09讲 铁碳合金的组元与基本相 Fe-Fe3C相图分析
第4章铁碳合金相图
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
H 1495℃ , 0.09%C
N 1394℃
J 1495℃ , 0.17%C
E 1148℃ , 2.11%C
4）wC0.53％~2.11％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。 ） ％ ％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
2. ES线 线 ES线：碳在 线 奥氏体中的 溶解度曲线. 溶解度曲线 ES线是二次 线是二次 渗碳体的开 始析出线 →ACm线。
3. PQ线 线 PQ线：碳在铁素体 线 中的溶解度曲线。 中的溶解度曲线。
当铁素体从727℃冷 ℃ 当铁素体从 却下来时， 却下来时，要从铁 素体中析出渗碳体， 素体中析出渗碳体， 称之为三次渗碳体， 称之为三次渗碳体， 记为Fe 记为 3CⅢ。
莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物， 表示。 莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，以符号Ld表示。 进行共晶转变的合金成分范围： 2.11％~6.69％ 进行共晶转变的合金成分范围：wC2.11％~6.69％ 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体的力学性能： 莱氏体的力学性能：塑性很差
五、三条重要的特性曲线
1. GS线 线 GS线→A3线 线 冷却:奥氏体析出铁 冷却 奥氏体析出铁 素体开始线 加热:铁素体溶入奥 加热 铁素体溶入奥 氏体终了线。 氏体终了线。 GS线由 点(A3点)演 线由G点 线由 演 变而来， 变而来，随着含碳 量的增加， 量的增加，使奥氏 体向铁素体的同素 异晶转变温度逐渐 下降，从而由A 下降，从而由 3点 变成了A 变成了 3线。
铁碳合金的基本组织及合金相图分析
Lc
Ld（A+Fe3C）
精选ppt
7
模块二 金属学的基本知识
PSK：共析线，含C量在0.0218 % --6.69%的 铁碳合金至此反生共析转变，产生珠光体P ， 又称A1线。
727ºC
As P(F+Fe3C) E二S：次C渗在碳γ体-F析e中出的。溶解度曲线，又称Acm线。
GS：A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入
课题五 铁碳合金相图
引言： 关于铁碳合金状态图
1、概念：表示铁碳合金在不同成分和不同温度下 的 组织、性能以及它们之间相互关系的图形，又称铁 碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法 建立起来的。 2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压 力加工和热处理等工艺的重要工具。 3F、eCF、e-CF相eC图-C包等括几：部F分e-。Fe仅3C研、究FFee3C-F-eF3eC2C。、 Fe2C-
A，又称A3线。
PQ ： C在α-Fe中的溶解度曲线，三次渗碳体 析出。
精选ppt
8
模块二 金属学的基本知识
5、相区及其组织 4个单相区、5个两相区、2个三相共存线
1）4个单相区：
①液相区ACD线以上区域：L
②AESGA区：A
③GPQG区：F
④DFK直线区：Fe3C
2）5个单相区：
①ACEA区域：L+A
精选ppt
6
模块二 金属学的基本知识
4、特性线
ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加
热至此全部转化为液相。冷至AC线开始结晶出A； 冷至CD线，开始结晶出一次渗碳体。
AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相， 固相加热至此开始转化为液相。反应式：
铁碳合金相图解析
b
14
三、过共析钢的结晶过程分析
图1-36 过共析钢结晶过程示意图
图1-37 过亚 共析钢的显 微组织
b
15
四、共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-38 共晶白口铸铁结晶过程示意图
图 1-39 共 晶 白 口 铸铁的显微组织
b
16
五、亚共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-40 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
b
5
知识点二 Fe- Fe3C相图分析
b
6
图1-30 Fe- Fe3C相图
简化的Fe- Fe3C相图
b
7
1、主要特性点
表1-4简化Fe- Fe3C相图中的特性点
特性点 符号
A
温度/℃ ωc（%）
1538
0
含义 熔点：纯铁的熔点
C
1148
4.3 共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)
四个单相区。
（2）两相区 简化的Fe- Fe3C相图中有五个两相区，即
L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相
区和F+ Fe3C两相区。
每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，
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。
b
10
图1-46 铁碳相图与铸锻 工艺间的关系
b
22
3、在锻压生产上的应用
钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强 度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时， 要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损 严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消 耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢 较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃； 终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温 度，以便打碎网状二次渗碳体。
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
Fe-Fe3C相图分析
Fe-Fe3C相图分析单相区——5个相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：液相区(L)——ABCD以上区域δ固溶体区——AHNA奥氏体区(γ)——NJESGN铁素体区(α)——GPQ以左渗碳体区(Fe3C)——DFK直线图5.6-6 Fe-Fe3C相图两相区——7个7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间：L+δ——AHJBAL+γ——BJECBL+ Fe3C——DCFDδ+γ——HNJHγ+α——GPSGγ+Fe3C——ESKFCEα+ Fe3C——PQLKSP三相区——3个包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)共析线——水平线PSK(γ+α+Fe3C)相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表5.6-1。
表5.6-1 Fe-Fe3C相图中的特性点符号T /℃ C %说明A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液相成分C1148 4.30共晶点D1227 6.67渗碳体的熔点E1148 2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F1148 6.67渗碳体的成分G9120纯铁α↔γ转变温度H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点K727 6.67渗碳体的成分N13940纯铁γ↔δ转变温度P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q6000.0057600˚C碳在α-F e中的溶解度2007×10-7200˚C碳在α-F e中的溶解度Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。
1包晶转变发生在1495℃（水平线HJB），反应式为：式中L0.53——含碳量为0.53%的液相；δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。
含碳量在0.09%~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。
共晶转变发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号L d表示。
铁碳合金相图
碳钢，自液态缓冷至室温时的结晶过程和室温组织。
第四节 铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
运用杠杆定律求得含碳量与铁碳合金缓冷后的组织组分及相组分间 的定量关系（如图4-16所示）
图4-16 铁碳合金中含碳量与组织组分及相组分间的关系
二、含碳量与力学性能间的关系
由图4-17可知，当钢中 ω C<0.9%时，随着钢中含碳量的增 加，钢的强度、硬度呈直线上升， 而塑性、韧性不断降低； 当钢中ω C>0.9%时，因渗碳体 网的存在，不仅使钢的塑性、韧 性进一步降低，而且强度也明显 下降。
Fe3C的结构 渗碳体硬度很高，脆性很大，塑性极差。
8
渗碳体的分子式为 Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结
构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%;熔点为1227℃ 左右;不发生同素异晶转变;但有磁性转变，它在230℃ 以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性;其 硬度很高(相当于HB800)，而塑性和冲击韧性几乎等于 零，脆性极大。
f.在进行热轧和锻造时，通常将钢材加热到1000~1250℃。
g.钢铆钉一般用低碳钢制作。 h.钳工锯削70钢、T10钢、T12钢比锯20钢、30钢费力，锯条易磨钝。
简化后的Fe-Fe3C相图
三、铁-渗碳体相图中铁碳合金的分类
Fe-Fe3C相图中不同成分的铁碳合金，具有不同的显微组织和性能， 通常根据相图中P点和E点，可将铁碳合金分为工业纯铁，钢和白口铸 铁三大类。 工业纯铁（P点左面）
它的力学性能介于铁素
体和渗碳体之间，即其 强度、硬度比铁素体显 著增高，塑性、韧性比 铁素体要差，但比渗碳
体要好得多。
珠光体组织呈指纹状，其中白色的基底为铁素体
铁碳相图讲解讲课文档
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亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
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亚共晶白口铸铁组织金相图
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亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
相组成： α +Fe3C
%6.693.05.52%
6.69
F3 C e % 1 5.2 5 % 4.8 4 %
组织组成： Fe3C+P+Ld’——？
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过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )
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过共晶白口铸铁组织金相图
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P % 1 7 .2 % 6 9 .7 2 % 4
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a) 硝酸酒精浸蚀
白色网状相为二次渗碳体
暗黑色为珠光体
b) 苦味酸钠的浸蚀 黑色网状为二次渗碳体
浅白色为殊光体
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共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )
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奥氏体（Austenite）
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)， 最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具 有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为： σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。
奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利 用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状 态下进行塑性成形。
现在三十五页，总共一百零七页。
Fe-Fe3C相图
（6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨
（graphite） (hcp)稳定相存在。所以石墨 在于Fe—C合金铸铁中也是一个基本相。
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图 全貌。根据分析围绕三条 水平线可把Fe—Fe3C相 图分解为三个部分考虑： 左上角的包晶部分，右边 的共晶部分，左下角的共 析部分。
magnetic transformation）。
纯铁的同素异构转变
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
概念
▪ 铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙 固溶体。
▪ 奥氏体：碳在γ -Fe（面心立方结构的铁）中的间隙 固溶体。
▪ 渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。 ▪ 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物
▪ 成因：由于选择性结晶、溶解度变化、比重 差异和流速不同造成的。
▪ 危害：造成力学性能不均匀和裂纹缺陷
夹杂
▪ 定义：主要是指冶炼时产生的氧化物，硫化 物、硅酸盐等非金属夹杂。
▪ 成因：冶炼产物，及外来夹渣物 ▪ 危害：对热锻过程和锻件质量均有不良影响，
它破坏金属的连续性，在应力的作用下在夹 杂处产生应力集中，引发微裂纹，成为疲劳 源
锻压常识及相关知识Fra bibliotek主要涉及的内容
▪ 绪论 ▪ 锻造用原材料 ▪ 锻造的热规范 ▪ 自由锻主要工序分析 ▪ 锻后热处理 ▪ 性能热处理 ▪ 金属材料的机械性能
绪论
▪ 锻造工艺学及其性质 ▪ 锻造生产的特点及其在国民经济中的作用 ▪ 我国锻造生产的历史，现状及发展趋势 ▪ 锻造生产方法的分类
一、锻造工艺学及其性质
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
第一节铁碳合金的组元与基本相第二节Fe - Fe3C相图分析
α - Fe
时间
二、铁碳合金的基本相及其性能
铁素体（F）： 碳溶于α-Fe中形成 的间隙固溶体。
性能---强度和硬度 低，塑性和韧性好
奥氏体（A）： 碳与γ-Fe形成的间 隙固溶体。高温组 织，在大于727℃时 存在。 性能---塑性好，强 度和硬度高于F。在 锻造、轧制时常要 加热到A，可提高塑 性，易于加工。
PSK水平线—共析线（A1线） 含碳量为 0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727 ℃同时 析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为 共析反应。 GS线—（A3线）是冷却时奥氏体转变为铁素体 的开始线。 ES线—称Acm线 是碳在奥氏体中的溶解度线， 实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开 始线。
727 ℃
A2.11%c
F0.02%c+Fe3C6.69%c
共析反应的产物即珠光体 P＝F0.02%c+Fe3C6.69%c
铁碳合金相图中主要特性点的含义
特性点的 符号 A C D E G P S Q 温度t/ ℃ 1538 1148 1227 1148 912 727 727 室温 含碳量 wc% 0 4.3 6.69 2.11 0 0.02 0.77 0.0008 含义 纯铁的熔点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在奥氏体中的最大溶解度 α -Fe γ -Fe同素异晶转变 点 碳在铁素体中的最大溶解度 共析点 碳在铁素体中的溶解度
相图中主要线的含义
ACD线—液相线 结晶的温度线。
是不同成分铁碳合金开始
AECF线—固相线 各种成分的合金均处在固体 状态。结晶温度终止线。 ECF水平线—共晶线 含碳量为4.3%的液态 合金冷却到此线时，在1148 ℃由液态合金同时 结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称 为共晶反应。
铁碳相图详解
Fe-C相图详解图1 Fe-Fe3C合金相图1、相图中的基本相及其符号表示（1）液相（L）：铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。
（2）高温铁素体（δ）：碳固溶在δ-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；因存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，在1394℃以上存在；在1495℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.09%。
（3）铁素体（α/F）：碳固溶在α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；由于晶格间隙很小，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%，因此其性能几乎和纯铁相同，强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。
（4）奥氏体（γ/A）：碳固溶在γ-Fe中形成的间隙固溶体, 呈面心立方晶格结构，是钢铁的一种层片状的显微组织；由于八面体间隙较大，因此可以容纳更多的碳；奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。
（5）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物；渗碳体的含碳量为ωc=6.67%，熔点为1227℃；其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大；在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对合金的性能有直接影响：一次渗碳体（Fe3C I）：液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体，为块状。
共晶渗碳体（Fe3C共晶）：莱氏体中的渗碳体，呈骨骼/树枝状。
二次渗碳体（Fe3C II）：由奥氏体中析出的渗碳体，为网状。
共析渗碳体（Fe3C共析）：珠光体中的渗碳体，呈片状。
三次渗碳体（Fe3C III）：从铁素体晶界上析出，沿铁素体晶界呈断续片状/短棒状分布。
（6）珠光体（P）：铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物；力学性能介于两者之间。
（7）莱氏体（Ld/Ld’）：常温下是珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物；当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示；在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏。
干货丨铁碳相图顶级解读
干货丨铁碳相图顶级解读铁碳相图基础篇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%<C%<2.11%）Ⅴ、共晶白口铁（C%=4.3%）Ⅵ、亚共晶白口铸铁（2.11%<C%<4.3%）Ⅶ、过共晶白口铸铁（C%>4.3%）是不是已经凌乱了，不要急，咱们再从下面这个角度继续推演这个过程：铁碳相图可视篇组织及相组成计算接下来让我们们看一下含碳量不同的液相的析晶过程：C%很低亚共析共析过共析亚共晶共晶过共晶铁碳相图升华篇板条马氏体：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）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。
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,塑性和韧性较好马氏体＋下贝氏体＋屈氏体回火屈氏体：碳化物和a-相的混合物。
特征：它由马氏体在350~500℃时中温回火形成。
其组织特征是铁素体基体内分布着极细小的粒状碳化物，针状形态已逐渐消失，但仍隐约可见，碳化物在光学显微镜下不能分辨，仅观察到暗黑的组织，在电镜下才能清晰分辨两相，可看出碳化物颗粒已明显长大。
莱氏体：奥氏体与渗碳体的共晶混合物。
铁碳相图分析
铁碳合金相图从某种意义上讲，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。
一、铁碳合金中的基本相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。
1,铁素体(ferrite)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0.0218%(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.铁碳合金中的基本相铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.铁碳合金中的基本相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.铁碳合金中的基本相2,奥氏体(Austenite )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2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.铁碳合金中的基本相在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.铁碳合金中的基本相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.铁碳合金中的基本相3,渗碳体(Cementite)渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.铁碳合金中的基本相渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.铁碳合金中的基本相总结:在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C. _由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.二、铁碳合金相图分析1铁碳相图分析Fe—Fe3C相图看起平比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析.1,上半部分-------共晶转变在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变:Lc (AE+Fe3C),转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示.存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成.低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨.2,下半部分-----共析转变在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变:AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体.共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体.3,相图中的一些特征点相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚.4, 铁碳相图中的特性线相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM 线)水平线ECF为共晶反应线.碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应.水平线PSK为共析反应线.碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共析反应.PSK线亦称A1线.GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线.ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线.由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%, 而在727℃时仅为0.77%, 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析出Fe3C.析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII). Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.PQ线是碳在F中固溶线.在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C.析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII).PQ线亦为从F 中开始析出Fe3CIII的临界温度线.Fe3CIII数量极少, 往往予以忽略.三、含碳量对铁碳合金组织和性能的影响1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系2．含碳量对机械性能的影响渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
铁碳合金的相图的详细重点讲解
⑵ 奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，
1148℃时最大为2.11%。727 ℃时为0.77%
组织为不规则多面体晶粒，
晶界较直。强度低、塑性 好，钢材热加工都在 区
进行.
碳钢室温组织中无奥氏体 。
奥氏体
第三十六页，共43页。
亚共晶白口铁组织金相图
第三十七页，共43页。
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
第三十八页，共43页。
过共晶白口铁组织金相图
第三十九页，共43页。
Fe - Fe3C 相图的应用
选择材料方面的应用 制定热加工工艺方面的应用
第四十页，共43页。
一.选择材料方面的应用
转变。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
第二十页，共43页。
Fe - Fe3C 相图
A
T°
L
L+A
E
A
G
A+
A+F
S
Fe3CⅡ
F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
1148℃
C
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’
( P+Fe3C )
铁碳合金相图是研究 铁碳合金最基本的工 具，是研究碳钢和铸铁
的成分、温度、组织及
性能之间关系的理论基 础,是制定热加工、热 处理、冶炼和铸造等 工艺依据.
第十六页，共43页。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无
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《机械制造技术基础》教案
教学内容：铁碳合金的组元与基本相 Fe-Fe 3C 相图分析 教学方式：结合实际，由浅如深讲解 教学目的：
1．了解纯铁的同素异构转变；
2．清楚铁碳合金的基本相及其性能；
3．掌握Fe-Fe 3C 相图的相区、特性点及特性线。
重点、难点：铁碳合金的基本相 Fe-Fe 3C 相图的相区、特性点及特性线 教学过程：
第4章 铁碳相图
铁碳相图是研究在平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关系及其变化规律的重要工具，掌握铁碳相图对于制定钢铁材料的加工工艺具有重要的指导意义。
4.1 铁碳合金的组元与基本相
4.1.1纯铁的同素异构转变
自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。
如图4-1所示。
纯铁的同素异构转变可概括如下：
1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−
液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。
纯铁具有同素异构转变的特
征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依
据。
纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。
4.1.2铁碳合金的基本组织
铁碳合金在熔化温度以上可以形成均匀的液体，该液体称为铁碳合金的液相，用符号L 表示。
在固态下碳可以有限地溶于铁的同素异构体中形成间隙固溶体；当含碳量超过它在相应温度固相的溶解度时则会析出具有复杂晶体结构的间隙化合物——渗碳体。
根据铁和碳的相互作用，铁碳合金中可形成五种组织：
1．铁素体（F ） 图4-1 纯铁的同素异构转变
铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。
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。
铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。
2
180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cm
b KU a σδ==
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。
图4-2 铁素体晶胞示意图 图4-3 奥氏体晶胞示意图
2．奥氏体（A ）
奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。
它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。
因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。
奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。
400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈
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。
3．渗碳体（Fe 3C ）
渗碳体是铁与碳形成的具有复杂斜方结构的间隙化合物，含碳量为 6.69%，硬度很高（800HBW ），塑性和韧性几乎为零。
主要作为铁碳合金中的强化相存在。
显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽，并在一定条件下可以分解出石墨。
4．珠光体（P ）
珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体（机械混合物）。
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。
力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即综合性能良好。
770MPa HBS=180 =2035%b σδ=
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。
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（Ld ）。
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（L ’d ）。
统称莱氏体。
莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似，即硬度高，塑性差。
4.2 Fe —Fe 3C 相图分析
铁碳合金相图是表示在缓慢冷却的条件下，表明铁碳合金成分、温度、组织变化规律的简明图解，它也是选择材料和制定有关热处理工艺时的重要依据。
由于W C >6.69%的铁碳合金脆性很大，在工业生产中没有使用价值，所以我们只研究W C 小于6.69%的部分。
W C =6.69%对应的正好全部是渗碳体，把它看作一个组元，实际上我们研究的铁碳相图是Fe-Fe 3C 相图。
为了便于研究分析将其简化，便得到了简化的Fe-Fe 3C 相图，如图4-4所示。
图4-4 简化的Fe-Fe 3C 相图 简化的Fe-Fe 3C 相图可视为有两个简单的典型二元相图组合而成。
图中的右上半部分为
共晶转变类型的相图，左下半部分为共析转变类型的相图。
简化的Fe-Fe 3C 相图纵坐标为温度，横坐标为碳的质量百分数，其中包括共晶和共析二种典型反应。
4.2.1 Fe-Fe 3C 相图中典型点的含义 见表3-1
表3-1 Fe-Fe 3C 相图中几个特性点
符号 温度/℃ 含碳量（%）
说 明 A 1538 0 纯铁的熔点
C 1148 4.3 共晶点，3A+Fe C
L C
D 1227 6.69 渗碳体的熔点
E 1148 2.11 碳在γ-Fe 中的最大溶解度
G 912 0 纯铁的同素异构转变点Fe Fe α
γ--
P 727 0.0218 碳在Fe α-中的最大溶解度 S
727
0.77
共析点，3s
A F Fe C +
4.2.2 Fe-Fe 3C 相图中特性线的意义 见表3-2
表3-2 简化的Fe-Fe 3C 相图中的特性线
Fe 3C
W C (%)图3-4 简化Fe-Fe 3C 相图
F
0.0218
K
F 0 2.110.77
4.3
D
特性线 含 义 ACD 液相线 AECF 固相线
GS A 3线，冷却时不同含量的A 中结晶F 的开始线 ES A cm 线，碳在A 中的固溶线，Fe3C Ⅱ析出线
ECF 共晶线 3A+Fe C
L C
PSK 共析线，A 1线。
3s
A F Fe C
AC 线 奥氏体结晶开始线 AE 线 奥氏体结晶终了线 GP 线 铁素体析出终了线 PQ 线 Fe3C Ⅲ析出线 CD 线
一次渗碳体结晶开始线
4.2.3 Fe-Fe 3C 相图相区分析
依据特性点和线的分析，简化Fe-Fe 3C 相图（见图4-4所示）主要： 四单相区： L ——液相区； A ——奥氏体区； F ——铁素体区； Fe 3C ——渗碳体区。
五个双相区：
L+A ——液相+奥氏体； A+F ——奥氏体+铁素体； L+ Fe 3C ——液相+渗碳体； A+ Fe 3C ——奥氏体+渗碳体； F+ Fe 3C ——铁素体+渗碳体。
小结：略
作业： 4.1 4.3 4.5。