fe3C。是它的碳質量分數Wc=6.69％。滲碳體性能：其力學性能特點是硬度高(約800HBW)，脆性大，塑性幾乎為零。8鐵碳合金相圖7/20/2023弱鐵磁性（＜230℃），理論熔點1227℃。介穩定化合物，分解：Fe3C→3Fe+C（石墨碳）。石墨：六方晶系；化學鍵：σ鍵+π鍵C從Fe中析出時，通常以Fe3C的形式存在，而非石墨，因為形成前者碳原子擴散距離短。9鐵碳合金相圖7/20/2023鐵碳合金相圖實線：Fe-Fe3C介穩定系相圖虛線：Fe-C（石墨）穩定系相圖圖中各特性點的符號是國際通用的，不能隨意更換。10鐵碳合金相圖7/20/2023單相區5個雙相區7個三相區3個11鐵碳合金相圖7/20/202312鐵碳合金相圖7/20/2023γL+γ包晶轉變線（HJB）：含碳0.53%的液相與含碳0.09%的δ鐵素體發生反應，生成含碳0.17%的奧氏體。13鐵碳合金相圖7/20/2023碳含量小于2.11%的合金在冷卻的歷程中，都可在一個溫度區間得到單相的奧氏體。簡化的鐵碳相圖對于鐵碳合金來說，由于包晶反應溫度高，碳原子的擴散較快，所以包晶偏析并不嚴重。但對于高合金鋼來說，合金元素的擴散較慢，就可能造成嚴重的包晶偏析。包晶偏析造成鋼凝固剩余有δ相，其與γ相致密度不同會造成巨大的組織應力，使鑄坯出現熱裂紋，尤其對連鑄坯，這種包晶鋼的熱裂紋仍是一個需要克服的難題。14鐵碳合金相圖7/20/202315鐵碳合金相圖7/20/2023轉變產物是γ相和Fe3C的機械混合物，稱為萊氏體（Ld）。其中Fe3C稱為共晶滲碳體。γ共晶相圖16鐵碳合金相圖7/20/2023萊氏體（組織）萊氏體：是鐵碳合金冷卻到1148℃時共晶轉變的產物，是介穩相。由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。存在于1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號“Ld”表示；存在于727℃以下的萊氏體稱為變態萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號“Ldˊ”表示，組織由滲碳體和珠光體組成。萊氏體性能：萊氏體的力學性能與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。

17鐵碳合金相圖7/20/202318鐵碳合金相圖7/20/2023轉變產物為珠光體，用符號P表示。組織中的Fe3C稱為共析滲碳體。γ19鐵碳合金相圖7/20/2023珠光體珠光體：珠光體是奧氏體冷卻時，在727℃發生共析轉變的產物，由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號“P”表示。顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織。珠光體性能：力學性能介于鐵素體與滲碳體之間，強度較高，硬度適中，塑性和韌性較好。20鐵碳合金相圖7/20/202321鐵碳合金相圖7/20/2023PQ線：碳在α中的固溶度曲線。碳在α中的最大固溶度：727℃時ωc為0.0218%，600℃時降為0.008％，300℃時約為0.001％，α從727℃冷卻下來時，將析出滲碳體，稱為三次滲碳體Fe3CⅢ

770℃線為α的磁性轉變溫度．230℃水平線為滲碳體的磁性轉變溫度。重要固態轉變線GS線：GS線又稱A3線，冷卻時，γ析出α的開始線，或加熱時α全部溶入γ的終了線。ES線：碳在γ中的固溶度曲線。常稱Acm線。當溫度低于此線，γ將析出Fe3C、即二次滲碳體Fe3CⅡ，從液相中經CD線析出一次滲碳體Fe3CⅠ

。22鐵碳合金相圖7/20/2023鐵碳合金分類工業純鐵亞共析鋼過共析鋼共析鋼亞共晶白口鐵過共晶白口鐵共晶白口鐵ωc<0.0218%為工業純鐵；ωc>2.11％為鑄鐵；0.0218%<ωc<2.11％的為碳鋼。按Fe-Fe3C系結晶的鑄鐵，斷口呈白亮色，稱為白口鑄鐵。按Fe-C系結晶的鑄鐵，斷口呈灰色，稱灰口鑄鐵。鋼的共同點：在高溫下都可以進入奧氏體單相區，鑄鐵的共同點：都含有共晶體。

23鐵碳合金相圖7/20/2023種類分類名稱ωc(%)室溫平衡組織鐵工業純鐵<0.0218鐵素體；或鐵素體+三次滲碳體鋼亞共析鋼共析鋼過共析鋼0.0218~0.770.770.77~2.11先共析鐵素體+珠光體珠光體先共析二次滲碳體+珠光體鑄鐵亞共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵2.11~4.34.34.3~6.69珠光體+二次滲碳體+萊氏體萊氏體一次滲碳體+萊氏體24鐵碳合金相圖7/20/2023鐵碳合金結晶過程123456725鐵碳合金相圖7/20/2023片狀、網狀沿晶界析出的滲碳體。或粗大鐵素體中出現點狀滲碳體。26鐵碳合金相圖7/20/202327鐵碳合金相圖7/20/202328鐵碳合金相圖7/20/2023組織組成計算29鐵碳合金相圖7/20/2023亞共析鋼的組織所有的亞共析鋼室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成，其差別僅是鐵素體與珠光體的相對量不同，Wc越高，珠光體越多，鐵素體越少。30鐵碳合金相圖7/20/2023過共析鋼：先共析Fe3C＋珠光體Fe3C沿γ晶界呈網狀分布，先共析二次滲碳體量：31鐵碳合金相圖7/20/202332鐵碳合金相圖7/20/202333鐵碳合金相圖7/20/2023亞共晶白口鑄鐵(Wc=3%)34鐵碳合金相圖7/20/2023過共晶白口鑄鐵(Wc=5%)35鐵碳合金相圖7/20/2023鐵碳合金的組織α+PP+Fe3CIIPP+Fe3CII+Ld’Fe3CI+Ld’Ld’α+Fe3CIII36鐵碳合金相圖7/20/2023隨著含碳量增加時，滲碳體不僅數量增加，形態和分布也發生了很大變化。（滲碳體分布在P內——網狀分布在γ晶界上——形成萊氏體時，滲碳體則成了基體。）37鐵碳合金相圖7/20/2023含碳量對（普碳鋼）力學性能的影響硬度

WC增加，硬度增加；強度

WC<1%時，WC增加，強度提高，在晶界上析出的二次滲碳體一般還未形成連續網狀。WC>1%時，WC增加，強度降低；塑性、韌性

WC增加，塑性、韌性下降；為了保證工業用鋼具有足夠的強度和塑性、韌性，碳素鋼的含碳量一般不超過1.4%。38鐵碳合金相圖7/20/2023思考題隨著鋼中碳含量的增加，鋼中的滲碳體增多，硬度也隨之升高，基本上呈直線上升。在Wc＝0.8％以前，強度也是呈直線上升的。但在Wc＞0.8％以后，隨碳量的繼續增加，組織中將會出現網狀滲碳體，致使強度很快下降。在Wc＝0.8％時，組織全為珠光體，所以T8強度最高。含碳量少，鐵素體多，塑性好，所以塑性直線下降。綜上所述，T12鋼的硬度最高，45鋼的硬度最低；T12的塑性最差，45鋼塑性最好；T8鋼均居中，而T8鋼的強度最高。45、T8、T12鋼的硬度、強度和塑性有何不同？39鐵碳合金相圖7/20/2023綁軋物件一般用鐵絲（鍍鋅低碳鋼絲），而起重機吊重物卻用鋼絲繩（用60、65、70、75等鋼制成）綁軋物件的性能要求有很好的韌性，因此選用低碳鋼有很好的塑韌性，鍍鋅低碳鋼絲；而起重機吊重物用鋼絲繩除要求有一定的強度，還要有很高的彈性極限，而60、65、70、75鋼有高的強度。這樣在吊重物時不會斷裂。40鐵碳合金相圖7/20/2023鍛造鑄造組織經過鍛造方法熱加工變形后使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織，使鋼錠內原有的偏析、疏松、氣孔等壓實和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學性能。鋼的可鍛性首先與含碳量有關，低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加。可鍛性逐漸變差。（C%<2.11%）一般要把鋼材加熱到始鍛溫度（固相線以下100~200℃，約1150~1250℃）下，在奧氏體區進行鍛造。41鐵碳合金相圖7/20/2023鋼液的流動性隨含碳量的提高而提高。鑄鐵流動性總是比鋼好。共晶成分的鑄鐵因其結晶溫度最低，同時又是在恒溫下凝固，結晶的溫度間隔為零，所以流動性最好。適合鑄造：2.11%～4.3%，流動性好。適合熱處理：0.0218-2.11%，有固態相變。42鐵碳合金相圖7/20/2023鐵碳相圖的應用塑性、韌性高的材料，選用鐵素體低碳鋼（Wc<0.25%）強度、塑性和韌性等均好的材料，應選用組織為鐵素體和珠光體的中碳鋼（0.25%<Wc<0.6%）硬度、耐磨性好的材料，應選用組織為珠光體或珠光體和二次滲碳體的高碳鋼（1.3%>Wc>0.6%）形狀復雜的及其底座和箱體等零件，可選用熔點低、流動性號的鑄鐵材料，成分為共晶或接近于共晶。43鐵碳合金相圖7/20/2023雜質元素的影響碳鋼：是指碳的質量分數Wc<2.11%，并含有少量硅、錳、磷、硫等雜質元素的鐵碳合金。Mn的影響:由煉鐵原料鐵礦石及煉鋼時加脫氧劑（錳鐵）中帶入的Mn能溶于鐵素體中，形成含錳鐵素體，也能溶于滲碳體，形成合金滲碳體，產生固溶強化作用，使強度、硬度提高。錳能增加珠光體的相對含量，并細化珠光體，提高鋼的強度。錳能降低S對鋼的危害。一般碳素鋼中把錳控制在小于0.8%。44鐵碳合金相圖7/20/2023Si的影響Si主要來自原料生鐵和硅鐵脫氧劑。Si比錳脫氧能力強，硅溶于F，具有固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度，但會使塑性和韌性降低。硅在碳素鋼中一般小于0.5%。硅與氧的親和力很強，形成氧化硅在鋼中以夾雜物形式存在，影響鋼的質量。45鐵碳合金相圖7/20/2023S的影響：由礦石和燃料帶入鋼中。S在鋼中與Fe化合成FeS，而FeS又與Fe形成低熔點（985℃）的共晶體，分布于奧氏體晶界上。當鋼材在1150～1250℃進行軋制或鍛壓時，由于共晶體熔化而使晶粒分離，導致鋼材開裂，這種現象稱為熱脆。Mn與S形成熔點為1620℃的高溫有一定塑性的MnS，消除熱脆。硫對鋼的焊接性能有不良影響，容易導致焊縫熱裂，在焊接過程中，S易于氧化生成SO2，造成焊縫中產生氣孔和疏松。硫能提高鋼材的切削加工性，這是S的有益作用，所以在制造要求表面粗糙度較細而強度要求不十分嚴格的零件時，可采用含S高的易切削鋼。46鐵碳合金相圖7/20/2023P的影響：一般說來，P是有害雜質元素，它來自于礦石和生鐵等煉鋼原料，煉鋼時難以除盡。P在鋼中能全部溶于鐵素體，使鋼的強度、硬度增加、而塑性、韌性顯著降低，特別在低溫下更嚴重，這種現象稱為冷脆。其含量一般要求不大于0.045%。P能提高切削性能和抗蝕性，故在易切削鋼中可適當增加P含量。磷也使鋼材的可焊性顯著降低。但磷可提高鋼材的耐磨性和耐蝕性，故在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。47鐵碳合金相圖7/20/2023