铁碳合金相图分析ppt课件
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第七章 铁 碳 合 金
7.1 概 述 7.2 纯 铁 7.3 碳与铁碳合金中的相 7.4 Fe-Fe3C相图 7.5 Fe-C相图 7.6 铁碳合金成分、组织与性能间的关系 7.7 钢中的杂质
1
7.1 概 述
钢铁是铁与碳的合金，各种合金钢也是 在铁与碳的基础上，为了具有某种特殊的性能 而添加一些合金元素。钢铁是目前人类社会中 最重要的金属材料。因此，铁与碳的合金是最 重要的合金。
铁素体有与纯铁相同的性能，居里点是770℃。 常用符号：F或α
奥氏体是碳原子作为间隙式溶质溶入到γ-Fe中
的间隙形成的间隙式固溶体。
8
由于面心立方的八面体间隙较大，因此γ-Fe的溶碳能 力较高，1147℃时碳在γ-Fe中有最大溶解度，2.14％。
奥氏体有较好的塑性，具有顺磁性。常用A或γ表 示。
渗碳体是铁与碳组成的化合物Fe3C。 渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中a＝0.4524nm， b＝0.5089nm，c＝0.6743nm。单胞中有12个Fe原子， 4个碳原子，Fe：C＝3：1。晶胞中每个碳原子周围 有6个铁原子，组成一个三角棱柱，碳原子位于三角 棱柱的中心。含碳为6.69％。
5
3. 纯铁的性能与应用
力学性能：σb＝176～274MPa σ0.2＝98～166MPa δ＝30～50％，ψ＝70～80％ HB＝50～80 aK＝1.5～2MNm/m2
应 用：主要应用于电子材料，作为铁芯。
6
7.3 碳与铁碳合金中的相
1. 碳的物理化学特性
碳的原子序数是6，原子量是12.01，密度是 2.25g/cm3。
碳的原子半径为0.34nm。碳有两种存在形式： 石墨和金刚石，石墨较为广泛。
石墨是由碳原子层组成，层内原子呈正六边 形。层内原子由共价键结合，原子间距为 0.142nm。层间原子由弱金属键结合，间距为 0.34nm。
石墨的晶体结构属于六方晶系，其中a＝ 0.46nm，c＝0.670nm，每个晶胞含有四个原子。 7
其中： δ-Fe为体心立方晶体结构。 γ-Fe为面心立方晶体结构，此时发生第一次同素异形 转变； γ-Fe面心立方的边长为0.36563nm，最近原子间距为 0.25850nm，原子半径 0.12925nm，四面体间隙的边 长为0.02908nm，八面体间隙边长为 0.05350nm。 α-Fe为体心立方晶体结构，此时发生第二次同素异形 转变； α-Fe体心立方的边长为0.28663nm，最近原子间距为 0.24821nm，原子半径 0.12410nm，四面体间隙的边 长为0.03596nm，八面体间隙边长为 0.01862mm。
2. 碳在铁中的固溶体
碳与铁通过相互作用可形成铁素体和奥氏体两种
间隙固溶体以及化合物渗碳体。
铁素体是碳原子作为间隙式溶质溶入到体心立
方晶体铁α-Fe的间隙中形成的间隙式固溶体。C在 α-Fe的溶解度是：G(wt%)＝2.55exp（－ 9700/RT），碳在体心立方中的溶解度十分有限， 727℃时，C在α-Fe中的溶解度是0.022％。
渗碳体具有很高的硬度，HV＝950～1050，而塑 性几乎为零，常温下具有铁磁性，居里点是230℃， 熔点计算值为1227℃。
9
3. 铁碳合金相图
渗碳体在热力学中上是个亚稳定的相，石墨才是稳定 的相。但在实际中，石墨的表面能很大，形核需要很高的 能垒，一般条件下，碳大多和铁结合成渗碳体，只有在极 缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才 能以石墨的形式存在。
的性能。
3
7.2 纯 铁
1. 铁元素的化学特性
化学元素铁的原子序数是26，在第四周期， 属于过渡族，原子量是55.85，原子轨道是－ 3d64s2。
铁的熔点是1538℃，汽化温度是2738℃， 密度为7.87g/cm3。
2. 纯铁的多形性
从高温到低温，纯铁由液相依次发生了三种 多形性变化：
4
液相（L） 1538℃ δ-Fe 1394℃ γ-Fe 912℃α-Fe
1. Fe-Fe3C相图
A
1538℃
H
B1493℃
J
L
N 1394℃ γ+ L
1154℃
C
γ
E 1148℃
D
L+Cm F
G 910℃
γ＋Cm
M O770℃
αP S
738℃ 727℃
K
α ＋Cm
Q
230℃
Fe
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
2
3
4
5
6
Fe3C 11
符 号 温 度/℃ ω（C）/%
说明
A 1538℃ B 1493℃ C 1147℃ D 1227℃ E 1147℃ F 1147℃ G 912℃ H 1493℃
铁碳元素在地壳中占41.2％，储量集中， 易于开采，而且易于从矿石中还原成金属；
铁碳合金的强韧性配合得好；
2
铁碳合金可形成两个同素异构体，多种组织， 性能变化范围宽；
776℃以下，具有铁磁性； 熔点为1538 ℃，热激活过程可以在不太高的温
度下进行。 可以有意无意地加入其它元素，得到各种各样
0 0.53 4.30 6.69 2.14 6.69
0 0.09
纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分
共晶点 渗碳体的熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 共晶反应生成的渗碳体 α-Fe向γ-Fe转变温度（A3） 碳在δ-Fe中的最大溶解度
12
J 1493℃ 0.16
包晶点
K
727℃ 6.69
共析反应生成的渗碳体
因此，铁碳相图有两类：
Ⅰ 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端 部分，其中C含量的范围是0～6.69％
Ⅱ 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量 的范围是0～100％。
通常，相图中有虚实两线，实线表示Ⅰ类，虚线表示 Ⅱ类，无虚线部分表示两者共有，此称为双线铁碳相图。
10
7.4 Fe-Fe3C相图
M 770℃
0
纯铁的磁性转变点
N 1394℃
0
γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）
O
770℃ ～0.5 ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度
P
727℃ 0.022
碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727℃ 0.76
共析点（A1）
Q
600℃ 0.0057
600℃时碳在α-Fe中的溶解度
13
由上可知，Fe-Fe3C相图中有以下组成部分： 液相线：ABCD 固相线：AHJECF 五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C 七个两相区：L＋ δ，L＋ γ，L＋ Fe3C， δ＋ γ ，
7.1 概 述 7.2 纯 铁 7.3 碳与铁碳合金中的相 7.4 Fe-Fe3C相图 7.5 Fe-C相图 7.6 铁碳合金成分、组织与性能间的关系 7.7 钢中的杂质
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7.1 概 述
钢铁是铁与碳的合金，各种合金钢也是 在铁与碳的基础上，为了具有某种特殊的性能 而添加一些合金元素。钢铁是目前人类社会中 最重要的金属材料。因此，铁与碳的合金是最 重要的合金。
铁素体有与纯铁相同的性能，居里点是770℃。 常用符号：F或α
奥氏体是碳原子作为间隙式溶质溶入到γ-Fe中
的间隙形成的间隙式固溶体。
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由于面心立方的八面体间隙较大，因此γ-Fe的溶碳能 力较高，1147℃时碳在γ-Fe中有最大溶解度，2.14％。
奥氏体有较好的塑性，具有顺磁性。常用A或γ表 示。
渗碳体是铁与碳组成的化合物Fe3C。 渗碳体具有复杂的斜方晶格，其中a＝0.4524nm， b＝0.5089nm，c＝0.6743nm。单胞中有12个Fe原子， 4个碳原子，Fe：C＝3：1。晶胞中每个碳原子周围 有6个铁原子，组成一个三角棱柱，碳原子位于三角 棱柱的中心。含碳为6.69％。
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3. 纯铁的性能与应用
力学性能：σb＝176～274MPa σ0.2＝98～166MPa δ＝30～50％，ψ＝70～80％ HB＝50～80 aK＝1.5～2MNm/m2
应 用：主要应用于电子材料，作为铁芯。
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7.3 碳与铁碳合金中的相
1. 碳的物理化学特性
碳的原子序数是6，原子量是12.01，密度是 2.25g/cm3。
碳的原子半径为0.34nm。碳有两种存在形式： 石墨和金刚石，石墨较为广泛。
石墨是由碳原子层组成，层内原子呈正六边 形。层内原子由共价键结合，原子间距为 0.142nm。层间原子由弱金属键结合，间距为 0.34nm。
石墨的晶体结构属于六方晶系，其中a＝ 0.46nm，c＝0.670nm，每个晶胞含有四个原子。 7
其中： δ-Fe为体心立方晶体结构。 γ-Fe为面心立方晶体结构，此时发生第一次同素异形 转变； γ-Fe面心立方的边长为0.36563nm，最近原子间距为 0.25850nm，原子半径 0.12925nm，四面体间隙的边 长为0.02908nm，八面体间隙边长为 0.05350nm。 α-Fe为体心立方晶体结构，此时发生第二次同素异形 转变； α-Fe体心立方的边长为0.28663nm，最近原子间距为 0.24821nm，原子半径 0.12410nm，四面体间隙的边 长为0.03596nm，八面体间隙边长为 0.01862mm。
2. 碳在铁中的固溶体
碳与铁通过相互作用可形成铁素体和奥氏体两种
间隙固溶体以及化合物渗碳体。
铁素体是碳原子作为间隙式溶质溶入到体心立
方晶体铁α-Fe的间隙中形成的间隙式固溶体。C在 α-Fe的溶解度是：G(wt%)＝2.55exp（－ 9700/RT），碳在体心立方中的溶解度十分有限， 727℃时，C在α-Fe中的溶解度是0.022％。
渗碳体具有很高的硬度，HV＝950～1050，而塑 性几乎为零，常温下具有铁磁性，居里点是230℃， 熔点计算值为1227℃。
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3. 铁碳合金相图
渗碳体在热力学中上是个亚稳定的相，石墨才是稳定 的相。但在实际中，石墨的表面能很大，形核需要很高的 能垒，一般条件下，碳大多和铁结合成渗碳体，只有在极 缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才 能以石墨的形式存在。
的性能。
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7.2 纯 铁
1. 铁元素的化学特性
化学元素铁的原子序数是26，在第四周期， 属于过渡族，原子量是55.85，原子轨道是－ 3d64s2。
铁的熔点是1538℃，汽化温度是2738℃， 密度为7.87g/cm3。
2. 纯铁的多形性
从高温到低温，纯铁由液相依次发生了三种 多形性变化：
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液相（L） 1538℃ δ-Fe 1394℃ γ-Fe 912℃α-Fe
1. Fe-Fe3C相图
A
1538℃
H
B1493℃
J
L
N 1394℃ γ+ L
1154℃
C
γ
E 1148℃
D
L+Cm F
G 910℃
γ＋Cm
M O770℃
αP S
738℃ 727℃
K
α ＋Cm
Q
230℃
Fe
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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Fe3C 11
符 号 温 度/℃ ω（C）/%
说明
A 1538℃ B 1493℃ C 1147℃ D 1227℃ E 1147℃ F 1147℃ G 912℃ H 1493℃
铁碳元素在地壳中占41.2％，储量集中， 易于开采，而且易于从矿石中还原成金属；
铁碳合金的强韧性配合得好；
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铁碳合金可形成两个同素异构体，多种组织， 性能变化范围宽；
776℃以下，具有铁磁性； 熔点为1538 ℃，热激活过程可以在不太高的温
度下进行。 可以有意无意地加入其它元素，得到各种各样
0 0.53 4.30 6.69 2.14 6.69
0 0.09
纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分
共晶点 渗碳体的熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 共晶反应生成的渗碳体 α-Fe向γ-Fe转变温度（A3） 碳在δ-Fe中的最大溶解度
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J 1493℃ 0.16
包晶点
K
727℃ 6.69
共析反应生成的渗碳体
因此，铁碳相图有两类：
Ⅰ 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧靠铁端 部分，其中C含量的范围是0～6.69％
Ⅱ 液体、固溶体和石墨之间的稳定平衡，其中C含量 的范围是0～100％。
通常，相图中有虚实两线，实线表示Ⅰ类，虚线表示 Ⅱ类，无虚线部分表示两者共有，此称为双线铁碳相图。
10
7.4 Fe-Fe3C相图
M 770℃
0
纯铁的磁性转变点
N 1394℃
0
γ-Fe向δ-Fe的转变温度（A4）
O
770℃ ～0.5 ω（C）≈0.5％合金的磁性转变温度
P
727℃ 0.022
碳在α-Fe中的最大溶解度
S
727℃ 0.76
共析点（A1）
Q
600℃ 0.0057
600℃时碳在α-Fe中的溶解度
13
由上可知，Fe-Fe3C相图中有以下组成部分： 液相线：ABCD 固相线：AHJECF 五个单相区：L，δ，γ，α和Fe3C 七个两相区：L＋ δ，L＋ γ，L＋ Fe3C， δ＋ γ ，