第3章-1铁碳相图
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铁碳合金相图(机械制造基础)
第3章 铁碳合金相图
主要理论及工程应用导航
非合金钢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。要掌握非合金钢和铸铁的组织、性能、特 点及热处理原理，首先必须了解铁碳合金中成 分、组织与性能之间的相互关系。铁碳合金相 图就是研究铁碳合金组织与性能关系的重要工 具，它为铁碳合金的选材提供了理论依据，同 时又是制定铸、锻、热处理等加工工艺的重要 依据之一。本章将着重讨论铁碳相图及其应用 方面的一些问题。
3.2 铁碳合金相图基础知识
纯铁的同素异构转变
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
铁碳合金的基本相 （1）铁素体：碳溶于 - Fe 的固溶体，用符号 或F 表示。 （2）奥氏体：碳溶于 - Fe 的固溶体，用符号 或 A 表示。 （3）渗碳体：铁和碳形成的稳定化合物Fe C ，可用符号 Cm 表示。 （4）珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物，用符号P 表示，其含碳量为0.77%。 （5）莱氏体： 在727℃以上时，是奥氏体与渗碳体组成的机械混合 物，用符号Le 表示； 在727℃以下，是珠光体与渗碳体组成的机械混合物， 用符号 表示。 Le
共析钢结晶过程
室温组织：珠光体P
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
亚共析钢结晶过程
室温组织：珠光体P+铁素体F
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
过共析钢结晶过程
室温组织：珠光体P+二次渗碳体Fe3CⅡ
第3章 铁碳合金相图
3.2 铁碳合金相图基础知识
共晶白口铸铁结晶过程
第3章 铁碳合金相图
知识目标
1. 了解纯金属与合金的晶体结构，熟悉纯铁的同 素异构转变。 2. 了解铁碳合金的基本相，熟悉铁碳合金基本相 的晶体结构、溶碳能力、力学性能等。 3. 掌握铁碳合金相图的画法；熟悉特性点、特性 线的含义；能够正确填写相区组织。
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。
3-1 铁碳合金相图
5、莱氏体（Ld）
莱氏体是高温下由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。 （1）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，不能进行压力加工。
室温下，铁碳合金中最主要的相是F和Fe3C，，既可以在 钢铁材料中独立存在，也可以以机械混合物形式组成基本相。
两种反应
1、共析反应
一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和 结构均不相同的新的固相的反应。两相的机械混合物称为
共析体。
727 ℃
A0.77%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
2、共晶反应
一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种 成分和结构均不相同的固相的反应。
1148 ℃
L 4.3%c
A2.11%c+Fe3C6.69%c
共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)
注：随温度降低至727℃时，A转变为P，室温下
变成：P+ Fe3C共晶组织，称为 低温莱氏体L'd
L'd =（P+ Fe3C）
F、A、 Fe3C是单相组织 P、 Ld 是混合物
三、铁碳合金相图 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WC>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WC小于6.69%的部分。 WC=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-Fe3C相图。为了便于研究分
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
上一级
二、Fe-Fe3C合金的结晶过程及组织转变
1 2
1 2
1 2
3
3
3
上一级
1.合金Ⅰ（共析钢）
1点→2点 与匀晶相图完全相同。
2点为奥氏体
2点→3点 组织不变
3点
F
S ( F Fe 3 C )
SK PK 6.69 0.77 6.69 0.0218 100% 88.8%
金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的
倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低 碳钢和低碳合金钢。
上一级
（三） 切削加工性 金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易 程度。 钢的硬度在160～230HB时，切削加工性最好。
上一级
四、Fe-Fe3C相图的应用
第三章 铁碳合金相图 第一节 典型合金的结晶及其组织
一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金相 图分为三大类：工业纯铁、碳钢、白口铸铁。 1．工业纯铁 成分P点以左（Wc<0.0218%），即含碳量小于0.0218％ 的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。
上一级
2、碳钢 成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合 金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进 行热加工。 根据含碳量不同又可分为三类： （1） 共 析 钢——含碳量=0.77% （2） 亚共析钢——含碳量<0.77%
（3） 过共析钢——含碳量>0.77%
上一级
上一级
3．合金Ⅲ（过共析钢）
1点→3点间的结晶过程与共析钢相同。
3点 开始析出二次渗碳体。 3点→4点 不断析出二次渗碳体。 4点 发生共析转变而形成珠光体。
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
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)教学内容
HJB：包晶反应 LB+δH⇄ AJ
δ
L
A
三条重要的相界线 Acm
A3
三、典型合金的平衡结晶过程
共
工 业
亚共
析 钢
纯
铁析
钢
过共 析钢
共
晶
亚共晶 白
白口铸铁
口 铸
铁
过共晶 白口铸铁
① ③② ④
⑥⑤
⑦
㈠ 工 业 纯 铁 的 结晶过程
L→L+δ→δ→δ+A → A → A+ F → F → F+ Fe3CⅢ
合金的室温下组织 为F+ Fe3CⅢ。
L+ H B
J
N +
+ S
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ 表示。
Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。其含量相 对较少，若不是对其作特别分析，可忽略不计
室温下Fe3CⅢ最大 量为:
QFe C 3 III
0.0218 0.0008 100% 0.3% 6.69 0.0008
A+ Fe3C
800
F 700 P
S
727 K
600
F+
Fe3C
Q
00.0218 0.77
2.11
4.3
Fe
1 2 3 4 ω5c% 6
6.69
Fe3C
一.组元及基本相 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
1、纯铁 L 1538℃ δ-Fe 1394℃ α-Fe
912℃
共晶转变线ECF： LC 1148℃ AE+ Fe3C
Ld
L A
3铁碳相图
温度下均发生共析转变。
⑤GS线又称A3线，它是冷却时奥氏体析出铁 素体的开始线，或加热时铁素体溶入奥氏 体的终止线。 ⑥ES线为碳在奥氏体中的溶解度曲线，通称 Acm线。它表示随着温度的降低，奥氏体中 碳的质量分数沿着此线逐渐减少，多余的 碳以渗碳体的形式析出。这种从奥氏体中 析出的渗碳体称为二次渗碳体，用Fe3CⅡ表 示。
待冷却到3点(727 ℃)时，将发生共析 转变 ，形成珠光体。 当温度继续下降时，铁素体的溶碳量 沿固溶线PQ变化，因此析出三次渗碳体 (Fe3CⅢ)。三次渗碳体常与共析渗碳体(共析 转变时形成的渗碳体)连在一起，不易分辨， 而且数量极少，可忽略不计。 共析钢缓冷到室温时的最终组织为P。
(2)亚共析钢 亚共析钢在1点到3点温度间的结晶过程与共 析钢相同。 待合金冷却到3点的温度时，奥氏体开始析出 铁素体，称为先析铁素体。随着温度的下降，铁 素体量不断地增加，其成分沿GP线改变，而奥氏 体量就逐渐减少，其成分沿GS线改变。 待冷却到4点的温度时，剩余奥氏体的碳的质 量分数正好为共析成分(wC=0.77%)，因此，剩余 奥氏体发生共析转变而形成珠光体。当温度继续 下降时，铁素体中析出三次渗碳体，同样可以忽 略不计。 亚共析钢的室温组织为F和P。
③ECF线为共晶线。在此线上合金将发生共 晶转变，其反应式为：
Fe3CF 反应形成了奥氏体和渗碳体的机械混合 物，叫莱氏体。记为Ld。 碳的质量分数在2.11%～6.69%的铁碳 合金在此温度下均会发生共晶转变。
④PSK线为共析线，通称A1 线。固态奥氏体
冷却到此线将发生共析转变，其反应式为：
AS 反应形成了铁素体和渗碳体的机械混合物， 叫珠光体。记为P。 碳的质量分数大于0.0218%的铁碳合金在此
3.3 钢的成分、组织与性能之间的关系
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3章 铁碳合金相图和碳钢精品PPT课件
室温：C%=0.008%,
727 ℃ ：C%=0.0218%
图3-4 铁素体晶体结构示意图 返回
4.奥氏体 ( A 、 相)
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。 强度低，塑性好，易锻压成型。
727 ℃
C%=0.77%,
1148 5.渗碳体
C%=2.11%
图3-5 奥氏体晶体结构示意图 返回
6.珠光体 ( P ) 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 7.莱氏体 ( Ld ) 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
LB + H 1495℃ AJ
2.共晶转变反应式:
1148℃
LC
( AE + Fe3C ) Ld
3.共析转变反应式:
AS 727℃ ( FP + Fe3C ) P
§3 铁碳合金的结晶过程分析
工业纯铁 ( ingot iron )
共析钢
( eutectoid steel )
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
A1538
T°
L
A
G
L+A
E
1148℃
2.11%C
C 4.3%C
1227D
L+ Fe3C F
F
A+F P
Q
Fe
S
0.77%C F+ Fe3C
A+Fe3C
727℃ K
图3-10 工业纯铁结晶过程示意图
6.69%C
返回
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
A1538
T°
L
A
G
L+A
E
1148℃
2.11%C
F
第三章 亮模板
2 奥氏体 奥氏体: 中的固溶体称奥氏体 碳在γ -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 γ 表示。 中的固溶体称奥氏体。 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， 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%。 ℃时最大为 。 组织为不规则多面体晶粒， 组织为不规则多面体晶粒， 晶界较直。强度低、塑性 晶界较直。强度低、 好，钢材热加工都在γ 区 进行. 进行 碳钢室温组织中无奥氏体。 碳钢室温组织中无奥氏体。
铁碳合金—碳钢和 铁碳合金 碳钢和 碳钢 铸铁， 铸铁，是工业应用最 广的合金。 广的合金。 含碳量为0.0218% 含碳量为 ~2.11%的称钢 的称钢 的称 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 的称铸铁。 的称铸铁
铁和碳可形成一系列稳定化合物： 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。 ，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于Fe 成分 成分（ 合金太脆， 含碳量大于 3C成分（6.69%）时，合金太脆， ） 已无实用价值。 已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。 相图。 实际所讨论的铁碳合金相图是 相图
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500× 500×
(2)共析钢 (2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程 结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF ) ≈ 0.77 / 6.69 = 12 % F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500× 500×
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
第三章 铁碳合金和铁碳相图
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。
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
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
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 Fe 3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
亚共析钢室温组织：F＋P， 随C％增加，P含量增加。
含0.20%C钢的组织
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
室温下相的相对重量百分比：
Q Fe3C
0.45 6.69
100%
6.7%
QF 93.3%
室温下组织组成物的相 对重量百分比为：
QP
0.45 0.77
100%
58.4%
Q
L+A
E
C
A + Fe3C
F + Fe3C
L+Fe3C D 1148 F
727 K
Q
0 0.0218 0.77
Fe
1
2.11
4.3
2
3 ωc% 4
5
6.69
6 Fe3C
一.组元及基本相 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
1、纯铁
L
1538℃
δ-Fe
1394℃
γ-Fe
F和Fe3C形态在发生变化 Fe3CⅢ薄片状→共析Fe3C层片状 →Fe3CⅡ网状 →共晶Fe3C连续基体 →Fe3CⅠ粗大片状 含碳量变化→相的相对量变化、形态和分布变化 →组织变化→性能变化
相构成 决定组织 决定性能 决定用途
含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为
工 业
钢
纯 铁
亚共析钢
过共析钢
727 ℃时0.0218% 性能接近于纯铁，强度、硬度低，塑性好
4、奥氏体（A或γ表示）
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。 金相显微镜下位规则多边形晶粒。 奥氏体体中碳的溶解度较大，727 ℃时0.77%，1148 ℃时
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40 Ni%
60
80
100
铜镍合金状态图
1500 1400 1300 1200 1100 1000 0 20 40 60 Ni% 80 100 时间 L3 L1
L L 1
L2
3
2
t1 t2 t3
含60%镍合金的冷却曲线及结晶过程示意图
3 共晶相图
定义： 500 铅中溶锑 形成固溶体；400 300 锑中溶铅 形成β固溶 200 体。 100
铁碳合金分类
工业纯铁------------------<0.0218%C
亚共析钢----------0.0218~0.77%C 钢
共析钢-------------0.77%C
过共析钢----------0.77~2.11%C 亚共晶铸铁-------2.11~4.3%C 铸铁 共晶铸铁----------4.3%C 过共晶钢铸铁----4.3~6.69%C
3.2.2 Fe-Fe3C相图分析（各组成相的组织形态）
T℃ 1600 A(1538 ℃) 1500 1400 液体 1300 液体+奥氏体 C 1200 1148℃ E 奥氏体 1100 1000 G(913 ℃) 奥氏体+渗碳体 Acm 900 奥+铁 奥氏体+ II 铁 800 A3 S 727℃ 渗碳体II +莱氏体 素 700 P A1 铁 渗碳体II 珠光体+渗碳体II 体 600 + +珠光体 +低温莱氏体 500 珠 0.02 0.77 2.11 4.3 C%
(2) 奥氏体——是碳在γ-Fe中的固溶体，Austenite ( A )
特点： ① 最大溶解度(Maximum saturated solubility of C in austenite)2.11%C； ② 其力学性能与含碳量及晶 粒大小有关，一般170～220HBS、 δ=40～50%； ③ 形变能力好，形变抗力小。
P
1500
1400 1300 1200 奥氏体 G(913 ℃) 液体+奥氏体 1148℃ E 液体 C 1227℃ D 液体 +渗碳体 F Acm 奥氏体+ 渗碳体II A1 渗碳体II +珠光体 奥氏体+渗碳体II +莱氏体 727℃ 低温 莱氏体 珠光体+渗碳体II +低温莱氏体 渗碳体 +低温莱氏体 6.69
3.2 铁碳相图 Fe-Fe3C Phase diagrams
3.1.1 铁碳合金的组元
(1) Fe
温度,℃
1538℃
1394℃
Fe —过渡族元素 熔点：1538℃ 原子量：56 密度：7.87×103kg/m3 同素异晶转变——金属 在固态下发生的晶格类 型的转变。
1394℃ 912℃
912℃
P
A
L
液体
液体+奥氏体 1148℃ E
C
1227℃ D 液体 +渗碳体
1-2
奥氏体
F
A
Acm 奥氏体+ 渗碳体II A1 渗碳体II +珠光体
奥氏体+渗碳体II +莱氏体 727℃ 低温 莱氏体 珠光体+渗碳体II +低温莱氏体
渗碳体+莱氏体
2-3
铁 800 素 体 700
600
A
S
K 渗碳体 +低温莱氏体 6.69
L
A
1-2
1100
1000 900 铁 800 素 体 700 600
A
奥+铁
A3
P
渗碳体+莱氏体
2-3
S
K
铁 + 珠
0.77
500 0.02
2.11 C%
4.3
3ÒÔÏ Â
2.亚共析钢的结晶过程 含碳量为0.02%～0.77%。铁素体+珠光体组织。
T℃ 1600 A(1538 ℃) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 G(913 ℃) 奥+铁 A3
流动性
分散缩孔
集中缩孔
(2) 锻压工艺性
锻压要求材料有较 好的塑性和较小的 变形抗力(强度)。
T℃ 1600 A(1538 ℃)
1500
1400 1300 1200 奥氏体 G(913 ℃) E 液体+奥氏体
1100
1000 900 铁 800 素 体 700 600
奥+铁
A3
P
Acm 奥氏体+ 渗碳体II A1 渗碳体II +珠光体
1100
1000 时间
0
20
40 Ni%
60
80
100
Cu-Ni phase diagram by thermal analysis method
相图结构分析
点：铜、镍熔点 线：液相线； 固相线。 区： 液相区，用L表示； 固相区，用 表示； 两相区， 用(L+ )表示
0
L +
L
20
奥氏体+渗碳体II +莱氏体
S
铁 + 珠
0.77
珠光体+渗碳体II +低温莱氏体
500 0.02
2.11
2. 制定工艺参数
相图是制定热加工及热处理工艺参数的重 要依据。
T℃ 1100 1000 800 600 400 0 再结晶退火 去应力退火 0.4 0. 8 1. 2 C% 扩散退火
图3-15 碳钢退火.正火加热温度
P 1ÒÔÉÏ
A
液体
液体+奥氏体 1148℃ E
C
1227℃ D 液体 +F
Ld
Acm 奥氏体+ 渗碳体II A1 渗碳体II +珠光体
奥氏体+渗碳体II +莱氏体 727℃ 低温 莱氏体 珠光体+渗碳体II +低温莱氏体
A
渗碳体+莱氏体
2-3
铁 800 素 体 700
600
S
800MPa (200HB) y 40% 12J/cm2
400MPa (100HB)
20% 8J/cm2
d
ak 0 0.4 0.8 1.2
C%
3.3.3 相图与加工工艺之间的关系
缩孔倾向
1. 相图与材料工艺性能 （Process Performance） 的关系 (1) 铸造工艺性 共晶合金有较好的流动 性(fluidity) 。
塑性、韧性几乎为零。
3.1.2 铁碳合金中的相
(1) 铁素体——碳在α-Fe中的固溶体， Ferrite ( F ) 特点： ① 最大溶解度(Maximum saturated solubility of ferrite)为0.0218%C；
强度和硬度低，韧性塑性好。 其力学性能大致为；
σb σ0.2 HB 180~280MPa 100~170MPa 50~80HBS ψ δ ak 70~80% 30~50% 1.8~2.5MJ/m2
作业
1. 名词解释：铁素体、渗碳体、奥氏体、 珠光体、共晶转变、共析转变。 2. 画Fe-Fe3C相图。画一种钢的冷却转变 曲线，说明转变过程。 3. 第3章第2题.
S
K 渗碳体 +低温莱氏体
3-4
P
铁 + 珠 0.77
F
500 0.02
4ÒÔÏ Â
2.11 C%
4.3
6.69
3. 过共析钢的结晶过程 含碳在0.77%～2.1%之间的铁碳合金。珠光体+渗碳体
T℃
L
1600 A(1538 ℃)
1ÒÔÉÏ
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 G(913 ℃) 奥+铁 A3
Fe3C
铁 + 珠 0.77
3-4 Fe3C
500 0.02
2.11 C%
4.3
4ÒÔÏ P Â
4. 亚共晶(白口)铸铁的结晶过程 含碳量为2.1%～4.3%之间的铁碳合金。 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld ‘。
T℃ 1600 A(1538 ℃)
L
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 G(913 ℃) 奥+铁 A3
0
B
L
A L+ C E
L+ b D
b
+b F
Pb 20 G 40 60 Sb% 80 Sb
(11.1)
共晶相图
B
500
400 300 200 A L+ CE
L
L+ b
D
b
100
+b
G 40 60 Sb% 共晶相图 80 Sb
区：单相区：L、、β、 双相区：L+、L+β、+β
F 0 Pb 20 (11.1)
渗碳体+莱氏体
S
K 渗碳体 +低温莱氏体
铁 + 珠
500 0.02
100%
0.77
2.11
Fe3C¢ò
4.3
C%
Fe3C
6.69
F P Ld’
0
0.77
2.11 C%
4.3
6.69
3.3.2 根据相图分析碳钢的机械性能
sb
HB 1200MPa (300HB) d,y ak 60% 14J/cm2
sb
100
0
水的相变是随 着时间变化逐 渐进行的。 相变时温度不 变。（纯水） 可以把水的相 变用温度轴上 的两个点表示