铁碳合金的基本相
工程材料第五章 铁碳合金相图及应用
相图的应用 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 选碳含量高的钢（大于0.60％ C）。
相图的应用
白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加 工，不能锻造。 但耐磨性好，铸造性能好，用于耐磨、不 受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、 冷轧辊、犁铧、泵体、阀门等。
相图的应用——铸造工艺方面的应用
共晶白口铸铁的铸造性能最好, 凝固温度区间最小, 流 动性好, 分散缩孔少, 精密铸件选在共晶成分附近。
铸钢零件 碳含量0.15-0.6%之间, 这个范围内钢的结晶 温度区间较小, 铸造性能较好。
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢在奥氏体状态时强度较低, 塑性较好, 锻造 或轧制选在单相奥氏体区进行。 一般始锻温度为1150℃～1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金：以铁和碳为基本元素的合金。 钢:0.0218～2.11%C，铸铁大于2.11%C。
低碳钢:<0.25％C；中碳钢:0.25％-0.60％C；高碳钢>0.60％C。 铁与碳可以形成间隙固溶体、化合物Fe3C、Fe2C、FeC等。 铁碳相图中的组元是Fe和Fe3C。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。 1495℃ ，C%=0.09-0.53% L → L+δ → A
（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
L→A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C） 奥氏体与渗碳体的混和物, 称莱氏体。
第一节 铁碳合金基本相
一、 铁素体 δ相 高温铁素体：δ固溶体。 α相 铁素体：α-Fe中的固溶体， “F”表示。
铁碳合金相图
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×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 类型 钢号 碳质量分数／％ 亚共析钢 20 45 60 0.20 0.45 0.60 共析钢 T8 0.80 过共析钢 T10 T12 1.00 1.20
(4)各相的质量： QL= 50×2/3 = 33.3（kg) Qα = 50-33.3 = 16.7（kg)
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（Yes ）
5. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
c. 以砂型代金属型
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织
P + Fe3CII
400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织 （低温）莱氏体 （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C） 莱氏体 Le′的性能
铁碳合金中的基本相(精)
铁碳合金中的三个基本相
二．奥氏体 1. 概念：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。 用A或γ表示。 2. 晶体结构——面心立方结构， 3. 固溶度：γ-Fe的晶格间隙较大，溶碳能 力较强，在1148℃时可达2.11％，在 727℃时为0.77％。 4. 力学性能：奥氏体强度和硬度不高，塑 性良好，是大多数钢热加工时所要求的 组织。
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本章的主要内容有： ★ 铁碳合金中的基本相 ★ 铁碳相图分析 ★ 铁碳合金的分类及其平衡结晶 ★ 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 ★ 铁碳相图的应用
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铁碳合金中的三个基本相
一．铁素体 1. 定义：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体， 用F或α表示。 2. 晶体结构：体心立方结构。 3. 固溶度：碳在α-Fe中溶解度极小，727℃ 最大(0.0218%)，室温仅为0.0008%。 4. 力学性能：铁素体含碳量极低，力学性能 和工业纯铁相当，是一个软韧相（硬度、 强度较低，而塑性、韧性较好）。
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铁碳合金中的三个基本相
三．渗碳体 1. 概念：铁与碳形成的金属化合物，含碳量为6.69 ％，化学式为Fe3C。 2. 晶体结构：与铁和碳的晶体结构完全不同，属于 正交晶系，结构复杂。 3. 力学性能：熔点1227℃，硬度很高，塑性、韧性 很差，伸长率和冲击韧性几乎为零，是一个硬脆 相。 4. 渗碳体是钢的主要强化相（第二相强化）。它的 形状、数量和分布对钢的力学性能影响很大。
铁碳合金和铁碳相图
铁碳合金的主要元素是铁和碳。铁碳合金是目前产量最 大、使用最广的金属材料—钢铁材料发展的基础，因此， 铁碳合金相图是所有相图中最基本、最重要的相图。
第四章 铁碳合金相图
表4.3 铁碳合金的分类
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
随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很 大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在A晶界上——形成莱氏 体时，渗碳体则成了基体 。）
二、含碳量与力学性能间的关系
（ 1 ）硬度 WC 增加，硬度增加；
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
三、渗碳体
渗碳体（Fe3C）
铁与碳形成的间隙化合物，含碳 量6.69%； 室温相——常作为钢的第二弥散 强化相； 渗碳体具有高硬度、高脆性、低 强度和低塑性； 一次渗碳体 Fe3CI：从液相直接 结晶出来。 二次渗碳体 Fe3CII：从 A 中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
一、合金Ⅰ（共析钢）
结晶过程
共析结晶过程
1点以上 L； 1~2点 L+A； 2~3点 A； 3点 共析转变AS
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
QFe3 C
（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团
3~4点 F+ Fe3CIII+ Fe3C ≡ P
0.77 0.0218 11.2% 6.69 0.0218
第一节 铁碳合金的基本相
同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以
后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而 发生变化的现象，也称同素异构转变。
Fe的冷却曲线及相应的晶体结构
L-Fe 液相
1538℃
δ-Fe 体心
1394℃
γ-Fe 面心
912℃ α-Fe 体心
同素异构转变（重结晶）的特点
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
材料科学基础-铁碳相图
• 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，性能特点：强度低、 硬度低、塑性好。
一、铁碳合金的组元及基本相
• ⑵ 奥氏体(Austenite):
• 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体，用A或 表示。
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.
一、铁碳合金的组元及基本相
1. 基本组元： Fe、 Fe3C
2. 基本相：
良好塑韧性→钢中基体相
铁素体(α/F) ： C 在 BCC α-Fe中的间隙固溶体 奥氏体(γ/A) ： C 在 FCC γ-Fe中的间隙固溶体 渗碳体(Fe3C/Cm)：Fe与C形成的间隙化合物 高温铁素体(δ) C 在 BCC δ -Fe中的间隙固溶体 液相(L)
硬、脆→钢中强化相
一、铁碳合金的组元及基本相
纯铁的异构转变
1538℃ 1394℃ L → δ-Fe → γ-Fe bcc fcc 912℃ → α-Fe bcc
A N
G
纯铁的冷却曲线
一、铁碳合金的组元及基本相
⑴ 铁素体(Ferrite)：
碳在-Fe中的固溶体称铁
素体, 用F 或 表示。
铁素体
四、含碳量对铁碳合金的影响
• 3. 含碳量对力学性能的影响 • 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Le’,合金太脆.
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！
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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 ℃ 。
二元相图——铁碳相图部分
室温P组织中Fe何时二次渗碳体的含量 最大? 约多少?
2.11 0.77 22.6% 6.69 0.77
Fe3C II
22
过共析钢的室温组织
硝酸酒精浸蚀
苦味酸浸蚀
23
亚共晶钢的结晶过程
亚共晶铸铁的结晶组织
P（黑色树枝状）
图中树枝状的大块黑色组成体是先共晶A转变成 的P，其余部分为变态莱氏体。由先共晶A中析出的二 次渗碳体依附在共晶渗碳体上而难以分辨。
25
P(由初生 A 转变而来)
亚共晶白口铁的室温组织
26
共晶组织结晶
共晶铸铁的结晶组织
P（黑色颗粒）
1148C L4.3 2.11 Fe3C
28
P(黑色颗粒）
渗碳体
共晶白口铁的室温组织
29
二次渗碳体的相对量由杠杆法则计算可达11.8％，其实常依附于共晶渗碳体而无法分辨。
过共晶组织
2.4 二元相图实例分析
Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金中存在哪些基本相?
铁素体(BCC结构)----C原子溶于 - Fe形成的固溶体； 奥氏体(FCC结构)----C原子溶于 - Fe形成的固溶体； 渗碳体(正交点阵)------C与铁原子形成复杂结构的化合物； 石墨(六方结构)------碳以游离态石墨稳定相存在。
奥氏体
渗碳体（Cementite, Fe3C ）
• Fe 和 C 形成的复杂结构的金属化合物（间隙化合物）， 其碳含量为Wc=6.69％，熔点为1227℃，
根据生成条件不同 , 有条状、网状、片状、粒状等形 态， Fe3C的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。
4%硝酸酒精浸蚀 呈白色
4%苦味酸溶液浸蚀 呈暗黑色
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
7铁碳合金相图
概念 碳溶于α－Fe中 的间隙固溶体 碳溶于γ－Fe中 的间隙固溶体 具有复杂晶格的 间隙化合物
性能 具有良好的塑性和韧性， 但强度硬度不高 与溶碳量和晶粒大小有 关，硬度较低而塑性较 高，易于锻压成形 硬度很高而塑性和韧性 几乎为零，脆性极大
铁素体 固溶 体 相 固相
金属 化合 物
F A
奥氏体
渗碳体
• 回火：将淬火后的钢件在高于室温而低于 650℃的某一适当温度进行长时间的保温， 再进行冷却的过程，这种工艺称为回火。退 火、正火、淬火、回火是整体热处理中的 “四把火”，其中的淬火与回火关系密切， 常常配合使用，缺一不可。 “四把火”随着 加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同 的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性， 把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调 质。通过在铁碳合金相图中将退火、正火、 淬火、回火温度加以比较。
Fe3C L
液相
基本组织： 单相组织： F、A、 Fe3C 莱氏体Ld：（A＋ Fe3C ）在共晶点上得到，塑性韧性很差，是硬而脆的组织 珠光体P：（ F＋ Fe3C ）在共析点上得到，具有良好的力学性能
第二节 铁－渗碳体相图分析
四、铁－渗碳体相图中铁碳合金的分类
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
• 2．1 铸造性能的概念提出。 •
铸造性能的概念提出，首先通过多媒体演示 铸件生产工艺过程，通过观看齿轮坯铸件生产过 程。 • 得出:铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将 熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、 尺寸和性能的金属零件或毛坯的成型方法。有了 铸造性能概念，结合铁碳合金相图，指出ACD区 是液相区，确定浇注温度一般在液相线以上 150C°左右，并且可选择流动性好的合金，即 接近共晶成分的合金,应用最为广泛。因此，其 熔点低，结晶温度间隔小，活动性好组织致密。 所以，大型零件、复杂零件均采用铸造加工。
铁碳合金相图
三、含碳量与工艺性能间的关系 1、铸造性能 根据Fe-Fe3C相图可以确定合 适的浇注温度；接近共晶成分铸铁的固/液相线 的温度间隔小，铸造性好，且浇注温度低，适 合于铸造生产。 2、锻造性能 碳钢在室温下为两相组织，形 变加工困难，而在高温下碳钢为单相A组织，硬 度低而塑性好，锻造性能优良，适合进行锻造 加工；白口铸铁在高温/低温下，其组织都是以 Fe3C为基体的，不能进行锻造。 3、焊接性能 钢材的焊接性能主要取决于材 料的碳当量，碳当量越低则焊接性能越好，因 此焊接结构一般应选用低碳钢或低碳合金钢， 而铸铁的焊接性能差，故焊接仅用于铸铁件的 修复和焊补。
第三节 铁 碳 合 金
钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，其基本组元是 铁和碳元素，因此称为铁碳合金。 为了掌握钢铁材料的成分、组织 和性能之间的关系，为以后的生产应用做好准备，就必须学习和研 究铁碳合金相图。 铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物（Fe3C、Fe3C、 FeC等），但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大，无实际应用价 值，所以在铁碳合金相图中，只需研究Fe-Fe3C部分（含碳量 ≦6.69%）。
铁碳合金相图分析
分析相图： 注意相图中的恒温反应！ 钢铁的分类： （1）工业纯铁 wc＜0.0218% （2）钢 0.0218%＜wc＜2.11% （3）白口铸铁 2.11%＜wc＜6.69%
铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
从铁碳平衡相图中可以看出，随着含碳量的提高，Fe3C的含量也随之提 高，而且Fe3C的形态也发生变化（亚共析钢为F基体+Fe3C片；过共析钢为 P+网状Fe3C；白口铸铁中的莱氏体则是以Fe3C为基体）。因此，不同成分 的铁碳合金具有不同的组织，进而决定了它们具有不同的性能。
铁碳金相图
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.根据相图分析如下点：相图中重要的点(14个)：1.组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点;D (6.69, 1227) Fe3C的熔点2.同素异构转变点:N(0, 1394)δ-Fe γ-Fe;G(0, 912)γ-Fe α-Fe相图3.碳在铁中最大溶解度点:P(0.0218,727),碳在α-Fe 中的最大溶解度E(2.11,1148),碳在γ-Fe 中的最大溶解度H (0.09,1495),碳在δ-Fe中的最大溶解度Q(0.0008,RT),室温下碳在α-Fe 中的溶解度三相共存点:S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C)C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C)J(包晶点,0.17,1495)( d+ A+L )其它点B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分F(6.69,1148 ) , 渗碳体K (6.69,727 ) , 渗碳体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.5.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.6.相图中的相区1.单相区(4个+1个): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)2.两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.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。
铁碳合金基本相
一、铁碳合金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(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%。
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.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.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.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.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Fe—Fe3C相图看起来比较复杂,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.根据相图分析如下点：相图中重要的点(14个)：1.组元的熔点: A (0, 1538) 铁的熔点;D (6.69, 1227) Fe3C的熔点2.同素异构转变点:N(0, 1394)δ-Fe γ-Fe;G(0, 912)γ-Fe α-Fe3.碳在铁中最大溶解度点:P(0.0218,727),碳在α-Fe 中的最大溶解度E(2.11,1148),碳在γ-Fe 中的最大溶解度H (0.09,1495),碳在δ-Fe中的最大溶解度Q(0.0008,RT),室温下碳在α-Fe 中的溶解度三相共存点:S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C)C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C)J(包晶点,0.17,1495)( d+ A+L )其它点B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分F(6.69,1148 ) , 渗碳体K (6.69,727 ) , 渗碳体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.5.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.6.相图中的相区1.单相区(4个+1个): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)2.两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.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3．含碳量对工艺性能的影响对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。
第二章 铁碳合金相图
第一篇 机械工程材料
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基本内容
1
金属与合金的晶体构造及其结晶过程
2 3 4
铁碳合金相图 钢的热处理 钢铁
5 有色金属及其合金 6
非金属材料
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第一篇 机械工程材料
第二章 铁碳合金相图
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2 铁碳合金相图
基本概念
液态： 无限互溶 Fe和C 固态： 固溶体
化合物
Fe3C 石墨
C的存在形式
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Logo 第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体
铁素体（F或α）
定义：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体 晶格结构：bcc 最大溶解度：0.0218%（727℃） 性能： σ b=180～230MPa δ =30%～50% σ
0.2=100～170MPa
F P
室温平衡组织:F+P，其相对量为：
组成相的质量分数为：
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二、铁碳合金的分类及结晶过程分析
过共析钢[0.077%< wc <2.11%]
wc=1.2% A H J N B L+A 1 2 1 2 2~3 A A L 1~2 1以上 L L A
温度
A
3~4
Fe3CⅡ A 4~4'
2)钢[0.0218%< wc ≤2.11%
3)白口铸铁[2.11%< wc <6.69%]
工业纯铁的室温平衡组织为铁素体（F），呈白色状。由于其强 度低、硬度低、不宜用作结构材料。
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Logo 二、铁碳合金的分类及结晶过程分析
铁碳合金相图18339
（一）铁碳合金的基本组元与基本相
（1）液相 铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称为
液相，用符号L表示。 （2）铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F 表示。碳在α-Fe中的溶解度很低，在室温时几乎 为零（0.0008%），在727℃时溶解度最大，为 0.0218%。
（一）铁碳合金的基本组元与基本相
2、Fe-Fe3C相图中的主要特征线
（二）铁碳合金相图分析
2、Fe-Fe3C相图中的主要特征线
ACD线是液相线， 该线以上为液相， 用L表示。
（二）铁碳合金相图分析
2、Fe-Fe3C相图中的主要特征线
（二）铁碳合金相图分析
2、Fe-Fe3C相图中的主要特征线
AECF线是固相线， 该线以下是固相。
（2）铁素体 性能：
与纯铁相似，强度、 硬度低，而塑性和韧性好。 组织：
呈明亮的多边形晶粒， 晶界曲折。
（一）铁碳合金的基本组元与基本相
（3）奥氏体
碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表示。
727℃
溶碳量0.77%
1148℃
溶碳量2.11%
性能：有一定的强度和硬度，
塑性和韧性好，适于
进行锻压加工。
铁碳合金相图18339
铁碳合金相图18339
1、教学目标
通过教学使学生掌握铁碳合金相图的构成，铁 碳合金相图分析，铁碳合金相图的意义及应用。
2、教学重点
铁碳合金相图分析，铁碳合金相图对生产实践 的指导意义，铁碳合金的成分、组织、性能之的 关系。
3、教学难点
铁碳合金相图分析，铁碳合金相图对生产实践 的指导意义，铁碳合金的成分、组织、性能之的 关系。
（二）铁碳合金相图分析
4.3 铁碳合金相图及应用
3）白口铸铁（2.11～6.67％C），根据室温的不同，分为： ）白口铸铁（ ），根据室温的不同 ～ ％ ），根据室温的不同，分为： ① 亚共晶白口铸铁 ② 共晶白口铸铁（≈4.3 ％C） ③ 过共晶白口铸铁（＞4.3％C） 2．共析钢（≈0.77％C） ．共析钢（ ％ ） 共析钢的结晶过程如图a)所示。
各类合金按组织组成物填写的Fe—Fe3C相图如图所示。
四、含碳量对铁碳合金的组织及性能的影响
1．铁碳合金的含碳量对组织的影响 ． 2．含碳量对热轧状态钢的力学性能的影响 ． 3．含碳量对工艺性能的影响 ． ① 压力加工:低碳钢的可锻性比高碳钢好；加热到呈单相奥 氏体时，便于塑性变形。 ② 铸造:铸铁的流动性比钢好，特别是靠近共晶成分的铸铁。 ③ 切削加工:中碳钢的切削加工性能最好。 ④ 焊接:低碳钢比高碳钢易于焊接。 ⑤ 热处理工艺性能和热处理效果。
3．渗碳体 ． 渗碳体是铁和碳的化合物，含碳量为6.67%，用“Fe3C” 或“Cem”(Cementite)表示。 渗碳体的特点：硬度近800HBW，塑性几乎为零；一般认 渗碳体的特点： 为其熔点1600℃（有资料介绍其计算值为1227℃）。
二、铁碳合金相图的组成
铁碳合金相图是研究钢 铁材料的成分、相和组织的 变化规律以及与性能之间关 系的重要工具。铁碳合金相 图如图所示。
由示意图分析可知，共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶 反应+共析反应]，室温组织为珠光体显微组织。 P中F和Fe3C的相对量： 中 和 的相对量： 的相对量
SK 6.69 0.77 QF = = = 88.8% PK 6.69 0.0218 QFe3C = 100% 88.8% = 11.2%
6．亚共晶白口铸铁 ． 亚共晶白口铸铁的结晶过程如图所示。 由示意图分析可知，共晶白口铸铁结晶过程的基本反 应为[匀晶反应+共晶反应+二次析出反应+共析反应]，室温 组织为珠光体+二次渗碳体+低温莱氏体，显微组织如图所 示。
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σ0.2：100～170MPa ak：160～200J/cm2
HBS ：80 ～ 120
上一级
良好的塑性与韧性。
在显微镜下，呈明亮的等轴多边形状。
二、奥氏体(A)：
碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，溶碳量较大；
奥 氏 体 在 高 温 状 态 存 在 ；δ： 40 ～
50% 、 HB S：170 ～ 220 、无磁性。
上一级
三、渗碳体(Fe3C)：
Fe与C 形成的金属化合物Fe3C，其含碳量为 6.69%，极硬、脆。
σb ：35 MPa、 HV： 800 ～ 820
F、A 、 Fe3C都能溶入合金元素，形成合金固溶
体或合金渗碳体起到强化的作用，渗碳体是钢中
主要的强化相。它的形状与分布对钢的性能有很 大影响。
上一级
§4-1
铁碳合金(固溶体）、奥氏体 (A) (固溶体） 、渗碳体（Fe3C)(金属化合物）
一、铁素体（F） ：
碳溶于α- Fe中的间隙固溶体，溶碳能力极差。 727℃可达0.0218% σb：250 ～ 350MPa δ：30 ～ 50% 80% ψ：70 ～