3_铁碳合金相图及应用
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铁碳合金的结构和其相图
➢ 以0.45%C旳钢为例 ➢ 合金在4点此前经过匀晶—
包晶—匀晶反应全部转变为
。到4点，由 中析出 。
Ⅲ
A
H
B
J
G S
P
+Fe3C
到5点, 成份沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。 温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，因为与共析Fe3C结合, 且 量少, 忽视不计。
工程技术学院
亚共析钢旳结晶过程
莱氏体
工程技术学院
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C
共析转变旳产物是 与
Fe3C旳机械混合物，称 作珠光体，用P表达。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
➢ 珠光体旳组织特点是两
相呈片层相间分布,性能 介于两相之间。 PSK线 又称A1线 。
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⑶ 其他相线 ✓ GS,GP— ⇄ 固溶体
➢⒈ 组元：Fe、 Fe3C ➢⒉ 相
➢⑴ 铁素体：
➢ 碳在-Fe中旳固溶体称
铁素体, 用F 或 表达。 ➢ 碳在δ-Fe中旳固溶体称δ -铁素体，用δ 表达。
铁素体
➢ 都是体心立方间隙固溶体。铁素体旳溶碳能力很低,在
727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
➢ 铁素体旳组织为多边形晶粒，性能与纯铁相同。
转变线, GS又称A3 线。 ✓ HN,JN—δ⇄ 固溶体转
变线。 ✓ ES—碳在 -Fe中旳固溶
线。又称Ac m线。 ✓ PQ—碳在-Fe中旳固溶
线。
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⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
包晶—匀晶反应全部转变为
。到4点，由 中析出 。
Ⅲ
A
H
B
J
G S
P
+Fe3C
到5点, 成份沿GS线变到S点， 发生共析反应转变为珠光体。 温度继续下降， 中析出Fe3CⅢ，因为与共析Fe3C结合, 且 量少, 忽视不计。
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亚共析钢旳结晶过程
莱氏体
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PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C
共析转变旳产物是 与
Fe3C旳机械混合物，称 作珠光体，用P表达。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体
➢ 珠光体旳组织特点是两
相呈片层相间分布,性能 介于两相之间。 PSK线 又称A1线 。
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⑶ 其他相线 ✓ GS,GP— ⇄ 固溶体
➢⒈ 组元：Fe、 Fe3C ➢⒉ 相
➢⑴ 铁素体：
➢ 碳在-Fe中旳固溶体称
铁素体, 用F 或 表达。 ➢ 碳在δ-Fe中旳固溶体称δ -铁素体，用δ 表达。
铁素体
➢ 都是体心立方间隙固溶体。铁素体旳溶碳能力很低,在
727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
➢ 铁素体旳组织为多边形晶粒，性能与纯铁相同。
转变线, GS又称A3 线。 ✓ HN,JN—δ⇄ 固溶体转
变线。 ✓ ES—碳在 -Fe中旳固溶
线。又称Ac m线。 ✓ PQ—碳在-Fe中旳固溶
线。
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⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
4.3_铁碳合金相图及应用
4．过共析钢（（0.77%～2.11%C） 过共析钢的结晶过程如图所示。 由示意图分析可知，过共析钢结晶过程的基本反应为 [匀晶反应+二次析出反应+共析反应]，室温组织为珠光体+ 二次渗碳体，显微组织如图所示。 过共析钢中Fe3CⅡ的最大相对量为：
2.11 0.77 Fe3CⅡ 100 % 22.6% 6.69 0.7
两者性能与晶粒大小、杂质含量有关
2．奥氏体 奥氏体是碳在γ-Fe中的固溶体，用符号“A”表示。高 温奥氏体的显微组织如图所示。 奥氏体的特点： ① 在1148℃时有最大溶解度2.11%C，727℃时可固溶 0.77%C； ② 其力学性能与含碳量及晶粒大小有关，一般170～ 220HBS、δ=40～50%； ③ 形变能力好，形变抗力小。
⑤ 热处理工艺性能和热处理效果。
“铁碳合金相图及应用”部分结束！ 请转入：
“钢的热处理”
3）白口铸铁（2.11～6.67％C），根据室温的不同，分为： ① 亚共晶白口铸铁 ② 共晶白口铸铁（≈4.3 ％C）
③ 过共晶白口铸铁（＞4.3％C）
2．共析钢（≈0.77％C） 共析钢的结晶过程如图a)所示。
由示意图分析可知，共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶 反应+共析反应]，室温组织为珠光体显微组织。 P中F和Fe3C的相对量：
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
1．铁碳合金相图上的各种合金，一般分为三类： 1）工业纯铁（＜0.02% C ），室温组织为α固溶体； 2）钢（0.02～2.11％C）， 根据室温组织不同，分为： ① 亚共析钢（＜0.77％C ） ② 共析钢（≈0.77％C） ③ 过共析钢（＞0.77％C）
1．铁碳合金的含碳量对组织的影响 2．含碳量对热轧状态钢的力学性能的影响
3-1 铁碳合金相图
5、莱氏体（Ld）
莱氏体是高温下由奥氏体和渗碳体组成的共晶体。 （1）莱氏体中由于大量渗碳体存在，其性能与渗碳体相似， 即硬度高，塑性差，不能进行压力加工。
室温下，铁碳合金中最主要的相是F和Fe3C，，既可以在 钢铁材料中独立存在，也可以以机械混合物形式组成基本相。
两种反应
1、共析反应
一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和 结构均不相同的新的固相的反应。两相的机械混合物称为
共析体。
727 ℃
A0.77%c
F0.02%c+Fe3C6.69%c
共析反应的产物即珠光体 P＝ F0.02%c+Fe3C6.69%c
2、共晶反应
一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种 成分和结构均不相同的固相的反应。
1148 ℃
L 4.3%c
A2.11%c+Fe3C6.69%c
共晶反应的产物即莱氏体 Ld=(A2.11%c+Fe3C6.69%c)
注：随温度降低至727℃时，A转变为P，室温下
变成：P+ Fe3C共晶组织，称为 低温莱氏体L'd
L'd =（P+ Fe3C）
F、A、 Fe3C是单相组织 P、 Ld 是混合物
三、铁碳合金相图 铁碳合金相图是表示在缓慢冷却的条件下，表明铁碳合金
成分、温度、组织变化规律的简明图解，它也是选择材料
和制定有关热处理工艺时的重要依据。 由于WC>6.69%的铁碳合金脆性很大，在工业生产中没有 使用价值，所以我们只研究WC小于6.69%的部分。 WC=6.69%对应的正好全部是渗碳体，把它看作一个组元， 实际上我们研究的铁碳相图是Fe-Fe3C相图。为了便于研究分
第五章 铁碳合金相图及应用
铁碳合金基本相铁碳相图重要点线区分析铁碳合金分类工业纯铁亚共析钢共析钢过共析钢凝固结晶分析合金成分与组织性能关系及应用第一节p72铁碳合金相图是制定热加工热处理冶炼和铸造等工艺依据
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
03 铁碳合金相图
二、铁碳合金的基本相
1.铁素体 ( F或α )
碳溶于α–Fe中的间隙 固溶体，呈体心立方晶格 ， 它的晶格间隙小，因而溶解 碳的能力较低。在727℃时 溶碳量最大，可达0.0218％。 随着温度的降低，它的溶碳 能力继续降低，在室温约为 0.0008％。 铁素体的组织为多边形 晶粒，性能与纯铁相似,即 铁素体的强度、硬度不高， 但塑性、韧性良好。
S ⇄FP+ Fe3C
• ⑶ 其它相线
3、铁碳合金状态图中的相区
（1）五个单相区 ABCD线以上的液相区（L）；AHNA线围着的δ固溶体相 区（δ）；NJESGN线围着的奥氏体相区（A）；GPQG 线围着的铁素体相区（F）；DFKL线垂线代表的渗碳体 相区（Fe3C）。 （2）七个双相区 ABＨA线围着的L+δ相区；JBCEJ线围着的L+A相区； DCFD线围着的L+Fe3CⅠ相区；HJNH线围着的δ+A相区； EFKSE线围着的A+Fe3C相区；GSPG线围着的A+F相区； QPSKLQ线围着的F+Fe3C相区。 （3）三个三相共存区 HJB线为L 、δ、A三相区；ECF线为L、A、Fe3C三相区； PSK线为A、F、Fe3C三相区。
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
铁碳合金相图是
研究铁碳合金最 基本的工具，是 研究碳钢和铸铁 的成分、温度、
组织及性能之间
关系的理论基础,
是制定热加工、
热处理、冶炼和
铸造等工艺依据.
2.5.2 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本相的结构与性能
一、组元
* 铁 (Fe)
机械性能特点是强度、硬度低，塑性 好 * 渗碳体 (Fe3C ) 机械性能特点硬而脆
铁碳合金相图及应用
相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢处于奥氏体状态时 强度较低, 塑性较好, 因 此锻造或轧制选在单相奥 氏体区进行。一般始锻、 始轧温度控制在固相线以 下100℃～200℃范围内。 一般始锻温度为1150℃～ 1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
硬度 50HB～80HB
2．共析钢 C%=0.77%
2．共析钢 C%=0.77%
相组成物：F和Fe3C 相相对量：F%= 组织组成物 ：P
Fe3C%=
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
L → L+A → A → A+F → A+P+F → P+F
相相对量：F%=
Fe3C%=
组织组成物：F பைடு நூலகம் Fe3CIII
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、 塑性好。主要机械性能如下：
抗拉强度极限 σb 180MPa～230MPa
抗拉屈服极限 σ0.2 100MPa～170MPa 延伸率 δ 30%～50% 断面收缩率 ψ 70%～80% 冲击韧性 ak 1.6×106J/m2～2×106 J/m2
三、渗碳体 Fe3C相，由Fe与C组成一种复杂结构的间隙化合 物,渗碳体的熔点高，性能：硬而脆，塑性、韧性几乎为 零。按不同生成条件形状有：条状、网状、片状、粒状等 形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、相图中的点、线、面：三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。
本章结束
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
铁碳合金相图（超清楚版）
600700800900
F 温度/
℃Fe-Fe 3C 合金相图
Fe K
D
1、铁素体：碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F 或α表示。
碳在α-Fe 中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。
2、奥氏体： 碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A 或γ表示。
3、渗碳体： 渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe 3C ，渗碳体既是组元，又是基本相。
4、珠光体：用符号P 表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械机械混合物。
5、莱氏体：用符号Ld 表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。
特性点符号 温度/℃ ωc （%）含义
A 1538 0熔点：纯铁的熔点
C 1148 4.3共晶点：发生共晶转变L4.3→Ld(A2.11%+Fe3C 共晶)
D 1227 6.69熔点：渗碳体的熔点
E 1148 2.11碳在γ-Fe 中的最大溶解度点
G 912 0同素异构转变点
S 727 0.77共析点：发生共析转变A0.77%→p(F0.0218%+Fe3C 共析)P 727 0.0218碳在α-Fe 中的最大溶解度点
Q 室温 0.0008室温下碳在α-Fe 中的最大溶解度。
工程材料基础3.1铁碳合金相图
C1
A
S
2
L
1 1' 1'
｝ Fe3C
A
Ld
室温平衡组织:100% Ld
2 2 2'
｝ A
Fe3C+Fe3CⅡ
Ld
｝ Fe3C+Fe3CⅡ L'd
P 2'
时间
铁碳合金相图分析
➢亚共晶白口铁[2.11%< wc <4.3%]
A
B
δH J
N
A
E
G
S
F
P
0L
1 C
2
3
Fe
0.02% 0.77%
2.11%
4
4.3%
D F
K
Fe3C
6.69%
铁碳合金相图分析
➢亚共晶白口铁[2.11%< wc <4.3%]
温度
wc=2.5%
B L
J
L+A 1
E
2C
AHale Waihona Puke S34L
1 1~2
2 2' 2'
A
室温平衡组织:P+ Fe3CⅡ+ Ld
L
｝ FAe3C Ld
A
｝ FeA3C+FAFe3eC3CⅡⅡ
Ld
3 3 3' 3'~4
➢ 用途：在钢中起强化作用
铁碳合金基本组织
珠光体（P） 由铁素体和渗碳体组成的多相组织
➢ 含碳百分数：0.77% ➢ 性能：介于渗碳体和铁素体中间，强度和塑性较高，硬度适中
铁碳合金基本组织
莱氏体（Ld）
含碳量为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
铁碳相图原理及应用
4. 珠光体( P )
珠光体( P ):铁素体和渗碳体的机械混合 物(F+Fe3C) ① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成 ② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解 得到
5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C ) ① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到 ② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.
1、铁素体（α-Fe）
铁素体（ F ）：C 溶在 α—Fe中的一种间隙固 溶体 ① 晶体结构：体心立方晶格 ② 溶碳能力：较小，常温下0.008%以下，在 727℃时溶碳能力达到最大0.0218%。 ③ 组织形态：多边形等轴晶粒 ④ 机械性能：与纯 Fe 性能相似，属软韧相， 强度和 硬度不高，塑性、韧性好。 ⑤ 表示方法：一般用 F 表示，也有用α—Fe、 α 、φ等
典型合金平衡结晶过程和组织
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
工业纯铁的平衡凝固过程及组织 组织 F+（Fe3C）III
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
2.共析钢(0.77%C,合金②)
共析转变 转变产物为珠光体 ,转变过程 L → L+A → A → P ( Fe3C +F )
1.2.2相图中的点、线、区及其意义
Fe-Fe3C相图中各点的成分、温度及其特性综合
3-材料的凝固与铁碳合金相图的分析及应用-机械工程学院
则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =1×x
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x对 重量百分比为：
第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线
金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
2、过冷与过冷度
xx2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx2 Q x1 x ao
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于 该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于 形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大，而长大速度越小，单位 体积中晶核的数目越多，每个晶核来不 及长大，从而得到的晶粒越细小。 细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的 强度、硬度越高，塑性和韧性越好。
QL x1 + Q x2 =1×x
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x对 重量百分比为：
第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线
金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
2、过冷与过冷度
xx2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx2 Q x1 x ao
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于 该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于 形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大，而长大速度越小，单位 体积中晶核的数目越多，每个晶核来不 及长大，从而得到的晶粒越细小。 细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的 强度、硬度越高，塑性和韧性越好。
3-3 铁碳合金相图
铁 碳 合 金 状 态 图
5） ECF水平线（1148C）为共晶线： 与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在 该线温度下将发生共晶转变：L4.3 A2.11 + Fe3C。 转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为 莱氏体，用符号“Ld”表示。莱氏体的组织特点 为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
3、过共析钢的结晶过程 过共析钢在3点以前与共析钢类似； 当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的 下降而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗 碳体；随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出 ，而剩余奥氏体的碳含量沿ES线逐渐减少； 温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生 共析转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳 体，直至室温。 所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二 次滲碳体。 但随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少 ，网状二次 滲碳体的数量增加，并变得更粗大。
L（4.3％C） Ld（A＋Fe3C）
铁 碳 合 金 状 态 图
2、主要特性线 2） ） ACD AECF 线 31 ） GS 线线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通 的线，铁碳合金在此线以上处于液相。 的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体 常称为 A3线。 AC线下结晶出奥氏体；CD线下结晶出渗碳体。 状态。
w
2、亚共析钢（以 c=0.45％为例） 过W c=0.45％的亚共析钢作合金线，与相图 分别交于1、2、3、4点温度。 亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似； 当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素 体； 温度继续下降，奥氏体量逐渐减少，铁素体 量逐渐增加，就会将多余的碳原子转移到尚未转 变的奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量沿 GS线逐渐增加。 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。
铁碳合金相图的应用(精)
Байду номын сангаас
相图的实际应用
为选材提供成分依据 • 低碳钢（0.10~0.25%C）:适用于要求塑性，韧性好的零 件，如建筑结构和容器等。 • • • 中碳钢（0.25~0.60%C）:适用于要求强度、塑性、韧性
都较好的零件，如轴等。
高碳钢（0.6~1.3%C）:适用于要求硬度高、耐磨性好的 零件，如工具等。 白口铸铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具 有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲
击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。
Fe-Fe3C相图与铸锻工艺的关系
相图的实际应用
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，为工艺参数确定提供依 据。
相图的实际应用
为选材提供成分依据 • 低碳钢（0.10~0.25%C）:适用于要求塑性，韧性好的零 件，如建筑结构和容器等。 • • • 中碳钢（0.25~0.60%C）:适用于要求强度、塑性、韧性
都较好的零件，如轴等。
高碳钢（0.6~1.3%C）:适用于要求硬度高、耐磨性好的 零件，如工具等。 白口铸铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其具 有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而不受冲
击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等。
Fe-Fe3C相图与铸锻工艺的关系
相图的实际应用
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，为工艺参数确定提供依 据。
铁碳合金相图上
谢谢观看
变压器铁芯等。
钢
要点一
总结词
强度和塑性较高，用途广泛，根据不同碳含量和合金元素 有不同分类。
要点二
详细描述
钢是一种碳含量在0.03%-2.0%之间的铁碳合金，其强度和 塑性较高，用途广泛。根据不同的碳含量和添加的合金元 素，钢可以分为多种类型，如碳素钢、合金钢等。碳素钢 是最基础的钢种，而合金钢则通过添加适量的合金元素来 提高其力学性能、耐腐蚀性、耐热性等。
特点
铁碳合金相图具有温度和成分双轴，标明了不同成分和温度下的平衡相状态、相转变温度和转变过程，是钢铁材 料研究和生产的重要依据。
02
铁碳合金的相
铁素体
总结词
强度和硬度较低，塑性和韧性较好。
详细描述
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格结构。由于碳原子在αFe中的溶解度较小，因此铁素体的强度和硬度较低，而塑性和韧性较好。在室 温下，铁素体是钢铁等铁碳合金的主要组成相。
通过铁碳合金相图，可以了解不同成分铁碳合金在不同温度下的相组成和组织结构，为钢铁材料的研发和应用提供基 础数据。
指导钢铁材料的生产和加工
铁碳合金相图是钢铁材料生产和加工过程中的重要参考依据，可以指导冶炼、铸造、轧制等工艺过程，提高产品质量 和性能。
优化钢铁材料的热处理工艺
通过铁碳合金相图，可以了解不同成分铁碳合金在不同温度下的相变规律和组织转变，为钢铁材料的热 处理工艺提供理论依据，优化热处理工艺参数，提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。
莱氏体
总结词
强度和硬度很高，塑性和韧性很差。
详细描述
莱氏体是铁、碳、硅等元素的复杂化合物， 具有非常复杂的晶格结构。莱氏体的碳含量 很高，因此其强度和硬度很高，但塑性和韧 性很差。莱氏体通常以独立相的形式存在于 铁碳合金中，对合金的力学性能产生重要影 响。
铁碳合金相图分析及应用
第五章铁碳合金相图及应用[重点掌握]1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。
铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。
第一节铁碳合金基本相一、铁素体1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。
2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。
F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%）二、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形三、渗碳体Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。
第二节Fe-Fe3C相图分析一、相图中的点、线、面1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB，J为包晶点。
1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A（2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。
冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号Le表示。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。
合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe3C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）共析反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe3C三相共存。
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2．合金系：由两个或两个以上组元按不同 比例配制成的一系列不同成分的合金，称为 合金系。
3．相图：用来表示合金系中各个合金的结 晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或 平衡图。
§2铁碳合金基本相
一.组元的性质 ——多晶型性
纯铁的同素异构转变:
室温~912℃ 体心立方（b、c、c）称 Fe
3
1227
F
K
600
4
400 P
Ld
Q F+PP+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld'
Fe3CⅡ+Ld'
200
0.77 2.11
4.3
Fe3C
Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.06.69
WC × %
图4-2
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1.含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢（合金②） 3.含碳0.40%的亚共析钢（合金③） 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）
过共析钢组织金相图
图4-10
铁碳合金组织特征图
(a) 0.01%C铁素体500× (b) 0.45%C铁素体+珠光体 500×
(c).0.77%C珠光体 500× d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
图4-11
5. 共晶白口铁的结晶过程
图4-12 共晶白口铁的结晶过程示意图
共晶白口铁组织金相图
典型铁碳合金结晶过程图
①②③ ④
⑥ ⑤⑦
温 度
℃
1600δ δ +
1400A
A11538 L+δ
2H 1 4J32
1495
B1
1394℃ 2 L+A
1
1200 A
1148
L C1
1000 G 800F
P95F14+25A℃33SA34+Fe3CⅡEA+F23e3CⅡ+LdL2d
D
1 L+Fe3C 2 Ld+Fe3CⅠ
元。
三．特性点、特性线
图4-1 Fe-Fe3C相图
§3 铁碳合金相图分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 二、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
纯铁 钢
亚共析钢 共析钢 过共析钢
白口铸铁
亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：
F F 3 C Ⅲ F e P P P F 3 C Ⅱ P e F 3 C Ⅱ L d ‘ e L d ‘ F 3 C Ⅲ L d ‘ e
Fe3C（Ⅲ 沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素 体内的片层状）→ Fe3C（Ⅱ 沿A晶界呈网状分布）→ 共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→ Fe3C（Ⅰ 分布在 莱氏体上的粗大片状）。
白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其 具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而 不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁 球等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过程
图4-16 过共晶白口铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
图4-17
§4 合金成分、组织与性能关系
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§5 铁碳合金相图应用简介
1．为选材提供成分依据 2．为制定热加工工艺提供依据
1．为选材提供成分依据
若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等， 应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强 度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢 （0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性 好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。
912℃~1394℃面心立方（f、c、c）称 Fe 1394℃~熔点体心立方（b、c、c）称 Fe
二. 铁与碳构成的基本相
铁素体
铁素体是碳在 Fe中形成的固溶体。
奥氏体 奥氏体是碳在 Fe 中形成的固溶体
渗碳体
渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间 隙化合物，分子式Fe3C，是铁碳相图中的另一个组
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
工业纯铁组织金相图
图4-4
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
共析钢金相组织图
图4-6
3.亚共析钢结晶过程
图4-7亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢组织金相图
图4-8
4.1.2%C的过共析钢的结晶过程
图4-9 过共析钢的结晶过程
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。
作业题：
1 铁碳合金有哪三种基本相？ 2 画出铁碳平衡相图，并标注出钢的部分在室
温时的组织组成物和相组成物。
第五章 铁 碳 合 金 相 图
§1相图的相关概念 §2铁碳合金基本相 （相图构成） §3 合金相图分析 §4 合金成分、组织与性能关系 §5 铁碳合金相图应用简介
§1相图的相关概念
1． 组元：组成合金的最简单、最基本，能 够独立存在的物质称为组元。但在所研究的 范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳 定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组 元。
3．相图：用来表示合金系中各个合金的结 晶过程的简明图解称为相图，又称状态图或 平衡图。
§2铁碳合金基本相
一.组元的性质 ——多晶型性
纯铁的同素异构转变:
室温~912℃ 体心立方（b、c、c）称 Fe
3
1227
F
K
600
4
400 P
Ld
Q F+PP+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+Ld'
Fe3CⅡ+Ld'
200
0.77 2.11
4.3
Fe3C
Fe 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.06.69
WC × %
图4-2
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1.含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢（合金②） 3.含碳0.40%的亚共析钢（合金③） 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）
过共析钢组织金相图
图4-10
铁碳合金组织特征图
(a) 0.01%C铁素体500× (b) 0.45%C铁素体+珠光体 500×
(c).0.77%C珠光体 500× d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
图4-11
5. 共晶白口铁的结晶过程
图4-12 共晶白口铁的结晶过程示意图
共晶白口铁组织金相图
典型铁碳合金结晶过程图
①②③ ④
⑥ ⑤⑦
温 度
℃
1600δ δ +
1400A
A11538 L+δ
2H 1 4J32
1495
B1
1394℃ 2 L+A
1
1200 A
1148
L C1
1000 G 800F
P95F14+25A℃33SA34+Fe3CⅡEA+F23e3CⅡ+LdL2d
D
1 L+Fe3C 2 Ld+Fe3CⅠ
元。
三．特性点、特性线
图4-1 Fe-Fe3C相图
§3 铁碳合金相图分析
一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 二、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
纯铁 钢
亚共析钢 共析钢 过共析钢
白口铸铁
亚共晶白口铁 共晶白口铁 过共晶白口铁
含碳量对平衡组织的影响
铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：
F F 3 C Ⅲ F e P P P F 3 C Ⅱ P e F 3 C Ⅱ L d ‘ e L d ‘ F 3 C Ⅲ L d ‘ e
Fe3C（Ⅲ 沿F晶界分布的基片）→共析渗碳体（分布在铁素 体内的片层状）→ Fe3C（Ⅱ 沿A晶界呈网状分布）→ 共晶渗碳体（为莱氏体的基体）→ Fe3C（Ⅰ 分布在 莱氏体上的粗大片状）。
白口铁具有很高的硬度和脆性，应用很少，但因其 具有很高的抗磨损能力，可应用于少数需要耐磨而 不受冲击的零件，如：拔丝模、轧辊和球磨机的铁 球等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过程
图4-16 过共晶白口铁结晶过程示意图
过共晶白口铁组织金相图
图4-17
§4 合金成分、组织与性能关系
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§5 铁碳合金相图应用简介
1．为选材提供成分依据 2．为制定热加工工艺提供依据
1．为选材提供成分依据
若零件要求塑性，韧性好，如建筑结构和容器等， 应选用低碳钢（0.10~0.25%C）；若零件要求强 度、塑性、韧性都较好，如轴等，应选用中碳钢 （0.25~0.60%C）；若零件要求硬度高、耐磨性 好，如工具等，应选用高碳钢（0.6~1.3%C）。
912℃~1394℃面心立方（f、c、c）称 Fe 1394℃~熔点体心立方（b、c、c）称 Fe
二. 铁与碳构成的基本相
铁素体
铁素体是碳在 Fe中形成的固溶体。
奥氏体 奥氏体是碳在 Fe 中形成的固溶体
渗碳体
渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间 隙化合物，分子式Fe3C，是铁碳相图中的另一个组
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
工业纯铁组织金相图
图4-4
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
共析钢金相组织图
图4-6
3.亚共析钢结晶过程
图4-7亚共析钢结晶过程示意图
亚共析钢组织金相图
图4-8
4.1.2%C的过共析钢的结晶过程
图4-9 过共析钢的结晶过程
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。
作业题：
1 铁碳合金有哪三种基本相？ 2 画出铁碳平衡相图，并标注出钢的部分在室
温时的组织组成物和相组成物。
第五章 铁 碳 合 金 相 图
§1相图的相关概念 §2铁碳合金基本相 （相图构成） §3 合金相图分析 §4 合金成分、组织与性能关系 §5 铁碳合金相图应用简介
§1相图的相关概念
1． 组元：组成合金的最简单、最基本，能 够独立存在的物质称为组元。但在所研究的 范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳 定化合物也可称为组元，如Fe3C看作一组 元。