铁碳合金的平衡结晶过程
数控技术《4.4-典型铁碳合金结晶过程分析》
第4章铁碳合金典型铁碳合金的结晶过程分析开场：大家好，欢迎来到“金属材料与热处理”课堂，今天我们一起学习典型铁碳合金的结晶过程分析。
在上一节我们学习到，含碳量不同的铁碳合金，从高温下的液态，缓慢冷却到室温后，其室温组织不同。
为此我们可以根据室温组织将铁碳合金分为以下几种类型：（1）工业纯铁（WC＜%）含碳量 wC < 0 0218%的铁碳合金称为工业纯铁，其室温组织为铁素体。
（2）碳钢（WC=%~%）含碳量wC = %~%的铁碳合金称为钢。
可分为：亚共析钢（% <wC< %）、共析钢（wC=%）、过共析钢（% <wC< %）。
（3）白口铸铁（WC＝%~%）含碳量wC=%~%的铁碳合金称为白口铸铁。
有较好的铸造性能、质脆，不能锻造。
可分为：亚共晶白口铸铁（%<wC<%）、共晶白口铸铁（wC=%）、过共晶白口铸铁（%<wC<%）。
下面我们一起来分析下几种典型的铁碳合金的结晶过程。
1、工业纯铁结晶过程（wC = % （flash动画）合金液体在1-2点间转变为δ，2点δ→γ，3-4点间γ→F，4点到5点之间为F，到7点，从F中析出Fe3C。
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3CⅢ表示。
Fe3CⅢ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，Fe3CⅢ量不断增加，合金的室温下组织为F Fe3CⅢ。
室温下Fe3CⅢ的最大量为:凡是亚共析钢结晶过程均与此过程相似，只是由于碳的质量分数不同，组织中铁素体和珠光体的相对量也不同，随着含碳量增多，珠光体含量增加。
%6.22%10077.069.677.011.23=⨯--=II C Fe Q过共析钢的结晶过程均与此过程相似，只是随着碳的质量分数不同，组织中珠光体和渗碳体的相对量不同。
5、共晶白口铸铁（ wC ≈% ）以含碳量为％的共晶白口铸铁为例。
合金Ⅳ在温度1点以上为单一液相；当温度降至与ECF 线相交时，液态合金发生共晶反应，即LC →Ld （Fe3C ），结晶出莱氏体。
铁碳合金的平衡 结晶过程及组织
47.8%
( WγE = 1-47.8% = 52.2% )
第四节 含碳量对铁碳合 金平衡组织和性能的影响
一、含碳量对平衡组织的影响
随C含量 ，铁碳合金组织变化：
α+Fe3C α+P P P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’
P+Fe3CⅡ Ld’+Fe3CⅠ
C% ，Fe3C
Fe3C的形态及分布：随C
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
亚共晶白口铁 2.11%<C%<4.3%
t1 t2
t3
L
L 初
L 共晶+Fe3C即Ld
共晶 转变
初Fe3CⅡ 共晶Fe3CⅡ
共+Fe3C即P 初+Fe3C即P
室温组织 ：
共析 转变
P +Fe3CⅡ+L'd(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)
组织：P+ Fe3CⅡ +L’d （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
三、杠杆定律的应用
1、0.4%C钢
K
组织组成物：α+P
S 0.4 0.77 0.4
Wα
PS
第六章 铁碳合金状态相图的分析及平衡组织观察
第六章铁碳合金状态相图分析及组织观察一、概述铁碳合金状态图是研究铁碳合金的组织与性能关系的重要工具。
了解和掌握铁碳合金状态图对于制定钢铁材料的各种工艺有很重要的指导意义。
下面分别讨论纯Fe；共析钢；亚共析钢；过共析钢；共晶白口铁；亚共晶白口铁；过共晶白口铁等几个典型合金的结晶过程，以深入了解铁碳合金相合肥组织的形成规律及其组织特征。
1、含0.01％C合金的结晶过程及组织特征含碳0.01％的合金为工业纯铁，其结晶过程如下（参照图1中的合金①）。
液态金属在1～2点温度区间按匀晶转变结晶出单相δ固溶体。
δ固溶体冷却导3点时，开始发生固溶体的同素异构转变Aδ→。
由于δ相晶界上的能量转高，因此，奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形成，然后长大。
这一转变在4点结束，合金全部转变为单相奥氏体。
奥氏体冷却到5～6之间又发生同素异构转变γα→，转变为铁素体。
铁素体也同样是在奥氏体晶界上优先形核，然后长大。
铁素体冷到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和。
冷到7点以下，将从铁素体中析出过剩的渗碳体。
这种渗碳体一般沿铁素体晶界析出，称为三次渗碳体。
因此，工业纯铁室温下的组织为铁素体和三次渗碳体所组成。
铁碳平衡状态图2、共析合金的结晶过程及组织特征当温度在1点以上时，合金全部为液态。
当合金降温至1点，并稍微过冷，开始从液体中析出奥氏体。
继续降温从液体汇总析出奥氏体，液相的浓度沿BC 线变化，奥氏体的浓度沿JE 线变化。
两相相对重量的比值可由杠杆定律求出： QLaOQA Ob ＝奥氏体初次晶在液态金属中自由长大，一般呈树枝状。
降温至2点结晶终了，变成了单相的奥氏体组织。
在2－3点温度区间，为单相奥氏体，相的浓度等于合金的成分，没有成分和组织的变化。
在3点共析成分的奥氏体发生共析转变，形成的转变产物为珠光体。
平衡条件下所得的珠光体组织是一层铁素体和一层渗碳体交替排列的机械混合物。
用3％硝酸酒精溶液浸蚀后，窄的条纹为渗碳体，宽的白色条纹危房铁素体，这是因为浸蚀时，铁素体被均匀浸蚀，而渗碳体叫铁素体硬，不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外。
铁碳合金的分类及其平衡结晶综述
室温相组成：α+Fe3C，两相相对量为：
Fe C
3
2K 6.69% 4.3% 100% 100%; PK 6.69% 0.0218 % 1
渗碳体包括三部分：共晶渗碳体、 二次渗碳体和共析渗碳体
上一内容
下一内容
PK
100 % 88 .7%, Fe3C 1 11 .3%
在显微图4.6（b）中黑色线条可视为渗碳体，白色部分为 铁素体。
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二．典型铁碳合金的结晶过程
2. 亚共析钢（以含碳量0.55%的亚共析钢为例） 过成分点作垂线，和相图上的液相线、固相线、GS线、共析线分别交1、 2、3、5点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
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二．典型铁碳合金的结晶过程
5.亚共晶白口铸铁 以含碳量为3.0%的合金为例。过成分点作垂线，和液相线、共晶线、 共析线交于1、2、3点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
先 先 先 L3.0 L 先 E LC 1148 E Ld （ 先 Fe3C） Ld （ S Fe3C） Ld
L0.55 L 0.55
先
先 P
S
727
先 P
P
先
P
图中，白色为先 共析铁素体，黑 色为珠光体
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二．典型铁碳合金的结晶过程
室温组织组成物：α先+P。两组织相对量用杠杆定律 （连接线PS？）
727 （P Fe3C） L/d
典型铁碳合金结晶过程分析 (2)
第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2典型铁碳合金的结晶过程分析-4共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%1交点：液相开始发生共晶转变1~2之间：共晶奥氏体中会出现二次渗碳体2交点：γ发生共析转变→P (珠光体)共晶渗碳体不发生变化2 以下：组织低温莱氏体（L′d ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)共晶转变生成莱氏体（Ld ）奥氏体为共晶奥氏体，渗碳体为共晶渗碳体w c＝4.3%的铁碳合金结晶过程示意图低温莱氏体金相照片（黑斑区为珠光体，白色为渗碳体）室温组织：（L′d ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝4.3%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w α=6.69−4.36.69−0.0008×100%≈？w Fe 3C =1−w α≈？%100='d L w典型铁碳合金的结晶过程分析-5亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%3以下2交点：存在两相L +γ2~3：奥氏体中会出现二次渗碳体3交点：γ发生共析转变→P (珠光体)二次渗碳体+ Ld 不发生变化3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C II + P ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)1交点：液相开始发生匀晶转变L →γ其中的室温组织：（L'd + P + Fe 3C Ⅱ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝3.0%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w Fe 3C =1−w α≈？w α= 6.69−3.06.69−0.0008×100%≈?w L ′d=3.0−2.114.3−2.11×100%≈？w P = 4.3−3.04.3−2.11×6.69−2.116.69−0.77×100%≈？w Fe 3C II =1−w L ′d −w P ≈?结晶过程示意图亚共晶白口铸铁的金相照片亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金3以下典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K123典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K1231~2：一次渗碳体形成的温度高，故其形貌为粗大的片状结构2交点：共晶转变3交点：γ发生共析转变3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C I ）1交点：液相开始发生匀晶转变L →Fe 3C I过共晶白口铸铁w c＝5.3%铁碳合金L'd＋Fe3CⅠ过共晶白口铸铁的室温组织典型铁碳合金的结晶过程分析-7工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q1234567工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q12345671~2：L 减少δ增加1以上：液相1交点：匀晶转变L →δ2点：单相δ （0.01%）2~3：单相δ （0.01%）3点开始：δ →γ3~4：δ减少γ增加4~5：单相γ（0.01%）5点开始：γ→α5~6：γ减少α增加6点，6~7：单相α （0.01%）7点：α析出Fe 3C ⅡI工业纯铁w c<0.01%铁碳合金室温下的相：F+Fe3C 室温组织: F + Fe3CⅢ工业纯铁室温组织金相照片。
第8章 相平衡与相图原理(Fe-C合金平衡结晶过程)-1精品PPT课件
F+ Fe3CⅢ。
室温下Fe3CⅢ
最大量为:
0 . 0 2 1 8 0 . 0 0 0 8 Q F e 3 C I I I 6 . 6 9 0 . 0 0 0 8 1 0 0 % 0 . 3 %
㈡ 共析钢的结晶过程
合金液体在 1-2点间转变
为g。到S点
发生共析转 变：
gS→aP+Fe3C, g 全部转变
共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
Qg
6 .6 9 4 .3 1 0 0 % 6 .6 9 2 .1 1
5 2 .2 % ，
Q F e3C
4 7 .8 %
C点以下, g 成分沿ES线变化，共晶g 将析出Fe3CⅡ。
Fe3CⅡ与共晶Fe3C 结合，不易分辨。
1’
g
Fe3C
2
温度降到2点, g 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量:
过共晶白口铁 共晶白口铁 亚共晶白口铁
过共析钢 共析钢 亚共析钢
工业纯铁
⑶ 白口铸铁 (2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆
① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C)
② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3~6.69%C)
㈠工业纯铁的 结晶过程
合金液体在1-2
冷却时发生包晶反应.
Ⅲ
A
H
B
J
以0.45%C的钢为例 合金在4点以前通过匀
晶—包晶—匀晶反应全
G S
P
a+Fe3C
部转变为g。到4点，由
g 中析出a 。到5点, g 成分沿GS线变到S点，g 发生
共析反应转变为珠光体。温度继续下降，a 中析出
铁碳合金状态图
② 亚共析钢
③ 过共析钢
3）白口铸铁
2.11％ < WC ≤ 6.69％
按室温组织不同，又可分为以下三种： ① 共晶白口铸铁 WC = 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 ② 亚共晶白口铸铁 2.11％ < WC < 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 + 珠光体 + 二次渗碳体 ③过共晶白口铸铁 4.3％ < WC ≤ 6.69％ 室温组织：低温莱氏体 + 一次渗碳体。
渗碳体是强化相，其形状有条状、网状、
片状、粒状等，它的形状、大小和分布对 钢的性能起重要作用。
四、珠光体
珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物
（平均含碳量：0.77%）
性能组织：介于F 和 Fe3C之间具有良好的综合力学性能
层片状
颗粒状
五、莱氏体
莱氏体（Ld）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物
727
共晶相图
共析相图
0.0218
0.77
2.11
4.3
Fe — Fe3C状态图
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体
铁素体（F 或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体
晶格结构：体心立方晶格
最大溶解度：0.0218%（727℃）
性能组织：强度低、硬度低而塑性好。
二、奥氏体
奥氏体（A
2、制定铸、锻、热处理工艺的重要依据
1）铸造方面： 浇注温度一般在液相线以上50～100°C 铸造生产中，共晶成分附近的铸铁应用最多在此范围的钢， 其结晶温度范围小，铸造性能好
2）锻造方面： 锻造时，将其温度加热到A体区域， 能获得良好的塑性，易于锻造成形 白口铸铁中有大量硬而脆的渗碳体， 故不能锻造
铁碳相图结晶过程
三条水平线
§2 典型铁碳合金结晶过程分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 ①纯铁 :wc <0.0218%
②钢
亚共析钢: wc= 0.0218~0.77%
共析钢: wc= 0.77% 过共析钢: wc= 0.77~2.11% 亚共晶白口铁: wc= 2.11~4.3% 共晶白口铁: wc= 4.3%
2.为制定热加工工艺提供依据
对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计
铸造性能的好坏.
对于锻造：确定锻造温度。 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来
减轻或消除组织不均匀性。
对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。
§3 碳 钢
一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响
4.含碳1.2%的过共析钢（合金④）
5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金⑤） 6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金⑥）
7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
3.亚共析钢结晶过程
二、碳钢的分类、编号和用途
1.碳钢的分类
(1)按含碳量分类 低碳钢:wc=0.01~0.25% 中碳钢:wc= 0.25~0.6% 高碳钢:wc= 0.6~1.3% (2)按质量分类 普通碳素钢:ws≤0.055% wp≤0.045% 优质碳素钢:ws、wp ≤0.035~0.040% 高级优质碳素钢:ws ≤0.02~0.03%；wp ≤ 0.03~0.035% (3)按用途分类 碳素结构钢:用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件 等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。
铁碳合金相图及结晶组织变化
铁碳合金相图及结晶组织变化铁碳合金的组元和相一、基本概念铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金碳钢：含碳量为0.0218%〜2.11%的铁碳合金铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金铁碳合金相图：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，也是制定各种热加工工艺的依据。
注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69% ）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是F e-Fe3C二、组元1. 纯铁纯铁指的是室温下的a-Fe,强度、硬度低，塑性、韧性好。
2. 碳碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体。
3. 碳在铁碳合金中的存在形式有三种：C与Fe形成金属化合物，即渗碳体；C以游离态的石墨存在于合金中。
C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体；A. 铁素体：C溶于a-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F或“a表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可稳定存在。
B. 奥氏体：C溶于Y-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”“表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。
C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C , Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6.69 %。
以“Fe3C或“ Cm符号表示，渗碳体的熔点为1227 C，硬度很高（HB = 800）而脆，塑性几乎等于零。
渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。
它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。
碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。
铁碳合金相图的分析1. 铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图；2. 相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体3、铁素体a奥氏体Y渗碳体Fe3C ;3. 相图中有三条水平线：HJB水平线（1495 C）：包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体。
材料科学基础-第四章_铁碳合金与铁碳相图
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。
典型铁碳合金的结晶过程
一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。
原铁素体不变保留了在基体中。
4点以下不再发生组织变化。
故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
工程材料学2第二章 铁碳合金
Ld′+ Fe3CⅠ
F+ Fe3CⅢ
C%
2.4.1含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
相组成：α + Fe3C ；随碳含量增加， α ↓， Fe3C↑
室温组织是珠光体分布在共晶渗碳体的基体上（低温莱氏体） 。室温 莱氏体保持了在高温下共晶转变后所形成的莱氏体的形态特征，但组 成物发生了改变。
共晶转变形成莱氏体时两相的相对含量为：
W
6.69 4.30 100% 52.2% 6.69 2.11
4.30 2.11 WFe 3C 6.69 2.11 100% 47.8%
室温相组成物为： α + Fe3C
w
6.69－4.3 6.69－0.0218
100%＝35.8％
共晶白口铁
wFe 3C
4.3 0.0218 6.69 0.0218
100%＝64.2％
3.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
6. 亚共晶白口铁（3.0%C）
匀晶转变 L→γ
1148℃ LC→γE+Fe3CF
PQ线，碳在F中的溶解度曲线。 F 的最大溶碳量于727℃时达到最大值0.0218%C。随温度↓，F 中 的溶碳量逐渐↓，在300℃以下，溶碳量＜0.001%C。当 F从727℃ 冷却下来时，要从 F 中析出渗碳体，称为三次渗碳体。
2.3铁碳合金的平衡结晶过程及组织
铁碳合金的组织是液态结晶及固态重结晶的综合结果，研究结晶过程， 目的是分析合金的组织形成，以考虑其对性能的影响。
通常按有无共晶转变将铁碳合金分为碳钢和铸铁两大类，即含碳量＜ 2.11%的为碳钢，含碳量＞2.11%的为铸铁。含碳量＜0.0218%的为工 业纯铁。按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，碳以Fe3C的形式存在，断口呈白 亮色，称为白口铸铁。
5. 铁碳合金相图
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亚共析钢组织：F+P
4、过共析钢
过共析钢结晶过程示意图
材 料 状 态 浸蚀剂 组 织 说 明
共晶白口铸铁（X250 ） 铸造 ４％酒精溶液 变态莱氏体 变态莱氏体中白色基体为渗碳体（共晶莱氏体和二 次渗碳体），黑色圆柱及条状为珠光体
120
钢的平衡结晶过程和组织形成图
亚共析钢
A
P
F F L A L A
共析钢
A P
过共析钢
A P
Fe3CⅡ
Fe3CⅡ
（5）含碳量与组织、机械性能的关系 σb
MPa 200
δ
αk
σb
150
δ
αk
100
3.铁碳合金状态图的应用 铁碳合金状态图的应用 （1）在材料选用方面的应用 ）
需塑性、韧性高 需塑性、韧性高——选用含碳量较低的材料 选用含碳量较低的材料 需强度、塑性、韧性高 需强度、塑性、韧性高——选用含碳量适中的材料 选用含碳量适中的材料 需硬度高耐磨性好——选用含碳量高的材料 需硬度高耐磨性好 选用含碳量高的材料 灰口铸铁由于流动性好常用于铸件 选择浇注温度，常为液相线上 选择浇注温度，常为液相线上50~1000C
过 共晶 白口 铁结 晶过 程示 意图
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A+Fe3C
铁碳合金的含碳量与相及组织的关系
杠杆定理计算铁碳合金
杠杆定理计算铁碳合金二元相图的计算3.3.1 工业纯铁1、以含碳0.01％的铁碳合金为例，其冷却曲线（如图3.2）和平衡结晶过程如下。
合金在1点以上为液相L 。
冷却至稍低于1点时，开始从L 中结晶出δ，至2点合金全部结晶为δ。
从3点起，δ逐渐转变为A ，至4点全部转变完了。
4-5点间A 冷却不变。
自5点始，从A 中析出F 。
F 在A 晶界处生核并长大，至6点时A 全部转变为F 。
在6-7点间F 冷却不变。
在7-8点间，从F 晶界析出II I C Fe 3。
因此合金的室温平衡组织为F +II I C Fe 3。
F 呈白色块状；II I C Fe 3量极少，呈小白片状分布于F 晶界处。
若忽略II I C Fe 3，则组织全为F 。
图3.2工业纯铁结晶过程示意图3.3.2 共析钢2、含碳0.77%，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。
合金冷却时，于1点起从L 中结晶出A ，至2点全部结晶完了。
在2-3点间A 冷却不变。
至3点时，A 发生共析反应生成P 。
从3点继续冷却至4点，P 皆不发生转变。
因此共析钢的室温平衡组织全部为P ，P 呈层片状。
共析钢的室温组织组成物也全部是P ，而组成相为F 和C Fe 3，它们的相对质量为：碳含量2.11～6.69％%%%881006.690.776.69=⨯-=F ;%%%3121=-=F C Fe图3.3 共析钢结晶过程示意图3、以含碳0.4％的铁碳含金为例。
合金冷却时，从1点起自L 中结晶出δ，至2点时，L 成分变为0.53％C ，δ变为0.09％C ，发生包晶反应生成17.0A ，反应结束后尚有多余的L 。
2点以下，自L 中不断结晶出A ，至3点合金全部转变为A 。
在3-4点间A 冷却不变。
从4点起，冷却时由A 中析出F ，F 在A 晶界处优先生核并长大，而A 和F 的成分分别沿GS 和GP 线变化。
至5点时，A 的成分变为0.77％C ，F 的成分变为0.0218％C 。
第五章__铁碳相图习题参考答案
第五章铁碳相图习题参考答案一、解释下列名词答：1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。
奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。
渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。
珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。
Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。
Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。
共析Fe3C：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。
3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。
白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、填空题1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等两个。
2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。
3、Fe－Fe3C 相图有三条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。
4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。
5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ占11.81%。
6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。
7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的塑、韧性，因而适于热加工成形。
8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。
三、简答题1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。
铁碳合金的平衡结晶过程
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。
⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。
图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。
继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间，不发生组织转变。
冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变。
温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。
7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q 。
图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为α+Fe 3C III ，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-28 工业纯铁的显微组织 400×㈡共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。
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三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。
⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C）下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。
图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。
继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间，不发生组织转变。
冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变。
温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。
7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q 。
图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为α+Fe 3C III ，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。
合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反应转变为奥氏体。
在2 ~ 3点之间,不发生组织转变。
到达3点以后，发生共析转变：γ0。
77 → α0。
0218 +Fe 3C ，由奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体。
反应结束后，奥氏体全部转变为珠光体。
继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于分辨。
共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示。
由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。
室温下珠光体中两相的相对重量百分比为：，%5.88%1000008.069.677.069.6=⨯--=αQ %5.11%5.88%1003=-=C Fe Q 。
图3-29 共析钢的冷却曲线及组织转变示意图图3-30 珠光体组织 400×㈢亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反应。
现以含0.45%C的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31。
该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反应,开始析出δ铁素体。
到达2点温度时，匀晶反应停止，开始发生包晶转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17。
包晶转变结束后，除了新形成的奥氏体外，液相还有剩余。
温度继续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反应全部转变为奥氏体。
在3-4点之间，不发生组织变化。
冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降低，铁素体数量增多。
温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转变结束，剩余的奥氏体发生共析反应：γ0.77→α0.0218+ Fe3C，转变为珠光体。
温度继续下降，从铁素体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽略不计。
亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。
图3-31 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图(a) 0.20%C (a) 0.45%C图3-32 亚共析钢的显微组织 400×室温下，含0.45%C 亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：%6.41%4.58%100%4.58%1000008.077.00008.045.0=-==⨯--=αQ Q P ，。
而铁素体和渗碳体两相的相对重量百分比为：%3.93%7.6%100%7.6%1000008.069.60008.045.03=-==⨯--=αQ Q C Fe ，。
在0.0218%~0.77%C 范围内珠光体的相对重量随含碳量的增加而增加。
由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，所以在忽略铁素体中含碳量的情况下，可以利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，近似地估算亚共析钢的含碳量：%77.0%%⨯=面积P C 。
式中，P Q P =面积，为珠光体的面积百分比。
㈣ 过共析钢（图3-26中合金④）的结晶过程过共析钢的结晶过程及组织转变示于图3-33。
合金液体在1~2点间发生匀晶转变，全部转变为奥氏体。
冷却到3点后，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布。
在3~4点之间，二次渗碳体量不断增多。
温度降到4点，二次渗碳体析出停止，奥氏体成分沿ES 线变化到S 点，剩余的奥氏体发生共析反应：γ0.77 → α0.0218 + Fe 3C ，转变为珠光体。
继续冷却，二次渗碳体不再发生变化，珠光体的变化同共析钢。
过共析钢的室温组织为珠光体 +网状二次渗碳体，如图3–34所示，图中的白色网状的是二次渗碳体，黑色为珠光体。
室温下，含1.2%C 过共析钢中二次渗碳体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：%74.92%26.7%100%26.7%10077.069.677.02.13=-==⨯--=P C Fe Q Q ，。
过共析钢中Fe 3C Ⅱ的量随含碳量增加而增加，当含碳量达到2.11%时，Fe 3C Ⅱ量最大：%6.22%10077.069.677.011.23=⨯--=ⅡC Fe Q 。
图3-33 过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图(a) 硝酸酒精浸蚀 (b) 苦味酸钠浸蚀图3-34 过共析钢的显微组织 400×㈤ 共晶白口铸铁（图3-26中合金⑤）的结晶过程共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，其结晶过程如图3-35所示。
该合金液态冷却到1点即1148︒C 时，发生共晶反应：L 4。
3 → γ2。
11 + Fe 3C ，全部转变为莱氏体（Le ），莱氏体是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状。
此时：%2.52%10011.269.63.469.6=⨯--=γQ ，%8.47%2.52%1003=-=C Fe Q 。
温度继续下降，共晶奥氏体成分沿ES 线变化，同时析出二次渗碳体，由于二次渗碳体与共晶渗碳体 结合在一起而不易分辨，因而莱氏体仍作为一个组织看待。
温度降到2点，奥氏体成分达到0.77%，并发生共析反应，转变为珠光体。
这种由珠光体与共晶渗碳体组成的组织称为低温莱氏体，用符号Le’表示，此时，%4.40%10077.069.63.469.6=⨯--=P Q ，%6.59%4.40%1003=-=C Fe Q 。
温度继续下降，莱氏体中珠光体的变化与共析钢的相同，珠光体与渗碳体的相对重量不再发生变化。
共晶白口铸铁的室温组织为Le’（P+ Fe 3C ），它保留了共晶转变产物的形态特征，如图3-36所示，图中黑色蜂窝状为珠光体，白色基体为共晶渗碳体。
室温下两相的相对重量百分比为：%7.35%1000008.069.63.469.6=⨯--=αQ ，%3.64%7.35%1003=-=C Fe Q 。
图3-35 共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-36 共晶白口铸铁的显微组织 400× ㈥ 亚共晶白口铸铁（图3-26中合金⑥）的结晶过程以含3.0%C 的亚共晶白口铸铁为例进行分析，图3-37为其冷却曲线及组织转变示意图。
当合金液体冷却到1点温度时，发生匀晶反应，结晶出奥氏体，称为一次奥氏体或先共晶奥氏体。
在1~2点之间，奥氏体量不断增多并呈树枝状长大。
冷却到2点以后，剩余液相的成分沿BC 线变化到C 点，并发生共晶转变，转变为莱氏体。
继续降温，将从一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体。
由于一次奥氏体粗大，沿其周边析出的二次渗碳体被共晶奥氏体衬托出来。
而共晶奥氏体析出二次渗碳体的过程，与共晶白口铸铁相同。
温度降到3点，奥氏体成分沿GS 线变到S 点，并发生共析反应，转变为珠光体。
其室温组织为P+ Fe 3C Ⅱ+Le’，如图3-38所示，图中树枝状的黑色粗块为珠光体，其周围被莱氏体中珠光体衬托出的白圈为二次渗碳体，其余为低温莱氏体。
室温下，含3.0%C 白口铸铁中三种组织组成物的相对重量百分比为：%64.40%10011.23.411.20.3'=⨯--==Le Le Q Q ，%44.13%10077.069.677.011.211.23.40.33.43=⨯--⨯--=ⅡC Fe Q ，%92.45%44.13%64.40%100%1003'=--=--=ⅡC Fe Le P Q Q Q 。
而该合金在结晶过程中所析出的所有二次渗碳体（包括一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体）的总量为：%24.18%10011.269.677.011.211.269.60.369.63=⨯--⨯--=总ⅡC Fe Q 。
图3-37 亚共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-38 亚共晶白口铸铁的显微组织 400×㈦过共晶白口铸铁（图3-26中合金⑦）的结晶过程过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示于图3-39。
合金液体在1--2点间发生匀晶反应，结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ。
一次渗碳体呈粗条片状。
冷却到2点，余下的液相成分沿DC线变化到C点，并发生共晶反应，转变为莱氏体。
继续冷却，一次渗碳体成分重量不再发生变化，而莱氏体的变化同共晶合金。
过共晶白口铸铁的室温组织为Fe3CⅠ+Le’，如图3-40所示，图中粗大的白色条片为一次渗碳体，其余为低温莱氏体。
图3-39 过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-40 过共晶白口铸铁的显微组织 400×㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注根据以上对铁碳合金相图的分析，可将组织组成物标注在铁碳合金相图中，如图3-41所示。
组织组成物的标注与相组成物的标注的主要区别在γ+Fe3C和α+Fe3C两个相区，γ+ Fe3C相区中有四个组织组成物区，α+ Fe3C相区中有七个组织组成物区。