第3章 铁碳合金相图
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➢ 固溶体与纯金属相比，强度、硬度升高，它是强化金属材 料的重要途径之一。
➢ 固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其 综合性能较好，常作为结构合金的基体相。
5/24
2020/5/12
➢ 金属间化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性 完全不同于任一组元的新相，用分子式可表示(Fe3C)。
Cu-Ni
液相
液、固 两相
固相
10/24
2.2 铁碳合金相图
2020/5/12
组元:Fe-Fe3C
11/24
2.3 铁碳合金相图分析
12/24
2020/5/12
单相区 液相 L 铁素体 F 奥氏体 A 渗碳体 Fe3C 珠光体 P 莱氏体 Ld
2020/5/12
特性点： A 纯铁熔点 C 共晶点 D Fe3C熔点 E 碳在 -Fe中
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
（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
工业纯铁塑性好，强度低，很少用它制造机 械零件。
2/24
2020/5/12
1.2 合金的基本概念和合金的相结构
1.2.1 合金的基本概念 合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属(Fe、C、Fe3C)
元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢是铁和碳组成的合金。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质单元称为组元。组元可以是
．
2.4 铁碳合金分类
17/24
2020/5/12
1.工业纯铁 ωC%<=0.0218% 钢
0.0218%<ωC%<=2.11%
亚共析钢
0.0218%<ωC%<0.77%
共析钢 0.77% 过共析钢
0.77%<ωC%<=2.11%
3．白口铸铁
2.11%<ωC%<6.69%
亚共晶白口铸铁
2.11%<ωC%<4.3%
共晶白口铸铁 4.3% 过共晶白口铸铁
4.3 %<ωC%<6.69%
2020/5/12
0.0218
0.77
2.11
4.3
6.69
18/24
钢
白口铸铁
2.5 铁碳合金结晶过程及其组织
2020/5/12
共析钢
亚共析钢
过共析钢
19/24
2020/5/12
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
20/24
ωC =0.77%
AS P(F+Fe3C) 室温下：P
600
16/24
2020/5/12
相区 单相区： ACD以上 L相区 AESGA A相区 GPQG F相区 DFK Fe3C 两相区: L+A L+ Fe3CⅠ A+F A+ Fe3CⅡ F+ Fe3CⅢ
A+ Fe3CⅡ+Ld Fe3CⅠ + Ld P+F P+Fe3CⅡ + Ld´ Fe3CⅠ + Ld´
7/24
2020/5/12
渗碳体：铁与碳形成的金属间化合物，用Fe3C表示。渗碳体中的 c=6.69％，熔点大致为1227℃。渗碳体的硬度很高，塑性和韧性几乎 为零，是钢中的主要强化相。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示。珠光体是碳的 质量分数为0.77％的奥氏体在727℃时，发生共析转变的产物。显微组 织在放大倍数较大时可看到铁素体和渗碳体交错排列。 珠光体力学性能：介于铁素体和渗碳体之间。
固溶体 间隙固溶体(有限) 置换固溶体
固溶强化:由于溶质原子的 溶入，固溶体发生晶格畸 变，增加位错运动阻力， 使金属的变形抗力增大， 强度、硬度升高。
4/24
失去原有晶格类型的组元称为 溶质，一般在合金中含量较少。
置换固溶体
间隙固溶体
2020/5/12
α
铜和金形 成的置换
固溶体
碳在-Fe 中形成的 间隙固溶 体(铁素 体)
ωБайду номын сангаас>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。
铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁 成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，可以作为 制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重 要依据。
1、在钢铁选材方面的应用 2、在铸造工艺方面的应用 3、在压力加工方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理工艺方面的应用
24/24
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
铁素体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。在727℃时， 溶碳能力最大，c＝0.0218％，显微镜下呈明亮多边形晶粒。 铁素体的力学性能：塑性、韧性较好，强度、硬度较低。
奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表 示。在1148℃时溶碳能力最大，c＝2.11％,在 727℃时为0.77％。显微组织与F相似，但晶界较F平 直。 奥氏体是一个硬度较低、塑性较高的相，适宜于锻造。
符号 相结构
组织
碳含量
b
ωc（%） (MPa) (%)
硬度 (HBS)
F
固溶体（C 单相固 溶于α-Fe) 溶体
0.0218 727℃
180280
30-50
50-80
0.77
A
固溶体（C 单相固 （727℃）
溶于γ-Fe) 溶体
2.11
400
40-50 170-270
（1148℃）
Fe3C
金属间化 合物
金属(Fe) 、非金属(C）或稳定化合物(Fe3C渗碳体)。 相：在合金中成分、结构相同并与其它部分以界面分开的均匀组成部
分。如液相、固相、气相等。 相结构：合金中相的晶体结构。 组织：指在金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。 ➢ 相是组成合金的基本元素。组织是合金中相的综合体。 ➢ 合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组
正常价化合物 金属间化合物 电子化合物
间隙化合物
➢ 一般具有复杂的晶体结构， 熔点高，硬而脆，工业上无法 应用。
➢ 合金中出现金属间化合物时， 常能提高合金的强度、硬度和 耐磨性，但会降低塑性和韧性。
6/24
Fe3C的晶体结构
2020/5/12
1.2.3 铁碳合金基本组织
铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶，在固态时根 据碳的质量分数不同，可分为： ➢ 碳溶解在铁中形成固溶体； ➢ 碳与铁形成金属间化合物； ➢ 固溶体与金属间化合物组成的机械混合物。
织。 ➢ 金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，
从而获得不同的力学性能。
3/24
2020/5/12
1.2.2 合金的相结构
➢ 固溶体
固溶体
溶剂
合金中两组元在液态和固态下都互相 溶解，共同形成一种成分和性能均匀 的、且结构与组元之一相同的固相。
+ 溶质
一种固相
能够保持其原有晶格类型并与固 溶体晶格相同的组元称为溶剂。
2020/5/12
3 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
3.1 对组织的影响
含碳量——组织变化情况如下
含碳量%↑→F%↓，Fe3C%↑
F F+P P P+Fe3CII
P+Fe3CII+Le’
Le’
Le’+Fe3C Fe3C
碳的质量分数增加时，组织中
Fe3C数量增加，Fe3C在组织中的 形态也发生变化，经历由分布在F
锻造性：指金属经压力加工改变形状而不产生裂纹的性能。锻造时金 属被加热到高温得到单相A组织，可锻性好。低碳钢中F多，可锻性 好。随碳的质量分数增加，金属的可锻性下降。
铸造性：金属经铸造获得合格的完整制件的能力。铸造性取决于相图 中液相线和固相线的水平距离和垂直距离。距离越大，合金的铸造 性越差。低碳钢的液相线与固相线距离很小，有较好的铸造性，但 其液相线温度较高，钢液过热度小，流动性较差。随着碳的质量分 数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性变差。共晶成份附近的铸 铁，液相线与固相线的距离最小，液相线温度也最低，其流动性好， 铸造性也好。
δ-Fe(体心 纯铁的熔点为1538℃
立方晶格)
1394℃
912℃
δ-Fe γ-Fe -Fe
γ-Fe
-Fe
γ-Fe (面心立 方晶格)
-Fe (体心立 方晶格)
铁的体积会膨胀1％
重结晶过程:
转变温度—过冷—潜热产生—形成晶核—晶 核长大
纯铁在770℃时发生磁性转变。在770℃以 下的-Fe呈铁磁性，在770℃以上-Fe 的磁性消失。770℃称为居里点。
机械制造基础
第3章 铁碳合金相图
上海第二工业大学 机电工程学院
纯铁及铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图分析 碳的质量分数对铁碳合金组 织、性能的影响 铁碳合金相图应用
二○一五年三月
1 纯铁及铁碳合金的基本组织
2020/5/12
1.1 纯铁-同素异构转变
金属在固态下,随温度的改变,由一种晶格转变成另一种晶格的现象。
的最大溶解度 G （912℃） -Fe和-Fe间 同素异构转变 P 碳在 -Fe中 的最大溶解度 S 共析点 Q 室温下碳在
-Fe中最大 溶解度
13/24
A3 Acm
A1
600
14/24
2020/5/12
特性线：
ACD 液相线 AECF 固相线 ECF 共晶线
L Ld PSK 共析线（A1）
AP
ES A Fe3CⅡ
焊接性：金属通过焊接获得优良合格制件的能力。随碳含量升高，钢 的塑性下降，焊接性也下降。要获得好的焊接接头，应优先选用低 碳钢。（ωC%小于0.25）, ωC%大于0.25的钢，要采用必要的辅助 措施才能获得好的焊接质量。铸铁含碳量高，不宜用来制造结构件。
23/24
4 铁碳合金相图的应用
2020/5/12
单相金 属间化
合物
6.69
0 800HBW
P
F+Fe3C
机械混 合物
770 20-35 180
铁素体F 奥氏体 A 渗碳体 Fe3C 珠光体 P 莱氏体 Ld
Ld
A+Fe3C
机械混 合物
9/24
0
高
2 铁碳合金相图分析
2020/5/12
2.1 二元合金相图
相图：在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态 之间关系的一种图解。
➢ 固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其 综合性能较好，常作为结构合金的基体相。
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2020/5/12
➢ 金属间化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性 完全不同于任一组元的新相，用分子式可表示(Fe3C)。
Cu-Ni
液相
液、固 两相
固相
10/24
2.2 铁碳合金相图
2020/5/12
组元:Fe-Fe3C
11/24
2.3 铁碳合金相图分析
12/24
2020/5/12
单相区 液相 L 铁素体 F 奥氏体 A 渗碳体 Fe3C 珠光体 P 莱氏体 Ld
2020/5/12
特性点： A 纯铁熔点 C 共晶点 D Fe3C熔点 E 碳在 -Fe中
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。
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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
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
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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
工业纯铁塑性好，强度低，很少用它制造机 械零件。
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1.2 合金的基本概念和合金的相结构
1.2.1 合金的基本概念 合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属(Fe、C、Fe3C)
元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢是铁和碳组成的合金。 组元：组成合金的最基本的、独立的物质单元称为组元。组元可以是
．
2.4 铁碳合金分类
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2020/5/12
1.工业纯铁 ωC%<=0.0218% 钢
0.0218%<ωC%<=2.11%
亚共析钢
0.0218%<ωC%<0.77%
共析钢 0.77% 过共析钢
0.77%<ωC%<=2.11%
3．白口铸铁
2.11%<ωC%<6.69%
亚共晶白口铸铁
2.11%<ωC%<4.3%
共晶白口铸铁 4.3% 过共晶白口铸铁
4.3 %<ωC%<6.69%
2020/5/12
0.0218
0.77
2.11
4.3
6.69
18/24
钢
白口铸铁
2.5 铁碳合金结晶过程及其组织
2020/5/12
共析钢
亚共析钢
过共析钢
19/24
2020/5/12
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
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ωC =0.77%
AS P(F+Fe3C) 室温下：P
600
16/24
2020/5/12
相区 单相区： ACD以上 L相区 AESGA A相区 GPQG F相区 DFK Fe3C 两相区: L+A L+ Fe3CⅠ A+F A+ Fe3CⅡ F+ Fe3CⅢ
A+ Fe3CⅡ+Ld Fe3CⅠ + Ld P+F P+Fe3CⅡ + Ld´ Fe3CⅠ + Ld´
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渗碳体：铁与碳形成的金属间化合物，用Fe3C表示。渗碳体中的 c=6.69％，熔点大致为1227℃。渗碳体的硬度很高，塑性和韧性几乎 为零，是钢中的主要强化相。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用P表示。珠光体是碳的 质量分数为0.77％的奥氏体在727℃时，发生共析转变的产物。显微组 织在放大倍数较大时可看到铁素体和渗碳体交错排列。 珠光体力学性能：介于铁素体和渗碳体之间。
固溶体 间隙固溶体(有限) 置换固溶体
固溶强化:由于溶质原子的 溶入，固溶体发生晶格畸 变，增加位错运动阻力， 使金属的变形抗力增大， 强度、硬度升高。
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失去原有晶格类型的组元称为 溶质，一般在合金中含量较少。
置换固溶体
间隙固溶体
2020/5/12
α
铜和金形 成的置换
固溶体
碳在-Fe 中形成的 间隙固溶 体(铁素 体)
ωБайду номын сангаас>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。
铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁 成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，可以作为 制定金属材料熔炼、铸造、锻造和热处理等工艺规程的重 要依据。
1、在钢铁选材方面的应用 2、在铸造工艺方面的应用 3、在压力加工方面的应用 4、在焊接方面的应用 5、在热处理工艺方面的应用
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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
铁素体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体，用符号F表示。在727℃时， 溶碳能力最大，c＝0.0218％，显微镜下呈明亮多边形晶粒。 铁素体的力学性能：塑性、韧性较好，强度、硬度较低。
奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用符号A表 示。在1148℃时溶碳能力最大，c＝2.11％,在 727℃时为0.77％。显微组织与F相似，但晶界较F平 直。 奥氏体是一个硬度较低、塑性较高的相，适宜于锻造。
符号 相结构
组织
碳含量
b
ωc（%） (MPa) (%)
硬度 (HBS)
F
固溶体（C 单相固 溶于α-Fe) 溶体
0.0218 727℃
180280
30-50
50-80
0.77
A
固溶体（C 单相固 （727℃）
溶于γ-Fe) 溶体
2.11
400
40-50 170-270
（1148℃）
Fe3C
金属间化 合物
金属(Fe) 、非金属(C）或稳定化合物(Fe3C渗碳体)。 相：在合金中成分、结构相同并与其它部分以界面分开的均匀组成部
分。如液相、固相、气相等。 相结构：合金中相的晶体结构。 组织：指在金相显微镜下观察到的材料的微观形貌特征。 ➢ 相是组成合金的基本元素。组织是合金中相的综合体。 ➢ 合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组
正常价化合物 金属间化合物 电子化合物
间隙化合物
➢ 一般具有复杂的晶体结构， 熔点高，硬而脆，工业上无法 应用。
➢ 合金中出现金属间化合物时， 常能提高合金的强度、硬度和 耐磨性，但会降低塑性和韧性。
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Fe3C的晶体结构
2020/5/12
1.2.3 铁碳合金基本组织
铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶，在固态时根 据碳的质量分数不同，可分为： ➢ 碳溶解在铁中形成固溶体； ➢ 碳与铁形成金属间化合物； ➢ 固溶体与金属间化合物组成的机械混合物。
织。 ➢ 金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下获得不同的组织，
从而获得不同的力学性能。
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1.2.2 合金的相结构
➢ 固溶体
固溶体
溶剂
合金中两组元在液态和固态下都互相 溶解，共同形成一种成分和性能均匀 的、且结构与组元之一相同的固相。
+ 溶质
一种固相
能够保持其原有晶格类型并与固 溶体晶格相同的组元称为溶剂。
2020/5/12
3 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响
3.1 对组织的影响
含碳量——组织变化情况如下
含碳量%↑→F%↓，Fe3C%↑
F F+P P P+Fe3CII
P+Fe3CII+Le’
Le’
Le’+Fe3C Fe3C
碳的质量分数增加时，组织中
Fe3C数量增加，Fe3C在组织中的 形态也发生变化，经历由分布在F
锻造性：指金属经压力加工改变形状而不产生裂纹的性能。锻造时金 属被加热到高温得到单相A组织，可锻性好。低碳钢中F多，可锻性 好。随碳的质量分数增加，金属的可锻性下降。
铸造性：金属经铸造获得合格的完整制件的能力。铸造性取决于相图 中液相线和固相线的水平距离和垂直距离。距离越大，合金的铸造 性越差。低碳钢的液相线与固相线距离很小，有较好的铸造性，但 其液相线温度较高，钢液过热度小，流动性较差。随着碳的质量分 数增加，钢的结晶温度间隔增大，铸造性变差。共晶成份附近的铸 铁，液相线与固相线的距离最小，液相线温度也最低，其流动性好， 铸造性也好。
δ-Fe(体心 纯铁的熔点为1538℃
立方晶格)
1394℃
912℃
δ-Fe γ-Fe -Fe
γ-Fe
-Fe
γ-Fe (面心立 方晶格)
-Fe (体心立 方晶格)
铁的体积会膨胀1％
重结晶过程:
转变温度—过冷—潜热产生—形成晶核—晶 核长大
纯铁在770℃时发生磁性转变。在770℃以 下的-Fe呈铁磁性，在770℃以上-Fe 的磁性消失。770℃称为居里点。
机械制造基础
第3章 铁碳合金相图
上海第二工业大学 机电工程学院
纯铁及铁碳合金的基本组织 铁碳合金相图分析 碳的质量分数对铁碳合金组 织、性能的影响 铁碳合金相图应用
二○一五年三月
1 纯铁及铁碳合金的基本组织
2020/5/12
1.1 纯铁-同素异构转变
金属在固态下,随温度的改变,由一种晶格转变成另一种晶格的现象。
的最大溶解度 G （912℃） -Fe和-Fe间 同素异构转变 P 碳在 -Fe中 的最大溶解度 S 共析点 Q 室温下碳在
-Fe中最大 溶解度
13/24
A3 Acm
A1
600
14/24
2020/5/12
特性线：
ACD 液相线 AECF 固相线 ECF 共晶线
L Ld PSK 共析线（A1）
AP
ES A Fe3CⅡ
焊接性：金属通过焊接获得优良合格制件的能力。随碳含量升高，钢 的塑性下降，焊接性也下降。要获得好的焊接接头，应优先选用低 碳钢。（ωC%小于0.25）, ωC%大于0.25的钢，要采用必要的辅助 措施才能获得好的焊接质量。铸铁含碳量高，不宜用来制造结构件。
23/24
4 铁碳合金相图的应用
2020/5/12
单相金 属间化
合物
6.69
0 800HBW
P
F+Fe3C
机械混 合物
770 20-35 180
铁素体F 奥氏体 A 渗碳体 Fe3C 珠光体 P 莱氏体 Ld
Ld
A+Fe3C
机械混 合物
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高
2 铁碳合金相图分析
2020/5/12
2.1 二元合金相图
相图：在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态 之间关系的一种图解。