3. 第三章 铁碳合金和铁碳相图
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铁碳 合金相图
三、典型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) 组织为单相铁素体。 ⑵ 钢(0.0218~2.11%C) 高温组
织为单相，易于变形， ① 亚共析钢(0.0218~0.77%C) ② 共析钢(0.77%C) ③ 过共析钢(0.77~2.11%C)
二、铁碳合金相图的分析
1、特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
J
N
L+
G
+
L
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
2、特征线 ⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD
⑵ 三条水平线：
HJB：包晶线LB+δH⇄ J
ECF：共晶线LC⇄ E+ Fe3C
莱氏体
共晶产物是 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。
L--->L+A--->A--->A+F--->A+P+F--->P+F
相组成物：F，Fe3C
F%=
Fe3C%=
体温监测
学习目标
• 1、能阐述体温变化的临床意义 • 2、能掌握常用体温监测的方法 • 3、能选择正确的监测体温的方法 • 4、及时了解体温情况，为病情变化提供治疗
依据
体温是人体四大生命体征之一。
含1.4%C钢的组织
5．共晶白口铁（C%=4.3%）
L--->L+Le--->Le (A+Fe3C共晶)--->Le (A+Fe3C共晶+Fe3CII)-->Le’(P+Fe3CII+Fe3C)
铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
2020/11/4
12
铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
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奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
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（3）Fe3C(渗碳体） cementite
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4
（1）纯铁pure iron（多型性）
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➢ 纯铁熔点1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。
➢ 在912℃以下为体心立方 ， 称α铁(α-Fe)；
➢ 低温的铁具有铁磁性，在 770℃ 以 上 铁 磁 性 趋 于 消 失 。
➢ 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)；
称为铸铁 ➢含碳量小于0.0218％的铁碳合金则称为工
业纯铁
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25
根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
G 912
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0
α与γ同素异构转变点(A3)
17
2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 H J K N P S Q
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温度/℃ 1495 1495 727 1394 727 727 室温
含碳量/% 含义
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
第三节 铁碳合金及相图
3） Fe-Fe3C相图相区分析：
包括： （1）液相区： （2）液、固两相区： （3）固相区： 也包括： （1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3） 三相区：Le+A+ Fe3C、P+Le’+ Fe3C
简化后的Fe-Fe3C状态图
G Q
S
FP
Fe3 C K
4.3 6.69
P
0.0218 0.77 2.11
C%
C—共晶点，1148℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。 共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。
共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
L（4.3%C）
1148℃
A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）
纯铁
0.01%C铁素体500×
2）奥氏体（A）：碳溶解在γ -Fe中形成的间隙固溶体。 γ -Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。 由于γ -Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也 只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不 规则的颗粒状结构，并有明显的界限。 其 δ =40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是 绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。 3）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳 量为6.69%。 HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。
Fe-Fe3C相图中主要特性点含义见表：
2）Fe-Fe3C相图中特性线：
ACD线—液相线 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF线—固相线 AE—A析出终了线
第三章 铁碳合金相图
第三章铁碳合金相图非合金钢[（GB／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。
Fe3C的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-Fe3C相图。
相图的两个组元是Fe和Fe3C。
3.1 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为7.87⨯103kg/m2。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：α-Fe（体心）γ-Fe（面心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度σb=180～230MPa，屈服强度σ0.2＝100～δ-Fe （体心）170MPa，伸长率δ=30～50％，硬度为50～80HBS。
可见，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，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵Fe3C Fe3C是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表示。
Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度σb=30MPa，伸长率δ=0。
3.1.2 基本相Fe-Fe3C相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。
F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
3.铁碳合金和铁碳相图资料
发生共晶反应的成分范围： Wc ：2.11 %—6.69%
(合金成分线与ECF线相交) 产物： γE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Le表示。（Fe3C为
基体；γE呈粒状或卵状分布在基体上）
莱氏体是塑性很差也很硬的组织。 共晶点C ：(4.3,1148)
3）共析转变 （水平线PSK,亦称A1线） 727º C gs aP Fe3C +
HV=950~1050
δ=0
二、 Fe-Fe3C相图的相
1.液相 L
2.δ 相（高温铁素体）：碳溶于δ -Fe的间隙固溶体。
在1495℃时的最大溶碳量为0.09%。（bcc） 3.α 相（F，铁素体）：碳溶于α -Fe的间隙固溶体。 在727℃时的最大溶碳量为0.0218%。（bcc） 性能：软而韧
室温组织: 先共析F + P
亚共析钢显微组织示意图
室温组织为珠光体及铁素体,珠光体呈黑色块状, 铁素体呈连续白色网状在珠光体周围
亚共析钢结晶过程:L
L+A
A
F+A
F+P
求室温中相 组织的含量
室温各相的相对量：（在α + Fe3C两相区室温用杠杆定律） Fe3C%≈0.45/6.69=6.7%
温度低于此线时，
碳以Fe3C形式从A中析出，
析出的次生Fe3C 又称二次渗碳体， 记为Fe3CII 。
固溶度线
PQ 碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线
（温度 ，最大溶解度 ） (0.0008%—0.0218%)
温度低于727℃时，
碳以Fe3C形式从F中析出，
析出的Fe3C 又称三次渗碳体， 记为Fe3CIII 。
4.Fe-Fe3C相图中的转变
第3章 铁碳合金相图
ωc>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。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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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
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
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
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。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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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
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。
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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
第三章铁碳合金相图详解版
第 二 节 铁碳合金状态图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 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
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
第三章 铁碳合金相图
上一级
二、Fe-Fe3C合金的结晶过程及组织转变
1 2
1 2
1 2
3
3
3
上一级
1.合金Ⅰ（共析钢）
1点→2点 与匀晶相图完全相同。
2点为奥氏体
2点→3点 组织不变
3点
F
S ( F Fe 3 C )
SK PK 6.69 0.77 6.69 0.0218 100% 88.8%
金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的
倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低 碳钢和低碳合金钢。
上一级
（三） 切削加工性 金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易 程度。 钢的硬度在160～230HB时，切削加工性最好。
上一级
四、Fe-Fe3C相图的应用
第三章 铁碳合金相图 第一节 典型合金的结晶及其组织
一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金相 图分为三大类：工业纯铁、碳钢、白口铸铁。 1．工业纯铁 成分P点以左（Wc<0.0218%），即含碳量小于0.0218％ 的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。
上一级
2、碳钢 成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合 金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进 行热加工。 根据含碳量不同又可分为三类： （1） 共 析 钢——含碳量=0.77% （2） 亚共析钢——含碳量<0.77%
（3） 过共析钢——含碳量>0.77%
上一级
上一级
3．合金Ⅲ（过共析钢）
1点→3点间的结晶过程与共析钢相同。
3点 开始析出二次渗碳体。 3点→4点 不断析出二次渗碳体。 4点 发生共析转变而形成珠光体。
第3章 铁碳合金相图
珠光体（P）
Pearlite
HBS＝170～230 （纯铁HBS＝50～80）
工程材料及热加工
莱氏体 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物
含碳量:4.3% 共晶反应式:
L 4 .3 % C (A+Fe3C)
1148 C
性能：硬度高，塑性、韧性差
莱氏体(L)
Ledeburite
工程材料及热加工
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
工程材料及热加工
合金液体在 1-2点间转变 为。到S点 发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
工程材料及热加工
4)过共析钢结晶动态示意图 液相
奥氏体
析 出
奥氏体+二次渗碳体
共析 转变
珠光体+二次渗碳体
从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示
组成物标注区别 主要在+ Fe3C和
+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物
区， +Fe3C 相区
+ Fe3C
+ Fe3C
中有七个组织组
成物区。
工程材料及热加工
A
H
L+
温N A+ 度
A
J
B
L
D
L+A
E S
P A+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
工程材料及热加工
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 第二节 Fe-Fe3C相图 第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
第三章 铁碳相图
铁碳相图的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用，对指导铸锻焊 和热处理工艺有直接意义。 1. 铸造方面 可根据相图上液相线确定铸件的合理浇 注温度。一般选在液相线以上 50-150℃，共晶成 分铸铁铸造性能好。 2. 锻压方面 从相图可以知道把钢加热到A3和Acm线 之上都会变成单相奥氏体。奥氏体钢塑性好，强 度较低，适用于变形量大的热变形加工。 3. 焊接方面 可根据铁碳相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊 接应力。 4. 热处理方面 相图中的A1，A3和Acm三条相变线是 确定热处理工艺加热温度的依据。
2、碳的质量分数对平衡状态下碳钢机械性能的影响
1、硬度随含碳量 的增加而增加 2、强度随含碳量 的增加而增加， 到0.9%左右达到 最大，而后下降。 3、塑性、韧性随 含碳量的增加而 下降。
名称
组织
性能
铁素体 F/α相 奥氏体 A/γ相 珠光体 P 渗碳体 Fe3C
莱氏体 Ld 变态莱氏 体L’d
室温下各种相的相对含量，同理可求。
小结：标注组织的铁碳相图
小结：标注组织的铁碳相图
Ld
Ld
Ld
Ld′
Ld′
Ld′
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
铁碳合金的成分-组织-性能关系
三、铁碳合金的成分-组织-性能关系
1、碳的质量分数对平衡组织的影响
6.69 - 5 L'd % 100 % 70.7% 6.69 - 4.3 5 4.3 Fe3C(%) 100 % 29.3% 6.69 - 4.3
6.69 - 5 F% 100 % 25.3% 6.69 - 0.0218 5 0.0218 Fe3C(%) 100 % 74.7% 6.69 - 0.0218
第三章 铁碳合金相图
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、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%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
返回
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体
第三章 铁碳合金和铁碳相图
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
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？
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。
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
γ单相的冷却
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
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
化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
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。
返回
3.5 钢中的杂质元素
A(0.0008)
C 0.77
Fe3C
B(6.69)
相的质量分数
6.69 0.77 M 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe 3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
合金的结构与相图(材料第三章)
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
23
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx 2 x1x2
ob ab
Q
x1x x1x2
ao ab
两相的重量比为：
Q Q Lx x1x 2x (a o)o b或 Q Lx1xQ x2x
化， Ⅱ的重量增加。
F4
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F
1 G
0% 0
由于二次
相析出温
度较低，
一般十分
细小。
Q
Q Ⅱ
36
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G 37
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
第三章 合金的结构与相图
第一节 固态合金中的相结构 第二节 二元合金相图的建立 第三节 匀晶相图 *第四节 二元共晶相图 *第五节 二元包晶相图 *第六节 形成稳定化合物的二元合金相图 *第七节 具有共析反应的二元合晶相图 第八节 合金的性能与相图之间的关系
1
第一节 固态合金中的相结构
合金是指由两种或两种以上 元素组成的具有金属特性的 物质。
固态合金中的相分为固溶体
和金属化合物两类。
两相 合金
3
一、 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固
相称固溶体。习惯以、、表示。
与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。
第三章-铁碳合金相图【详解版】
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
• ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
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4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。
＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
1
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• 三、 含碳量对工艺性能的影响
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2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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20钢组织
40钢组织
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• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
60钢组织
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bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
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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
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
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’
41Βιβλιοθήκη 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
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
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
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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
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
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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）
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%
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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
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. 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
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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？
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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
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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
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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
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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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）
M Fe 3C 0.77 0.0008 100% 11.5% 6.69 0.0008
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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
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
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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)。
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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
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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
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’）