教學目的及其要求
通過本章學習，使學生們掌握鐵碳合金的基本知識，學懂鐵碳相圖的特徵點、線及其意義，了解鐵碳相圖的應用。
主要內容
1．鐵碳合金的相組成
2．鐵碳合金相圖及其應用
3．碳鋼的分類、編號及應用
學時安排
講課4學時
教學重點
1．鐵碳合金相圖及應用
2．典型合金的結晶過程分析
教學難點
鐵碳合金相圖的分析和應用。
教學過程
第一節純鐵、鐵碳合金中的相
一、鐵碳合金的組元
鐵：熔點1538℃，塑性好，強度硬度極低，在結晶過程中存在著同素異晶轉變。不同結構的鐵與碳可以形成不同的固溶體。
由於純鐵具有同素異構轉變，在生產上可以通過熱處理對鋼和鑄鐵改變其組織和效能。
碳：在fe－fe3c相圖中，碳有兩種存在形式：一是以化合物fe3c形式存在；二是以間隙固溶體形式存在。
二、鐵碳合金中的基本相
相：指系統中具有同一聚集狀態、同一化學成分、同一結構並以介面隔開的均勻組成部分。
鐵碳合金系統中，鐵和碳相互作用形成的相有兩種：固溶體和金屬化合物。固溶體是鐵素體和奧氏體；金屬化合物是滲碳體。這也是碳在合金中的兩種存在形式。
1．鐵素體
碳溶於α-fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，用α或者f表示，為體心立方晶格結構。塑性好，強度硬度低。
2．奧氏體
碳溶於γ-fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用γ 或者a表示，為麵心立方晶格結構。塑性好，強度硬度略高於鐵素體，無磁性。
3．滲碳體fe3c：晶體結構複雜，含碳量6.69％，熔點高，硬而脆，幾乎沒有塑性。
滲碳體對合金效能的影響：
（1）滲碳體的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韌性降低。
（2）對強度的影響與滲碳體的形態和分布有關：
以層片狀或粒狀均勻分布在組織中，能提高合金的強度；
以連續網狀、粗大的片狀或作為基體出現時，急劇降低合金的強度、塑性韌性。
二、兩相機械混合物
珠光體：鐵素體與滲碳體的兩相混合物，強度、硬度及塑性適中。
萊氏體：奧氏體與滲碳體的混合物；室溫下為珠光體與滲碳體的混合物，又硬又脆。
鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體和萊氏體為鐵碳合金中的基本組織，是鐵碳合金中的組織組成物。
組織組成物：指構成顯微組織的獨立部分，可以是單相，也可以是兩相或多相混合物。
顯微組織：指在金相顯微鏡下所觀察到的金屬及合金內部的微觀形貌，包括相和晶粒的形態、大小、分布等。
第二節鐵碳合金相圖
一、相圖中的點（14個）
1．組元的熔點： a (0, 1538) 鐵的熔點；d (6.69, 1227) fe3c的熔點
2．同素異構轉變點：n（0, 1394）δ-fe γ-fe；g（0, 912）γ-fe α-fe
3．碳在鐵中最大溶解度點：
p（0.0218，727），碳在α-fe 中的最大溶解度
e（2.11，1148），碳在γ-fe 中的最大溶解度
h (0.09，1495)，碳在δ-fe中的最大溶解度
q（0.0008，rt），室溫下碳在α-fe 中的溶解度
2． 三相共存點：
s（共析點，0.77，727），（a＋f ＋fe3c）
c（共晶點，4.3，1148），（ a＋l ＋fe3c）
j（包晶點，0.17，1495）（ ＋ a＋l ）
3． 其它點
b（0.53，1495），發生包晶反應時液相的成分
f（6.69,1148 ） ， 滲碳體
k (6.69,727 ) ， 滲碳體
二、相圖中的線
1．液相線(ａｂｃｄ)：結晶時液相的成分，在其上體系為液相；
2．固相線（ａｈｊｅｃｆ）：結晶時固相的成分，其下為固相。
3．恆溫轉變的線：hjb 包晶線、ecf共晶線、psk共析線。
psk 線，共析線。在此線上的合金都要發生共析反應。冷卻時，奧氏體轉變為珠光體的溫度；加熱時，珠光體轉變為奧氏體的溫度；ps**又稱a1線。
4．固溶度線
es線：碳在奧氏體中的溶解度線，隨溫度溫度，溶解度 ；0.77%～2.
11%c。冷卻時，從奧氏體中開始析出二次滲碳體的溫度；加熱時，二次滲碳體完全溶入奧氏體中的溫度。es線又叫作acm線。
pq 線：碳在鐵素體中的溶解度；隨溫度 ，最大溶解度 ；0.0008% ～0.0218%c；冷卻時，從鐵素體中開始析出三次滲碳體的溫度；加熱時，三次滲碳體完全溶入鐵素體的溫度。
5．同素異構轉變線：nh 和 nj，gs 和 gp。
gs線：冷卻時，由奧氏體向鐵素體轉變的開始溫度；加熱時，鐵素體完全轉變為奧氏體的溫度，gs線又叫作a3線。
三、 相圖中的相區
1．單相區（4個＋1個）： l、δ、a、f 、（＋ fe3c）
2．兩相區（7個）：l + δ、l + fe3c、l + a、 δ+ a 、a + f 、a + fe3c 、f + fe3c。
四、基本轉變型別
1．勻晶反應
l δ: 由液相中直接結晶出δ相。合金的成分線與ab線相交，wc：0 ～0.53%。
l a: 由液相中直接結晶出a相。合金的成分線與bc線相交，wc：0.53% ~ 4.3%。
l fe3c: 由液相中直接結晶出fe3c相。合金的成分線與cd線相交，wc：4.3% ~ 6.69%
2．包晶反應
含義：具有j點成分的鐵碳合金冷卻至14950c，液相和δ相在轉變過程中恰好全部消耗完，生成了單一的j點成分的a相。
包晶點 ：j（0.17，1495）
產物：單相奧氏體（ a ）
發生包晶反應的合金成分： 0.09%--0.53% c 。 即合金的成分線與hjb線相交。
3．共晶反應
含義：由c點成分的液相在11480c下，同時生成具有e點成分的a 相和fe3c。
發生共晶反應的成分範圍：2.11 %—6.69% c，合金成分線與ecf線相交)。
產物：a和fe3c的兩相混合物，稱為萊氏體，用ld表示，其組織形態是以fe3c為基體，a 呈粒狀或桿狀分布在fe3c基體上。
共晶點：c (4.3,1148)
4．共析反應
含義：在7270c下，由s點成分的a相同時生成p點成分的f相和fe3c相
合金範圍： 0.0218 ～6.69%c，合金成分線與ps**相交。
產物： f和fe3c的兩相混合物，稱為珠光體，用p表示，形態呈層片狀。
共析點：s（0.77，727），具有s點成分的a相冷卻至7270c時，發生共析轉變，生成珠光體。
五種滲碳體的異同（fe3ci、fe3cⅱ、fe3ciⅱ、共晶fe3c、共析fe3c）：它們只是形成條件、形態與分布不同，對鐵碳合金效能有所不同，就其本身來說，並無本質區別，都是同一種物質，即fe3c，6.69％c。
五、鐵碳合金分類
工業純鐵、鋼（亞共析、共析、過共析鋼）、鑄鐵（亞共晶、共晶、過共晶白口鑄鐵）
六、典型鐵碳合金的結晶過程分析
分析方法和步驟：
在相圖的橫座標上找出給定的成分點，過該點作成分線；
在成分線與相圖的各條線的交點作標記（一般用1、2、3、4…….）
寫出每兩個點之間或者重要點上發生的轉變（由液相分析至室溫）。
室溫下該成分線所在的相區，合金室溫下就具有那個相；組織組成物則取決於冷卻過程中發生的轉變。
1． wc＝0.77%的鐵碳合金結晶過程分析
合金在1點溫度以上為液相l；
在1～2溫度之間，發生勻晶反應，從液相中析出奧氏體相；
在2～3點溫度之間，為單相奧氏體，只有溫度的降低；
在3點（s點）時到達共析溫度（7270c，奧氏體發生共析反應，生成珠光體組織；
3點以下直到室溫，合金溫度降低，為珠光體組織。
所以，wc＝0.77%的鐵碳合金
室溫下的相：f+fe3c
組織組成物：p(珠光體）（100％）
組織形貌： f和fe3c層片狀混合物
2． wc＝0.4%的鐵碳合金結晶過程分析
合金在1點溫度以上為液相l；
在1～2點溫度之間，發生勻晶轉變，從液相中結晶出δ鐵素體相；
在2點1495℃，液相l與δ相發生包晶反應，生成奧氏體a，液相有剩餘；
在2～3點溫度之間，剩餘的液相向a相轉變；
在3～4點溫度之間，為單相奧氏體，合金溫度降低；
在4～5點溫度之間，同素異構轉變，a向f（先共析鐵素體）轉變，為（f＋a）兩相；
在5點727℃，未轉變成f的a發生共析反應，生成珠光體（p）組織；
從5點直到室溫，組織為（f＋p），合金溫度降低，沒有組織轉變。
室溫下的相：f+fe3c
組織組成物：f和p
組織形貌： 塊狀f和片狀p
3． 過共析鋼（1.2％c）
合金在bc線溫度以上為液相l；
在bc線～je線溫度之間，發生勻晶反應，從液相中析出奧氏體相；
在je線～es線溫度之間，為單相奧氏體，合金溫度降低；
在es線～ps**溫度之間，從奧氏體中析出二次滲碳體相（先共析滲碳體），合金為a＋fe3cⅱ兩相；
在ps**上727℃時，未轉變的奧氏體發生共析反應，轉變為珠光體組織；
從727℃直到室溫，合金溫度降低，沒有發生組織轉變。
室溫下的相：f+fe3c
室溫組織：珠光體＋二次滲碳體。
組織形態：片狀p和二次滲碳體呈網狀分布在a晶界。
在過共析鋼中，當碳含量小於0.9％時，二次滲碳體呈片狀分布在a晶界；當碳含量大於0.9％時，二次滲碳體成為網狀沿晶界分布。
室溫下組織組成物的質量百分數的計算：
4．白口鑄鐵的平衡結晶過程（略）
七．fe－fe3c相圖的應用
（一）、碳對鐵碳合金平衡組織和效能的影響
1．含碳量對合金平衡組織的影響
fe3c的形態：
2．含碳量對力學效能的影響
鐵素體(f)：軟而韌，硬度極低；滲碳體(fe3c)：硬而脆。所以，
（1）含碳量增加，硬度增加；塑性韌性降低。
（2）含碳量增加，強度先增後降（0.9%最高）：當碳含量在小於0.
9％時，滲碳體含量越多，分布越均勻，鐵碳合金強度越高；當碳含量超過0.9％時，滲碳體在鋼的組織中呈網狀分布在晶界，而在白口鑄鐵的組織中作為基體存在，使強度降低。
3．含碳量對工藝效能的影響
切削加工效能：一般認為中碳鋼的塑性比較適中，硬度在hb200左右，切削加工效能最好。含碳量過高或過低，都會降低其切削加工效能。
可鍛性：低碳鋼比高碳鋼好。由於鋼加熱呈單相奧氏體狀態時，塑性好、強度低，便於塑性變形，所以一般鍛造都是在單相奧氏體狀態下進行。
鐵碳合金知識
鋼的分類和應用 按化學成分 碳鋼 2.11 c 少量si mn s p等雜質 合金鋼 加入一種或幾種合金元素 一碳鋼1 含碳量對碳鋼效能的影響 0.9 c c 強,硬 塑,韌 fec 強化相 0.9 c c 硬 強,塑,韌 fec分布晶界,脆性 2 鋼中常見雜質對效能的影響 si 溶於f 強化f,強...
第五章 鐵碳相圖習題
一 解釋下列名詞 答 1 鐵素體 奧氏體 滲碳體 珠光體 萊氏體 2 fe3c fe3c fe3c 共析fe3c 共晶fe3c 3 鋼 白口鑄鐵 二 填空題 1 常溫平衡狀態下，鐵碳合金基本相有 等個。2 fe fe3c相圖有個單相區，各相區的相分別是 3 fe fe3c 相圖有條水平線，即線，它們...
第二章合金的相結構與二元合金相圖第1 3節
由於純金屬的機械效能比較低，很難滿足機械製造業對材料效能的要求，尤其是一些特殊效能如高強度 耐熱 耐蝕 導磁 低膨脹等的要求，加上它冶煉困難，昂貴，所以在工業生產中廣泛使用的金屬材料主要是合金。合金的效能比純金屬的優異，主要是因為合金的結構與組織與純金屬不同，而合金的組織是合金結晶後得到的，合金相圖...