第三章 铁碳相图(含答案)
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。
铁碳相图详解
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。
⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。
图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。
继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间，不发生组织转变。
冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变。
温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3CIII。
7点以下，随温度下降，Fe3CIII量不断增加，室温下Fe3CIII的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢCFeQ。
图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为α+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。
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
打印铁碳相图习题参考答案
一、解释下列名词1、铁素体：碳溶入α－Fe 中形成的间隙固溶体。
奥氏体：碳溶入γ－Fe 中形成的间隙固溶体。
渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。
珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
2、Fe3C Ⅰ ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
Fe3CⅡ：从A 中析出的Fe3C 称为二次渗碳体。
Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C 称为三次渗碳体。
共析Fe3C ：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
共晶Fe3C ：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。
3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、填空题1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F ）、渗碳体（Fe 3C ）等 两 个。
2、Fe －Fe 3C 相图有4个单相区，各相区的相分别是 液相（L ）、δ相、铁素体（F ）、奥氏体（A ）。
3、Fe －Fe 3C 相图有 三 条水平线，即HJB 、ECF 和PSK 线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。
4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组织为F+ Fe3C Ⅲ。
5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P 占40.37%，Fe 3C 共晶占47.82%，Fe3C Ⅱ占11.81%。
6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。
7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A ），具有良好的 塑、韧 性，因而适于热加工成形。
8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。
三、简答题1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？答：因为γ-Fe 和α- Fe 原子排列的紧密程度不同，γ-Fe 的致密度为74%，α- Fe 的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。
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
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。
第三章 铁碳相图(含答案)
第三章铁碳相图一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、从相变的角度来看，钢与铸铁是按________来区分的，钢与工业纯铁是按________来区分的。
答案：有无共晶转变、有无共析转变2、碳溶解在________中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号________表示；奥氏体的力学性能是________和________不高，但具有良好的________。
答案：γ-Fe、A、强度、硬度、塑性3、渗碳体是铁和碳的化合物，常用________表示；渗碳体的含碳量为6．69％，具有复杂的晶格，它的________很高，脆性很大，而________和________几乎等于零。
C、硬度、塑性、韧性答案：Fe3C相图，它由三个典型的二元合金相图组合而成，即________、________和4、统观Fe-Fe3________。
答案：匀晶（型）相图、共晶（型）相图、包晶（型）相图5、铁碳合金在固态下的基本相有________、________和________三种。
答案：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3C)6、在钢中，由于铁与碳的相互作用，可以形成四种基本组织，即________、________、________和________。
答案：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）7、Fe-FeC相图中，根据E点（含碳量为________）可将铁碳合金分为________和________3两大部分。
答案：2.11%、（碳）钢、铸铁8、在铁碳合金的基本相中，属于固溶体的有________、________，属于金属间化合物的有________。
答案：奥氏体、铁素体、渗碳体9、含碳量为4.3％的铁碳合金叫________，在1148℃以上为________，缓冷至1148℃时发生________反应，继续冷却到727℃时发生________转变，其室温组织为________。
答案：共晶铸铁、液相、共晶、共析、变态莱氏体10、在钢中，铁与碳的相互作用有两种形式，即________和________。
第三章 铁碳合金相图
第三章铁碳合金相图一、选择题1. 铁素体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。
Aα-Fe B．γ-Fe Cδ-Fe D．β-Fe2.奥氏体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。
A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe3.渗碳体是一种（）。
A．稳定化合物B．不稳定化合物C介稳定化合物D易转变化合物4.在Fe-Fe 3 C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为A．2％B．2.06％C．2.11％D2.2％5.莱氏体是一种（）。
A．固溶体B．金属化合物C．机械混合物D．单相组织金属6.在Fe-Fe 3 C相图中，ES线也称为（）。
A．共晶线B．共析线C．A 3 线D．Acm线7.在Fe-Fe 3 C相图中，GS线也称为（）。
A．共晶线B．共析线C．A 3 线D．Acm线8. 在Fe-Fe 3 C相图中，共析线也称为（）。
A．A 1 线B．ECF线C．PSK线9.珠光体是一种（）。
A．固溶体B．金属化合物C．机械混合物D．单相组织金属10.在铁－碳合金中，当含碳量超过（）以后，钢的硬度虽然在继续增加，但强度却在明显下降。
A．0.8％B．0.9％C．1.0％D．1.1％11.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，其晶粒区从表面到中心的排列顺序为（）。
A．细晶粒区－柱状晶粒区－等轴晶粒区B．细晶粒区－等轴晶粒区－柱状晶粒区C．等轴晶粒区－细晶粒区－柱状晶粒区D．等轴晶粒区－柱状晶粒区－细晶粒区12.优质钢的含硫量应控制在下列（）范围内。
A．0.06％～0.05％B．0.05％～0.035％C．0.035％～0.02％D．0.02％～0.015％13.优质钢的含磷量应控制在下列（）范围内。
A．0.055％～0.045％B．0.045％～0.035％C．0.035％～0.03％D．0.03％～0.02％14.在Fe-Fe 3 C相图中，PSK线也称为（）。
A．共晶线B．共析线C．A 3 线D．Acm线15.Fe-Fe 3 C相图中，共析线的温度为（）。
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。
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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
第3章铁碳合金(07)
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。
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第三章铁碳相图(含答案)第三章铁碳相图一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、从相变的角度来看，钢与铸铁是按________来区分的，钢与工业纯铁是按________来区分的。
答案：有无共晶转变、有无共析转变2、碳溶解在________中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号________表示；奥氏体的力学性能是________和________不高，但具有良好的________。
答案：γ-Fe、A、强度、硬度、塑性3、渗碳体是铁和碳的化合物，常用________表示；渗碳体的含碳量为6．69％，具有复杂的晶格，它的________很高，脆性很大，而________和________几乎等于零。
C、硬度、塑性、韧性答案：Fe3C相图，它由三个典型的二元合金相图组合而成，即________、________和4、统观Fe-Fe3________。
答案：匀晶（型）相图、共晶（型）相图、包晶（型）相图5、铁碳合金在固态下的基本相有________、________和________三种。
答案：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3C)6、在钢中，由于铁与碳的相互作用，可以形成四种基本组织，即________、________、________和________。
答案：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）7、Fe-FeC相图中，根据E点（含碳量为________）可将铁碳合金分为________和________3两大部分。
答案：2.11%、（碳）钢、铸铁8、在铁碳合金的基本相中，属于固溶体的有________、________，属于金属间化合物的有________。
答案：奥氏体、铁素体、渗碳体9、含碳量为4.3％的铁碳合金叫________，在1148℃以上为________，缓冷至1148℃时发生________反应，继续冷却到727℃时发生________转变，其室温组织为________。
答案：共晶铸铁、液相、共晶、共析、变态莱氏体10、在钢中，铁与碳的相互作用有两种形式，即________和________。
答案：形成固溶体、形成（金属间）化合物11、在Fe-FeC相图中ECF线称为________，合金冷却到此线时(1148℃)，从液体合金中3同时结晶出________和________的机械混合物，即莱氏体。
答案：共晶反应线、奥氏体、渗碳体12、铁素体和渗碳体组成的机械混合物称为_________，用符号_________表示；其力学性能是_________较高，硬度适中，具有一定的_________。
答案：珠光体、P、强度、塑性13、含碳量为0.77％的铁碳合金叫_________钢，其室温组织为_________。
答案：共析、珠光体二、单项选择（下列题中选项可能多个正确，但只选择其中最佳的一项）1、碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，奥氏体的性能是( )。
A、低的塑性和韧性，较高的强度和硬度B、强度和硬度不高、塑性良好C、强度较高、硬度适中，有一定的塑性答案：B2、碳原子和氮原子溶入铁原子晶格中形成的固溶体类型（）。
A、前者为置换式，后者为间隙式B、前者为间隙式，后者为置换式C、两者均为间隙式答案：C3、铁碳合金中碳的质量分数越高，则（）。
A、渗碳体含量越多B、铁素体含量越多C、莱氏体含量越多答案：A4、钢材锻造的温度范围必须选择在铁碳相图中的（）；A、F＋P区B、A＋F区C、单一A区答案：C5、铁素体的力学性能是（）；A、强度高、塑性好、硬度低B、强度低、塑性差、硬度低C、强度低、塑性好、硬度低答案：C6、在平衡状态下，当钢的含碳量超过0.9％时，强度下降，塑性、韧性降低，硬度( )。
A、下降B、升高C、不再升高答案：B7、碳的质量分数为1.2％的铁碳合金的室温组织为（）A、珠光体和铁素体B、百分之百的珠光体C、珠光体和二次渗碳体答案：C8、所有过共析钢在室温下的组织都由珠光体和二次渗碳体组成，但含碳量不同，珠光体和二次渗碳体相对数量不同，含碳量增加，则组织中的二次渗碳体数量( )。
A、增加B、减少C、不增不减答案：A9、渗碳体的合金结构为（）。
A.置换固溶体B.机械混合物C.金属间化合物答案：C10、碳的质量分数为1.2％的铁碳合金的室温组织为（）A.珠光体和铁素体B.百分之百的珠光体C.珠光体和二次渗碳体答案：C11、将共析钢缓慢加热到750℃时，此时共析钢的组织是（）。
A、Fe+FeC3B、AC、A+L答案：B12、在亚共析钢的室温组织中，随着含碳量增加，则组织中的珠光体数量( )。
A、增多B、减少C、不增不减答案：A三、是非题（判断下列说法正确与否,正确用√错误用×表示）1、铸铁的含碳量小于2.11％。
( )答案：×2、含碳量大于2.11％小于6.69％的铁碳合金从液态冷却到1148℃时都会发生共晶转变。
( )答案：√3、钢材轧制或锻造的温度范围必须选择在Fe-Fe3C相图中均匀单一的奥氏体区域内。
( ) 答案：√4、碳素钢含碳量越高，力学性能越好。
( )答案：×5、亚共析钢随含碳量的提高，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。
( )答案：√6、珠光体和莱氏体都是机械混合物，所以它们的力学性能相同。
( )答案：×7、在典型铁碳合金的结晶过程分析中，亚共析钢的结晶过程为L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ。
( )答案：×8、在金属材料中，只有铁和铁合金有同素异构转变，因此在工艺中应用很广。
（）答案：×四、问答题（回答下列问题，有计算时应列出公式、算式及计算步骤）1、在平衡条件下，45钢、T8钢和T12钢的硬度、强度、塑性和冲击韧性哪个大哪个小？变化规律是什么？原因是什么？答案：45钢的硬度、强度最低而塑性、冲击韧性最高，T8钢的强度最高，T12的硬度最高而塑性、冲击韧性最低。
（2分）随着含碳量的增加，钢中渗碳体的量也增多，形成珠光体的量也增多，钢的强度和硬度升高，而塑性、韧性下降；（2分）当含碳量超过共析成分后，由于形成二次渗碳体，珠光体的量开始下降，二次渗碳体随含碳量的继续增加而逐渐增加，并沿原奥氏体晶界形成网状后因割断了晶粒之间的联系，使强度明显下降，塑性和韧性也急剧降低，但硬度值仍继续升高。
（2分）2、结合Fe-Fe3C相图阐述共析转变与共晶转变的异同点。
答案：共析转变为固相奥氏体（A）→珠光体（α+ Fe3C），（2分）而共晶转变是液体(L) →莱氏体(A+ Fe3C)。
（2分）两个转变的相同点都是由一个相同时转变为两个相的机械混合物；（1分）不同点是共析转变是固相转变为固相，而共晶转变是液相转变为固相。
（1分）3、试比较45、T8和T12钢的硬度、强度、塑性和冲击韧性有何不同。
答案：45钢的硬度、强度最低而塑性、冲击韧性最高；（2分） T8钢的强度最高；（1分）T12的硬度最高而塑性、冲击韧性最低。
（1分）4、分析碳钢中成分（含碳量）和力学性能之间的关系。
答案：随碳含量增加，硬度提高，而塑性和韧性下降；（2分）当碳含量小于0.9%时，随碳含量增加，强度增高；当碳含量达0.9%时，由于Fe 3C 呈网状分布，使强度开始下降，将随碳含量增加，强度下降（2分）五、综合分析题（根据题目给出内容，用所掌握知识综合分析下列各题）1、利用铁碳平衡相图分析15钢、20钢、30钢、45钢、55钢、60钢、T10、T11、T12、T13的平衡结晶过程，画出这一过程的冷却曲线及组织转变示意图，并计算15钢室温时组织组成物的相对量。
15钢：F=%83%1000218.077.015.077.0=?--；（3分） P=1-F%=1-83%=17%（1分）20钢：F=%76%1000218.077.02.077.0=?--(3分)P=1-76%=24%（1分）30钢：F=%63%1000218.077.030.077.0=?--；（3分）P=1-F%=1-63%=37%（1分）T10钢：%9677.069.60.169.6=--=PFe 3C Ⅱ=1-96%=4%45钢:%43%1000218.077.045 .077.0=?--=α；P=1-43%=57%55钢：F=%1000218.077.055.077.0?--=30%；（3分）；P=1-F%=1-30%=70%（1分）60钢：F=%23%1000218.077.060.077.0=?--；（3分）P=1-F%=1-23%=77%（1分）T11钢： %94%10077.069.61.169.6=?--=P ；Fe 3C Ⅱ=1-94%=6% T12钢：%93%10077.069.62.169.6=?--=P ；Fe 3C Ⅱ=1-93%=7% Fe -Fe 3C 相图C 1 23456 6.69 温度DT13钢：%91%10077.069 .6 3.1 69 .6 = ? - - =P；Fe3CⅡ=1-91%=9%2、综述碳钢中成分（含碳量）—平衡组织—力学性能之间的关系。
答案：碳钢中，成分与平衡组织的关系：亚共析钢的平衡组织位。
随碳含量增高，F的相对量减少，而P的相对量增加；（2分）当碳含量达0.77%（即共析钢）时，P达100%；（1分）过共析钢中，平衡组织为P+Fe3C。
随含碳量增高，P的量相对减少，而Fe3C的量增加。
（2分）成份与力学性能的关系：随碳含量增加，硬度提高，而塑性和韧性下降；（2分）当碳含量小于0.9%时，随碳含量增加，强度增高；（1分）当碳含量达0.9%时，由于Fe3C呈网状分布，使得强度将随碳含量的增加而下降（2分）3、在钢中，由于铁与碳的相互作用，能形成那些基本组织？这些基本组织的结构和力学性能有何特点？答案：形成的基本组织有铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）和珠光体（P）（2分）其中铁素体（F）强度、硬度低而塑性、韧性高。
（1分）奥氏体的强度、硬度不高，塑性、韧性较好。
（1分）渗碳体硬而脆。
（1分）珠光体强度高，硬度适中，具有一定的塑性。
（1分）。