航空材料

--第5講鐵碳合金相圖重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日2第5講鐵碳合金相圖內(nèi)容CONTENTS5.1鐵碳合金相圖的分析5.2鐵碳合金的組元和相5.3典型合金的平衡結(jié)晶過程5.4金屬鑄錠（件）的組織重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日3概述鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵，是工業(yè)應(yīng)用最廣的合金。含碳量為0.0218%~2.11%的稱鋼。含碳量為2.11%~6.69%的稱鑄鐵。帶肋鋼筋窨井蓋鋼鑄鐵重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日4概述KACD1148℃727℃L(液態(tài))α-Fe(A)奧氏體L+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°Ld(A+Fe3C)Ld+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡP(F+Fe3C)P+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡLd’(P+Fe3C)QFGPSE過共析鋼共析鋼共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵碳素鋼白口鑄鐵亞共析鋼工業(yè)純鐵鐵碳合金的分類重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日5概述鐵和碳可形成一系列穩(wěn)定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它們都可以作為純組元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）時(shí)，合金太脆，已無實(shí)用價(jià)值。實(shí)際所討論的鐵碳合金相圖是Fe-Fe3C相圖。相圖：表示合金系統(tǒng)中，合金的狀態(tài)、溫度、成分之間關(guān)系的圖解。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日6概述鐵碳合金相圖是研究鐵碳合金最基本的工具，是研究碳鋼和鑄鐵的成分、溫度、組織及性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)，是制定熱加工、熱處理、冶煉和鑄造等工藝依據(jù)。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日75.1鐵碳合金的組元和相都是體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低,在727℃時(shí)最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。鐵素體碳在

-Fe中的固溶體稱鐵素體，用F或

表示。碳在δ-Fe中的固溶體稱δ-鐵素體，用δ

表示。

1）組元2）相Fe、Fe3C⑴鐵素體：重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日85.1鐵碳合金的組元和相2）相碳在

-Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或

表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148℃時(shí)最大為2.11%。組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強(qiáng)度低、塑性好，鋼材熱加工都在

區(qū)進(jìn)行。碳鋼室溫組織中無奧氏體。奧氏體⑵奧氏體:趁熱打鐵重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日95.1鐵碳合金的組元和相⑶滲碳體：即Fe3C,含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強(qiáng)度低(

b35MPa)，脆性大，塑性幾乎為零。Fe3C是一個(gè)亞穩(wěn)相，在一定條件下可發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C(石墨),該反應(yīng)對(duì)鑄鐵有重要意義。由于碳在

-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。鑄鐵中的石墨鋼中的滲碳體重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日105.2鐵碳合金相圖的分析1）特征點(diǎn)???重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日115.2鐵碳合金相圖的分析2）特征線⑴液相線—ABCD，固相線—AHJECFDABCDHJECF重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日125.2鐵碳合金相圖的分析2）特征線⑵三條水平線：HJB：包晶線LB+δH?

J

ECF：共晶線LC?

E+Fe3C共晶產(chǎn)物是

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作萊氏體,用Ld表示，為蜂窩狀,以Fe3C為基，性能硬而脆。萊氏體重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日135.2鐵碳合金相圖的分析PSK：共析線

S?FP+Fe3C共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是F

與Fe3C的機(jī)械混合物，稱作珠光體，用P表示。L+δL+

L+Fe3Cδ+

+Fe3C

+

F+Fe3C珠光體的組織特點(diǎn)是兩相呈片層相間分布，性能介于兩相之間。PSK線又稱A1線。A1線珠光體重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日145.2鐵碳合金相圖的分析其它相線GS,GP—

?

固溶體轉(zhuǎn)變線,GS又稱A3線。HN,JN—δ?

固溶體轉(zhuǎn)變線。ES—碳在

-Fe中的固溶線,又稱Acm線。PQ—碳在

-Fe中的固溶線。A3線Acm線重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日155.2鐵碳合金相圖的分析3）相區(qū)⑴五個(gè)單相區(qū)：

L、

、

、

、Fe3C重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日165.2鐵碳合金相圖的分析3）相區(qū)⑵七個(gè)兩相區(qū):L+

、L+

、L+Fe3C、

+

、

+Fe3C、

+

、

+Fe3C

⑶三個(gè)三相區(qū)：即HJB(L+

+

)、ECF(L+

+Fe3C)、PSK(

+

+Fe3C)三條水平線

重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日175.3典型合金的平衡結(jié)晶過程⑵鋼(0.0218~2.11%C)高溫組織為單相

①亞共析鋼(0.0218~0.77%C)②共析鋼(0.77%C)③過共析鋼

(0.77~2.11%C)⑴工業(yè)純鐵(<0.0218%C)，組織為單相鐵素體。亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵鐵碳相圖上的合金，按成分可分為三類：重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日185.3典型合金的平衡結(jié)晶過程2）特征線⑶白口鑄鐵(2.11~6.69%C)

鑄造性能好,硬而脆①亞共晶白口鑄鐵(2.11~4.3%C)②共晶白口鑄鐵(4.3%C)③過共晶白口鑄鐵(4.3~6.69%C)亞共析鋼共析鋼過共析鋼共晶白口鐵過共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日195.3典型合金的平衡結(jié)晶過程1）工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程N(yùn)SJBH

L+

+

+

合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

，3-4點(diǎn)間

→

，5-6點(diǎn)間

→

。到7點(diǎn)，從

中析出Fe3C。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日205.3典型合金的平衡結(jié)晶過程1）工業(yè)純鐵的結(jié)晶過程

隨溫度下降，F(xiàn)e3CⅢ量不斷增加，合金的室溫下組織為F+Fe3CⅢ。從鐵素體中析出的滲碳體稱三次滲碳體，用Fe3CⅢ表示。Fe3CⅢ以不連續(xù)網(wǎng)狀或片狀分布于晶界。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日215.3典型合金的平衡結(jié)晶過程2）共析鋼的結(jié)晶過程合金液體在1-2點(diǎn)間轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

。到S點(diǎn)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：

S?

P+Fe3C,

全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日225.3典型合金的平衡結(jié)晶過程2）共析鋼的結(jié)晶過程珠光體在光鏡下呈指紋狀。珠光體中的滲碳體稱共析滲碳體。S點(diǎn)以下，共析

中析出Fe3CⅢ，與共析Fe3C結(jié)合不易分辨。室溫組織為P。珠光體Q重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日235.3典型合金的平衡結(jié)晶過程3）亞共析鋼的結(jié)晶過程0.09~0.53%C亞共析鋼冷卻時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)。以0.45%C的鋼為例。合金在4點(diǎn)以前通過勻晶—包晶—?jiǎng)蚓Х磻?yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

。到4點(diǎn)，由

中析出

。到5點(diǎn),

成分沿GS線變到S點(diǎn)，

發(fā)生共析反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。溫度繼續(xù)下降，

中析出Fe3CⅢ，由于與共析Fe3C結(jié)合,且量少,忽略不計(jì)。

+Fe3CⅢGSPABJH重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日245.3典型合金的平衡結(jié)晶過程利用平衡組織中珠光體所占的面積百分比，可以近似估算亞共析鋼的含碳量:

C%=P面積%×0.77%

(忽略

中含碳量，P面積%=QP)S’3）亞共析鋼的結(jié)晶過程重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日255.3典型合金的平衡結(jié)晶過程亞共析鋼室溫下的組織為F+P。在0.0218~0.77%C

范圍內(nèi)珠光體的量隨含碳量增加而增加。含0.45%C鋼的組織含0.20%C鋼的組織含0.60%C鋼的組織3）亞共析鋼的結(jié)晶過程重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日265.3典型合金的平衡結(jié)晶過程4）過共析鋼的結(jié)晶過程合金在1~2點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

,到3點(diǎn),開始析出Fe3C。從奧氏體中析出的Fe3C稱二次滲碳體,用Fe3CⅡ表示,其沿晶界呈網(wǎng)狀分布。溫度下降,Fe3CⅡ量增加。到4點(diǎn)，

成分沿ES線變化到S點(diǎn)，余下的

轉(zhuǎn)變?yōu)镻。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日275.3典型合金的平衡結(jié)晶過程4）過共析鋼的結(jié)晶過程過共析鋼室溫組織為P+Fe3CⅡ。含1.4%C鋼的組織重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日285.3典型合金的平衡結(jié)晶過程5）共晶白口鐵的結(jié)晶過程合金冷卻到C點(diǎn)發(fā)生共晶反應(yīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體(Le),萊氏體是共晶

與共晶Fe3C的機(jī)械混合物,呈蜂窩狀。Fe3C

重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日295.3典型合金的平衡結(jié)晶過程溫度降到2點(diǎn),

成分達(dá)到0.77%,共晶

發(fā)生共析反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，這種由P與Fe3C組成的共晶體稱低溫萊氏體,用Le’表示。2點(diǎn)以下，共晶體中P的變化同共析鋼。S5）共晶白口鐵的結(jié)晶過程重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日305.3典型合金的平衡結(jié)晶過程5）共晶白口鐵的結(jié)晶過程共晶白口鐵室溫組織為L(zhǎng)e’(P+Fe3C),它保留了共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形態(tài)特征。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日315.3典型合金的平衡結(jié)晶過程6）亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程合金在1~2點(diǎn)間析出

。到2點(diǎn)，液相成分變到C點(diǎn),并轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e。2~3點(diǎn)間從

中析出Fe3CⅡ，一次

的Fe3CⅡ被共晶

襯托出來。到3點(diǎn)，

轉(zhuǎn)變?yōu)镻。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日325.3典型合金的平衡結(jié)晶過程亞共晶白口鐵室溫組織為P+Fe3CⅡ+Le’。ECFD1234N6）亞共晶白口鐵的結(jié)晶過程重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日335.3典型合金的平衡結(jié)晶過程7）過共晶白口鐵的結(jié)晶過程1~2點(diǎn)間從液相中析出Fe3C,這種滲碳體稱一次滲碳體，用Fe3CⅠ表示，呈粗條片狀。到2點(diǎn)，余下的液相成分變到C點(diǎn)并轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)e。DFK3Fe3C1242點(diǎn)以下,Fe3CⅠ成分重量不再發(fā)生變化,Le變化同共晶合金，其室溫組織為Fe3CⅠ+Le’。

重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日345.3典型合金的平衡結(jié)晶過程8）組織組成物在鐵碳合金相圖上的標(biāo)注組織組成物與相組成物標(biāo)注區(qū)別主要在

+Fe3C和

+Fe3C兩個(gè)相區(qū)。

+Fe3C相區(qū)中有四個(gè)組織組成物區(qū)，

+Fe3C相區(qū)中有七個(gè)組織組成物區(qū)。

+Fe3C

+Fe3C

FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+

L+

F

ALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%溫度重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日35重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日365.3典型合金的平衡結(jié)晶過程重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日375.3典型合金的平衡結(jié)晶過程9）含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響鋼鐵素體

亞共析鋼過共析鋼亞共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵共析鋼白口鑄鐵二次滲碳體工業(yè)純鐵珠光體萊氏體一次滲碳體Fe3C鋼鐵分類組織組成物相對(duì)量%相組成物相對(duì)量%含碳量%00.02180.772.114.36.6910010000三次滲碳體（1）含碳量對(duì)室溫平衡組織的影響

含碳量與緩冷后相及組織組成物之間的定量關(guān)系為：重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日385.3典型合金的平衡結(jié)晶過程9）含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響（2）含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響亞共析鋼隨含碳量增加，P量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降。0.77%C時(shí)，組織為100%P,鋼的性能即P的性能。＞0.9%C，F(xiàn)e3CⅡ?yàn)榫Ы邕B續(xù)網(wǎng)狀，強(qiáng)度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，組織中有以Fe3C為基的Le’,合金太脆.重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日395.3典型合金的平衡結(jié)晶過程9）含碳量對(duì)鐵碳合金組織和性能的影響①切削性能:中碳鋼合適②可鍛性能:低碳鋼好③焊接性能:低碳鋼好④鑄造性能:共晶合金好⑤熱處理性能鑄造焊縫組織模鍛切削加工的基本形式（3）含碳量對(duì)工藝性能的影響重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日405.4金屬鑄錠(件)的組織⑴細(xì)晶區(qū)：澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。鑄錠(件)的組織，宏觀組織通常由三個(gè)區(qū)組成:重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日415.4金屬鑄錠(件)的組織⑵柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細(xì)晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長(zhǎng)而形成柱狀晶區(qū)。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日425.4金屬鑄錠(件)的組織⑶等軸晶區(qū):由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導(dǎo)致柱狀晶生長(zhǎng)停止，中心部位液體全部冷至理論結(jié)晶溫度以下時(shí)，在雜質(zhì)作用下，以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。重慶航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院2025年11月4日435.4金屬鑄錠(件)的組織2）鑄錠(件)組織的特性細(xì)晶區(qū)：組織較致密，力學(xué)性能好，但細(xì)晶區(qū)較薄，對(duì)整個(gè)鑄錠的性能影響不大。柱狀晶區(qū)：從外向內(nèi)結(jié)晶，組織致密。柱狀晶的性能具有明顯的方向性，沿柱狀晶晶軸方向強(qiáng)度較高。對(duì)單向受力的零件，柱狀結(jié)構(gòu)是非常理想的。提高澆注溫度，加快冷卻速度，采用方向性散熱等，有利于得到柱狀晶區(qū)。等軸晶區(qū)：結(jié)晶時(shí)無擇優(yōu)取向，各方向上力學(xué)性能較好。但各個(gè)軸晶粒在生長(zhǎng)過程中相互交