打印版铁碳合金相图
铁碳合金相图分析
1点以上
1～2点
2～3点
图3-3 共析钢结晶过程示意图
3点～室温
共析钢的室温组织全部为P，呈层片状，其室温下的显微组织如图3-4 所示。
图3-4 共析钢室温下的显微组织
（二）亚共析钢的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅱ为 wC 0.45% 的亚共析钢，其结晶过程如图 3-5 所示。
1点以上
1～2点
A3 线 合金冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的析出线
三、铁碳合金的结晶过程
图3-2 简化后的Fe-Fe3C相图
根据碳的质量分数和室温显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯 铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。
（一）共析钢的结晶过程 在图 3-2 中，合金Ⅰ为 wC 0.77% 的共析钢，其结晶过程如图 3-3 所示。
图3-12 亚共晶白口铸铁室温下的显微组织
（六）过共晶白口铸铁的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅵ为 wC 5.0% 的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图 3-13
所示。
1点以上
1～2点
2～3点
图3-13 过共晶白口铸铁的结晶示意图
3点～室温
过共晶白口铸铁室温下的显微组织如图 3-14 所示，图中白色条状为 Fe3CⅠ ， 黑白 相间的 基 体 为 Ld′ 。所 有过共 晶 白口 铸铁 的 室温 组织 均 为 Ld Fe3CⅠ，只是随着碳含量的增加， Fe3CⅠ量增加。
0.09
碳在 δ-Fe 中的最大溶解度
J
1 495
K
727
0.17 6.69
包晶点 LB δH
A 1495℃ J
Fe3C 的成分
符号 N P S Q
温度 T/℃ 1 394 727
727 室温
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
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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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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
铁碳相图知识(打印)
铁碳相图知识化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe 中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。
奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。
奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。
《铁碳合金相图》word版
铁碳合金的结晶一.铁碳相图☆提示：重点内容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, 此时相图的组元为Fe和Fe3C。
Fe-Fe3C相图Fe-FeC相图中各点的温度、碳含量及含义31. 铁碳合金的组元(1) Fe 铁是过渡族元素, 熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。
纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。
（见2-1-2）？纯铁是如何结晶的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σb180MPa～230MPa抗拉屈服极限σ0.2100MPa～170MPa延伸率δ30%～50%断面收缩率ψ 70%～80%冲击韧性 a k 1.6×106J/m2～2×106J/m2硬度50HB～80HB(2) Fe3C Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为渗碳体, 用Cm表示。
渗碳体的机械性能特点是硬而脆, 大致性能如下：2. 铁碳合金中的相Fe-Fe3C相图中存在五种相。
①液相L 液相L是铁与碳的液溶体。
②δ相δ相又称高温铁素体, 是碳在δ-Fe中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格, 在1394℃以上存在, 在1495℃时溶碳量最大, 为0.09%。
③α相α相也称铁素体, 用符号 F或α表示, 是碳在α-Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。
铁素体中碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%, 600℃时为 0.0057%, 在727℃时溶碳量最大, 为0.0218%。
铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。
其机械性能与工业纯铁大致相同。
④γ相相常称奥氏体, 用符号 A或γ表示, 是碳在γ-Fe中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。
铁碳相图知识(打印)
铁碳相图知识化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe 中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50～80)低，塑性(延伸率δ为30%～50%)高。
铁素体的显微组织与工业纯铁相同（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。
奥氏体的硬度(HB170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。
奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)资料
1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
金属凝固后晶粒较为粗大（宏观可见）
三个晶区：激冷区、柱状晶区、等轴晶区
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1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
①激冷区：紧邻型壁的一个 外壳层，它由无规则排列的 细小等轴晶组成； ②柱状晶区：它由垂直于型 壁，彼此平行的柱状晶组成； ③等轴晶区：它处于铸锭(件) 的中心区域，由等轴晶粒组 成。
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Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 3 ） GP 线：碳在 铁 素 体 (α) 中 的 固 溶度线 在 α+γ 两相区，温 度变化时，铁素体 中的含碳量沿这条 线变化。
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Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 4 ） PQ 线 ： 碳 在 铁 素 体 (α) 中的固溶度线 ( 共析 温度以下) 在 727℃时，铁素体含碳 量为 0.0218 ％，在 600℃ 时仅为 0.008 ％，因此温 度下降时铁素体中将析 出渗碳体，称为三次渗 碳体记作Fe3CIII。 图中 (770℃) 线表示铁素 体的磁性转变温度 ( 居里 温度)，常称A2温度。 230℃水平虚线表示渗碳 体的磁性转变温度 24
由于凝固过程中所发生的包括液-固相变的一 系列物理化学变化，造成了铸件(铸锭)在宏观 范围内的不均匀。（不均匀性分为三类）
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三、 合金铸件的组织与缺陷
不均匀性分为三类（根据形态）： 物理不均匀性，包括缩孔、疏松、气泡、 裂纹等； 结晶不均匀性，指初生树枝状晶的大小、 形状、位向和分布； 化学不均匀性，包括树枝状偏析(晶内偏 析)和区域偏析。
铁碳合金相图3-4
Fe -Fe 3C 相图T °LL+δδδ+γγL+γɑ+γɑL+Fe 3C Ⅰ727℃1148℃CFDKESPQGBJNAHPLdLd'P+ɑP+Fe 3C Ⅱγ+Fe 3C Ⅱγ+Ld+Fe 3C ⅡP+Ld'+Fe 3C ⅡLd+Fe 3C ⅠLd'+Fe 3C Ⅰɑ+Fe 3C Ⅲ1495℃铁碳合金相图●铁碳合金（Iron-carbon Alloy ）以铁和碳为基本组元的合金。
●铁碳合金类别●碳在铁碳合金中的存在形式①C 溶入Fe 的晶格间隙中形成间隙固溶体（铁素体、奥氏体）。
②C 与Fe 作用形成化合物（Fe 3C ）。
③以游离态（石墨）存在。
当C 主要以Fe 3C 形式存在时，铁碳合金的组成相就是Fe 和Fe 3C 。
本节讨论的铁碳相图即为Fe-Fe 3C 相图。
碳钢（Carbon Steel ）（w C %＜2.11%）铸铁（Cast Iron ）（w C %＞2.11%）铁碳合金一、铁碳合金中的基本相1.铁素体（Ferrite）定义：碳溶解在体心立方晶格的α-Fe中形成的间隙固溶体。
铁素体的最大溶碳量（727︒C时）为0.0218%，室温溶碳量为0.0008%。
碳溶解在体心立方晶格的δ-Fe中形成的间隙固溶体也是铁素体，为了区别起见，称为δ铁素体或高温铁素体。
符号：α或F。
性能：强度和硬度低，塑性和韧性高。
HB＝50～80，δ＝30～50%。
铁素体组织金相图2.奥氏体（Austenite ）定义：碳溶解在面心立方晶格的γ-Fe 中形成的间隙固溶体。
奥氏体的最大溶碳量为2.11%(1148︒C)，727︒C 时溶碳量为0.77%。
符号：γ或A 。
性能：强度和硬度较低，塑性和韧性高。
HB ＝170～220，δ＝30～50%。
相比铁素体，奥氏体可溶入更多的碳，强度和硬度更高。
第4章铁碳合金相图－§4.3 铁碳合金的基本相与基本组织●组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。
铁碳合金相图 (2)
一般要把钢材加热到始锻温度（固相线以下100~200℃，约 1150~1250℃）下，在奥氏体区进行锻造。
钢液的流动性随含碳量的 提高而提高。
铸铁流动性总是比钢好。
共晶成分的铸铁因其结晶 温度最低，同时又是在恒 温下凝固，结晶的温度间 隔为零，所以流动性最好。
随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生 了很大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在γ晶界上—— 形成莱氏体时，渗碳体则成了基体 。）
含碳量对（普碳钢）力学性能的影响
硬度 WC增加，硬度增加；
强度 WC<1% 时 ， WC 增 加 ， 强 度 提 高 ， 在晶界上析出的二次渗碳体 一般还未形成连续网状。 WC>1% 时 ， WC 增 加 ， 强 度 降 低 ；
过共析钢：先共析 Fe3C＋珠光体 Fe3C沿γ晶界呈网状分布，先共析二次渗碳体量：
Fe3C
c 0.77 100% 6.69 0.77
莱氏体Ld : ( 2.11 Fe3C )共晶
Fe3C Fe3C
室温莱氏体Ld : (P Fe3C Fe3C )
适合铸造：2.11%～4.3%， 流动性好。
适 合 热 处 理 ： 0.02182.11%，有固态相变。
铁碳相图的应用
塑性、韧性高的材料，选用铁素体低碳钢 （Wc<0.25%）
强度、塑性和韧性等均好的材料，应选用组织为铁 素体和珠光体的中碳钢（0.25%<Wc<0.6%）
硬度、耐磨性好的材料，应选用组织为珠光体或珠 光体和二次渗碳体的高碳钢（ 1.3%>Wc>0.6%）
铁炭合金相图
Fe3CIII
6.69 ％
6.69 X 1 100% 6.69 0.0008 WFe3C 1 WF WF
思考：什么情况下室温析出Fe3CIII最多？ 如何计算？ 相组成：F，Fe3C。
2） 共析钢 （C%为0.77％）
T/ ℃
A
1 2 L+A
A A+F L C A+Fe3C 727℃ F＋Fe3C K D
1.铁素体 ( Ferrite )
概念：碳溶于α–Fe中形成 的间隙固溶体，用F或α表示。 铁原子 组织形态：白亮色的等轴多 边形（4％硝酸酒精浸蚀）。
碳原子
性能：强度、硬度低，韧 性、塑性好。
附注： 高温铁素体：碳在δ-Fe中 形成的间隙固溶体称为δ铁素 体，也叫高温铁素体。
铁素体的晶体结构
2. 奥氏体 (Austenite )
D
L+ Fe3C
GS：奥氏体转变为铁素体的开 始线, 又称A3线 ES：碳在奥氏体中的溶解 度曲线, 又称Acm线 ECF：共晶转变线
G
F
F
727℃
K
GP：奥氏体转变为铁素 体的终了线 PQ：碳在铁素体中溶解度线 PSK：共析转变线, 又称A1线
Q Fe
C％
6.69%C
Fe3C
四、典型合金结晶过程分析
Q
Fe
C/％
6.69%C Fe3C
2. 相区分析
A
L T/ ℃ L+A D
单相区——4个，L、 A、F 、Fe3C ； 两相区——5个，L ＋A、L＋Fe3C、F＋A、 A＋Fe3C、F＋ Fe3C；
A G F A+F
1148℃ E A+Fe3C
铁碳合金相图
⑶ 三个三相区：即HJB
(L++)、ECF (L++ Fe3C)、 PSK (++ Fe3C)三条水平线
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。
重量百分比为：
w( ) SK 6.69 0.77 88.8%,
PK 6.69 0.0218
w(Fe3C) 100% 88.8% 11.2%
1 2
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
S点以下，共析 中析出Fe3CⅢ，
与共析Fe3C结合不易分辨。室温 组织为P。
3 QQ 4
2.11
4.3
6.69
组织组
100
铁素体
成物相
对量% 0
三次渗碳体
相组成 100
物相对
量% 0
珠光体
二次渗碳体
莱氏体
一次渗碳体
Fe3C
三、典型合金的平衡结晶过程
⒉ 含碳量对力学性能的影响 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。
铁碳合金相图是 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。
二、铁碳合金相图
⒈ 特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
二、铁碳合金相图
⒉ 特征线
⑴ 液相线—ABCD， 固相线—AHJECFD
铁碳合金相图1-2
3个两相区：L＋、L＋、＋；
1三相区：L＋＋，即共晶线MEN。
4.2 二元合金相图
2.典型合金的平衡结晶过程分析：
①
③
②
④
4.2 二元合金相图
合金①（2％< wSn<19％）的结晶过程及室温组织
①
1 2 L→
3
4
→ Ⅱ
Pb-Sn合金相图
合金①结晶完成后在室温下的组织： ＋ Ⅱ
类比
鸡蛋
4.1 固态合金的相结构 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。
工业纯铁 共析碳钢
单相铁素体 铁素体相、渗碳体相
普通陶 固态合金的相结构 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
T,C
液相线 （Liquidus） 固相线 （Solidus） L
t3 t2
L＋
合金结晶开始的温度连线 L
B
合金结晶终了的温度连线
L
t1
1 2
t4
匀晶转变 L
A
3
冷却曲线
Cu-Ni合金相图
t
4.2 二元合金相图 固溶体合金的结晶特点：
①固溶体的结晶过程与纯金属一样由形核和长大完成。 实际结晶时也需要一定的过冷度。 ②结晶是在一温度范围内进行的。 只有在温度不断下降时，固相 的相对量才增加，温度不变，液相L和 固相 的相对量保持不变，即达到平衡状态。 ③结晶时，L相和 相的成分分别沿着液相线和固相线变化。 ④结晶时，L相和 相的相对量不断变化。
2.5 铁碳合金和铁碳相图
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
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）。
返回
Fe-Fe3C相图
返回
Fe-Fe3C相图
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’
Ld’
Fe3C+Ld’
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。
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
过共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却 L相→ γ相
铁碳合金相图(超清楚版)
特性点符号 温度/ ℃ ω c（%） 含义
A 1 538
0
熔点：纯铁的熔点
C 1 1 48
4. 3 共晶点：发生共晶转变L4. 3→Ld( A2. 1 1 %+Fe3C共晶)
D 1 227
6. 69 熔点：渗碳体的熔点
E 1 1 48
2. 1 1 碳在γ- Fe中的最大溶解度点
G 91 2
0
同素异构转变点
P+Fe3CⅡ+L' d
L C 4. 3
L' d
1 227 D L+Fe3CⅠ
F
Fe3CⅠ+Ld 727 K
Fe3CⅠ+L' d
F+Fe3CⅢ
Fe
1
22. 1 3
4 4.3 5
6 6. 69 C( %)
Fe- Fe3C合金相图
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。
温度/ ℃
A1 538 L+δ
1 500
δ
B( 1 495/ 0. 53) δ +γ
1 400 N1 394
1 300
1 200
1 1 00
γ
1 000
L+γ
E 2. 1 1
1 1 48
900 G91 2
A+Fe3CⅡ+Ld
800 700
α
α+γ P
0. 0218
A+Fe3CⅡ S
0. 77
600Q F+P P P+Fe3CⅡ