第四章 铁 碳 合 金
铁 碳 合 金
? § 1 铁碳合金相图
? § 2 典型铁碳合金的平衡结晶过程
? § 3 碳钢
§ 1 铁碳合金相图
? 一,铁碳合金相图中组元的性质和相的类型
? 二,铁碳相图分析
1．特性点
2．特性线
? 三,铁碳合金相图的应用
一,铁碳合金相图中组元的性质和相的类型
1,组元的性质
2,铁与碳相互作用构成的基本相
1.组元的性质 —— 多晶型性
纯铁的同素异构转变,
室温 ~912℃ 体心立方（ b,c,c） 称
912℃ ~1394℃ 面 心立方（ f,c,c） 称
1394℃ ~熔点 体心立方（ b,c,c） 称
Fe??
Fe??
Fe??
2,铁与碳相互作用构成的基本相
? 铁素体
铁素体是碳在 中形成的固溶体。
? 奥氏体
奥氏体是碳在 中形成的固溶体
? 渗碳体
? 渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的
间隙化合物，分子式 Fe3C，是铁碳相图中的另一个
组元 。
Fe??
Fe??
典型铁碳合金的平衡结晶过程
? 铁碳合金分类
? 典型铁碳合金结晶过程分析
? 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
? 相图的实际应用
二,铁碳相图分析
? 1．特性点
2．特性线
Fe-Fe3C相图
图 4-1 Fe-Fe3C相图
§ 2 典型铁碳合金结晶过程分析
? 一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类
? 二、典型铁碳合金结晶过程分析
? 三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
? 四、相图的实际应用
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类
? 纯铁
? 钢
? 亚共析钢
? 共析钢
? 过共析钢
? 白口铸铁
? 亚共晶白口铁
? 共晶白口铁
? 过共晶白口铁
典型铁碳合金结晶过程图
W C × %
⑥
2
1148
3
A +F e 3 C Ⅱ +L d
1
3,0
P+Fe 3 C Ⅱ +Ld'
3
5G A +F e 3 C Ⅱ
2.110.77
Fe 2,01,0
P
Q
200
400
P+Fe 3 C ⅡF+P
F
+
A
PF
600
800
45 3
4
4
3
S
① ② ③
℃
温
度 L + A
2
1400
1394 ℃
δ
+
A
1200
1000
E
912 ℃
A
1538
2
δ
1600
1A
1
1495
H
1
B
2
J 3
4
L+ δ
④
4.3
6,04,0 5,0 6,69
L d
32
⑦⑤
2
L d
C
1
1
L D
1227
F
K
Fe 3 C
Fe 3 C Ⅱ +Ld'
Ld+Fe 3 C Ⅰ
L+Fe 3 C
图 4-2
二、典型铁碳合金结晶过程分析
? 1.含碳 0.01%的工业纯铁
? 2.含碳 0.77%的共析钢（合金②）
? 3.含碳 0.40%的亚共析钢（合金③）
? 4.含碳 1.2%的过共析钢（合金④）
? 5.含碳 4.3%的共晶白口铁 (合金⑤）
? 6.含碳 3.0%的亚共晶白口铁 (合金⑥）
? 7.含碳 5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
1.含碳 0.01%的工业纯铁
图 4-3 工业纯铁结晶过程
工业纯铁组织金相图
图 4-4
2,0.77%共析钢结晶过程
图 4-5 共析钢结晶过程示意图
共析钢金相 组织 图
图 4-6
3.亚共析钢结晶过程
图 4-7亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢组织金相图
图 4-8
4.1.2%C的过共析钢的结晶过程
图 4-9 过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
图 4-10
铁碳合金组织特征图
(a) 0.01%C铁素体 500×
(c).0.77%C珠光体 500×
(b) 0.45%C铁素体 +珠光体 500×
d),1.2%C 铁素体 +二次渗碳体 500×
图 4-11
5,共晶白口铁的结晶过程
图 4-12 共晶白口铁的结晶过程示意图
共晶白口铁组织金相图
图 4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图 4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图 4-15
7.过共晶白口铁结晶过程
图 4-16 过共晶白口铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
图 4-17
三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的
影响
? 含碳量对平衡组织的影响
? 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化,
（沿 F晶界分布的基片） → 共析渗碳体（分布在铁素
体内的片层状） → （沿 A晶界呈网状分布） →
共晶渗碳体（为莱氏体的基体） → （分布在
莱氏体上的粗大片状）。
‘Ⅲ‘‘ⅡⅡⅢ ddd LCFeLLCFePCFePPPFCFeF ???????????? 3333
ⅢCFe3
ⅡCFe3
ⅠCFe3
含碳量对平衡组织的影响
图 4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图 4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
四、相图的实际应用
1．为选材提供成分依据
2．为制定热加工工艺提供依据
1．为选材提供成分依据
? 若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，
应选用低碳钢（ 0.10~0.25%C）； 若零件要求强
度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢
（ 0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性
好，如工具等，应选用高碳钢（ 0.6~1.3%C）。
? 白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其
具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而
不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁
球等。
2.为制定热加工工艺提供依据
? 对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相
线间距离估计铸造性能的好坏,
? 对于锻造：确定锻造温度。
? 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当
热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。
? 对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介
绍。
§ 3 碳 钢
? 一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响
? 二、钢锭的组织与缺陷
? 三、碳钢的分类、编号和用途
一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响
? 1,Mn
? 2,Si
? 3,S
? 4,P
? 5,O
? 6,N
? 7,H
二、钢锭的组织与缺陷
? 1．镇静钢
? 是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不
发生碳 — 氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢。
? 2．沸腾钢
? 是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模
后发生碳 — 氧反应，析出大量的 CO气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾
钢。
? 3．镇静钢与沸腾钢的优缺点及应用
? 各有优缺点,
? ①沸腾钢成本低，成材率高；
? ②沸腾钢表面质量好，冲压性能好，焊接性能好；
? ③镇静钢的钢材质量好。机械性能好。
? 因此，凡要求冲压性能好，含碳量较低的普通结构件都选用沸腾钢，如
建筑用钢、汽车外壳用深冲钢板等。凡是重要的结构件如锅炉、化工容
器用钢和机械上需经热处理的受力零件用钢都选用镇静钢。
三、碳钢的分类、编号和用途
? 碳钢的分类
? 碳钢的牌号和用途
碳钢的分类
? 按含碳量分类
低碳钢
中碳钢
高碳钢
? 按质量分类
普通碳素钢
优质碳素钢
高级优质碳素钢
? 按用途分类
碳素结构钢
碳素工具钢
碳钢牌号和 用途
? 普通碳素结构钢
? 优质碳素结构钢
? 碳素工具钢
普通碳素结构钢牌号和 用途
? Q+ 数字 表示牌号,Q235表示屈服点是
235MPa,Q235-A·F,表示屈服点为 235的 A
级沸腾钢 。
? 制成薄板, 钢筋, 焊接钢管等, 用于桥梁,
建筑等钢结构, 也可制造普通的铆钉, 螺钉,
螺母, 垫圈, 地脚螺栓, 轴套, 销轴等等
优质碳素结构钢牌号和 用途
? 两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数的数字,20钢表示
平均含碳量为 0.20%,15Mn：表示钢材中的含锰量比较高 。
? 08,08F,10,10F钢, 塑性, 韧性好, 具有优良的冷成型性能
和焊接性能, 常冷轧成薄板, 用于制作仪表外壳, 汽车和拖拉
机上的冷冲压件, 如汽车车身, 拖拉机驾驶室等； 15,20,25
钢用于制作尺寸较小, 负荷较轻, 表面要求耐磨, 心部强度要
求不高的渗碳零件, 如活塞钢, 样板等； 30,35,40,45,50
钢经热处理 （ 淬火 +高温回火 ） 后具有良好的综合机械性能, 即
具有较高的强度和较高的塑性, 韧性, 用于制作轴类零件； 55、
60,65钢热处理 （ 淬火 +高温回火 ） 后具有高的弹性极限, 常用
作弹簧 。
碳素工具钢牌号和 用途
? 数字表示钢材中平均含碳量千分数的数值,
T10A表示平均含碳量为 1.0%,A表示高级
优质钢
? 碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具
等。
? 碳素工具钢经热处理（淬火 +低温回火）后
具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性
的量具、刃具、模具等。
铁 碳 合 金
? § 1 铁碳合金相图
? § 2 典型铁碳合金的平衡结晶过程
? § 3 碳钢
§ 1 铁碳合金相图
? 一,铁碳合金相图中组元的性质和相的类型
? 二,铁碳相图分析
1．特性点
2．特性线
? 三,铁碳合金相图的应用
一,铁碳合金相图中组元的性质和相的类型
1,组元的性质
2,铁与碳相互作用构成的基本相
1.组元的性质 —— 多晶型性
纯铁的同素异构转变,
室温 ~912℃ 体心立方（ b,c,c） 称
912℃ ~1394℃ 面 心立方（ f,c,c） 称
1394℃ ~熔点 体心立方（ b,c,c） 称
Fe??
Fe??
Fe??
2,铁与碳相互作用构成的基本相
? 铁素体
铁素体是碳在 中形成的固溶体。
? 奥氏体
奥氏体是碳在 中形成的固溶体
? 渗碳体
? 渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的
间隙化合物，分子式 Fe3C，是铁碳相图中的另一个
组元 。
Fe??
Fe??
典型铁碳合金的平衡结晶过程
? 铁碳合金分类
? 典型铁碳合金结晶过程分析
? 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
? 相图的实际应用
二,铁碳相图分析
? 1．特性点
2．特性线
Fe-Fe3C相图
图 4-1 Fe-Fe3C相图
§ 2 典型铁碳合金结晶过程分析
? 一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类
? 二、典型铁碳合金结晶过程分析
? 三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
? 四、相图的实际应用
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类
? 纯铁
? 钢
? 亚共析钢
? 共析钢
? 过共析钢
? 白口铸铁
? 亚共晶白口铁
? 共晶白口铁
? 过共晶白口铁
典型铁碳合金结晶过程图
W C × %
⑥
2
1148
3
A +F e 3 C Ⅱ +L d
1
3,0
P+Fe 3 C Ⅱ +Ld'
3
5G A +F e 3 C Ⅱ
2.110.77
Fe 2,01,0
P
Q
200
400
P+Fe 3 C ⅡF+P
F
+
A
PF
600
800
45 3
4
4
3
S
① ② ③
℃
温
度 L + A
2
1400
1394 ℃
δ
+
A
1200
1000
E
912 ℃
A
1538
2
δ
1600
1A
1
1495
H
1
B
2
J 3
4
L+ δ
④
4.3
6,04,0 5,0 6,69
L d
32
⑦⑤
2
L d
C
1
1
L D
1227
F
K
Fe 3 C
Fe 3 C Ⅱ +Ld'
Ld+Fe 3 C Ⅰ
L+Fe 3 C
图 4-2
二、典型铁碳合金结晶过程分析
? 1.含碳 0.01%的工业纯铁
? 2.含碳 0.77%的共析钢（合金②）
? 3.含碳 0.40%的亚共析钢（合金③）
? 4.含碳 1.2%的过共析钢（合金④）
? 5.含碳 4.3%的共晶白口铁 (合金⑤）
? 6.含碳 3.0%的亚共晶白口铁 (合金⑥）
? 7.含碳 5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
1.含碳 0.01%的工业纯铁
图 4-3 工业纯铁结晶过程
工业纯铁组织金相图
图 4-4
2,0.77%共析钢结晶过程
图 4-5 共析钢结晶过程示意图
共析钢金相 组织 图
图 4-6
3.亚共析钢结晶过程
图 4-7亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢组织金相图
图 4-8
4.1.2%C的过共析钢的结晶过程
图 4-9 过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
图 4-10
铁碳合金组织特征图
(a) 0.01%C铁素体 500×
(c).0.77%C珠光体 500×
(b) 0.45%C铁素体 +珠光体 500×
d),1.2%C 铁素体 +二次渗碳体 500×
图 4-11
5,共晶白口铁的结晶过程
图 4-12 共晶白口铁的结晶过程示意图
共晶白口铁组织金相图
图 4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图 4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图 4-15
7.过共晶白口铁结晶过程
图 4-16 过共晶白口铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
图 4-17
三、碳对铁碳合金平衡组织和性能的
影响
? 含碳量对平衡组织的影响
? 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化,
（沿 F晶界分布的基片） → 共析渗碳体（分布在铁素
体内的片层状） → （沿 A晶界呈网状分布） →
共晶渗碳体（为莱氏体的基体） → （分布在
莱氏体上的粗大片状）。
‘Ⅲ‘‘ⅡⅡⅢ ddd LCFeLLCFePCFePPPFCFeF ???????????? 3333
ⅢCFe3
ⅡCFe3
ⅠCFe3
含碳量对平衡组织的影响
图 4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图 4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
四、相图的实际应用
1．为选材提供成分依据
2．为制定热加工工艺提供依据
1．为选材提供成分依据
? 若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等，
应选用低碳钢（ 0.10~0.25%C）； 若零件要求强
度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢
（ 0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性
好，如工具等，应选用高碳钢（ 0.6~1.3%C）。
? 白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其
具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而
不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁
球等。
2.为制定热加工工艺提供依据
? 对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相
线间距离估计铸造性能的好坏,
? 对于锻造：确定锻造温度。
? 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当
热处理方法来减轻或消除组织不均匀性。
? 对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介
绍。
§ 3 碳 钢
? 一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响
? 二、钢锭的组织与缺陷
? 三、碳钢的分类、编号和用途
一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响
? 1,Mn
? 2,Si
? 3,S
? 4,P
? 5,O
? 6,N
? 7,H
二、钢锭的组织与缺陷
? 1．镇静钢
? 是钢液在浇注前用锰铁、硅铁、铝进行充分脱氧，注入模子后，钢液不
发生碳 — 氧反应而处于镇静状态，故称镇静钢。
? 2．沸腾钢
? 是在冶炼后期将钢液用少量锰铁轻度脱氧，钢液氧含量较高，注入锭模
后发生碳 — 氧反应，析出大量的 CO气体，引起钢液沸腾，故称为沸腾
钢。
? 3．镇静钢与沸腾钢的优缺点及应用
? 各有优缺点,
? ①沸腾钢成本低，成材率高；
? ②沸腾钢表面质量好，冲压性能好，焊接性能好；
? ③镇静钢的钢材质量好。机械性能好。
? 因此，凡要求冲压性能好，含碳量较低的普通结构件都选用沸腾钢，如
建筑用钢、汽车外壳用深冲钢板等。凡是重要的结构件如锅炉、化工容
器用钢和机械上需经热处理的受力零件用钢都选用镇静钢。
三、碳钢的分类、编号和用途
? 碳钢的分类
? 碳钢的牌号和用途
碳钢的分类
? 按含碳量分类
低碳钢
中碳钢
高碳钢
? 按质量分类
普通碳素钢
优质碳素钢
高级优质碳素钢
? 按用途分类
碳素结构钢
碳素工具钢
碳钢牌号和 用途
? 普通碳素结构钢
? 优质碳素结构钢
? 碳素工具钢
普通碳素结构钢牌号和 用途
? Q+ 数字 表示牌号,Q235表示屈服点是
235MPa,Q235-A·F,表示屈服点为 235的 A
级沸腾钢 。
? 制成薄板, 钢筋, 焊接钢管等, 用于桥梁,
建筑等钢结构, 也可制造普通的铆钉, 螺钉,
螺母, 垫圈, 地脚螺栓, 轴套, 销轴等等
优质碳素结构钢牌号和 用途
? 两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数的数字,20钢表示
平均含碳量为 0.20%,15Mn：表示钢材中的含锰量比较高 。
? 08,08F,10,10F钢, 塑性, 韧性好, 具有优良的冷成型性能
和焊接性能, 常冷轧成薄板, 用于制作仪表外壳, 汽车和拖拉
机上的冷冲压件, 如汽车车身, 拖拉机驾驶室等； 15,20,25
钢用于制作尺寸较小, 负荷较轻, 表面要求耐磨, 心部强度要
求不高的渗碳零件, 如活塞钢, 样板等； 30,35,40,45,50
钢经热处理 （ 淬火 +高温回火 ） 后具有良好的综合机械性能, 即
具有较高的强度和较高的塑性, 韧性, 用于制作轴类零件； 55、
60,65钢热处理 （ 淬火 +高温回火 ） 后具有高的弹性极限, 常用
作弹簧 。
碳素工具钢牌号和 用途
? 数字表示钢材中平均含碳量千分数的数值,
T10A表示平均含碳量为 1.0%,A表示高级
优质钢
? 碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具
等。
? 碳素工具钢经热处理（淬火 +低温回火）后
具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性
的量具、刃具、模具等。
