第四章 铁碳合金相图
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第4章铁碳合金相图
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
H 1495℃ , 0.09%C
N 1394℃
J 1495℃ , 0.17%C
E 1148℃ , 2.11%C
4）wC0.53％~2.11％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。 ） ％ ％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
2. ES线 线 ES线：碳在 线 奥氏体中的 溶解度曲线. 溶解度曲线 ES线是二次 线是二次 渗碳体的开 始析出线 →ACm线。
3. PQ线 线 PQ线：碳在铁素体 线 中的溶解度曲线。 中的溶解度曲线。
当铁素体从727℃冷 ℃ 当铁素体从 却下来时， 却下来时，要从铁 素体中析出渗碳体， 素体中析出渗碳体， 称之为三次渗碳体， 称之为三次渗碳体， 记为Fe 记为 3CⅢ。
莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物， 表示。 莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，以符号Ld表示。 进行共晶转变的合金成分范围： 2.11％~6.69％ 进行共晶转变的合金成分范围：wC2.11％~6.69％ 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体的力学性能： 莱氏体的力学性能：塑性很差
五、三条重要的特性曲线
1. GS线 线 GS线→A3线 线 冷却:奥氏体析出铁 冷却 奥氏体析出铁 素体开始线 加热:铁素体溶入奥 加热 铁素体溶入奥 氏体终了线。 氏体终了线。 GS线由 点(A3点)演 线由G点 线由 演 变而来， 变而来，随着含碳 量的增加， 量的增加，使奥氏 体向铁素体的同素 异晶转变温度逐渐 下降，从而由A 下降，从而由 3点 变成了A 变成了 3线。
第4章 铁碳合金相图与碳钢
1227
(I)
亚共析钢
过共析钢
工业纯铁
共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁
0.02% 0.40% 0.77% 1.2%
2.11%
3.0% 4.3%
5.0%
1227
(I)
0.01%
1227
(I)
(1)工业纯铁（C＝0.01%）： L→L+δ →δ →δ +A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ
WF= （6.69-0.01） /6.69=99.85%
L+Fe3C
6.69
莱氏体( Ld)-奥氏体和渗碳体混合物 珠光体（P）-铁素体和渗碳体层片 状混合物
区的意义：
1495
（1）单相区：L、δ 、A、F；
（2）两相区：L+δ 、L+A、
L+Fe3CⅠ、δ +A、A+F、A+Fe3C F+Fe3C （3）三相共存点：
J点：(L+δ +A)
C点：（L+A+ Fe3C）； S点：（A+F+ Fe3C）；
4.3%
1227
(I)
共晶白口铁（C＝4.3%） L→Ld→Ld′
相组成：WF=(6.69-4.3)/6.69 =35.7% 组织组成：Ld’=100%
5.0%
1227
(I)
过共晶白口铁（C＝5.0%）：
L→L+ Fe3CⅠ→Ld+ Fe3CⅠ→Ld′+ Fe3CⅠ
相组成：WF=(6.695.0)/6.69=25.3% 组织组成 WLd’=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=70.7% WFe3CI=29.3%
第4章 铁碳合金相图
F
Ld A+ S Ld+ Fe3CⅠ A+F K Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld F P 727 P F+ Fe3C Ld P+ Q P+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d L′d+ Fe3CⅠ Fe3C Fe F+ Fe C C%
3 Ⅲ
PSK线-共析线。奥氏体冷却到共析温度（727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体。
1.工业纯铁： • wC ≤ 0.0218 %，室温组织为铁素体。 2.钢 • 0.0218 % ＜ wC ≤ 2.11 %，高温固态组织为塑性很好 的奥氏体，适于热压成形。
Fe3C——渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，C%=6.69%
第四章 铁碳合金相图
一、上半部分图形
912˚C 以上的部分，由液态变
为固态的第一次结晶。 组元：γ-Fe与Fe3C 1、图中各点分析 A点：纯铁的熔点 D点：渗碳体的熔点 E点：在1148˚C 时碳在
γ-Fe中最大溶解度（2.11%）
A G F A+F P
H J
L+ B L+A
L D C
E A+ Fe3C
A+ S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld P Ld
L+ Fe3C
F
Ld+ Fe3CⅠ Ld L′d+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
Fe
P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d
F+ Fe3C
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
三、 Fe-Fe3C相图中各点、线含义的小结
第04章 铁碳合金相图
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
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
铁碳合金相图
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
含碳量与相的相对量关系：
C %↑→F %↓，Fe3C %↑
含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过相图
图4-17
二、碳对铁碳合金平衡组织和性 能的影响
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
Ⅲ 3 Ⅱ
3
Ⅰ
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§4铁碳合金的成分—组织—性能
关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
1、含碳量——相相对量 C%↑→F%↓，Fe3C%↑ 2、含碳量——组织 F--->F+P--->P--->P+Fe3CII-->P+Fe3CII+Le’--->Le’-->Le’+Fe3CII--->Fe3C
第四章 铁碳合金相图
§1铁碳合金的基本相 §2 铁碳相图 §3典型铁碳合金的结晶过程及其组织 §4铁碳合金的成分—组织—性能关系
§1铁碳合金的基本相
• 一、铁碳合金相图中组元的性质和相的类
第四章 铁碳合金相图(全)
工程材料及热工处理
第四章 铁碳合金相图
主讲人： 刘 怿 凡
§4.1 固态合金的相结构
几个重要概念
1.合金
两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成 的具有金属特性的物质
2.组元
组成合金的最基本的独立物质称为组元，可以是组 成合金的元素，也可以是化合物，有二元、三元等。
3.相
在合金中，凡成分相同、结构相同并以明显界面相 互分开的均匀组成部分，是合金中最基本的组成部分。
●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐 磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂 的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
§4.4 铁碳合金相图的应用
2.在铸造工艺方面的应用
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℃。
§4.1 固态合金的相结构
4.组织
用肉眼或显微镜观察到的金属材料的内部情景，包 括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。“特殊形 态的微观形貌”
5.合金系
由相同组元配制的一系列成分不同的合金，组成一 个合金系统。
合金组织中的相结构决定合金的性能
§4.1 固态合金的相结构
合金的相结构
晶体结构、原子结构不同、组元相互作用不同——不同相结构
4.在热处理工艺方面的应用
Fe—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些 热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图 确定的。
§4.4 铁碳合金相图的应用
在运用Fe—Fe3C相图时应注意以下两点：
①Fe—Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其 它元素，相图将发生变化，与实际情况有较大差异。
第四章 铁碳合金相图
主讲人： 刘 怿 凡
§4.1 固态合金的相结构
几个重要概念
1.合金
两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成 的具有金属特性的物质
2.组元
组成合金的最基本的独立物质称为组元，可以是组 成合金的元素，也可以是化合物，有二元、三元等。
3.相
在合金中，凡成分相同、结构相同并以明显界面相 互分开的均匀组成部分，是合金中最基本的组成部分。
●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐 磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂 的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
§4.4 铁碳合金相图的应用
2.在铸造工艺方面的应用
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℃。
§4.1 固态合金的相结构
4.组织
用肉眼或显微镜观察到的金属材料的内部情景，包 括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。“特殊形 态的微观形貌”
5.合金系
由相同组元配制的一系列成分不同的合金，组成一 个合金系统。
合金组织中的相结构决定合金的性能
§4.1 固态合金的相结构
合金的相结构
晶体结构、原子结构不同、组元相互作用不同——不同相结构
4.在热处理工艺方面的应用
Fe—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些 热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图 确定的。
§4.4 铁碳合金相图的应用
在运用Fe—Fe3C相图时应注意以下两点：
①Fe—Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其 它元素，相图将发生变化，与实际情况有较大差异。
第四章 铁碳合金相图
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%，AK=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
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℃。
• 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。
第四章 铁碳合金相图
LOGO
概述
• 钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其 基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。 普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴， 而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁 碳合金。 • 为了研究铁碳合金的组织和性能以及它们 与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合 金相图。
概述
• 铁碳合金相图最早是在1889年测定的，距
• 钢中wc↑，其可焊性↓，故焊接用钢主要是指 低碳 钢和低碳合金钢。
上一级
• （三） 切削加工性能
• 金属的切削加工性能是指金属进行切削 加工时的难易程度。 • 钢的硬度为160～230HBS时，切削加工 性最好。
上一级
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
LOGO
水平线ECF为共晶反应线。
材料科学基础-第四章_铁碳合金与铁碳相图
（wC%＝2.11%～4.3%）
⑥
1 2
3
4
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
⑥
1 2
3
4
过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
第4章铁碳合金相图
四 含碳量对铁碳合金组织 和力学性能的影响
对组织的影响： 对组织的影响： • 含碳量为0.77%时，组织为珠光体； 含碳量为0.77%时 组织为珠光体； 0.77% • 亚共析钢组织为铁素体+珠光体； 亚共析钢组织为铁素体+珠光体； • 过共析钢组织为铁素体+渗碳体 过共析钢组织为铁素体+
100%
P F+P
室温 0.008
L’d
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+L’d
Fe3CⅠ+L’d
0
0.2 0.4
0.6
0.8 1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
6.69
接下来需要掌 握的一个内容是： 握的一个内容是： 杠杆定律的应用
亚共析钢和过共析钢 室温时，相的相对量： 室温时，相的相对量： 1、室温时的相： 、室温时的相： 铁素体+Fe F铁素体+Fe3C渗碳体 2、相对量 、
L’d Fe3CⅠ+L’d
室温 0.008
Fe
0
0.2 0.4
0.6
0.8 1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
6.69
Fe3C
A 1538 ℃ 纯铁熔点 A N C E G S P Q K F H B J
相图中的点… 相图中的点
D
B 1495 ℃ 0.53 包晶反应 成分 包晶反应L成分 H 1495 ℃ 0.09 包晶反应 成分 包晶反应L成分 J 1495 ℃ 0.17％ 包晶点 ％ N 1394 ℃ 纯铁 δ←→γ E 1148 ℃ 2.11% 碳在γ中 碳在 中 最大溶解度 C 1148 ℃ 4.3% 共晶点 D 1227℃ 6.69 Fe3C熔点 ℃ 熔点 F 1148℃ 6.69共晶中 相成分 ℃ 共晶中S相成分 共晶中 G 912℃ 0%C γ-Fe → α -Fe ℃ P 727℃ 0.0218% ℃ 碳在α中最大溶解度 碳在 中最大溶解度 S 727℃ 0.77% ℃ 共析点γ （ 共析点 →（α + Fe3C) K 727℃ 6.69% Fe3C ℃ Q 600℃ 0.01% ℃
铁碳相图
第四章 铁碳合金相图碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。
在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。
在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe 3C （渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase ），而石墨是稳定的相。
在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe 3C 系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe 3C 相图。
4-1 铁碳合金的组元一、纯铁纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图7.1所示。
纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。
金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变（allotropic transformation ）。
同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。
铁的同素异晶转变如下：（体心立方）（面心立方）（体心立方）Fe Fe Fe CC O O −⇔−⇔−αγδ9121394 温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe ；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe 。
工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下：时间温度（℃）图7.1 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化拉伸强度σb18×107~28×107N/m2屈服强度σ0.2 10×107~17×107N/m2延伸率δ 30~50%断面收缩率ψ70~80%冲击值160~200J/cm2布氏硬度HB 50~80二、碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。
碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。
第四章 铁碳相图
综上所述：为了保证工业使用的铁碳合金具有足 够的强度的同时，并具有一定的塑韧性，铁碳合 金的含碳量一般不超过1.3%
三. 对工艺性能的影响 1、切削加工性能
低碳钢中铁素体较多，塑性、韧性好，容易粘刀，而且切屑 不易折断，因此，切削加工性能不好。 高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削加工性 能也不好。 中碳钢硬度和塑性比较适中，切削加工性较好。 一般，钢的硬度为250HB时，具有合适的加工性能。
Fe3CⅡ
Fe3CⅢ Fe3C共析 Fe3C共析
ES
PQ S C
γ
α γ L
网状分布于晶界
薄片状 层片状 基体
标注组织的铁碳相图
§4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 一. 对平衡组织的影响
随着含碳量增加，铁碳合的组织变化如下： F+Fe3CⅢ（工业纯铁）→F+P（亚共析钢） → P（共析钢） → P+Fe3CⅡ（过共析钢）
§3 典型合金的结晶过程：
工业纯铁 ＜0.0218%C 亚共析钢 0.0218-0.77%C 铁碳合金 钢
共析钢 0.77%C
过共析钢 0.77－2.11%C 亚共晶生铁 2.11-4.3%C
白口生铁
共晶生铁 4.3%C 过共晶生铁 4.3－6.69%C
平衡结晶过程：
1） 工业纯铁：0.01%C
纯铁的性能：
工业纯铁含铁 99.8-99.9%，0.1-0.2%的杂质，主要 为碳. 机械性能：
抗拉强度176-274MN/m2 ，屈服强度98-166MN/m2 , 延伸率30-50%，断面收缩率: 70-80%，冲击韧性: 160-200J/cm2，硬度:50-80HB 室温下,强度低,塑韧性好,很少用作结构材料
机械工程材料第四章铁碳合金相图
第四章铁碳合金相图教学目的及其要求通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。
主要内容1．铁碳合金的相组成2．铁碳合金相图及其应用3．碳钢的分类、编号及应用学时安排讲课4学时教学重点1．铁碳合金相图及应用2．典型合金的结晶过程分析教学难点铁碳合金相图的分析和应用。
教学过程第一节纯铁、铁碳合金中的相一、铁碳合金的组元铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。
由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。
碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。
二、铁碳合金中的基本相相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。
铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。
固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。
这也是碳在合金中的两种存在形式。
1．铁素体碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度低。
2．奥氏体碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。
3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。
渗碳体对合金性能的影响：（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。
（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。
二、两相机械混合物珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。
莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。
4铁碳合金相图
莱氏体冷却到727℃时，奥氏体将转变为珠光体， 所以室温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变 态莱氏体，用符号“Ld΄”表示。 莱氏体中由于有大量渗碳体存在，其性能与渗碳体 相似，即硬度高、塑性差。
工程材料及其热处理-2 8
3、单相的基本组织
在铁碳合金中,各个独立存在的相,也可以看成是单 相的基本组织。例如：铁素体组织，渗碳体组织。
4
3、渗碳体
Fe和C形成的间隙化合物。
具有固定的熔点1227℃，固定的化学成分，碳的
质量分数ωc=6.69%， 分子式Fe3C。 Fe3C在铁碳合金中是一种独立的相。性能特点硬而 脆， 相对固溶体，Fe3C属于强化相。渗碳体的数量、 形态、分布对钢的性能影响很大。
工程材料及其热处理-2
5
说明： 高温相：A 室温相主要是：F、Fe3C
3、相区
工程材料及其热处理-2 17
三、铁-渗碳体相图中各点、线含义的小结
根据上述分析结果，把铁-渗碳体相图中主要特 性点和线分别列表归纳总结。见表4-1和表4-2。
工程材料及其热处理-2
18
四、铁碳合金的分类 按含碳量不同，铁碳合金分为：工业纯铁、钢 和铸铁三大类。
工程材料及其热处理-2
19
工程材料及其热处理-2
13
2、图中各线的分析
ACD线—液相相
线—固相线
ECF线为共晶线，液相合金冷却到共晶线时， 将发生共晶转变。 ES线为C在A中的溶解度曲线。最大溶解度是E 点，随着温度下降，溶解度减小，直到S点为最小 溶解度点。 3、相区
工程材料及其热处理-2 14
二、下半部分图 形——固态下的结 晶
工程材料及其热处理-2
工程材料及其热处理-2
工程材料及其热处理-2 8
3、单相的基本组织
在铁碳合金中,各个独立存在的相,也可以看成是单 相的基本组织。例如：铁素体组织，渗碳体组织。
4
3、渗碳体
Fe和C形成的间隙化合物。
具有固定的熔点1227℃，固定的化学成分，碳的
质量分数ωc=6.69%， 分子式Fe3C。 Fe3C在铁碳合金中是一种独立的相。性能特点硬而 脆， 相对固溶体，Fe3C属于强化相。渗碳体的数量、 形态、分布对钢的性能影响很大。
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说明： 高温相：A 室温相主要是：F、Fe3C
3、相区
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三、铁-渗碳体相图中各点、线含义的小结
根据上述分析结果，把铁-渗碳体相图中主要特 性点和线分别列表归纳总结。见表4-1和表4-2。
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四、铁碳合金的分类 按含碳量不同，铁碳合金分为：工业纯铁、钢 和铸铁三大类。
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2、图中各线的分析
ACD线—液相相
线—固相线
ECF线为共晶线，液相合金冷却到共晶线时， 将发生共晶转变。 ES线为C在A中的溶解度曲线。最大溶解度是E 点，随着温度下降，溶解度减小，直到S点为最小 溶解度点。 3、相区
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二、下半部分图 形——固态下的结 晶
工程材料及其热处理-2
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第四章 铁碳合金相图
珠光体
珠光体中的渗碳体称共析 渗碳体。 S点以下，共析 中析出 Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合
不易分辨。室温组织为P.
Q
室温下，珠光体中两 相的相对重量百分比
是多少？
4L Q QL 6.69 0.77 88.5% 6.69 0.0008 Q Fe 3C 100% 88.5% 11.5%
S点，余下的
转变为P。
在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？
过共析钢的结晶过程
组织转变：L
L＋A
A
A＋Fe3CII
P＋Fe3CII
过共析钢室温组织为P+ Fe3C Ⅱ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ 量最大：
QFe C
3
II
2.11 0.77 100% 22.6% 6.69 0.77
⑵ 三条水平线：
HJB：包晶线LB+δH⇄ J
ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C
共晶产物是 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
PSK：共析线
L+δ
S ⇄FP+ Fe3C
δ+
L+ L+ Fe3C + + Fe3C
共析转变的产物是 与 Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
F+ Fe3C
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布, 性能介于两相之间。
珠光体
PSK线又称A1线 。
第四章铁碳相图
包晶相图
三相区 P D C（包晶线），D点称为包晶点
包晶转变式： L（液相） + α（固相） → β(固相）
共晶相图
A
Ⅰ
C E D B
F
G
⑴当合金缓慢冷却共晶点时：LE →α C+ β
D
共析相图
共析转变式： γs αp+FeC3
在一定温度下，有一种固态转变为两种固 态的混合物。共析转变产物为珠光体，符号P 表示。共析转变水平线称为共析线或共析温度， 常用A1表示。
图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
•
纯铁在凝固后的冷却过程中，经过同素 异构转变后，晶粒得到了细化。 • 固态下同素异晶转变与液态一样，也是 形核与长大，为了区别于液态结晶，将这 种固态下的相变结晶过程称为重结晶。 • 意义：它是钢的合金化和热处理的基础。
图4-2 纯铁结晶后的组织 a）初生的δ-Fe晶粒 b）γ-Fe晶粒 c）室温组织——α-Fe晶粒
（二）铁素体与奥氏体
铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为 体心立方晶格，常用符号F或α表示。 奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为 面心立方晶格，常用符号A或γ表示。 铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重 要的基本相。 两者溶碳能力差别很大，铁素体最大溶碳 量在727℃仅为0.0218%，在室温下就更低了，在 0.008%以下。而奥氏体在1148℃为2.11%。
组 织（6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe C 3
二、包 晶 转 变（水平线HJB）
在1495℃的恒温下，wC=0.53%的液相与wC=0.09% 的δ铁素体发生包晶反应，形成wC=0.17%的奥氏体。 进行包晶反应时，奥氏体沿δ相与液相的界面生 核，并向δ相和液相两个方向长大。包晶反应终了时， δ相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量wC在 0.09%～0.17%之间的合金，由于δ铁素体的量较多， 当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ铁素 体。这部分δ相在随后的冷却过程中，通过同素异构 转变而变成奥氏体。含碳量wC在0.17%～0.53%之间的 合金，由于反应前的δ相较少，液相较多，所以在包 晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在 随后冷却过程中结晶成奥氏体。
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（二）相图中的主要相变线
主要特性线
主要线 ABCD AHJECF HJB ECF PSK ES PQ GS GP
温 度（℃） 1538~1227 1538~1148 1495 1148 727 1148~727 727~600 912~727 912~727
含 义
液相线 固相线 包晶转变线 共晶线 共析线 A1 C在γ-Fe中的溶解度线 Acm C在α-Fe中的溶解度线 A向F转变的开始线 A3 A向F转变的终了线
第四章 铁碳合金相图
第一节 第二节 第三节 第四节 关系 铁碳合金的基本相 铁-碳合金相图分析 典型铁碳合金的结晶过程及其组织 铁碳合金的成分、组织、性能间的
在铁碳合金中，铁和碳 可以形成一系列的化合物， 如Fe3C 、Fe2C 、FeC 等。
图4-1 Fe－ C相图的组成
图4-2 Fe－Fe3C碳合金中的相（相组成物） 1、石墨
石墨（G） Fe-C合金中游离存在的碳 石墨的强度、塑性、硬度都很低
四、铁碳合金中的相（相组成物） 2、液相
液相（L） 液态的铁碳合金
铸 铁 浇 注 照 片
四、铁碳合金中的基本组织 （组织组成物）
3、珠光体（P）
共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同 成分固相的机械混合物（共析体）。 A0.77 (F+Fe3C) ≡ P 珠光体的力学性能介于F和 Fe3C之间，强度较高，硬 度适中，有一定的塑性。
室温下：相组成物F、Fe3C； 组织组成物 P
QF
6.69 0.77 88.8% 6.69 0.0218
二、合金Ⅱ（亚共析钢）
结晶过程 亚共析结晶过程
0.77 Wc QF 0.77 0
Wc 0 QP 0.77 0
1点以上 L； 2点 包晶转变δ0.09+ L0.53 5点 共析转变A0.77 5~6点
P的金相显微镜组织 727℃
四、铁碳合金中的基本组织 （组织组成物)
4、高温莱氏体（Ld） L4.3
1148℃
(A+Fe3C) ≡ Ld
共晶转变 高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基 本组织，硬度很高，塑性很差。
四、铁碳合金中的基本组织 （组织组成物）
3、低温莱氏体（Ld’） 在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发 生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成 由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。 低温莱氏体是室温下的一个基本组织
四、铁碳合金中的基本组织
（相组成和组织组成物总结） 相组成:
L、A、F、 Fe3C、G；
组织组成: F、A、 Fe3CI 、 Fe3CII 、 Fe3CIII、 P、 Ld、 Ld’
第二节 铁-碳合金相图分析
简化后的Fe－Fe3C相图
Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义
（一）相图中的主要点
点 A B C D E F G H J K N P S Q 温度 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727 727 室温 碳量 0 0.53 4.3 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69 0 0.0218 0.77 0.0008 主要特性点 含 义 纯铁熔点 包晶转变时的液相成分 共晶点 LC --------- (AE+Fe3C) ≡ Ld Fe3C熔点 C在γ-Fe中的最大溶解度 共晶Fe3C成分点 γ-Fe-----α-Fe同素异构转变点 C在δ-Fe中的最大溶解度 包晶成分点 LB+δH -------- AJ 共析Fe3C成分点 δ-Fe-----γ-Fe同素异构转变点 C在α-Fe中的最大溶解度 共析点 AS --------- (FP+Fe3C) ≡ P
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
1）在固态下进行； 2）同素异构体的晶核优先在原来晶粒的晶 界处形成； 3）同素异构转变有较大的过冷度； 4）同素异构转变往往要产生较大的内应力 ☆注意重结晶与再结晶的区别
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
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。
（四）Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类
1、工业纯铁 Wc≤0.02% 2、碳素钢 0.02%＜ Wc≤2.11% 1）共析钢 Wc=0.07% 2）亚共析钢 0.02%＜ Wc＜0.77% 3）过共析钢 0.77%＜ Wc≤2.11% 3、白口铸铁 2.11% ＜ Wc ＜6.69% 1）共晶白口铸铁 Wc=4.3% 2）亚共晶白口铸铁 2.11%＜ Wc＜4.3% 3）过共晶白口铸铁4.3%＜ Wc ＜6.69%
一、铁素体
铁素体（F）
碳原子固溶到α-Fe中形成的间隙固溶体 特点：铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好
铁素体的晶胞示意图
铁素体的显微组织
二、奥氏体
奥氏体（A或γ） 1）碳原子固溶到γ-Fe中形成的间隙固溶体； 2）高温相，存在于727℃以上，一般不存在 于室温； 3）奥氏体强度不高，塑性很好。 4）1148℃时溶碳量最大（wc=2.11%) 5)727 ℃时溶碳量最小（wc=0.77%)