铁碳相图原理及应用

2、奥氏体 （γ-Fe ）




奥氏体（A）： C 溶在 γ—Fe中的间隙固溶体 （是一种高温相） ① 晶体结构：面心立方晶格 ② 溶碳能力：比 α—Fe稍大，在727℃可溶C 0.77% ，随温度升高，其溶解度增加，在 1148℃时达最大溶C 量 2.11%。 ③ 组织形态:多边形等轴晶粒 ④ 机械性能:具有高温塑性,变形抗力小,易于锻 造成型。 ⑤ 表示方法:一般用 A ,也用γ、γ—Fe等

典型合金平衡结晶过程和组织
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
工业纯铁的平衡凝固过程及组织 组织 F+（Fe3C）III

1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
2.共析钢(0.77%C,合金②)
共析转变 转变产物为珠光体 ,转变过程 L → L+A → A → P ( Fe3C +F )





Fe-Fe3C相图中主要相区

Fe-Fe3C相图中单相区域有： 液相区（L）－－－－ABCD线以上的区 为液相区。 α相区－－－α相为碳在Feα中的固溶体， 具有体心立方晶格，在GPQ区内。 γ相区－－－γ相为碳在Feγ中的固溶体，具 有面心立方晶格，在GSEJN区内。 δ相区－－－为碳在Feδ中的固溶体，也是 体心立方晶格，在AHN区内。 Cm相区（渗碳体区）－－－实际为代表 Fe3C的纵轴DKL。

1.2.2相图中的点、线、区及其意义
Fe-Fe3C相图中各点的成分、温度及其特性综合








符号 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 727 727 600
1.1相图与杠杆定律

1.1.1合金相图:是表示合金系中合金 状态（组织）、温度和成分之间的关 系的图象，又称为状态图。因为相图 上所表示的组织是在极其缓慢冷却下， 即所谓平衡状态获得的，因而还称平 衡图合金相图；利用相图可以知道各 种成分的合金在不同温度下存在哪些 相、各个相的成分及其相对含量。
1.1.4杠杆定律
1.1.4杠杆定律
设K成分的Cu—Ni合金，在t温度时处于L+α两 相区。作t温度的水平线，交固相线于b点，交 液相线于a,固相相对量Qα ，液相相对量 QL 则

注：杠杆定理只适用于两相区 因为对单相区无 此必要,在三相恒温线上,三个相可以任何比例 相平衡
1.2铁碳相图
1.1相图与杠杆定律
1.1.2合金相图的建立 最常用的方法是热分析法实验获得相图。 以 二元合金系为例来介绍其建立的步骤。 以下图为例:

1.1.2合金相图的建立
铜---镍合金的冷却曲线和相图 (a)不同成分合金冷却曲线 （b）铜镍合金相图
1.1.3基本的恒温转变
1.1.4杠杆定律

固溶体的平衡结晶过程中，液、固两相 相对量的变化关系，不仅取决于结晶的 温度，而且还取决于平衡两相的成分， 符合杠杆定律。在合金的结晶过程中,合 金中各个相的成分以及它们的相对含量 都在不断地发生变化。为了了解相的成 分及其相对含量，这就需要杠杆定律。

1、铁素体（α-Fe）






铁素体（ F ）：C 溶在 α—Fe中的一种间隙固 溶体 ① 晶体结构：体心立方晶格 ② 溶碳能力：较小，常温下0.008%以下，在 727℃时溶碳能力达到最大0.0218%。 ③ 组织形态：多边形等轴晶粒 ④ 机械性能：与纯 Fe 性能相似，属软韧相， 强度和 硬度不高，塑性、韧性好。 ⑤ 表示方法：一般用 F 表示，也有用α—Fe、 α 、φ等
3. 渗碳体（ Fe3C）

渗碳体:是Fe和C的化合物,以Fe3C表示 ① 其含C量为6.69%, 固定成分。 ② 熔点很高1227℃，固定熔点。 ③ 晶体结构相当复杂 ④ 组织形态 a. 从液相中直接结晶出来的一次渗碳体,一般呈粗 大片状 b. 从固相中析出的次生或三次渗碳体,一般呈网状 分布 c. 共析体中渗碳体一般呈薄片状 实际热处理状态下的渗碳体还有球状、粒状、棒状 ⑤ 一般性质 硬而脆,硬度高约HB=800,而塑性很差,延伸率几乎 为0,耐磨性好。 Fe3C是一种亚稳定化合物,一定条件下 分解,形成石墨
不同成分Fe-Fe3C合金的组织状态不同。 C%＜0.0218%合金，为工业纯铁，其组织 为F＋CmIII 。 0.0218%＜C%＜0.77%的合金为亚共析钢， 组织为F＋P。 C%=0.77%的合金为共析钢,组织为P。 0.77%＜C%＜2.11%的为过共析钢，其组 织为P＋CmII。 2.11%＜C%＜4.3%的合金为亚共晶铸铁， 组织为P＋CmII+Ld'。 C%=4.3%的合金为共晶铸铁，其组织为 Ld'。 4.3%＜C%＜6.69%的合金为过共晶铸铁， 组织为Ld'+CmI 。

4.过共析钢(C%=1.2%为例,合金④)
4.过共析钢(C%=1.2%为例,合金④)
4.过共析钢(C%=1.2%为例,合金④)
利用杠杆定律可以分别计算出钢中的组织 组成物----二次渗碳体和珠光体的含量 Fe3CⅡ%=(1.2-0.77)/(6.69-0.77)=7.26% P%=1-7.26%=92.74% 同样,也可以算出相组成物的含量 α%=(6.69-1.2)/(6.69-0.0218)=82.3% Fe3C%=1- 82.3%=17.7%

钢和铸铁的基本组成是铁和碳； 5%以下的铁碳合金才有应用价值，通常 铁碳合金按Fe-Fe3C(渗碳体)形式存在， 但一定条件下Fe3C分解为铁的固溶体和 石墨,故铁碳相图是双重相图。
1.2.1铁碳合金的基本组成相和组织
一、纯铁的晶体结构及同素异构转变 铁具有多晶型性，从铁的冷却曲线中可 以看出，如下图 1. 三种晶体结构 1538℃--1394℃ δ—Fe (体心立方) 1394℃--912℃ γ—Fe (面心立方) 912℃-α—Fe (体心立方)

F是软韧相，Fe3C是硬脆相，所以铁碳合金的力学性能决定 于F和Fe3C相对量，以及相互的分布特征。 1. HB取决于C%,C% ↑,硬度高的Fe3C相↑，硬度低的F↓，故 HB ↑。 2. σ与C%有关，还与C的分布、形状有关。 晶粒呈片状的共析Fe3C与F组成的P组织具有较高的硬 度，且P组织越细，则强度越高，所以铁碳合金从 亚共析钢到共析钢，随C%↑，钢中P↑，钢的强度↑。 含C量超过共析成分后，合金中出现强度很低Fe3CⅡ， 当含C量增加不多时，合金中 Fe3CⅡ量很少，且 呈粒片断续包围P分布，由于相界面增多，所以合金强度 还会略有升高，直到C% = 0.9%时。 C%＜0.9%时，C%↑,P↑（P组织越细）σ↑。 C%＝0.9%时，Fe3C呈网状分布，包围P,割裂了P晶粒之 间的结合，使合金σ↓,（随C%↑）。 3. 塑性（ψ,δ）韧性（αK） C%↑,F↓,Fe3C↑,ψ、δ↓，αK↓。
1.2.5.1碳含量对平衡组织的影响
从相组成的角度来看,当含碳质量分数为零时, 合金全部由铁素体组成,随着含碳量的增加,铁 素体的含量呈直线下降,直到C%=6.69%时降为 0.与此相反,渗碳体的含量则由0增到100% 从组织组成的角度来看,随着含碳质量分数的增 加,铁碳合金的组织变化顺序为 F→F+ Fe3CⅢ→F+P→P→P+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ+Ld,→ Ld,→ Ld,+ Fe3CⅠ

ABCD线 液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。
AHJECF线 固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化
Fe-Fe3C相图中主要线


GS线
A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A（F向A转变的终 了线） ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线,当温度低于此曲线时，要从A中析出 次生渗碳体Fe3CⅡ，所以这条线又是次生渗碳体开始析出线 ECF线 共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合 物，莱氏体。 PSK线 A1线(共析线)，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出 珠光体(F片和Fe3C片相互交替重叠的机械混合物 ) PQ线：这是一条C在F中的溶解度曲线，当温度低于此温度曲线时，要从 F中析出Fe3CⅢ，所以这条线又是 Fe3CⅢ开始析出线。 CD线：这条线是L→ Fe3C I 的开始析出线

2.共析钢(0.77%C,合金②)

珠光体中αp和Fe3C的相对量可由杠杆定理求出


共析钢的平衡组织
3.亚共析钢(C%=0.40%为例,合金③) 转变过程
3.亚共析钢(C%=0.40%为例,合金③)
3.亚共析钢(C%=0.40%为例,合金③)
利用杠杆定律可以分别计算出钢中的组织 组成物----先共析铁素体和珠光体的含量 α%=(0.77-0.40)/(0.77-0.0218)=49.5% P%=1- 49.5%=50.5% 同样,也可以算出相组成物的含量 α%=(6.69-0.40)/(6.69-0.0218)=94.3% Fe3C%=1- 94.3%=5.7%
1.2.4按组织分区的铁碳合金相图
1.2.5碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

根据铁碳合金平衡状态图和对各种铁碳 合金平衡组织的分析可知，不同含C量的 铁碳合金室温平衡组织都是由F和Fe3C这 两个基本相组成。但含C量不同，铁碳合 金中这两相的相对数量、形状和分布情 况不同，因而各种成分的铁碳合金呈现 出不同的组织形态，从而导致它们之间 在性能上的差异。
Fe-Fe3C相图中主要相区



两个单相区间所夹的相区为相应的双相区 ， Fe-Fe3C相图中双相区域有： L+ δ L+ γ L+ Fe3C δ+γ γ+ α α+ Fe3C γ+ Fe3C 在室温下不同成分范围的双相区均为α＋Cm。
1.2.3 Fe-Fe3C相图中组织区分析
含碳量×100 特性说明 0 纯碳的熔点 0.53 包晶反应时的液相浓度 4.30 共晶反应点 6.69 渗碳体的熔点 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度 6.69 Fe3C 0 α-FeDγ-Fe的异晶转变点 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度 0.17 包晶反应点 6.69 Fe3C 0 γ-FeDδ-Fe的异晶转变点 0.0218 碳在α-Fe中的最大溶解度 0.77 共析反应点 0.008 600℃时碳在α-Fe中的溶解度
4. 珠光体( P )
珠光体( P ):铁素体和渗碳体的机械混合 物(F+Fe3C) ① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成 ② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解 得到

5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C ) ① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到 ② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.

5.共晶白口铸铁 (C%=3.0%为例,合金⑤)
5.共晶白口铸铁 (C%=4.3%,合金⑤)
6.亚共晶白口铸铁 (C%=3.0%为例,合金⑥)
6.亚共晶白口铸铁 (C%=3.0%为例,合金⑥)
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
铁碳相图及金相组织
概
பைடு நூலகம்
述
碳钢和铸铁都是铁碳合金，是应用最广 泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁 碳合金的重要工具，它是清楚地表明了 铁碳合金成分、温度、组织三者之间关 系的一个“地图”，同一种成分不同温 度，同一种温度不同成分，它们组织不 同，以及室温组织随含碳量的变化，最 终导致钢材力学性能的变化，了解与掌 握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究 和使用、各种热加工工艺的制订以及工 艺废品原因的分析都有很重要的指导意 义

2、纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化
3、同素异构转变
金属在固态下发生晶格形式的转变称为同素异 构转变. 纯铁从液态结晶为固态后，继续冷却至一定温 度时，将先后发生两次同素异构转变。


金属的同素异构转变对于加工及热处理都有重 要的意义
二、 铁碳合金基本组成相和组织
相：系统中均匀的、与其他部分有界面分开的 部分，如：α相,β相 。 组织：在结晶的各个阶段中形成的、有清晰轮 廓的独立组成部分。 如：初生 α、β 为单相组织 （α+β）共一种组 织由两相构成 铁碳合金的基本组成相有铁素体，奥氏体和渗 碳体；这些相都是以铁为基的固溶体或铁的化 合物，组织组成物有珠光体和莱氏体。