1.3合金的相结构与铁碳合金状态图
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1.3 铁碳合金和铁碳相图
硬度高（800HBW）强度低(b35MPa), 脆, δ几乎为零 Fe3C是一个亚稳相，在一 定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反
应对铸铁有重要意义。
钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度
很小，因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石
墨的形式存在。
铸铁中的石墨
二、铁碳合金相图基本分析
模锻
焊 缝 组 织
4、铁碳合金相图的应用
① 选材的参考：
建筑结构及各种型钢需要塑性韧性好，选低碳钢；各种机械零件需要强 度、塑韧性都较好的材料，选中碳钢；各种工具需要硬度、耐磨性好的， 选高碳钢。 白口铸铁硬度高，太脆，耐磨性好，铸造性能优良，可做 要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件如冷轧辊、犁等。
同素异构转变：金属在温度（压力）改变时 发生晶体结构变化的现象。
⒉相
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称
铁素体, 用F 或 表示。
铁素体
碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
返回
⇄
⇄
⇄ ⇄ ⇄
2、相区分析
5单相区 7双相区
3三相区
返回
3、特性线分析
液相线 、固相线 、 GS（A3线）、 GP、 ES（Acm）、 PQ线
相图中的三条水平线
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
应对铸铁有重要意义。
钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度
很小，因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石
墨的形式存在。
铸铁中的石墨
二、铁碳合金相图基本分析
模锻
焊 缝 组 织
4、铁碳合金相图的应用
① 选材的参考：
建筑结构及各种型钢需要塑性韧性好，选低碳钢；各种机械零件需要强 度、塑韧性都较好的材料，选中碳钢；各种工具需要硬度、耐磨性好的， 选高碳钢。 白口铸铁硬度高，太脆，耐磨性好，铸造性能优良，可做 要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件如冷轧辊、犁等。
同素异构转变：金属在温度（压力）改变时 发生晶体结构变化的现象。
⒉相
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称
铁素体, 用F 或 表示。
铁素体
碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低, 在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
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2、相区分析
5单相区 7双相区
3三相区
返回
3、特性线分析
液相线 、固相线 、 GS（A3线）、 GP、 ES（Acm）、 PQ线
相图中的三条水平线
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
铁碳合金状态图课件
根据铁碳合金中各元素的分布情况，在 图上绘制相应的曲线。
根据铁碳合金在不同温度下的状态，绘 制等温线。
根据铁碳合金在不同温度和成分下的状 态，在图上标记相应的区域，并注明相 应的名称。
04
铁碳合金状态图的应用
在铸造工业中的应用
铸造工艺设计
铁碳合金状态图是铸造工艺设计的重 要依据，通过分析合金的凝固温度范 围和液相线温度，可以确定合适的浇 注温度和时间。
确定比例尺
根据实际需要选择合适的比例 尺，以便在图纸上准确表示铁 碳合金的实际 状态，在图上绘制等温线。
绘制元素分布曲线
根据铁碳合金中各元素的分布 情况，在图上绘制相应的曲线。
绘制实例和演示
选择合适的比例尺，绘制坐标轴。
对绘制好的铁碳合金状态图进行演示和 讲解，以便更好地理解和掌握铁碳合金 的状态变化规律。
1 2 3
铁碳合金状态图的实验研究
当前，研究者通过实验手段深入探究铁碳合金的 相变规律和组织性能，为实际生产提供理论支持。
铁碳合金状态图的计算模拟研究
随着计算材料学的进步，研究者利用计算机模拟 手段预测和模拟铁碳合金的状态和性能，为新材 料的开发提供有力支持。
铁碳合金状态图的应用研究
在实际生产中，钢铁企业根据铁碳合金状态图选 择合适的材料和工艺，提高产品质量和降低成本。
适的锻造温度和变形量。
锻件质量控制
通过铁碳合金状态图，可以预测锻 件在不同温度和变形条件下的组织 和性能变化，从而控制锻件的质量。
锻造设备选择
根据铁碳合金状态图，可以确定不 同锻造条件下材料的变形行为和所 需设备吨位，从而选择合适的锻造 设备。
在焊接工业中的应用
焊接材料选择
铁碳合金状态图可以指导焊接材 料的选择，根据母材的成分和状
根据铁碳合金在不同温度下的状态，绘 制等温线。
根据铁碳合金在不同温度和成分下的状 态，在图上标记相应的区域，并注明相 应的名称。
04
铁碳合金状态图的应用
在铸造工业中的应用
铸造工艺设计
铁碳合金状态图是铸造工艺设计的重 要依据，通过分析合金的凝固温度范 围和液相线温度，可以确定合适的浇 注温度和时间。
确定比例尺
根据实际需要选择合适的比例 尺，以便在图纸上准确表示铁 碳合金的实际 状态，在图上绘制等温线。
绘制元素分布曲线
根据铁碳合金中各元素的分布 情况，在图上绘制相应的曲线。
绘制实例和演示
选择合适的比例尺，绘制坐标轴。
对绘制好的铁碳合金状态图进行演示和 讲解，以便更好地理解和掌握铁碳合金 的状态变化规律。
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铁碳合金状态图的实验研究
当前，研究者通过实验手段深入探究铁碳合金的 相变规律和组织性能，为实际生产提供理论支持。
铁碳合金状态图的计算模拟研究
随着计算材料学的进步，研究者利用计算机模拟 手段预测和模拟铁碳合金的状态和性能，为新材 料的开发提供有力支持。
铁碳合金状态图的应用研究
在实际生产中，钢铁企业根据铁碳合金状态图选 择合适的材料和工艺，提高产品质量和降低成本。
适的锻造温度和变形量。
锻件质量控制
通过铁碳合金状态图，可以预测锻 件在不同温度和变形条件下的组织 和性能变化，从而控制锻件的质量。
锻造设备选择
根据铁碳合金状态图，可以确定不 同锻造条件下材料的变形行为和所 需设备吨位，从而选择合适的锻造 设备。
在焊接工业中的应用
焊接材料选择
铁碳合金状态图可以指导焊接材 料的选择，根据母材的成分和状
1-3铁碳合金状态图
K
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
1538℃
A D
Y A+Y
E C
Y +Fe3CⅠ
F
1148℃ 912℃ G
A
Fe3C
A3
F+A
727℃ P S
Acm
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ Ld’ +Fe3CⅠ
A3
F+A
727℃ P
3 3
Acm
A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ L’ +Fe3CⅠ
K
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
铁碳合金状态图的作用
铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合 金的成分 温度、组织 成分、温度 组织三者之间的关系。 当含碳量增加时，铁素体的比例减少， 珠光体比例增大，故而碳钢的机械强度 和硬度增大，塑性和韧性降低；当含碳 量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多， 硬度增加，强度、塑性、韧性均下降。 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量 就控制了碳钢的组织和性能；碳钢的机 械性能又决定了碳钢的用途。
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
1538℃
A D
Y A+Y
E C
Y +Fe3CⅠ
F
1148℃ 912℃ G
A
Fe3C
A3
F+A
727℃ P S
Acm
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ Ld’ +Fe3CⅠ
A3
F+A
727℃ P
3 3
Acm
A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ L’ +Fe3CⅠ
K
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
铁碳合金状态图的作用
铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合 金的成分 温度、组织 成分、温度 组织三者之间的关系。 当含碳量增加时，铁素体的比例减少， 珠光体比例增大，故而碳钢的机械强度 和硬度增大，塑性和韧性降低；当含碳 量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多， 硬度增加，强度、塑性、韧性均下降。 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量 就控制了碳钢的组织和性能；碳钢的机 械性能又决定了碳钢的用途。
铁碳合金状态图
金属材料及热处理
3、渗碳体
➢ 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) 。
➢ 成分与性能：渗碳体中碳的质量分数为6.69%，熔点为 1227℃，硬度很高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0， aKU≈0)，脆性大。渗碳体是钢中的主要强化相，其数量、形 状、大小及分布状况对钢的性能影响很大。
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
金属材料及热处理
含碳量对工艺性能的影响 ⑴ 切削性能：中碳钢比较合适。 ⑵ 可锻性能：低碳钢比高碳钢好。 ⑶ 铸造性能：共晶成分附近的合金铸造性能好。 ⑷ 焊接性能：低碳钢好于高碳钢。 ⑸ 热处理性能：下一节介绍。
的强度(σb=770MPa)和塑性 (δ=20～25%)，硬度适中
（180HBS）。
金属材料及热处理
5、莱氏体
➢ 碳的质量分数为4.3%的液态 铁碳合金冷却到1148℃时， 同时结晶出奥氏体和渗碳体 的多相组织称为莱氏体 (ledeburite)，用符号Ld表 示。
➢ 在727℃以下莱氏体由珠光体 和渗碳体组成，称为变态莱 氏体，用符号Ld′表示。
➢定义：碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示； ➢结构：体心立方结构。 ➢成分：铁素体的溶碳能力很低，室温时溶解度Wc≤0.0008％ ≈0，最大溶解度在727℃，Wc≈0.0218％。 ➢性能：铁素体的塑性、韧性很好（δ=30～50%、 aKU=160～200J／cm2），但强度、硬度较低(σb=180～ 280MPa、σs=100～170MPa、硬度为50～80HBS)。其力学 性能几乎与纯铁相同。 ➢组织：铁素体的组织为多边形晶粒。
铁碳合金相图
钢锭及其冶炼
冶炼工艺的主要任务 冶炼工艺的主要方法
钢锭的结构
钢锭是由冒口、锭 身、 底部组成
钢锭的内部缺陷
激冷结晶区（细小等轴结晶区） 没问题 柱状结晶区 没多大问题 树枝状结晶区 多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷 自由结晶区（粗大等轴结晶区） 多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈 所谓疏松组织 淀淀结晶区 常产生夹渣类缺陷
实例
Elliptical head Upper shell (Ⅰ、 Ⅱ) Conical shell Intermediate shell (lower) (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) Tube sheet Primary head (channel head)
实例
Upper head Core shell Lower head
锻造生产的特点及其在国民经济中的作用
特点 地位
大型锻件主要应用于以下方面
1、轧钢设备 2、锻压设备 3、矿山设备 4、火力发电设备 5、水力发电设备 6、核能发电设备 7、石油、化工设备 8、船舶制造工业 9、军工产品制造：
实例（核反应堆中主要锻件M140）
Closure head(monobloc) Vessel flange Inlet(outlet) nozzle Nozzle shell Core shell Transition ring Lower dome
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图 全貌。根据分析围绕三条 水平线可把Fe—Fe3C相图 分解为三个部分考虑：左 上角的包晶部分，右边的 共晶部分，左下角的共析 部分。 分析点、线、区特 别是重要的点、三条水平 恒温转变线 、重要的相
铁碳合金及相图
• 1.定义 •
匀晶相图
二组元在液态和固态下均无 限溶解的二元相图叫做匀晶相 图。形成此类相图的合金系有 Cu-Ni、Bi-Sb,W-Mo,Ti-Zr,TiHf等。
• 2. 相率 在单相区f=C-P+1=2
在两相区f=C-P+1=1，即只有1 个独立变量。假定T为独立变量， 则相的成分就是温度的函数。 给定温度就可以确定相的成分。
化来建立相图的。后两种方法适用于测定材料在固态
下发生的转变。
合金成分的表示方法有两种：质量分数和摩尔分数。 如A组元的质量分数为wA、摩尔分数为xA，其 相对原子量为MA；B组元的质量分数为wB、摩尔 分数为xB，其相对原子量为MB，则：
xA=(wA/MA)/(wA/MA + wB/MB)
xB=(wB/MB)/(wA/MA + wB/MB)
其它相图。
• 2. 相图的组成元素
组元 • 组成相图的独立组成物。组元可 以是纯的元素，如金属材料的纯金 属，也可以是稳定的化合物，如陶 瓷材料的Al2O3，SiO2等。
相区 相图中代表不同相的状态的区域叫相区，相区可分为单相 区、双相区和三相区。单相区中液相一般以L表示，当有几个 固态单相区时，则由左向右依次以、、等符号表示。在两 个单相区之间有对应的两相区存在。
与一个固相在恒定温
度下转变成另外一个
成分不同的固相的过 程。
L + 。
包晶反应机理
由于相是在包围初生相，并使之与液相格开的形 式下生长的，故称之为包晶反应。
§2 铁碳合金中的组元和基本相
组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（δ）、 铁素体（α）、 奥氏体（γ） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Le/Le’）
1-2-3铁碳合金相图
B
1。纯铁 。
同素异构转变
金属在固态下由于温度的改变而发生晶格 类型转变的现象。
2。 铁碳合金基本相 （二元相图）
（2）共晶相图与共晶转变
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x” ，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳含量大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C。析出 的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII 数量极少, 往往予以忽略。
K点
符号 K 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 6.69 含义 Fe3C的成分 的成分
P点
符号 P 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 0.0218 含义 碳在 α-Fe中的最大溶解度 中的最大溶解度
S点
符号 S 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 0.77 含义 共析点(A 共析点 1) As→ FP+Fe3C
渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在 显微镜下呈黑色。 渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。 渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。
渗碳体
四、珠光体（Pearite） 珠光体（ [珠光体 ：是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示，珠光体是奥 珠光体]： 珠光体 氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物，碳质量分数平均为Wc=0.77%。显微 组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织，高碳钢经球化退火后也可获得 球状珠光体（也称粒状珠光体）。 [珠光体性能 ：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和 珠光体性能]： 珠光体性能 韧性较好（σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%）。
铁碳合金状态图
铁碳合金状态图的局限性
适用范围有限
铁碳合金状态图主要适用于铁碳合金，对于 其他合金体系如镍基、钛基等不适用。
无法预测微观组织结构
铁碳合金状态图只能提供宏观的相变信息和转变温 度，无法预测合金的微观组织结构，如晶粒尺寸、 相分布等。
无法考虑其他影响因素
铁碳合金状态图主要考虑温度和成分的影响 ，无法考虑其他如变形、应力等因素对合金 性能的影响。
特性线
共晶线
表示发生共晶反应的温度和成分界限， 即铁碳合金中同时发生共晶反应的区域 。
VS
共析线
表示发生共析反应的温度和成分界限，即 铁碳合金中同时发生共析反应的区域。
特性点
共晶点
表示共晶反应开始发生的温度和成分 点，即铁碳合金中发生共晶反应的温 度和成分点。
共析点
表示共析反应开始发生的温度和成分 点，即铁碳合金中发生共析反应的温 度和成分点。
在铸造和锻造中的应用
铸造温度选择
根据铁碳合金状态图，选择合适的浇注温度和冷 却速度，以获得理想的铸件组织和性能。
锻造工艺优化
通过铁碳合金状态图分析不同温度和应变速率下 材料的可加工性，优化锻造工艺参数。
质量控制
利用铁碳合金状态图对铸造和锻造过程中的材料 进行质量检测和控制，确保产品质量符合要求。
在热处理中的应用
铁碳合金状态图的重要性
指导材料加工与制备
铁碳合金状态图为材料加工和制备提 供了理论依据，有助于确定合适的热 处理工艺、合金成分和相变温度，从 而获得所需性能的材料。
预测材料性能
促进新材料研发
铁碳合金状态图为新材料研发提供了 理论基础，有助于发现新型铁碳合金 材料，推动相关领域的技术进步。
通过铁碳合金状态图，可以预测不同 温度和碳含量下材料的组织结构和机 械性能，有助于优化材料性能和应用。
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
铁碳合金状态图
这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出一定成分的两个 固相的转变过程，称为共晶转变或共晶反应。共晶转变的产物 （αM+βN）是由两个固相组成的机械混合物，称为共晶组织
(2)合金的平衡结晶过程及其组织
1）固溶体合金（合金Ⅰ）
成分位于M点以左（即wSn≤19%）或N点以右（即wSn≥97.5%）的合金称为固溶体合金 液态合金缓冷至温度1，开始从L相中结果出α固溶体。随温度的降低，液相的数量不断减少，α固
由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以 进行热处理。并且可以正确选择加热温度。
讨论：
默画出铁碳相图,标明C、S、E、F点的成分及 ECF、PSK线的温度,标明各相区;
说明铁与碳在液态和固态的相互作用以及各相的 本质，指出α-Fe与F；γ-Fe与A的区别;
写出相图中C、S两点进行相变的反应式,指出各是 什么反应,说明其相变特点;说出ECF; PSK; ES; GS各线的意义;
两种不同晶体的转变。 GS——A冷却析出F开始线, 通常称为 A3线。 ES——C在A中溶解度曲线/ 冷却时A析出Fe3C开始线, 又称 Acm线。 PSK——共析线，又称A1线。wC>0.021 8% 的铁碳合金，缓冷至
727°C（PSK共析线）都发生共析转变。 S点：共析点 共析反应：AS←－→P（FP+ Fe3C） PQ——C在F中的溶解度曲线。
三个单相区和三个两相区：即L+α、L+β、α+β相区。 在三个两相区之间有一根水平线MEN，是L+α+β三相 并存区 。
2）共晶反应
成分位于（E）点的合金，在温度达到水平线MEN所对应的温度 （tE=183℃）时，将同时结晶出成分为M点的α相及成分为N点的β 相。其转变式为：
(2)合金的平衡结晶过程及其组织
1）固溶体合金（合金Ⅰ）
成分位于M点以左（即wSn≤19%）或N点以右（即wSn≥97.5%）的合金称为固溶体合金 液态合金缓冷至温度1，开始从L相中结果出α固溶体。随温度的降低，液相的数量不断减少，α固
由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以 进行热处理。并且可以正确选择加热温度。
讨论：
默画出铁碳相图,标明C、S、E、F点的成分及 ECF、PSK线的温度,标明各相区;
说明铁与碳在液态和固态的相互作用以及各相的 本质，指出α-Fe与F；γ-Fe与A的区别;
写出相图中C、S两点进行相变的反应式,指出各是 什么反应,说明其相变特点;说出ECF; PSK; ES; GS各线的意义;
两种不同晶体的转变。 GS——A冷却析出F开始线, 通常称为 A3线。 ES——C在A中溶解度曲线/ 冷却时A析出Fe3C开始线, 又称 Acm线。 PSK——共析线，又称A1线。wC>0.021 8% 的铁碳合金，缓冷至
727°C（PSK共析线）都发生共析转变。 S点：共析点 共析反应：AS←－→P（FP+ Fe3C） PQ——C在F中的溶解度曲线。
三个单相区和三个两相区：即L+α、L+β、α+β相区。 在三个两相区之间有一根水平线MEN，是L+α+β三相 并存区 。
2）共晶反应
成分位于（E）点的合金，在温度达到水平线MEN所对应的温度 （tE=183℃）时，将同时结晶出成分为M点的α相及成分为N点的β 相。其转变式为：
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
1.3 合金的相结构与铁碳合金状态图
（二）.相图的建立
名称 晶格类型 熔点 合金1 合金2 合金3 …….. 合金9 合金10 合金11 A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0% B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
热 分 析 法
（二）.相图的建立
温 度 温 度 温 度
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 两个重要转变: 共晶转变反应式、共析转 变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
1、固溶体结晶是在一个温度范围内完成的， 纯金属结晶是在恒温下完成的
2、固溶体结晶出的固相与共存液相成分不同， 而纯金属结晶时，固相与液相成分始终相同。
二）.共晶相图
• 组成二元合金的两组元在液态时无限互溶， 在固态不能无限互溶的合金所形成的相图称为 二元共晶相图。
Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si合金相图 均属于这类相图
总结
1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和 密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一 种的变化会引起体积的变化。 2、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺 陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理 过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金 属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属 冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所 致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。 3、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化 和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金 化是提高金属性能的方法之一。
铁碳合金的相图的详细讲解 PPT
铁碳合金的相图的详细讲解
一、铁碳合金的基本组织
⒈ 组元：Fe、 Fe3C ⒉相
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素 体, 用F 或 表示。
铁素体
是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时 最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
高温莱氏体：727 ℃以上，奥氏体与渗碳体，以Le表示 低温莱氏体：727 ℃以下，珠光体与渗碳体，以L’e表示 为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。
莱氏体
莱氏体 ( Ld )
相图的建立
相图的建立
热分析法
温 度
温
温
度
度
时间 A 90 70 50 30 B
温
度
L
a
L + S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
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% )
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 )
一、铁碳合金的基本组织
⒈ 组元：Fe、 Fe3C ⒉相
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称铁素 体, 用F 或 表示。
铁素体
是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在727℃时 最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。
高温莱氏体：727 ℃以上，奥氏体与渗碳体，以Le表示 低温莱氏体：727 ℃以下，珠光体与渗碳体，以L’e表示 为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。
莱氏体
莱氏体 ( Ld )
相图的建立
相图的建立
热分析法
温 度
温
温
度
度
时间 A 90 70 50 30 B
温
度
L
a
L + S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
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% )
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 )
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工业纯铁 共析碳钢 普通陶瓷 类比 鸡蛋
单相铁素体 铁素体相、渗碳体相 晶相、玻璃相、气相
蛋白、蛋黄
组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图 像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响 材料性能的重要因素。 相是组织的基本组成部分 不同的相构成不同的组织！
相同的相，但当组成相的数量、大小、 形态和分布不同时，其组织也不同！
同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。
1538 液 相
δ-Fe
温 度 \℃ 1394
体心立方
γ-Fe
912
面心立方
α-Fe
室温
体心立方
时间/s
铁素体
碳溶解在α-Fe中形 成的间隙固溶体
溶碳度：0.006%（低温）、 0.1%（高温） 强度、硬度低 塑性、韧性好
奥氏体
碳溶解在γ-Fe中形成 的间隙固溶体。
素或是稳定化合物。
Fe(C)合金 类比 Fe、C组元
Fe、Fe3C组元 水，蛋白质，脂肪，胆固醇
鸡蛋
“元”、“基”、“合金化”、“合金系”概念的理 解？
合金的分类？看教材P15页最后一段。
二、相的概念
相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化
的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是 两个不同的相。
Fe3CⅡ+P Ld’+Fe3CⅡ+P
2.11 0.77
Ld
Ld+Fe3CІ
F+P P
Ld’
4.3
Ld’+Fe3CІ
6.69
结晶过程：
Q
0
wC/%→
铁碳合金平衡相图的应用 1）选材的依据。
2）选择铸造合金成分和浇注温度的依据。
3）确定钢的锻造温度的依据。
4）研究焊缝区及近缝区组织和性能变化的理 论依据。 5）确定各种热处理工艺的依据。
L
温度/℃→ L+A A 912 G F+A P F Q S E C 1148 L+Fe3CІ F
Ld Ld+Fe3CІ Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A 727 L’d+Fe3CІ
K
L’d F+P P Fe3CⅡ+P L’d+Fe C +P 3 Ⅱ
0.77 2.11 wC/%→ 4.3
0 Fe
根据相的晶体结构特点分为三类：
固溶体、化合物、机械混合物。
固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相 称为固溶体。 1. 晶体结构特点 “固体溶液”
均一的、保持熔剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化
2. 固溶体的分类 按溶质原子所占据的位置 置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）
І 1 2
Ⅲ 1 2 L+A E
L L+Fe3CІ 1148
D
结晶过程：
F C 3 912 Ld G 3 Ld+Fe3CІ 3 Fe C +A Ld+Fe3CⅡ+A F+A 3 Ⅱ 727 K P 4 S 4 F Ld’ F+P P Fe3CⅡ+P Ld’+Fe C +P Ld’+Fe3CІ 3 Ⅱ Q 0 0.77 2.11 4.3 6.6 wC/%→
元的新相，称为金属间化合物，也称中间相。
1. 特点 晶体结构不同于任一组元金属 性能不同于任一组元金属 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性 2. 分类 正常价化合物 电子化合物 间隙相和间隙化合物
机械混合物：机械混合物 由纯金属、固溶体、金属
化合物这些合金的基本相按照固定比例构成的组
织称为机械混合物。
* 混合物各相保持其原有晶格。
* 混合物的性能：取决于各组成相的性能，以及它们分布
的形态、数量及大小。 * 铁碳合金中的机械混合物有珠光体和莱氏体。
§1.3.2合金状态图—相图
相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和 相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或 状态图。是合金体系中材料的状态与温度、成分间 关系的简明图解。 平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过 程的各相的成分和质量分数不再变化所达到一种 状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。 合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过程，一般 可以认为是平衡的结晶过程。
Fe3CⅡ）
4.铁碳合金的分类
工业纯铁：C%<0.0218 共析钢：C%=0.77 亚共析钢： 0.0218<C%<0.77 过共析钢： 0.77<C%<=2.11 共晶白口铁：C%=4.3 亚共晶白口铁： 2.11<C%<4.3 过共晶白口铁： 4.3<C%<6.69
钢在结晶过程中的组织转变
共析钢(І)：L→L+A→A→P 亚共析钢(Ⅱ)：L→L+A→A→A+F→P+F
6.69 Fe3C
Fe-Fe3C状态图
2.铁碳合金相图中主要特性点的含义
特性点 的符号 A C D E G P S Q 温度t/ ℃ 1538 1148 1227 1148 912 727 727 室温 含碳量 wc% 0 4.3 6.69 2.11 0 0.02 0.77 0.0008 含义 纯铁的熔点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在奥氏体中的最大溶解度 α-Fe γ-Fe同素异晶转变点 碳在铁素体中的最大溶解度 共析点 碳在铁素体中的溶解度
2.11
Ld’
4.3
Ld’+Fe3CІ
6.69
0
0.77
wC/%→
3. 过共析钢
1538
wc=1.2% 室温组织： P+Fe3CⅡ
A
Ⅱ1 2
І 1 2
A
Ⅲ 1 2 3
L+A
L
1148 L+Fe3CІ
D C
727
1227
温度/℃→
G
912
E
F K
F+A F
3
P 4
3 Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A S 4
溶碳度：2.14%（最大）
有一定的强度和硬度，塑性也很好
渗碳体
铁与碳形成具有 复杂晶格的稳定 间隙化合物Fe3C
硬度很高 脆性大，塑性和韧性极低
返回
珠光体
铁素体和渗碳体组成 的机械混合物
综合力学性能较好
莱氏体
渗碳体为基体上分布
着奥氏体（珠光体）
硬度很高，塑性很差
简化图
1538 A 1227 D
过共析钢(Ⅲ)： L→L+A→A→A+Fe3CⅡ →P+Fe3CⅡ
共晶白口铁：L→Ld→Lˊd
亚共晶白口铁： L→L+A→Ld+A+Fe3CⅡ →Lˊd+P+Fe3CⅡ
过共晶白口铁： L→L+Fe3CІ→Ld+Fe3CІ →Lˊd +Fe3CІ
1. 共析钢
1538 A 温度/℃→ Ⅱ1 2
wc=0.77% 室温组织：P
按固态溶解度分： 有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体 无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体
形成无限固溶体的必备条件： 置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同
按溶质原子在晶格中的分布状态分： 有序固溶体、无序固溶体
金属化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的 溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组
PSK水平线—共析线（A1线）
含碳量为0.77%的
奥氏体冷却到此线时，在727 ℃同时析出铁素体和 渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。
GS线—（A3线）
的开始线。（γ
是冷却时奥氏体转变为铁素体
α）
ES线—称Acm线 线。 （γ
是碳在奥氏体中的溶解度线，
实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始
合金的相结构与铁碳合金状态图
§1.3.1合金的相结构
一、合金的概念
合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元
素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属 材料。
思考
金属与非金属组成的是不是一定就是合金？
Fቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ + C
Fe(C)合金（钢） Fe3C (化合物）
Na + Cl
盐
组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元
铁碳合金状态图是研究在平衡条件下，铁 碳合金的成分、组织和性能之间的关系及 变化规律，这里的平衡是指极其缓慢的冷 却。它以温度为纵坐标、合金成分（ Fe3C 或含碳量）为横坐标的图形。它是说明合 金成分、温度和组织三者关系的图形。
组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（δ）、 铁素体（α）、 奥氏体（γ） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Ld/Ld’）
A
2. 亚共析钢
1538
A
Ⅱ1 2
wc=0.6% 室温组织： P+F
І 1 2
A
Ⅲ 1 2 3
L+A
L
1148 L+Fe3CІ
D C
727
1227
温度/℃→
G
912
E
F K
P 4 F
F+A
3
3 Fe3CⅡ+A Ld+Fe3CⅡ+A S 4
Fe3CⅡ+P
Ld
Ld+Fe3CІ
F+P P
结晶过程：
Q
Ld’+Fe3CⅡ+P