第三章-铁碳合金相图【详解版】
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铁碳合金相图详细讲解
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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3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 -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3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2/m kg 3107.87⨯。
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： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，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。
⑵C Fe 3 C Fe 3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。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3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。
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
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
L A
奥氏体和渗碳 体组成的机械 混合物莱氏体, 为蜂窝状, 以Fe3C为基, 性能硬而脆。 塑性很差
共析转变线PSK:（A1线）
AS 727℃ FP+ Fe3C P
A
F
珠光体是铁素体 和渗碳体片层相 间的组织,呈指 纹状。 较高强度和硬度， 塑性较差
HJB:包晶反应 LB+δH⇄ AJ
δ
L
A
三条重要的相界线 Acm
共析钢
白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
组织组成物 相对量/%
100
F
0
Fe3CⅡ
P
Ld’
Fe3CⅠ
相组成物 100 相对量/% 0
F
Fe3C
⒉ 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。
温度℃
1600 A L+δ
1500 δ H
B
1400
J
L
N
1300
δ+A
Lห้องสมุดไป่ตู้A
L+Fe3C D
1200
1100
A
E
C
1148 F
1000
900 G
Ld
800 700
F
F+A P
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld S
Fe3CⅠ+Ld727
K
600
P
Ld’
F+Fe3CⅢ F+P P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld’
奥氏体和渗碳 体组成的机械 混合物莱氏体, 为蜂窝状, 以Fe3C为基, 性能硬而脆。 塑性很差
共析转变线PSK:（A1线）
AS 727℃ FP+ Fe3C P
A
F
珠光体是铁素体 和渗碳体片层相 间的组织,呈指 纹状。 较高强度和硬度， 塑性较差
HJB:包晶反应 LB+δH⇄ AJ
δ
L
A
三条重要的相界线 Acm
共析钢
白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
组织组成物 相对量/%
100
F
0
Fe3CⅡ
P
Ld’
Fe3CⅠ
相组成物 100 相对量/% 0
F
Fe3C
⒉ 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。
温度℃
1600 A L+δ
1500 δ H
B
1400
J
L
N
1300
δ+A
Lห้องสมุดไป่ตู้A
L+Fe3C D
1200
1100
A
E
C
1148 F
1000
900 G
Ld
800 700
F
F+A P
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld S
Fe3CⅠ+Ld727
K
600
P
Ld’
F+Fe3CⅢ F+P P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld’
铁碳合金相图详解
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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3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 -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3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2/m kg 3107.87⨯。
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：δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，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。
⑵C Fe 3 C Fe 3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。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3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3章 铁碳合金相图
ωc>0.9% →σ↓
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
2020/5/12
共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
2020/5/12
晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
2020/5/12
共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
2020/5/12
晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢
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
铁碳合金相图详解
二、钢和白口铁结晶过程分析
(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析
过共晶白口铁的结晶过程比亚共晶白口铁要简单得多，因为 它在共晶反应 之前首先结晶的是针状 Fe3CⅠ，在继续冷却过 程中，Fe3CⅠ不会发生 成分和结构的变化，因 此，过共晶白口铁的最 终组织应为共晶白口铁 组织加上从L中结晶出来 的针状Fe3CⅡ，即为 Fe3CⅡ + L′d( P + Fe3CⅡ + Fe3C)。
(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析
亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在 L 中已首先结晶出一部分A晶体。这部分初生A 在继续冷却时的转变过程与莱 氏体中的奥氏体的转变过程完 全相同，即先析出Fe3CⅡ，之 后含碳量为0.80％的奥氏体再 通过共析反应转变为珠光体。 除此变化外，其它变化与共晶 白口铁完全相同。亚共晶白口 铁的最终组织应为 P + Fe3CⅡ+L′d(P + Fe3CⅡ +Fe3C)。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
下面列举6个典型的铁碳合金来讨论其结晶过程。钢和白口 铁的结晶过程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同， 并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图5-10所示。
二、钢和白口铁结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析
过共晶白口铁的结晶过程比亚共晶白口铁要简单得多，因为 它在共晶反应 之前首先结晶的是针状 Fe3CⅠ，在继续冷却过 程中，Fe3CⅠ不会发生 成分和结构的变化，因 此，过共晶白口铁的最 终组织应为共晶白口铁 组织加上从L中结晶出来 的针状Fe3CⅡ，即为 Fe3CⅡ + L′d( P + Fe3CⅡ + Fe3C)。
(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析
亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在 L 中已首先结晶出一部分A晶体。这部分初生A 在继续冷却时的转变过程与莱 氏体中的奥氏体的转变过程完 全相同，即先析出Fe3CⅡ，之 后含碳量为0.80％的奥氏体再 通过共析反应转变为珠光体。 除此变化外，其它变化与共晶 白口铁完全相同。亚共晶白口 铁的最终组织应为 P + Fe3CⅡ+L′d(P + Fe3CⅡ +Fe3C)。
5.2 铁碳合金相图分析
一、概述
下面列举6个典型的铁碳合金来讨论其结晶过程。钢和白口 铁的结晶过程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同， 并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图5-10所示。
二、钢和白口铁结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
5.2 铁碳合金相图分析
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
铁碳合金的相图的最全详细讲解
过共晶白口铁组织金相图
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。
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
§2-5 铁碳合金的组织与状态图
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，都可作为 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。
共晶产物是A与Fe3C的机械混合 物，称作莱氏体, 用Le表示。为 蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而 脆。
莱氏体
（二）铁碳合金的组织转变
工业纯铁 ( ingot iron )
共析钢
( eutectoid steel )
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 )
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
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
合金的结构与相图(材料第三章)
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
23
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx 2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
Q Q Lx x1x 2x (a o)o b或 Q Lx1xQ x2x
化， Ⅱ的重量增加。
F4
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F
1 G
0% 0
由于二次
相析出温
度较低，
一般十分
细小。
Q
Q Ⅱ
36
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G 37
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
第三章 合金的结构与相图
第一节 固态合金中的相结构 第二节 二元合金相图的建立 第三节 匀晶相图 *第四节 二元共晶相图 *第五节 二元包晶相图 *第六节 形成稳定化合物的二元合金相图 *第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系
1
第一节 固态合金中的相结构
合金是指由两种或两种以上 元素组成的具有金属特性的 物质。
固态合金中的相分为固溶体
和金属化合物两类。
两相 合金
3
一、 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固
相称固溶体。习惯以、、表示。
与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。
第三章-铁碳合金相图【详解版】
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
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4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 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Ld’,合金太脆.
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• 三、 含碳量对工艺性能的影响
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2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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20钢组织
40钢组织
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• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
60钢组织
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bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
03 铁碳合金相图
奥氏体
奥氏体组织金相图
• 图为奥氏体的 显微组织，其 晶粒也呈多边 形，一般情况 下，其晶界较 平直。
3. 高温铁素体（δ）
碳溶于δ–Fe中的间隙固溶体，呈体心立 方晶格 ，在1394℃以上存在，同铁素体一样 δ–Fe的溶碳能力也很差，在1495℃ 时碳溶量 最大，可达0.09％。
4. 渗碳体 ( Fe3C )
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
• 特征点
L
L+
⇄
J N
G ⇄ ⇄
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
⇄ ⇄
Fe—Fe3C相图中14个特性点及具体意义如下：
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
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奥氏体组织金相图
• 图为奥氏体的 显微组织，其 晶粒也呈多边 形，一般情况 下，其晶界较 平直。
3. 高温铁素体（δ）
碳溶于δ–Fe中的间隙固溶体，呈体心立 方晶格 ，在1394℃以上存在，同铁素体一样 δ–Fe的溶碳能力也很差，在1495℃ 时碳溶量 最大，可达0.09％。
4. 渗碳体 ( Fe3C )
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
727
K
Fe
Fe3C
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
• 特征点
L
L+
⇄
J N
G ⇄ ⇄
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
⇄ ⇄
Fe—Fe3C相图中14个特性点及具体意义如下：
A T°H δ+L J Nδ+γ
δ
B
L D γ+L
γ E G α+ γ P α + Fe3C Q 1148 γ + Fe3C S
C
L+ Fe3C
F
α
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体心立方结构
纯铁相同。
铁素体
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
2）奥氏体:
碳溶于 -Fe中的间隙固溶体；用A或 表示。
面心立方晶格，溶碳能力比铁素体大； 组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
1）铁素体 ➢碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示；
➢铁素体的溶碳能力很低，为体心立方晶格；
➢铁素体的组织为多边形晶粒，其力学性能几乎与
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
三、 含碳量对工艺性能的影响
① 切削性能: 中碳钢合适
铣
② 可锻性能: 低碳钢好
车
钻
③ 焊接性能: 低碳钢好
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
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
⒉ 特征线
⑴ 液相线—ABCD， 固相线—AHJECF
⑵ 三条水平线：
J
N
L+
L
L+Fe3C
G
+
+Fe3C
+Fe3C
727℃
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
(2)共析点S 727℃ 0.77% C 共析成分 反应式: As → (Fp + Fe3C共析) 共析体，即珠光体;
(3)钢、铁分界点E（2.11%C）
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
铁碳合金中的相：液相L、 α 、γ和 δ固溶体、 Fe3C金属化合物
在铁碳合金中碳既可溶入α – Fe、γ-Fe ，也可以 溶入δ-Fe ，形成不同的固溶体。
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
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性好，钢材热加工都在 区进行。
面心立方结构
奥氏体 西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
3、渗碳体（Fe3C） 定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化
相，高温下可分解， Fe3C→3Fe+C(石墨) 。
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
Fe - Fe3C 相图
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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 )
science
and
engineering
of
C
XAUT
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
一、Fe - Fe3C 相图的建立
1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢 地冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线 （时间、温度）；
2.从冷却曲线上 找出临界点，并 画到成分—温度 坐标中；
3.相同意义的点连 接起来。
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
三、典型铁碳合金的结晶过程
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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20钢组织
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
40钢组织
60钢组织
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢， 在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。
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刨
④ 铸造性能: 共晶合金好 ⑤ 热处理性能: 第四章介绍
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。
F西e 安理工大学材料F科e3C学与工Fe程2C学院
FeC
schoCo%l o(aftm%a)te→rial
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
亚共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
含碳量% 0 0.0218 0.77
2.11
4.3
6.69
100
组织组 铁素体 成物相
对量%
0
三次渗碳体
珠光体
二次渗碳体
莱氏体
一次渗碳体
相组成 100 物相对
量%
Fe3C
0
1
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
1)共析钢的结晶过程
珠光体
室温组织为：P（F+Fe3C）
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
补充：工业纯铁的结晶过程
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⑶ 其它相线