铁碳合金和铁碳相图
铁碳合金相图(详解)
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源 和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体 结构和本身的性质均相同。
相图中AHN线和GPQ线的左方分别为δ和α的铁素 体区域；NJESG包围的范畴为奥氏体区域。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量 和组织的不同，分成下列三类：
合物，
称此共晶混合物为莱氏体，用字母Ld表示； 冷至室温时成为变态莱氏体，用L′d表示。 此反应发生于所有含碳量 > 2.06％ < 6.67％的 铁碳合金范围内。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
相图中各主要点的涵义：
相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温 反应：
(3)在723℃(PSK水平线)发生共析反应，其反应式为
1147℃，此时可溶解2.06％C，而在723℃时只能溶解 0．80％C。故凡含碳量大于0.80％的铁碳合金自 1147℃冷至723℃时，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳 体，称此渗碳体为二次渗碳体(Fe3CⅡ)，以区别于从液 体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CⅠ)。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
此外，值得注意的是ES和PQ线：
(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析
合金②冷凝后得到A组织，继续冷至GS线(3点温度)时，便会发生A F的转变，同时引起母相A中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，A 的含碳量沿GS线逐渐增浓而趋近于S点，即合金冷至723℃时，A的含碳量 增为0.80％，故当合金冷至稍低于723℃时，其组织中剩余的A，便会按 共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为F+P。
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
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铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
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奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
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（3）Fe3C(渗碳体） cementite
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（1）纯铁pure iron（多型性）
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➢ 纯铁熔点1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。
➢ 在912℃以下为体心立方 ， 称α铁(α-Fe)；
➢ 低温的铁具有铁磁性，在 770℃ 以 上 铁 磁 性 趋 于 消 失 。
➢ 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)；
称为铸铁 ➢含碳量小于0.0218％的铁碳合金则称为工
业纯铁
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根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
G 912
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0
α与γ同素异构转变点(A3)
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2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 H J K N P S Q
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温度/℃ 1495 1495 727 1394 727 727 室温
含碳量/% 含义
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
1.3 铁碳合金和铁碳相图
应对铸铁有重要意义。
钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度
很小，因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石
墨的形式存在。
铸铁中的石墨
二、铁碳合金相图基本分析
模锻
焊 缝 组 织
4、铁碳合金相图的应用
① 选材的参考：
建筑结构及各种型钢需要塑性韧性好，选低碳钢；各种机械零件需要强 度、塑韧性都较好的材料，选中碳钢；各种工具需要硬度、耐磨性好的， 选高碳钢。 白口铸铁硬度高，太脆，耐磨性好，铸造性能优良，可做 要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件如冷轧辊、犁等。
同素异构转变：金属在温度（压力）改变时 发生晶体结构变化的现象。
⒉相
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称
铁素体, 用F 或 表示。
铁素体
碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
返回
⇄
⇄
⇄ ⇄ ⇄
2、相区分析
5单相区 7双相区
3三相区
返回
3、特性线分析
液相线 、固相线 、 GS（A3线）、 GP、 ES（Acm）、 PQ线
相图中的三条水平线
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
第4讲铁碳合金基本组织及铁碳合金相图分析
第4讲铁碳合⾦基本组织及铁碳合⾦相图分析第三章铁碳合⾦第⼀节基本组织⼀、铁碳合⾦的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。
由于α-Fe晶粒的间隙⼩，溶解碳量极微，其最⼤溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是⼏乎不含碳的纯铁。
=180～230Mpa性能：σbHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰⾊并有明显⼤⼩不⼀的颗粒形状。
Array C）2、渗碳体（Fe3渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。
含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很⾼，脆性极⼤，是钢中的强化相。
显微镜下观察，渗碳体呈银⽩⾊光泽。
渗碳体在⼀定条件下可以分解出⽯墨，3、奥⽒体（A）奥⽒体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。
γ-Fe的溶碳能⼒较⾼，最⼤为2.11%（1148℃）。
由于γ-Fe⼀般存在于727～1394℃之间，所以奥⽒体也只出现在⾼温区域内。
显微镜观察，奥⽒体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。
性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗⼒。
是绝⼤多数钢种在⾼温进⾏压⼒加⼯所需的组织。
4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。
显微镜观察，珠光体呈层⽚状特征，表⾯具有珍珠光泽，因此得名。
=750Mpa性能：σbHB=160～180较⾼δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱⽒体（Ld）莱⽒体是由奥⽒体和渗碳体组成的共晶体。
铁碳合⾦中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发⽣共晶转变，⽣成⾼温莱⽒体。
合⾦继续冷却到727℃时，其中的奥⽒体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱⽒体。
统称莱⽒体。
第⼆节铁碳合⾦相图分析各主要线的意义：相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合⾦的开始点和终了点，分别⽤光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合⾦内部组织发⽣转变的界限。
3.铁碳合金和铁碳相图资料
发生共晶反应的成分范围： Wc ：2.11 %—6.69%
(合金成分线与ECF线相交) 产物： γE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Le表示。（Fe3C为
基体；γE呈粒状或卵状分布在基体上）
莱氏体是塑性很差也很硬的组织。 共晶点C ：(4.3,1148)
3）共析转变 （水平线PSK,亦称A1线） 727º C gs aP Fe3C +
HV=950~1050
δ=0
二、 Fe-Fe3C相图的相
1.液相 L
2.δ 相（高温铁素体）：碳溶于δ -Fe的间隙固溶体。
在1495℃时的最大溶碳量为0.09%。（bcc） 3.α 相（F，铁素体）：碳溶于α -Fe的间隙固溶体。 在727℃时的最大溶碳量为0.0218%。（bcc） 性能：软而韧
室温组织: 先共析F + P
亚共析钢显微组织示意图
室温组织为珠光体及铁素体,珠光体呈黑色块状, 铁素体呈连续白色网状在珠光体周围
亚共析钢结晶过程:L
L+A
A
F+A
F+P
求室温中相 组织的含量
室温各相的相对量：（在α + Fe3C两相区室温用杠杆定律） Fe3C%≈0.45/6.69=6.7%
温度低于此线时，
碳以Fe3C形式从A中析出，
析出的次生Fe3C 又称二次渗碳体， 记为Fe3CII 。
固溶度线
PQ 碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线
（温度 ，最大溶解度 ） (0.0008%—0.0218%)
温度低于727℃时，
碳以Fe3C形式从F中析出，
析出的Fe3C 又称三次渗碳体， 记为Fe3CIII 。
4.Fe-Fe3C相图中的转变
课题四铁碳合金相图课件
市场需求的预测
汽车工业需求
随着电动汽车和智能网联汽车的发展，对高性能、轻量化铁碳合 金材料的需求将不断增加。
航空航天需求
随着航空航天技术的进步，对高强度、耐高温的铁碳合金材料的 需求也将不断增长。
基础设施建设需求
随着全球基础设施建设的不断推进，对高强度、耐腐蚀的铁碳合 金材料的需求也将持续增加。
THANKS
化学成分和组织结构等。
数据处理
对实验数据进行整理、分析和处 理，利用数学方法绘制出相图。
图形绘制
将处理后的数据用图形的方式表 示出来，形成铁碳合金相图。
相图的解读
平衡状态
根据相图可以确定不同成分的铁碳合金在不同温度下的平衡状态 ，如单相区、两相区、固溶体区等。
相变规律
相图描述了铁碳合金在不同温度和成分下的相变规律，包括同素异 晶转变、共晶反应和共析反应等。
感谢观看
生产工艺的改进
高效成形技术
01
采用先进的成形工艺，如精密铸造、粉末冶金等，提高铁碳合
金材料的生产效率和产品质量。
节能减排技术
02
在生产过程中引入节能减排技术，降低铁碳合金生产的能耗和
污染物排放，实现绿色制造。
智能化生产
03
利用物联网、大数据等先进技术，实现铁碳合金生产的智能化
和自动化，提高生产效率和产品质量。
相图中的各个区域代表了不同成分 的铁碳合金在不同温度下的平衡状 态，包括液相区、固相区和两相区 。
特性线
特性线是相图中的一些关键温度线 ，如熔点线、共晶点线、共析点线 等，它们对确定合金的平衡状态和 相变过程具有重要意义。
相图的绘制
实验数据
铁碳合金相图的绘制需要大量的 实验数据，包括不同成分的铁碳 合金在不同温度下的物理性质、
第3章 铁碳合金相图
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
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切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
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晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
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3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
第三章铁碳合金相图详解版
第 二 节 铁碳合金状态图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C 亚共晶白口铸铁<4.3% C
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
铁碳合金的基本相与铁碳合金相图(模快四)
线，即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F
和Fe3C三相共存。
工业纯铁组织金相图
共析钢组织金相图
亚共析钢组织金相图
过共析钢组织金相图
共晶白口铁组织金相图
亚共晶白口铁组织金相图
欢迎多提宝贵意见！
谢谢大家！
钢中的渗碳体
铸铁中的石墨
渗碳体组织金相图
珠光体
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号P表示。 珠光体中碳的质量分数平均为0.77%，由于珠光体组织是由 软的铁素体和硬的渗碳体组成，因此，珠光体的组织两相呈 片层相间分布, 它的性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有 较高的强度(σ b=770MPa)和塑性(δ =20～25%)，硬度适中 （180HBS）。
Fe- Fe3C相图中的特性点
特性点符 号 A C D 温度/℃ 1538 1148 1227 ωc（%） 0 4.3 6.69 含义 熔点：纯铁的熔点 共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶) 熔点：渗碳体的熔点
E
G S P
1148
912 727 727
2.11
0 0.77 0.0218
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
(一)铁碳合金状态图中主要点和线的意义
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 • 三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共 析转变。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
铁碳相图和铁碳合金
铁碳相图和铁碳合金(一)钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。
因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图【说明】图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
最全的铁碳相图
最全的铁碳相图首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下：合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。
相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。
固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。
1.铁素体铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。
δ=30%~50%，A KU=128~160J，σb=180~280MPa，50~80HBS.铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。
2.奥氏体奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”(或γ)表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有%(1148℃时)，727℃时为%。
铁碳相图
4.铁碳合金相图主要研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质，了解铁碳合金的成分、组织与性能的关系。
（1）Fe-Fe3C相图Fe与C可形成一系列化合物，实际应用含C不超过5%，所以只研究Fe-Fe3C 部分。
Fe-Fe3C相图由包晶、共晶、共析三个基本的相图组成。
符号国际通用，不能任意写。
各点成分、温度要记住。
见图2-30图2-30 Fe-Fe3C相图（2）组元1）、纯铁：熔点1538℃，具有同素异构转变，使其能合金化和热处理。
α-Fe 912℃γ-Fe 1394℃δ-Fe性能：强度低、塑性好。
HB50～80, δ=30～50%2）、渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69%，熔点1227℃。
性能：硬而脆，塑性≈0 HB800 δ≈0。
（3）基本相1）、液相（L）：Fe、C的液溶体。
2）、δ相：C溶于δ-Fe中的间隙固溶体，存在于高温，又称δ铁C max%=0.09%。
3）、γ相：C溶于γ-Fe中的间隙固溶体，称奥氏体。
用γ或A表示。
C max%=2.11%。
4）、α相：C溶于α-Fe中的间隙固溶体，称铁素体。
用α或F表示。
C max%=0.0218%。
5）、Fe3C相：它是Fe与C形成的间隙化合物，也叫渗碳体，含碳量为6.69%。
按其来源可分为：Fe3CⅠ：从L 中直接结晶出的Fe3C。
Fe3CⅡ：从A 中沿晶界析出的Fe3C。
Fe3CⅢ：从F 中沿晶界析出的Fe3C。
Fe3C共晶：共晶反应得到的Fe3C。
Fe3C共析：共析反应得到的Fe3C。
他们的本质是一样的，只是形状不同。
（4）Fe-Fe3C相图分析1）点：A Fe的熔点：1538℃ B Fe3C熔点：1227℃J 包晶点； C 共晶点；S 共析点。
E 钢与铁的分界点，含碳量为2.11%。
≤2.11%的铁碳合金为钢，>2.11%的铁碳合金为铁。
2）区：五个单相区：L δ α γ Fe3C七个双相区：L+δ L+γ L+ Fe3C δ+γ α+γ γ+ Fe3C α+ Fe3C3）线：⑤ABCD 液相线⑤AHJECF 固相线⑤三条水平线HJB包晶转变线，在1495℃的恒温下，发生包晶转变：L B+δH1495℃γJ凡含碳量在0.09～0.53%之间的合金，均发生包晶转变。
铁碳合金相图图文解析
铁碳合金相图图文解析一、铁碳图相简介：Fe-C合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
1、Fe-C相图中重要的点2、Fe-C相图中重要的线3、Fe-C合金平衡结晶过程Fe-Fe3C相图中的相：Ⅳ、过共析钢（0.77%<2.11%）Ⅴ、共晶白口铁（C%=4.3%）Ⅶ、过共晶白口铸铁（C%>4.3%）二、钢中常见组织分类：奥氏体：碳与合金元素溶解在γ-Fe中的固溶体，仍保持γ-Fe的面心立方晶格特征：奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性铁素体：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，溶碳能力极差；特征：具有良好的韧性和塑性；呈明亮的多边形晶粒组织；马氏体：碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，体心正方结构；常见的马氏体形态：板条、片状；板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多成群的、相互平行排列的板条所组成的板条束。
空间形状是扁条状的，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）；片状马氏体（针状马氏体）：常见于高、中碳钢及高Ni的Fe-Ni合金中；当最大尺寸的马氏体片小到光学显微镜无法分辨时，便称为隐晶马氏体。
在生产中正常淬火得到的马氏体，一般都是隐晶马氏体。
回火马氏体：低温（150～250oC）回火产生的过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物共同组成的组织。
这种组织极易受腐蚀，光学显微镜下呈暗黑色针状组织（保持淬火马氏体位向），与下贝氏体很相似，只有在高倍电子显微镜下才能看到极细小的碳化物质点。
渗碳体：碳与铁形成的一种化合物Fe3C；特征：含碳量为6.67%，具有复杂的斜方晶体结构；硬度很高，脆性极大，韧性、塑性几乎为零；珠光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体组成的片层相间的机械混合物；特征：呈现珍珠般的光泽；力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好；片状珠光体：铁素体和渗碳体以薄层形式，交替重叠形成的混合物；根据珠光体片间距的大小不同可以分为：珠光体（片间距450～150nm，形成温度范围A1～650℃，在光学显微镜下能明显分辨出来）索氏体（片间距150～80nm，形成温度范围650～600℃，只有高倍光学显微镜下才分辨出来）屈氏体（片间距80～30nm，形成温度范围600～550℃，只能用电子显微镜才能分辨出来）粒状珠光体：由铁素体和粒状碳化物组成。
材料科学基础课件第四章铁碳合金与铁碳相图
第三节 铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
①
L+
③(0.09) ②
④
⑥
⑤
⑦
1538C
(0.53) 1495C
(0.17)
L
1394C +
L+
①工业纯铁（wC%＜0.0211184%8）C
②共析钢（(2.1w1)C%＝0.77%）
(4.3)
1227C
L+Fe3C
912C
③亚共析钢铁（wC%＝0.02+1F8e%3C～0.77%）
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
四、五种形态不同的渗碳体
一次渗碳体（Fe3CⅠ）
在1148C以上从液相中析出的渗碳体，呈粗大片条状。
共晶渗碳体
在1148C通过共晶反应生成的渗碳体，为连续的合金基体。
二次渗碳体（Fe3CⅡ）
在727C～1148C从奥氏体中析出的渗碳体，呈网状。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
二、奥氏体（Austenite）
定义：碳溶解在面心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体最大溶碳量（1148C时）为2.11%，727C时溶碳量为 0.77%。
符号： 或 A。 性能：强度和硬度较低，塑性和韧性高。
HB＝170～220， ＝30～50%。 相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。
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共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相
析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 先共晶γ相 → P 室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
过共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ Fe3C相
共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ
利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数
课后作业
亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳
体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分
数。（亚共析钢以含碳量0.45%为例，过共析钢以含碳
量1.0%为例）
返回
共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C） 共晶中的γ相不断析出Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
A(0.0008)
C 0.77
Fe3C
B(6.69)
相的质量分数
6.69 0.77 M 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
Fe3C相的质量分数
L相冷却 L相→ δ相 剩余L相→ γ相
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
3.2 Fe-Fe3C相图
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
3.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
返回
3.318%
亚共析钢 铁碳合金 碳素钢
0.0218～2.11%
注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ，但其依附于莱氏体中的 Fe3C长大，不可见 共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le ’（珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上）
共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高
亚共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ γ相
共析钢 过共析钢
0.77%
亚共晶白口铁 白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁
4.3%
过共晶白口铁
工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
返回
共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应L相中析出γ相（奥氏体A）
γ单相固溶体的冷却
γ相发生共析反应生成珠光体P
返回
3.2 Fe-Fe3C相图
返回
3.2 Fe-Fe3C相图
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
返回
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
3.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢 亚共析钢 共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁
3.2 Fe-Fe3C相图
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
小结
碳含量对铁碳合金室温组织的影响
a+Fe3CⅢ a+P P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Le’
Le’
Fe3C+Le’
返回
硬
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和 质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度 低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度
3.5 钢中的杂质元素
四、P 不利作用：引起冷脆, P％<0.045%。 （原因：固溶于F→钢强 硬度↑，塑韧性↓↓） 有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等 五、 N、H、O 1. 一般情况下均是有害元素 N —— 时效形成氮化物→脆化 H —— 氢脆， 白点→塑韧性↓↓ O —— 形成氧化物 → 非金属夹杂 2. 控制方法： N —— 加入Al→AlN H —— 冶金时防止进入， 去氢退火 O —— 加脱氧剂 Si,Mn等
共析钢的平衡结晶过程
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。
共析钢的室温平衡组织：P
P：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？
杠杆定律
计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。
第三章 铁碳合金和铁碳相图
第三章 铁碳合金和铁碳相图
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
§3.2 Fe-Fe3C相图
§3.3 典型合金的平衡结晶 §3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 §3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（δ）、 铁素体（α）、 奥氏体（γ） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Le/Le’）
亚共析钢的平衡结晶过程
P 计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
A(0.0218)
C
P
B(0.77)
0.6
组织组成物的
质量分数
0.77 0.6 M 100 % 22.72% 0.77 0.0218
MP 0.6 0.0218 100 % 77.28% 0.77 0.0218
化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
塑
性
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变 形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就
降到近于零值了。
返回
3.5 钢中的杂质元素
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
γ单相的冷却
γ相→ α相，但γ相有剩余 共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相
亚共析钢的平衡结晶过程
注意事项
先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析出Fe3CⅢ，但量很少可忽略
亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P
利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁 素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数
§6 金属铸锭宏观组织
• 凝固后在铸造状态(或还要经过热处理)下使 用的金属件称为铸件，凝固后还要经历塑 性变形的金属件称为铸锭。 • 铸锭实际上是一个形状简单的铸件.具有很 典型的铸态组织。铸锭剖面大致存在三个 不同特征的区 • 铸锭三晶区：表面细晶粒区，柱状晶粒区， 中心等轴区
图3-6 铸件的宏观组织形成过程示意图
纯铁
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。
由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。 同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。
3.2 Fe-Fe3C相图
相图中的三个重要点
相图中的五个单相(区) 相图中的三条水平线 相图中的四条垂直线
柱状晶粒区
• 分枝少，晶质细密 • 晶粒粗大，各向异性 横向性能差； • 柱状晶交界处有夹杂和气体 热加工时易开裂， • 获得：大的温度梯度 单向散热，定向凝固
等轴晶粒区
• • • • 晶界面积大，杂质分布分散 各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性； 枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。 缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留 下很多分散孔洞(显微缩松)，因此凝固后全 属组织不够致密。 • 获得：较低的浇注温度；孕育处理；机械振 动、电磁搅拌
P组织组成物的
质量分数
过共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却 L相→ γ相
γ单相固溶体（奥氏体）的冷却
γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）
共析转变： γ相→（ α+Fe3C），存在
Fe3CⅡ
过共析钢的平衡结晶过程
注意事项
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体 Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大
3.2 Fe-Fe3C相图
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H 点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分的 γ。
C点为共晶点 1148 ℃时, C点成分的L发 生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C（莱 氏体）。
S点为共析点 727 ℃时, S点成分的γ发生共 析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。
强
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• Ｃ％↑, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密,
则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随Ｃ％
↑而增大。 • 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度 的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度 迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到 2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。 • 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变
一、Si