3. 第三章 铁碳合金和铁碳相图
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2. 控制方法：
N —— 加入Al→AlN H —— 冶金时防止进入， 去氢退火 O —— 加脱氧剂 Si,Mn等
46
47
共析钢 过共析钢
0.77%
亚共晶白口铁
白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁 过共晶白口铁
4.3%
20
工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
21
返回
工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
M Fe 3C 0.77 0.0008 100% 11.5% 6.69 0.0008
25
Fe3C相的质量分数
L相冷却 L相→ δ相 剩余L相→ γ相 γ单相的冷却
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
百度文库
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
二、Mn
脱氧剂，除硫剂，（且强化F,提高淬透性），但MnO、 MnS易成为非金属夹杂物, ∴Mn%<0.8% Mn+S→MnO Mn+S→MnS 三、S 不 利 作 用 ： 引 起 热 脆 ,S ％ <0.050%. < 原 因 ： FeS （ Tm=1190℃ ） ； (Fe+FeS) （ Tm=989℃ ） ； (Fe+FeS +FeO)（Tm=940℃）;锻造温度：1150-1250℃> 有利作用：提高切削加工性
第三章 铁碳合金和铁碳相图
第三章 铁碳合金和铁碳相图
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
§3.2 Fe-Fe3C相图
§3.3 典型合金的平衡结晶
§3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
§3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响
1
§3.1 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’）
42
强
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
Ｃ％↑, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随Ｃ％ ↑而增大。 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度 的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度 迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到 2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变 化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
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？
24
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。
A(0.0008)
C
Fe3C
B(6.69)
0.77
相的质量分数
6.69 0.77 M 100% 88.5% 6.69 0.0008
43
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。
44
返回
3.5 钢中的杂质元素
一、Si
脱氧剂，（且强化F,提高淬透性） 但SiO2易成为非金 属夹杂, ∴Si%<0.5% Si+O2→SiO2
45
3.5 钢中的杂质元素
四、P 不利作用：引起冷脆, P％<0.045%。 （原因：固溶 于F→钢强硬度↑，塑韧性↓↓） 有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等
五、 N、H、O 1. 一般情况下均是有害元素 N —— 时效形成氮化物→脆化 H —— 氢脆， 白点→塑韧性↓↓ O —— 形成氧化物 → 非金属夹杂
33
课后作业
亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳 体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分 数。（亚共析钢以含碳量0.45%为例，过共析钢以含碳 量1.0%为例）
34
返回
共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C） 共晶中的γ相不断析出Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
17
3.2
Fe-Fe3C相图
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
18
3.2
Fe-Fe3C相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
19
返回
3.3
典型合金的平衡结晶
工业纯铁
﹤0.0218%
亚共析钢 铁碳合金 碳素钢
0.0218～2.11%
2
纯铁
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
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，可作为电工材料用于各种铁芯。 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。
3
3.2
Fe-Fe3C相图
相图中的三个重要点 相图中的五个单相(区) 相图中的三条水平线 相图中的四条垂直线
22
返回
共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应L相中析出γ相（奥氏体A）
γ单相固溶体的冷却
γ相发生共析反应生成珠光体P
23
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
13
返回
3.2
Fe-Fe3C相图
14
返回
3.2
Fe-Fe3C相图
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( Fe3C+ γ )
共析反应： γ＝P (Fe3C+ α)
15
返回
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
3.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢 亚共析钢 共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
16
共晶白口铁
3.2
Fe-Fe3C相图
35
注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ，但其依附于莱氏体中的 Fe3C长大，不可见 共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le ’（珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上） 共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高
36
亚共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ γ相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C） 先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相
30
过共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却 L相→ γ相
γ单相固溶体（奥氏体）的冷却 γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ） 共析转变： γ相→（ α+Fe3C），存在
Fe3CⅡ
31
32
过共析钢的平衡结晶过程
注意事项
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体 Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大 过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数
析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 先共晶γ相 → P
室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
37
38
过共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ Fe3C相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
12
3.2
Fe-Fe3C相图
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H 点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分的 γ。
C点为共晶点 1148 ℃时, C点成分的L发 生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C（莱 氏体）。
S点为共析点 727 ℃时, S点成分的γ发生共 析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
26
27
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
28
亚共析钢的平衡结晶过程
P
A(0.0218)
室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
39
40
小结
碳含量对铁碳合金室温组织的影响
a+Fe3CⅢ a+P P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Le’
Le’
Fe3C+Le’
41
返回
硬
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和
质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度 低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度 约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。
C 0.6
P
B(0.77)
29
亚共析钢的平衡结晶过程
计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
组织组成物的 质量分数 P组织组成物的 质量分数
0.77 0.6 M 100% 22.72% 0.77 0.0218
MP 0.6 0.0218 100% 77.28% 0.77 0.0218
N —— 加入Al→AlN H —— 冶金时防止进入， 去氢退火 O —— 加脱氧剂 Si,Mn等
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共析钢 过共析钢
0.77%
亚共晶白口铁
白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁 过共晶白口铁
4.3%
20
工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
21
返回
工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
M Fe 3C 0.77 0.0008 100% 11.5% 6.69 0.0008
25
Fe3C相的质量分数
L相冷却 L相→ δ相 剩余L相→ γ相 γ单相的冷却
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
百度文库
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
二、Mn
脱氧剂，除硫剂，（且强化F,提高淬透性），但MnO、 MnS易成为非金属夹杂物, ∴Mn%<0.8% Mn+S→MnO Mn+S→MnS 三、S 不 利 作 用 ： 引 起 热 脆 ,S ％ <0.050%. < 原 因 ： FeS （ Tm=1190℃ ） ； (Fe+FeS) （ Tm=989℃ ） ； (Fe+FeS +FeO)（Tm=940℃）;锻造温度：1150-1250℃> 有利作用：提高切削加工性
第三章 铁碳合金和铁碳相图
第三章 铁碳合金和铁碳相图
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
§3.2 Fe-Fe3C相图
§3.3 典型合金的平衡结晶
§3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
§3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响
1
§3.1 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’）
42
强
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
Ｃ％↑, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随Ｃ％ ↑而增大。 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度 的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度 迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到 2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变 化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
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？
24
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。
A(0.0008)
C
Fe3C
B(6.69)
0.77
相的质量分数
6.69 0.77 M 100% 88.5% 6.69 0.0008
43
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。
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返回
3.5 钢中的杂质元素
一、Si
脱氧剂，（且强化F,提高淬透性） 但SiO2易成为非金 属夹杂, ∴Si%<0.5% Si+O2→SiO2
45
3.5 钢中的杂质元素
四、P 不利作用：引起冷脆, P％<0.045%。 （原因：固溶 于F→钢强硬度↑，塑韧性↓↓） 有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等
五、 N、H、O 1. 一般情况下均是有害元素 N —— 时效形成氮化物→脆化 H —— 氢脆， 白点→塑韧性↓↓ O —— 形成氧化物 → 非金属夹杂
33
课后作业
亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳 体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分 数。（亚共析钢以含碳量0.45%为例，过共析钢以含碳 量1.0%为例）
34
返回
共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C） 共晶中的γ相不断析出Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
17
3.2
Fe-Fe3C相图
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
18
3.2
Fe-Fe3C相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
19
返回
3.3
典型合金的平衡结晶
工业纯铁
﹤0.0218%
亚共析钢 铁碳合金 碳素钢
0.0218～2.11%
2
纯铁
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
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，可作为电工材料用于各种铁芯。 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。
3
3.2
Fe-Fe3C相图
相图中的三个重要点 相图中的五个单相(区) 相图中的三条水平线 相图中的四条垂直线
22
返回
共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应L相中析出γ相（奥氏体A）
γ单相固溶体的冷却
γ相发生共析反应生成珠光体P
23
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
13
返回
3.2
Fe-Fe3C相图
14
返回
3.2
Fe-Fe3C相图
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( Fe3C+ γ )
共析反应： γ＝P (Fe3C+ α)
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返回
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
3.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢 亚共析钢 共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
16
共晶白口铁
3.2
Fe-Fe3C相图
35
注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ，但其依附于莱氏体中的 Fe3C长大，不可见 共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le ’（珠光体呈粒状分布在Fe3C基体上） 共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体脆性较大，硬度较高
36
亚共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ γ相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C） 先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相
30
过共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却 L相→ γ相
γ单相固溶体（奥氏体）的冷却 γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ） 共析转变： γ相→（ α+Fe3C），存在
Fe3CⅡ
31
32
过共析钢的平衡结晶过程
注意事项
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体 Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大 过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ 利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量分数
析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 先共晶γ相 → P
室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
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过共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ Fe3C相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
12
3.2
Fe-Fe3C相图
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H 点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分的 γ。
C点为共晶点 1148 ℃时, C点成分的L发 生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C（莱 氏体）。
S点为共析点 727 ℃时, S点成分的γ发生共 析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
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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
28
亚共析钢的平衡结晶过程
P
A(0.0218)
室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
39
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小结
碳含量对铁碳合金室温组织的影响
a+Fe3CⅢ a+P P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Le’
Le’
Fe3C+Le’
41
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硬
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和
质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度 低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度 约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。
C 0.6
P
B(0.77)
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亚共析钢的平衡结晶过程
计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
组织组成物的 质量分数 P组织组成物的 质量分数
0.77 0.6 M 100% 22.72% 0.77 0.0218
MP 0.6 0.0218 100% 77.28% 0.77 0.0218