《工程材料》第五章 铁碳合金相图
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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。
铁碳合金相图分析
1点以上
1～2点
2～3点
图3-3 共析钢结晶过程示意图
3点～室温
共析钢的室温组织全部为P，呈层片状，其室温下的显微组织如图3-4 所示。
图3-4 共析钢室温下的显微组织
（二）亚共析钢的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅱ为 wC 0.45% 的亚共析钢，其结晶过程如图 3-5 所示。
1点以上
1～2点
A3 线 合金冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的析出线
三、铁碳合金的结晶过程
图3-2 简化后的Fe-Fe3C相图
根据碳的质量分数和室温显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯 铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。
（一）共析钢的结晶过程 在图 3-2 中，合金Ⅰ为 wC 0.77% 的共析钢，其结晶过程如图 3-3 所示。
图3-12 亚共晶白口铸铁室温下的显微组织
（六）过共晶白口铸铁的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅵ为 wC 5.0% 的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图 3-13
所示。
1点以上
1～2点
2～3点
图3-13 过共晶白口铸铁的结晶示意图
3点～室温
过共晶白口铸铁室温下的显微组织如图 3-14 所示，图中白色条状为 Fe3CⅠ ， 黑白 相间的 基 体 为 Ld′ 。所 有过共 晶 白口 铸铁 的 室温 组织 均 为 Ld Fe3CⅠ，只是随着碳含量的增加， Fe3CⅠ量增加。
0.09
碳在 δ-Fe 中的最大溶解度
J
1 495
K
727
0.17 6.69
包晶点 LB δH
A 1495℃ J
Fe3C 的成分
符号 N P S Q
温度 T/℃ 1 394 727
727 室温
工程材料 第五章 铁碳合金相图及应用
2020/10/16
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
2020/10/16
§5.4 铁碳相图的应用简介
2020/10/16
合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
2020/10/16
（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
2
L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
Q
E
2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
2020/10/16
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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300
1200
wc
对
退
1000
火
碳 200
800
钢
力
学
600
性
能 100
400
的
影
响
200
HB
2020/10/16
0b/MP
§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
二、 在铸造工艺方面的应用
§5.4 铁碳相图的应用简介
根据Fe - Fe3C相图可以确定合金的浇注温度，浇注温度一
般在液相线以上50～100℃。 共晶合金铸造性能最好。
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§5.4 铁碳相图的应用简介
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合金的铸造性能与相图的关系
三、在热锻、热轧工艺方面的应用
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（一）工业纯铁结晶过程（wc = 0.01% )§5.2 铁碳合金相图分析
t (℃) 1
A
2
L
L+A
A G3
4
F A+F S
0.0218
P
0.77
5
Q
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2.11
C
A+Fe3C 727℃
F+Fe3C
Fe
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wc(%)
简化的铁碳合金相图
F k Fe3C
纯铁
§5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡结晶过程§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
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300
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wc
对
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1000
火
碳 200
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钢
力
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性
能 100
400
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影
响
200
HB
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§5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系
第五章 铁碳合金相图及应用
§5.1 铁碳合金基本相及基本组织 §5.2 铁碳合金相图分析 §5.3 铁碳合金成分、组织与性能的关系 §5.4 铁碳相图的应用简介
第五章__铁碳相图习题参考答案
第五章铁碳相图习题参考答案一、解释下列名词答：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、Fe3CⅠ：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（Fe3C）等两个。
2、Fe－Fe3C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－Fe3C 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+ Fe3CⅢ。
5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ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。
材料科学基础-第五章 铁碳相图
思考题：
为什么C在γ
中的溶解能力
高于α？
什么是α、γ？
影响间隙固溶体溶解度的因素？ γ：FCC，八面体间隙大小0.414 α：BCC，八面体间隙大小0.155
3. Fe-Fe3C相图分析
相图分解为三个部分 包晶转变部分 共晶转变部分 共析转变部分
Fe-Fe3C相图
际情况时，切记相图只给出体 系在平衡条件下存在的相和相对量，并不能表达出相 的形状、大小和分布（这些只取决于相的本性及形成 条件）；相图只表示平衡状态的情况，而实际生产条 件下很难达到平衡状态，因此要特别重视它们的非平 衡条件下可能出现的相和组织。 (6) 相图的正确与否可用相律来判断。
（2）相图中的相区
Fe-Fe3C相图
3. Fe-Fe3C相图分析
（3）相图中的线
特性线： 由不同成分合金具有 相同意义的点连接起 来的 A. 三条水平恒温转变线 B. 二条磁性转变线 C. 三条重要的相界线
Fe-Fe3C相图
（3）相图中的线
A. 三条水平恒温转变线
Fe-Fe3C相图
①HJB--包晶转变线： L0.53+δ0.09 或 LB+δH
• 共晶白口铸铁Wc=4.30% • 亚共晶白口铸铁Wc=2.11~4.30% • 过共晶白口铸铁Wc=4.30~6.69%
Fe-Fe3C 相图应掌握的内容
1.按比例默画出Fe-Fe3C 相图，说明
特性点的符号、成分、温度及意义 2.特征温度 A0、A1、A2、A3、Acm的
意义
3.填相区，并回答： 铁素体、奥氏体、渗碳体的结构、性 质、表示法，为什么A 溶碳能力高于 F？ 4.Fe-Fe3C 相图的三个恒温转变式、 转变产物及性能。
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金基本相铁碳相图重要点线区分析铁碳合金分类工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢凝固结晶分析合金成分与组织性能关系及应用第一节p72铁碳合金相图是制定热加工热处理冶炼和铸造等工艺依据
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
铁碳合金相图及碳素钢
相图中各个点的碳的质量分数、温度值及各个 点的含义，见表5-2。
㈡相图中的主要相变线
ABCD线为液相线。温度高于此线铁碳合金均是 液相。其中，AB线是L→δ开始线，BC是L→A 开始线，CD是L→Fe3C开始线。从液相直接结 晶出来的Fe3C称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。
AHJECF线为固相线。温度降到次线之下铁碳合 金全部都结晶成固相。
（三）Fe-Fe3C相图中的相区
单相区有五个：L、δ、A、F、Fe3C。具体位置 见图5-5。其中，Fe3C相区因Fe3C有固定的化学 成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一条垂 线DFKL。
双 相 区 有 七 个 ： δ+L 、 δ+A 、 A+L 、 L+Fe3C 、 A+Fe3C、A+F、F+ Fe3C。具体位置见图5-5。
铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和 性能有重要意义。对于制定钢铁材料的铸、锻、焊及 热处理等工艺有直接的指导意义。
一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 铁和碳两个组元不仅能形成各种固溶体相而且可以产 生一系列的化合物。如，Fe3C、Fe2C、FeC等。这样 一来，Fe-C二元合金相图就可以看成是由Fe-Fe3C ； Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四个二元相图组成，见 图5-4。
温下先微组织的不同又分为三种：
共析钢： wc=0.77% 亚共析钢：0.02%＜wc＜0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11% 3.白口铸铁 它是2.11%＜wc＜6.69%的铁碳合金。按其 室温下显微组织的不同又分为三种：
共晶白口铸铁： wc=4.3% 亚共晶白口铸铁：2.11%＜wc＜4.3% 过共晶白口铸铁：4.3%＜wc＜6.69%
㈡相图中的主要相变线
ABCD线为液相线。温度高于此线铁碳合金均是 液相。其中，AB线是L→δ开始线，BC是L→A 开始线，CD是L→Fe3C开始线。从液相直接结 晶出来的Fe3C称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。
AHJECF线为固相线。温度降到次线之下铁碳合 金全部都结晶成固相。
（三）Fe-Fe3C相图中的相区
单相区有五个：L、δ、A、F、Fe3C。具体位置 见图5-5。其中，Fe3C相区因Fe3C有固定的化学 成分（wc=6.69%），所以是wc=6.69%的一条垂 线DFKL。
双 相 区 有 七 个 ： δ+L 、 δ+A 、 A+L 、 L+Fe3C 、 A+Fe3C、A+F、F+ Fe3C。具体位置见图5-5。
铁碳合金相图对于了解钢铁材料平衡状态下的组织和 性能有重要意义。对于制定钢铁材料的铸、锻、焊及 热处理等工艺有直接的指导意义。
一、Fe-C相图与Fe-Fe3C相图 铁和碳两个组元不仅能形成各种固溶体相而且可以产 生一系列的化合物。如，Fe3C、Fe2C、FeC等。这样 一来，Fe-C二元合金相图就可以看成是由Fe-Fe3C ； Fe3C-Fe2C；Fe2C-FeC；FeC-C四个二元相图组成，见 图5-4。
温下先微组织的不同又分为三种：
共析钢： wc=0.77% 亚共析钢：0.02%＜wc＜0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11% 3.白口铸铁 它是2.11%＜wc＜6.69%的铁碳合金。按其 室温下显微组织的不同又分为三种：
共晶白口铸铁： wc=4.3% 亚共晶白口铸铁：2.11%＜wc＜4.3% 过共晶白口铸铁：4.3%＜wc＜6.69%
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
34
2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
机械工程材料 第三版 第五章 铁碳合金相图
① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C)
② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
㈠工业纯铁的 结晶过程
合 金 液 体 在 1-2
点间转变为， 3-4 点 间 → ， 5-6 点 间 → 。 到7点，从中
析出Fe3C。
L+ H B
J
N +
+ S
工业纯铁的结晶过程
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
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
三、典型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) 组织为单相铁素体。
㈡ 共析钢的结晶过程
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。
共析钢的结晶过程
珠光体在光镜下呈指纹状. 变结束时，珠光体中相的
相对重量百分比为：
Q
SK PK
6.69 0.77 6.69 0.0218
88.8%,
Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
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。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
㈠工业纯铁的 结晶过程
合 金 液 体 在 1-2
点间转变为， 3-4 点 间 → ， 5-6 点 间 → 。 到7点，从中
析出Fe3C。
L+ H B
J
N +
+ S
工业纯铁的结晶过程
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
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
三、典型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) 组织为单相铁素体。
㈡ 共析钢的结晶过程
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。
共析钢的结晶过程
珠光体在光镜下呈指纹状. 变结束时，珠光体中相的
相对重量百分比为：
Q
SK PK
6.69 0.77 6.69 0.0218
88.8%,
Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
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。
随温度下降，
Fe3CⅢ量不断 增加，合金的
5.铁碳合金相图
重要的转变线（溶解度变化曲线）
DC线： L→L + Fe3CⅠ
ES线（Acm）： A→A + Fe3CⅡ GS线（A3）： A→A + F PQ线：F→F + Fe3CⅢ
5种渗碳体（Fe3C）
共晶Fe3C、共析Fe3C、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ 渗碳体与铁素体相形成了多种多样的组织
2）铁碳合金分类：
材料的组织结构决定材料的性能 晶粒越细小
常温下 强度、硬度越高 塑性、韧性越好
晶界易腐蚀
金属
冷塑性变形
强度、硬度增高
塑性、韧性、耐蚀性下降
产生各相异性
第二相强化
化 合 物 形 状
网状分布：强度、塑性下降
球状分布：韧性及切削性提高
弥散分布：强度、硬度提高
塑性、韧性仅略有下降或不下降
钢中ωc ↑→P% ↑ →强度↑、硬度↑，塑性↓
δ=40％～50％
2）渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，以Fe3C表示。 分解点：1227℃ 硬度高（约800HBW）
脆性大，塑性几乎为零，σb≈30Mpa
分布形态：片状、网状或球状 2.铁碳合金相图的组成 1)铁碳合金相图分析
基本组成相：L，δ，F， A， Fe3C
δ相、A、F均是碳在Fe中的间隙固溶体。
结晶条件：线性高分子易结晶；
晶区与性能：刚性↑、强度↑、软化温度↑。
高分子的聚集态结构示意图
四、铁碳合金相图及铁碳合金
1.铁碳合金相图的组元 1）铁 纯铁：L
1538℃
δ-Fe
bcc
1394℃
γ-Fe
912℃
α-Fe
bcc
fcc (铁的同素异构转变)
HB=170～220
铁碳合金相图
T9(A) T10(A) 中韧性、高强度工具，如钻头、丝
T11(A)
锥、低速车刀、钢锯
T12(A) T13(A) 低韧性、高硬度、高耐磨性工具或 量具，如锉刀、刻字刀具
注意：因为碳素工具钢的抗回火能力很低（200～250℃）， 故用碳素工具钢做切削刀具时，不能用于高速切削， 否则刀具硬度将很快下降而导致失效。
三、铁碳合金的成分与性能的关系
组织决定性能，关键在Fe3C的分布、数量、形态。
室温： F
数量－－杠杆定律
Fe3C 形态、分布、大小――显微组织
P： F 基体
强而韧
Fe3C 细密层片状 ％C↑P%↑强度、硬度↑，塑性↓，韧性↓；
> 1.0%C，Fe3C呈网状分布，导致钢的强度↓，硬 度↑。
（一）铁碳合金的相组成物、组织 组成物的相对量
本、能够独立存在的物质）。 在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系 进行转变，但Fe3C实际上是一个亚稳定相， 在一定条件下可以分解为铁固溶体和石墨。 因此铁－石墨系是更稳定的状态。按照这样 情况，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和铁－石墨 的双重相图。我们着重介绍Fe-Fe3C。
2.相：凡成分相同、结构相同并与其它部分 有界面分开的均匀组成部分，均称为
名称 铁素体
奥氏体
符号 F(α)
A(γ)
晶格 体心
面心
含碳量（％） 相类别
0.0008～ 0.02
2.11以下
固溶体 固溶体
δ铁素体 δ
体心 0.09以下 固溶体
渗碳体 Fe3C 金刚石型
6.69
珠光体
P 两种晶格 0.77
莱氏体
Ld 两种晶格
4.3
化合物 混合物 混合物
机械工程材料：第五章 铁碳合金相图及碳钢
Q
5K 100% PK
组织组成物的相对重量为
QP
P5 PS
100%，Q
5S PS
100%
室温下相的相对重量
百分比为：
Q6 QFe3C QL
C 0.0008 100% 6.69 0.0008
Q
6L QL
100% QFe3C
S’
室温下组织组成物的相对重量百分比为：
QP
Q6 QS '
C 0.0008 100%, 0.77 0.0008
从 Fe-FesC 相图中可知 ,铸 钢的凝固温度区间较宽 ,故流动性 差 ,化学成分不均匀 ,易形成分散 缩孔 。一般采用提高浇注温度来 改善流动性 , 这样会使高温奥氏 体晶粒粗大 ,且冷却速度又比较 快 , 迫使铁素体沿奥氏体一定晶 面以针状组织析出 , 这种组织称 为魏氏组织(如图所示) 。
同素异晶转变：固态金属随温度的变化，由一种晶体结构转变成另一种晶 体结构的过程。 具有同素异晶转变的金属：Fe、Co、Ti、Mn Sn等。
二、铁碳合金的组元和相
⒈ 组元 Fe、 Fe3C
⒉相
液相L、高温铁素体δ 、奥氏体A（ ）、 （低温）铁素体F （ ）、渗碳体Fe3C （Cm）
(1)铁素体 （符号：F） 碳在体心立方的α-Fe或δ-Fe的晶格间隙中形成的间隙固溶体。
三铁碳合金相图a1538铁的熔点c1148含碳量43共晶点d1227渗碳体的熔点e1148含碳量211碳在奥氏体中最大溶解度点s727含碳量077共析点p727含碳量00218碳在铁素体中最大溶解度点q室温含碳量00008室温时碳在铁素体中最大溶解度点1特性点g912铁的同素异构转变点2特性线ecf共晶反应线psk共析反应线符号abcd液相线es碳在奥氏体中的溶解度线符号acmpq碳在铁素体中的溶解度线gs冷却时奥氏体开始析出铁素体加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线符号fefe工业纯铁含碳量000218亚共析钢含碳量00218077共析钢含碳量077
碳合金相图
• 随成分增加 ， 铁素体减少 ， 随成分增加， 铁素体减少， 渗碳体增加， 渗碳体增加 ， 强度先上升后 下降， 硬度上升， 塑性、 下降 ， 硬度上升 ， 塑性 、 韧 性下降。 性下降。
第六章 钢的热处理
钢的热处理：将钢在固态下采用适当的方式进行加热、 钢的热处理：将钢在固态下采用适当的方式进行加热、 保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 保温和冷却 ， 以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 • 热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段， 热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段， 它可用温度一时间坐标图形来表示，称为热处理工艺 它可用温度一时间坐标图形来表示， 曲分析
• Fe－Fe3C相图， 是研究铁碳合金在平衡状态下的组织与成 － 相图， 相图 温度之间关系的图形，能使我们了解不同C的质量分数 分、温度之间关系的图形，能使我们了解不同 的质量分数 的铁碳合金在各种不同温度条件下的组织状态； 的铁碳合金在各种不同温度条件下的组织状态 ； 也能了解 某一成分的铁碳合金温度变化时组织状态转变的规律。 某一成分的铁碳合金温度变化时组织状态转变的规律。 • 铁碳相图
第五章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的基本相 • 在铁碳合金中 ， C能溶于 的晶格 （ γ－ Fe和α－Fe）中形成 在铁碳合金中， 能溶于 的晶格（ － 和 － ） 能溶于Fe的晶格 两种间隙固溶体；当含C量超过固溶体的溶解度时 多余的C 量超过固溶体的溶解度时， 两种间隙固溶体；当含 量超过固溶体的溶解度时，多余的 一般与Fe化合成 一般与 化合成Fe3C； ； 化合成 • 奥氏体（A）：C溶于 奥氏体（ ） 溶于γ-Fe所形成的间隙固溶体，面心立方晶 所形成的间隙固溶体， 溶于 所形成的间隙固溶体 格。 • 显微组织： 显微组织：
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2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
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: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
过共晶白口铁组织金相图
组织组成物: F ; P
0.77-0.45
F=
100%=43%
0.77-0.02
0.45-0.02
0.02
0.77
0.45
6.69
P=
100% = 57% P = 1 – WF = 57%
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
工业纯铁组织金相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
4.过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢组织金相图
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
电弧炉炼钢
1.炼铁的冶金反应特点: 还原反应
Fe2O3 Fe3O4
高温 CO气体
FeO Fe
2.炼钢的冶金反应特点: 氧化反应
炼钢生铁 氧化反应
钢
二.钢锭的组织、质量及缺陷
一)杂质元素对钢的质量和性能的影响
二.碳的质 量分数对 力学性能 的影响
三.碳的质量分数对 工艺性能的影响
对铸造性能的影响。 对锻造性能的影响。 对焊接性能的影响。 对切削加工性能的影响。
第五节 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
一.选择材料方面的应用
1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。
(6.69%C)
Mg – Si 合金相图
第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元 和基本组织的结构与性能
一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
二.基本组织
1.铁素体 ( F )
( Ferrite ) 碳溶于
α–Fe中形成 的间隙固溶 体。
铁素体组织金相图
0.77-0.02
相组成物: F ; Fe3C
6.69-0.45
F=
100% = 94% Fe3C = 1 - WF = 6%
6.69-0.02
第四节 碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响
碳的质量分数对平衡组织的影响。 碳的质量分数对力学性能的影响。 碳的质量分数对工艺性能的影响。
一.碳的质量分数对平衡组织的影响
第三节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析
一.Fe - Fe3C 相图的建立 包晶反应相图 共晶反应相图 共析反应相图
Fe - Fe3C 相图
T°
Fe
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
A
G 共析相图
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )
2.奥氏体 ( A ) --- Austenite
碳溶于 γ-Fe中形成 的间隙固溶 体。
奥氏体组织金相图
3. 渗碳体 ( Fe3C ) --- Cementite
铁与碳 形成的金属 化合物。
渗碳体组织金相图
4.珠光体 ( P ) --- Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
5.莱氏体 ( Ld ) --- Ledeburite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
A
T°
L
D
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 )
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
1148℃
C
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’
( P+Fe3C )
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
影响。 Fe - Fe3C 相图的应用。 铁碳合金的生产及分类。
第一节 Fe - C相图的基础知识
1.铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物。
2.稳定的化合物可以作为一个独的组 元。
3.Fe – C 二元相图。
Fe – C 二元相图
温 度
Fe Fe3C Fe2C FeC
C
1.包晶转变反应式:
LB + H 1495℃ AJ
2.共晶转变反应式:
1148℃
LC
( AE + Fe3C ) Le
3.共析转变反应式:
AS 727℃ ( FP + Fe3C ) P
三.典型铁碳合金的结晶过程分析
工业纯铁 ( ingot iron )
共析钢
( eutectoid steel )
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
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: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
过共晶白口铁组织金相图
组织组成物: F ; P
0.77-0.45
F=
100%=43%
0.77-0.02
0.45-0.02
0.02
0.77
0.45
6.69
P=
100% = 57% P = 1 – WF = 57%
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
工业纯铁组织金相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
4.过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢组织金相图
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
电弧炉炼钢
1.炼铁的冶金反应特点: 还原反应
Fe2O3 Fe3O4
高温 CO气体
FeO Fe
2.炼钢的冶金反应特点: 氧化反应
炼钢生铁 氧化反应
钢
二.钢锭的组织、质量及缺陷
一)杂质元素对钢的质量和性能的影响
二.碳的质 量分数对 力学性能 的影响
三.碳的质量分数对 工艺性能的影响
对铸造性能的影响。 对锻造性能的影响。 对焊接性能的影响。 对切削加工性能的影响。
第五节 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
一.选择材料方面的应用
1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。
(6.69%C)
Mg – Si 合金相图
第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元 和基本组织的结构与性能
一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
二.基本组织
1.铁素体 ( F )
( Ferrite ) 碳溶于
α–Fe中形成 的间隙固溶 体。
铁素体组织金相图
0.77-0.02
相组成物: F ; Fe3C
6.69-0.45
F=
100% = 94% Fe3C = 1 - WF = 6%
6.69-0.02
第四节 碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响
碳的质量分数对平衡组织的影响。 碳的质量分数对力学性能的影响。 碳的质量分数对工艺性能的影响。
一.碳的质量分数对平衡组织的影响
第三节 Fe - Fe3C 相图的建立与分析
一.Fe - Fe3C 相图的建立 包晶反应相图 共晶反应相图 共析反应相图
Fe - Fe3C 相图
T°
Fe
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
A
G 共析相图
A+
A+F S Fe3CⅡ F P ( F+ Fe3C )
2.奥氏体 ( A ) --- Austenite
碳溶于 γ-Fe中形成 的间隙固溶 体。
奥氏体组织金相图
3. 渗碳体 ( Fe3C ) --- Cementite
铁与碳 形成的金属 化合物。
渗碳体组织金相图
4.珠光体 ( P ) --- Pearite 铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
5.莱氏体 ( Ld ) --- Ledeburite 奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
A
T°
L
D
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 )
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
P
Q P+F
P+Fe3CⅡ
1148℃
C
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ
P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’
( P+Fe3C )
L+ Fe3CⅠ F
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
影响。 Fe - Fe3C 相图的应用。 铁碳合金的生产及分类。
第一节 Fe - C相图的基础知识
1.铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物。
2.稳定的化合物可以作为一个独的组 元。
3.Fe – C 二元相图。
Fe – C 二元相图
温 度
Fe Fe3C Fe2C FeC
C
1.包晶转变反应式:
LB + H 1495℃ AJ
2.共晶转变反应式:
1148℃
LC
( AE + Fe3C ) Le
3.共析转变反应式:
AS 727℃ ( FP + Fe3C ) P
三.典型铁碳合金的结晶过程分析
工业纯铁 ( ingot iron )
共析钢
( eutectoid steel )