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
铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
3.3铁碳合金相图
（2）.优质碳素结构钢 以两位数字表示，这两位数字表示钢的平均含碳量的 “万分之几”
45 --- Wc = 45%00 较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn --- Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%～1.0% 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器 零件。
工程技术学 院
Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一 定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于 做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、 铆钉等。 Q235C、Q235D 可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作 构件用。 这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。 但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处 理，以提高其使用性能。 工程技术学 院
过共晶白口铁组织金相图
工程技术学 院
组织组成物: F ; P 0.77-0.45 F= 100%=43% 0.77-0.02
0.02
0.45-0.02 P=
0.45
0.77 6.69
100% = 57% P = 1 – WF = 57%
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
工程技术学 院
铸造碳钢
表示方法：ZG+ σs + σb 力学性能—用最小屈服数值、最小抗拉强度表示
ZG 200 - 400
σb ≥ 400MPa
σs≥ 200MPa
铸钢 工程技术学 院
铸钢的用途
铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、 塑性和 韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械 的齿轮、轴， 以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。
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 材料的凝固与铁碳合金相图
• 一切物质从液态到固态的转 变过程称为凝固，如凝固后 形成晶体结构，则称为结晶。 金属在固态下通常都是晶体， 所以金属自液态冷却转变为 固态的过程，称为金属的结 晶。它的实质是原子从不规 则排列状态(液态)过渡到规 则排列状态(晶体状态)的过 程。
玻璃制品 水晶
• 冷却曲线与过冷
• 冷却曲线:金属结晶时温度 与时间的关系曲线称冷却 曲线。曲线上水平阶段所 对应的温度称实际结晶温 度T1。
度增加，N/G值增加，晶 粒变细。
• ⑵ 变质处理： 又称孕育 处理。即有意向液态金属 内加入非均匀形核物质从 而细化晶粒的方法。所加 入的非均匀形核物质叫变 质剂（或称孕育剂）。
• 1 影响晶核形成和长大的因素 • (1)过冷度的影响(2)未熔杂质的影响 • 2 铸态金属晶粒细化的方法 • (1)增大过冷度 • (2)变质处理 • (3)振动、搅拌
非自发形核更为普遍。
均匀形核
• 晶核的长大方式
• 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状 长大。
树枝状长大的实际观察
均匀长大
• 实际金属结晶主要以树枝状长大. • 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热
条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产 生二次轴…，树枝间最后被填充。
树枝状结晶
金
• 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
• 2、过冷与过冷度
• 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶 温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
• 结晶只有在T0以下的实际
雾
凇
结晶温度下才能进行。
• 液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象 称过冷。
• 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成: • ⑴ 表层细晶区：浇注时， 由于冷模壁产生很大的过 冷度及非均匀形核作用， 使表面形成一层很细的等 轴晶粒区。
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
铁碳合金相图解析
b
23
4、在焊接生产上的应用
焊接时，由于局部区域（焊缝）被快速加热，所以从焊缝到母材各区域 的温度是不同的，由Fe- Fe3C相图可知，温度不同，冷却后的组织性能 就不同，为了获得均匀一致的组织和性能，就需要在焊接后采用热处理 方法加以改善。
5、在热处理方面的应用
从Fe- Fe3C相图可知，铁碳合金在固态加热或冷却过程中均有相的
b
5
知识点二 Fe- Fe3C相图分析
b
6
图1-30 Fe- Fe3C相图
简化的Fe- Fe3C相图
b
7
1、主要特性点
表1-4简化Fe- Fe3C相图中的特性点
特性点 符号
A
温度/℃ ωc（%）
1538
0
含义 熔点：纯铁的熔点
C
1148
4.3 共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)
b
4
二、铁碳全合金的基本相及其性能
3、奥氏体。 碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，
用符号A表示。
4、渗碳体。 渗碳体是一种具有复杂晶体结组元，又是基本相。
5、珠光体。 用符号P表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间
的机械机械混合物。
6、莱氏体 用符号Ld表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。
知识点三 典型合金的结晶过程及组织
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：
1）工业纯铁 ωc＜0.0218%。
2）钢 0.0218%＜ωc＜2.11%，又可分为：
亚共析钢 0.0218%＜ωc＜0.77%；
共析钢 ωc=0.77%；
过共析钢 0.77%＜ωc＜2.11%。
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。
返回
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.
1
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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
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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
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%
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
性好，钢材热加工都在 区进行。
面心立方结构
奥氏体
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) 。
特点：含碳量为6.69%，晶 格构造十分复杂。性能很 硬很脆，而塑性和韧性极 低，伸长率和冲击韧性几 乎为零，在钢中主要起强 化作用，不能单独应用。
(3)钢、铁分界点E（2.11%C）
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
727℃
+Fe3C
J
N
L+
G
+
L
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
⑶ 其它相线
GS,GP— ⇄ 固溶体
转变线, GS又称A3 线。
HN,JN—δ⇄ 固溶体
转变线，
ES—碳在 -Fe中的固
溶线。又称Ac m线。
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
δ - Fe 1394 °γ C- Fe
912 °αC- Fe
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
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。
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
体心立方结构
纯铁相同。
铁素体
2）奥氏体:
碳溶于 -Fe中的间隙固溶体；用A或 表示。
4.3%C
6.69%C Fe3C
二、铁碳合金状态图的分析
1. 特性点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
J
N
L+
G
+
L
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
(1)共晶点C 1148℃, 4.3%C 共晶成分 反应式： Lc→(AE+Fe3C) 共晶体，即高温莱氏体Ld应式: As → (Fp + Fe3C共析) 共析体，即珠光体;
0
三次渗碳体
相组成 100 物相对 量%
0
1
珠光体
二次渗碳体
莱氏体
一次渗碳体
Fe3C
1
二、 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。
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
第一节 铁碳合金的组元及基本相
一、纯铁及其同素异构转变 (重结晶) 磁性转变：
770 °C以上无磁性 770 °C以下有磁性
纯铁的力学性能 特点：强度、硬 度低，塑性、韧
性好，一般不用 于结构件。
A
G 共析相图
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
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。
Cu-Ni合金相图的建立过程
Fe - Fe3C 相图
Fe - Fe3C 相图
A T°
匀晶相图 L+A
共晶相图
L
D
E
珠光体
室温组织为：P（F+Fe3C）
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
20钢组织 40钢组织
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
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。