工程材料第3章铁碳合金相图
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第三节 铁碳合金及相图
3） Fe-Fe3C相图相区分析：
包括： （1）液相区： （2）液、固两相区： （3）固相区： 也包括： （1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3） 三相区：Le+A+ Fe3C、P+Le’+ Fe3C
简化后的Fe-Fe3C状态图
G Q
S
FP
Fe3 C K
4.3 6.69
P
0.0218 0.77 2.11
C%
C—共晶点，1148℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。 共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。
共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
L（4.3%C）
1148℃
A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）
纯铁
0.01%C铁素体500×
2）奥氏体（A）：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。 其 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。 3）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳 量为6.69%。 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。
Fe-Fe3C相图中主要特性点含义见表：
2）Fe-Fe3C相图中特性线：
ACD线—液相线 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF线—固相线 AE—A析出终了线
第三章 铁碳合金相图
第三章铁碳合金相图非合金钢[（GB／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。
Fe3C的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-Fe3C相图。
相图的两个组元是Fe和Fe3C。
3.1 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为7.87⨯103kg/m2。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：α-Fe（体心）γ-Fe（面心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度σb=180～230MPa，屈服强度σ0.2＝100～δ-Fe （体心）170MPa，伸长率δ=30～50％，硬度为50～80HBS。
可见，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，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵Fe3C Fe3C是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表示。
Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度σb=30MPa，伸长率δ=0。
3.1.2 基本相Fe-Fe3C相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。
F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
第3章 铁碳合金相图
ωc>0.9% →σ↓
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。
2020/5/12
2020/5/12
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
2020/5/12
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。
2020/5/12
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。
21/24
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
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。
2020/5/12
2020/5/12
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
2020/5/12
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
机械工程材料 第3章 铁碳合金相图及碳钢
P＋Fe3CⅡ＋Ld’
第二节 铁碳合金相图
3) 过共晶白口铸铁的结晶过程
Ld’＋Fe3CⅠ
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图
工业纯铁
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
第二节 铁碳合金相图
第二节 铁碳合金相图
3.2.3、铁碳合金含碳量与组织、性能的变化规律
第二节 铁碳合金相图
d -Fe1394°Cg -Fe912°Ca -Fe
● 晶格类型 bcc
fcc
bcc
● 致密度 0.68
0.74 →（胀大） 0.68
● 符合形核、长大结晶规律
● 转变过程恒温、可逆
纯铁在凝固后的冷却过程中，经两次同素异构转变后晶粒 得到细化，对于钢的性能提高具有十分重要的意义，是制 定热处理工艺和合金化的理论基础。
第一节 铁碳合金的相与组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢
第3章 铁碳合金相图及碳钢
重点：
1）铁碳合金相图的绘制 2）铁碳合金基本相与基本组织 3）碳素钢的牌号及应用
难点：
1）铁碳合金平衡结晶过程 2）铁碳合金相图的分析及应用
课时：
4 学时
第一节 铁碳合金的相与组织
3.1.1、纯铁的同素异构转变
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
第二节 铁碳合金相图
3) 过共晶白口铸铁的结晶过程
Ld’＋Fe3CⅠ
第二节 铁碳合金相图
铁碳合金相图
工业纯铁
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
第二节 铁碳合金相图
第二节 铁碳合金相图
3.2.3、铁碳合金含碳量与组织、性能的变化规律
第二节 铁碳合金相图
d -Fe1394°Cg -Fe912°Ca -Fe
● 晶格类型 bcc
fcc
bcc
● 致密度 0.68
0.74 →（胀大） 0.68
● 符合形核、长大结晶规律
● 转变过程恒温、可逆
纯铁在凝固后的冷却过程中，经两次同素异构转变后晶粒 得到细化，对于钢的性能提高具有十分重要的意义，是制 定热处理工艺和合金化的理论基础。
第一节 铁碳合金的相与组织 第二节 铁碳合金相图 第三节 碳素钢
第3章 铁碳合金相图及碳钢
重点：
1）铁碳合金相图的绘制 2）铁碳合金基本相与基本组织 3）碳素钢的牌号及应用
难点：
1）铁碳合金平衡结晶过程 2）铁碳合金相图的分析及应用
课时：
4 学时
第一节 铁碳合金的相与组织
3.1.1、纯铁的同素异构转变
1）按含碳量分： ● 低碳钢：C%﹤0.25%； ● 中碳钢：C%=0.25～0.60%； ● 高碳钢：C%﹥0.60%。 2）按冶金质量（S、P的含量）分： ● 普通碳素钢：WS≤ 0.035%, WP≤ 0.035% ； ● 优质碳素钢: WS≤ 0.030%, WP≤ 0.030% ； ● 高级优质碳素钢: WS≤ 0.020%, WP≤ 0.030% 。
第三章 铁碳合金相图
2、有益元素 Mn、Si
锰Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素 体中，具有固溶强化效果，少部分形成 合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了 硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中
1.0%- 1.2%。
硅Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强 化作用；可增加钢液流动性。碳钢中 <0.4%
工程材料及热加工基础课件
3、非金属夹杂物的影响
① N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中 以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N 固定，消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，
易成为疲劳裂纹源。 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时， 降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
工程材料及热加工基础课件
第五节
碳素钢
碳素钢是指ωc≤2.11%，并含有少量Mn、Si、S、P等杂质元素的铁碳合金。
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响（ Mn、Si、S、P）
1、有害元素 S、P 硫S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低 熔点（985）共晶体FeS→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑，改 善切削加工性能。
A+F F P
( F+ Fe3C ) P
Q 0.0218%C Fe
P+F
4.3%C
6.69%C Fe3C
工程材料及热加工基础课件 1、 Fe-Fe3C 相图中的特性点
工程材料基础3.1铁碳合金相图
C1
A
S
2
L
1 1' 1'
｝ Fe3C
A
Ld
室温平衡组织:100% Ld
2 2 2'
｝ A
Fe3C+Fe3CⅡ
Ld
｝ Fe3C+Fe3CⅡ L'd
P 2'
时间
铁碳合金相图分析
➢亚共晶白口铁[2.11%< wc <4.3%]
A
B
δH J
N
A
E
G
S
F
P
0L
1 C
2
3
Fe
0.02% 0.77%
2.11%
4
4.3%
D F
K
Fe3C
6.69%
铁碳合金相图分析
➢亚共晶白口铁[2.11%< wc <4.3%]
温度
wc=2.5%
B L
J
L+A 1
E
2C
AHale Waihona Puke S34L
1 1~2
2 2' 2'
A
室温平衡组织:P+ Fe3CⅡ+ Ld
L
｝ FAe3C Ld
A
｝ FeA3C+FAFe3eC3CⅡⅡ
Ld
3 3 3' 3'~4
➢ 用途：在钢中起强化作用
铁碳合金基本组织
珠光体（P） 由铁素体和渗碳体组成的多相组织
➢ 含碳百分数：0.77% ➢ 性能：介于渗碳体和铁素体中间，强度和塑性较高，硬度适中
铁碳合金基本组织
莱氏体（Ld）
含碳量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148℃时，同时 结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织
第3章 铁碳合金相图
珠光体（P）
Pearlite
HBS＝170～230 （纯铁HBS＝50～80）
工程材料及热加工
莱氏体 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物
含碳量:4.3% 共晶反应式:
L 4 .3 % C (A+Fe3C)
1148 C
性能：硬度高，塑性、韧性差
莱氏体(L)
Ledeburite
工程材料及热加工
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
工程材料及热加工
合金液体在 1-2点间转变 为。到S点 发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
工程材料及热加工
4)过共析钢结晶动态示意图 液相
奥氏体
析 出
奥氏体+二次渗碳体
共析 转变
珠光体+二次渗碳体
从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示
组成物标注区别 主要在+ Fe3C和
+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物
区， +Fe3C 相区
+ Fe3C
+ Fe3C
中有七个组织组
成物区。
工程材料及热加工
A
H
L+
温N A+ 度
A
J
B
L
D
L+A
E S
P A+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
工程材料及热加工
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 第二节 Fe-Fe3C相图 第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
第三章 铁碳相图
铁碳相图的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用，对指导铸锻焊 和热处理工艺有直接意义。 1. 铸造方面 可根据相图上液相线确定铸件的合理浇 注温度。一般选在液相线以上 50-150℃，共晶成 分铸铁铸造性能好。 2. 锻压方面 从相图可以知道把钢加热到A3和Acm线 之上都会变成单相奥氏体。奥氏体钢塑性好，强 度较低，适用于变形量大的热变形加工。 3. 焊接方面 可根据铁碳相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊 接应力。 4. 热处理方面 相图中的A1，A3和Acm三条相变线是 确定热处理工艺加热温度的依据。
2、碳的质量分数对平衡状态下碳钢机械性能的影响
1、硬度随含碳量 的增加而增加 2、强度随含碳量 的增加而增加， 到0.9%左右达到 最大，而后下降。 3、塑性、韧性随 含碳量的增加而 下降。
名称
组织
性能
铁素体 F/α相 奥氏体 A/γ相 珠光体 P 渗碳体 Fe3C
莱氏体 Ld 变态莱氏 体L’d
室温下各种相的相对含量，同理可求。
小结：标注组织的铁碳相图
小结：标注组织的铁碳相图
Ld
Ld
Ld
Ld′
Ld′
Ld′
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
铁碳合金的成分-组织-性能关系
三、铁碳合金的成分-组织-性能关系
1、碳的质量分数对平衡组织的影响
6.69 - 5 L'd % 100 % 70.7% 6.69 - 4.3 5 4.3 Fe3C(%) 100 % 29.3% 6.69 - 4.3
6.69 - 5 F% 100 % 25.3% 6.69 - 0.0218 5 0.0218 Fe3C(%) 100 % 74.7% 6.69 - 0.0218
第三章 铁碳合金相图
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物（平均含碳量：
0.77%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
返回
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体
工程材料3铁碳合金相图
铁碳合金的相结构与性能1. Fe —Fe 3C 相图相图分析钢的平衡结晶过程2. 铁碳合金在平衡状态下的相变白口铸铁的平衡结晶过程含碳量对平衡组织的影响3. 含碳量对组织性能的影响含碳量对力学性能的影响4. Fe —Fe3C相图的应用3.3 铁碳合金相图•(1)铁素体：常用符号F或α表示。
其溶碳能力差。
铁素体的强度差，硬度低，塑性好。
•(2)奥氏体：常用符号A或γ表示。
在1148℃时可溶碳2.11％。
是一种硬度较低而塑性较高的固溶体。
常作为各类钢的加工状态。
•(3)渗碳体：碳与铁的化合物(FeC)，叫渗碳体，含碳为6.69％。
3渗碳体的硬度高，约为800HB，极脆，塑性几乎等于零，熔点为l227℃。
•(4)高温铁素体：以δ表示。
碳在δ—Fe中的最大溶解度为0.09％，δ固溶体只存在于高温很小的区间，对钢铁的性能影响不大。
Fe一FeC系状态图p543三个转变：•包晶转变：•共晶转变：共晶转变的产物称为高温莱氏体，用Ld 表示。
•共析转变：共析转变产物称为珠光体，用P 表示。
%17.0%09.0%53.0A L →+δCFe L 3%11.2%3.4+→γC Fe F A 3%0218.0%77.0+→←(1)奥氏体以上的平衡结晶过程←含碳量在0.09％~0.53％的钢液在平衡结晶中，在包晶线(HJB水平线)将发生包晶转变，生成奥氏体。
←其他成分的钢液在NJB以下，都生成单一奥氏体。
(2)奥氏体以下的平衡相变过程←1)共析钢( I )←用杠杆定律可求出珠光体中铁素体和Fe 3C 的相对量为：P C Fe F P A A −→−++−→−2~'13%0218.0%77.0'1~1)(%7.880218.069.677.069.6=--==PK SK Q α%3.110218.069.60218.077.03=--==PK PS Q C Fe 钢的结晶过程示意图共析钢的显微组织2)亚共析钢(Ⅱ)•鉴于铁素体中的含碳量很少，通常用下式来估算亚共析钢的含碳量：PF C Fe F P F F A A +→++→+−→−)(3%0218.0%0218.0Q p (珠光体相对量)PC Q w ⨯=%77.0亚共析钢显微组织3)过共析钢( Ⅲ )网状）()(33~'23%0218.03%77.0'2~232~1 C Fe P C Fe F P C Fe A C Fe A A +−−→−+++−−→−+−→−过共析钢的显微组织图•共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁的结晶过程可用同样的方法来分析。
第3章铁碳合金(07)
图3-2 珠光体的显微组织
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。
莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体 属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷 却 到 727℃ 以 下 时 ， 将 转 变 为 珠 光 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。 由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其
数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有 很大影响。
第3章 铁碳合金相图
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 珠光体的含碳量为0.77%。 珠光体在显微镜下呈片层状。 图中黑色层片为渗碳体，白色 基体为铁素体。 力学性能：抗拉强度较高，硬度 较高且仍有一定的塑性和韧性。 具有较好的综合力学性能。
PQ线－ 碳在铁素体中的溶解度变化曲线。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
纯铁（ω c≤0.0218％） 钢 （ 0.0218％＜ω c≤2.11％） （ ω c＝0.77％） 亚共析钢（ ω c＜0.77％） 共析钢 过共析钢（ ω c＞0.77％） 白口铸铁（ 2.11％＜ω c＜6.69％） 亚共晶白口铸铁（ ω c＜4.3％） 共晶白口铸铁 （ ω c＝4.3％）
⑵第二相强化
合金中固溶体与金属化合物是两种截然不同的相，当合金中有第二相金 属化合物存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑 性和韧性。 金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。 多数工业合金均为固溶体和少量金属化合物构成的混合物，通过调整 固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的 力学性能在一个相当大的的范围内变动，从而满足不同的性能要求。
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。
莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体 属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷 却 到 727℃ 以 下 时 ， 将 转 变 为 珠 光 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。 由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其
数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有 很大影响。
第3章 铁碳合金相图
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 珠光体的含碳量为0.77%。 珠光体在显微镜下呈片层状。 图中黑色层片为渗碳体，白色 基体为铁素体。 力学性能：抗拉强度较高，硬度 较高且仍有一定的塑性和韧性。 具有较好的综合力学性能。
PQ线－ 碳在铁素体中的溶解度变化曲线。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
纯铁（ω c≤0.0218％） 钢 （ 0.0218％＜ω c≤2.11％） （ ω c＝0.77％） 亚共析钢（ ω c＜0.77％） 共析钢 过共析钢（ ω c＞0.77％） 白口铸铁（ 2.11％＜ω c＜6.69％） 亚共晶白口铸铁（ ω c＜4.3％） 共晶白口铸铁 （ ω c＝4.3％）
⑵第二相强化
合金中固溶体与金属化合物是两种截然不同的相，当合金中有第二相金 属化合物存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑 性和韧性。 金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。 多数工业合金均为固溶体和少量金属化合物构成的混合物，通过调整 固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的 力学性能在一个相当大的的范围内变动，从而满足不同的性能要求。
第三章-铁碳合金相图【详解版】
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
• ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
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4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。
＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
1
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• 三、 含碳量对工艺性能的影响
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2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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20钢组织
40钢组织
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• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
60钢组织
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bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
03 铁碳合金相图
奥氏体
奥氏体组织金相图
• 图为奥氏体的 显微组织，其 晶粒也呈多边 形，一般情况 下，其晶界较 平直。
3. 高温铁素体（δ）
碳溶于δ–Fe中的间隙固溶体，呈体心立 方晶格 ，在1394℃以上存在，同铁素体一样 δ–Fe的溶碳能力也很差，在1495℃ 时碳溶量 最大，可达0.09％。
4. 渗碳体 ( Fe3C )
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
• 特征点
L
L+
⇄
J N
G ⇄ ⇄
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
⇄ ⇄
Fe—Fe3C相图中14个特性点及具体意义如下：
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
727
奥氏体组织金相图
• 图为奥氏体的 显微组织，其 晶粒也呈多边 形，一般情况 下，其晶界较 平直。
3. 高温铁素体（δ）
碳溶于δ–Fe中的间隙固溶体，呈体心立 方晶格 ，在1394℃以上存在，同铁素体一样 δ–Fe的溶碳能力也很差，在1495℃ 时碳溶量 最大，可达0.09％。
4. 渗碳体 ( Fe3C )
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
• 特征点
L
L+
⇄
J N
G ⇄ ⇄
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
⇄ ⇄
Fe—Fe3C相图中14个特性点及具体意义如下：
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
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铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁
与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相，从而对 铁碳合金的组织和性能产生影响。
(1) 液相。用符号L表示，是铁碳合金在熔化温度以上形成
的均匀的液体。
第3章 铁碳合金相图 (2) 铁素体。用符号F表示，是碳溶解于α-Fe中形成的间隙 固溶体，呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小，室温时 约为0.0008%，600℃时为0.0057%，在727℃时溶碳量最大， 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度、硬度低，塑性和韧性 良好。其力学性能与工业纯铁大致相同，即σb≈250 MPa、
大，没有使用价值，因而有实用意义并被深入研究的只是FeFe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图，此时相图的组元为Fe和
Fe3C。
第3章 铁碳铁碳合金相图 3.2.1 图形分析 铁碳合金相图中有四个基本相，即液相(L)、奥氏体(A)、
铁素体(F)和渗碳体(Fe3C)。它们各有其相应的单项区。
织和性能成为可能。
第3章 铁碳合金相图
图3-1 纯铁的冷却曲线
第3章 铁碳合金相图 纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结 晶的一般规律：有一定的平衡转变温度 (相变点) ；转变时需要 过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成的。 但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比在液态下困难得 多，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变
(1) 相图中的特性点。在铁碳合金相图中，用字母标出的 点都有其特定的意义，称作特性点。主要特性点的温度、含碳 量及含义见表3-1。
第3章 铁碳合金相图 表3-1 铁碳合金相图各特性点的说明
符号 A C D E F G P S 温度/℃ 1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 含碳量/% 0 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.0218 0.77 含 义
第3章 铁碳合金相图 (4) 渗碳体相。渗碳体是Fe与C形成的一种具有复杂结构的 间隙化合物，含碳量为6.69%，通常称为渗碳体，用Fe3C(或Cm)
表示。渗碳体的力学性能特点是硬而脆。它的硬度极高，可以
刻划玻璃，而塑性、韧性极低，伸长率和冲击韧度近于零。 渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件呈条状、网状、片 状、粒状等不同形态，其数量、形态和分布对铁碳合金的力学 性能有很大影响。
纯铁的熔点 共晶点 LC? ? (AE+Fe3C) Fe3C 的熔点 碳在 γ-Fe 中的最大溶解度 共晶生成 Fe3C 的成分 α-Fe? ? γ-Fe 同素异构转变点 碳在 α-Fe 中的最大溶解度 共析点 AS? ? (FP+Fe3C)
第3章 铁碳合金相图 (2) 相图中的特性线。相图中各条线都表示铁碳合金发生组 织转变的界限，这些线就是组织转变线，又称作特性线。下面 简单介绍一下主要特性线的含义。 ACD 线为液相线。此线以上的区域是液相区，液态合金冷 却到此线温度时，便开始结晶。
故其力学性能与渗碳体相近。
第3章 铁碳合金相图
图3-2 珠光体的显微组织
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金相图是以温度为纵坐标、含碳量为横坐标绘制的 图形，如图3-3所示(这里将左上角进行了简化)。它是研究钢和 铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工工艺的制定也具
有重要的指导意义。由于含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性极
第3章 铁碳合金相图
第3章 铁碳合金相图
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.2 铁碳合金相图分析
3.3 铁碳合金相图的应用
知识窗——金相观察
学习指导
自测习题
第3章 铁碳合金相图
3.1 纯铁的同素异构转变与铁碳合金基本相
3.1.1 纯铁的同素异构转变
许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金 属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等 金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下存在两种或两种 以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。它是奥氏体和渗碳体的 机械混合物，由于其中的奥氏体属高温组织，这时称高温莱氏
体，用符号 Ld 表示。高温莱氏体冷却到 727℃以下时，将转变
为珠光体和渗碳体的机械混合物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用 符号Ld′表示。
莱氏体的含碳量为4.3%。由于莱氏体中含有的渗碳体较多，
时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。例如，γ-Fe转
变为α-Fe时，它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件 变形和开裂。
纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格
不发生转变。
第3章 铁碳合金相图 3.1.2 铁碳合金的基本相和基本组织 在铁碳合金中，铁和碳是它的两个基本组元。在固态下，
第3章 铁碳合金相图 (5) 珠光体(合金的一种基本组织)。它是铁素体和渗碳体 组成的机械混合物，用符号P表示。珠光体的含碳量为0.77%。 由于渗碳体在混合物中起强化作用，因此，珠光体有着良好 的力学性能，如其抗拉强度高，硬度较高且仍有一定的塑性 和韧性。珠光体在显微镜下呈片层状，如图3-2所示。图中黑 色层片为渗碳体，白色基体为铁素体。
程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，
由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
第3章 铁碳合金相图 图3-1所示为纯铁的冷却曲线。液态纯铁在1538℃进行结 晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe。继续冷却到1394℃时发生 同素异构转变，成为面心立方晶格的γ-Fe。再冷却到912℃时 又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格的α-Fe。正因为 纯铁具有同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组
80HBS、δ= 45%～50%，工业纯铁(wC≤0.02%)的室温组织是
由铁素体晶粒组成的。
第3章 铁碳合金相图 (3) 奥氏体。用符号A表示，是碳溶入γ-Fe中形成的间隙固 溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃
时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于
塑性变形(δ= 40%～50%)。故在轧钢或锻造时，为使钢易于进 行变形，常把钢加热到高温，使之呈奥氏体状态。