铁碳相图原理及应用
归纳和总结铁碳相图中
归纳和总结铁碳相图中铁碳相图归纳和总结铁碳相图是研究铁和碳合金体系中不同组成下的相变行为的重要工具。
它呈现了铁和碳之间的相互作用，揭示了不同温度和组成条件下的相变规律。
本文将对铁碳相图中的主要组成部分进行归纳和总结，以帮助读者更好地了解铁碳合金的性质和应用。
一、铁碳相图的基本结构铁碳相图由铁为主轴、碳为副轴构成。
在相图的横轴上表示碳的含量，纵轴表示温度范围。
铁碳相图可分为几个重要的组成部分：1. 铁的相态区域：铁的相态区域主要由铁的纯介质相组成，包括α铁、γ铁和δ铁。
其中，α铁为低温下的铁相，具有体心立方晶格结构；γ铁为高温下的铁相，具有面心立方晶格结构；δ铁为高温高压下的铁相，具有体心立方晶格结构。
2. 铁碳共晶区：共晶区是铁碳相图中的一个重要组成部分，通常表示为L+Fe3C。
在共晶区域内，铁和碳以共晶的形式存在，即液态的共晶组织同时凝固为铁和Fe3C两种相。
3. 铁碳共饱和区：共饱和区是铁碳相图中的另一个重要组成部分，通常表示为(α+γ)+L。
在共饱和区域内，铁和碳以共饱和的形式存在，即α铁和γ铁混合存在。
二、铁碳相图的重要相区1. γ铁相区：γ铁相区主要包括γ固溶体和γ+Fe3C共晶组织。
γ固溶体具有面心立方结构，是高温下的铁相。
2. α铁相区：α铁相区主要包括α固溶体和α+Fe3C共晶组织。
α固溶体具有体心立方结构，是低温下的铁相。
3. Fe3C相区：Fe3C相区主要包括Fe3C碳化物相。
Fe3C也被称为水滑石相，具有正交晶格结构。
三、铁碳相图的相变规律1. 铁的熔化：铁的熔化温度随碳含量的增加而降低。
在铁碳相图中，随着碳含量的增加，共晶温度逐渐下降。
2. 碳的溶解性：在γ铁相区，碳的溶解度随温度的升高而增加。
在α铁相区，碳的溶解度随温度的降低而减小。
3. 相变温度：铁碳相图中的共晶温度为1147℃，共饱和温度为727℃。
这些相变温度是铁碳合金的重要参考数据，在工程设计和制造过程中具有重要意义。
第二讲 铁碳相图与应用180326
相图的局限性： 相图是描述体系平衡状态的，不能说明达到平衡过程的动力学，不能 知道转变后的组织，也不能判断体系中可能出现的亚稳相。 由于固态材料往往难达到整体稳定的平衡，实际测得的相图多数都或 多或少地偏离真正平衡，甚至有些相实际上是亚稳相。
2、 铁碳相图简介
铁碳合金相图是研究铁碳合金的 重要工具。它是研究铁碳合金的 化学成分、组织和性能之间关系 的理论基础。
性能介于铁素体和渗碳体之间
，强度较高，硬度适中，有一 定的塑性。
莱氏体（Ledeburite—Ld或Ld'）
莱氏体是由奥氏体和渗 碳体组成的处于热力学平衡 状态的机械混合物。系在
1148℃恒温下发生共晶转变
的产物，平均碳含量为4.3%
。
(3) 固溶碳的作用：固溶强化、缩小α、扩大γ、固溶于γ使C曲线右移、提 高淬透性、降低MS点 固溶强化效果与固溶度有关，碳在奥氏体的固溶度远远大于铁素体。
Fe 转变为面心立方晶格的γ-Fe，通常把
δ-Fe→γ-Fe的转变称为 A4 转变，转变的 平衡临界点称为 A4 点。当温度继续冷却至 912℃时，面心立方晶格的 γ-Fe 又转变为 体心立方晶格的 α -Fe，把 γ -Fe→ αFe 的转变称为A3 转变，转变的平衡临界点 称为 A3 点。912℃以下，铁的晶体结构不
钢铁材料属于铁碳合金。碳素钢、工程铸铁是铁碳合金；低合金钢、合
金钢等实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。
在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，随 着碳的质量分数增加，合金的性能逐渐变脆，当碳的质量分数大于5%之 后，合金将失去使用价值。所以，在铁碳合金中，一般只研究碳质量分 数5%左右的合金。
的晶体结构。其硬度很高，塑性
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
第五章 铁碳合金相图及应用
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。
铁碳合金相图
韧性：铁碳合金在不同温度和压力下的 韧性变化
疲劳强度：铁碳合金在不同温度和压力 下的疲劳强度变化
耐磨性：铁碳合金在不同温度和压力下 的耐磨性变化
耐腐蚀性：铁碳合金在不同温度和压力 下的耐腐蚀性变化
合金设计
确定合金的化学 成分和组织结构
计算合金的性能 参数，如强度、 硬度、耐磨性等
拓展应用领域
航空航天：应用于航空发动机、火箭发动机等高温部件 汽车工业：应用于汽车发动机、排气系统等部件 能源领域：应用于核反应堆、太阳能电池等能源设备 生物医学：应用于生物医学植入材料、生物传感器等医疗器械
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渗碳体相区
渗碳体相区是铁碳合金相图中的一个区域，位于铁碳合金相图的右上方。
渗碳体相区由铁素体和渗碳体组成，其中渗碳体是铁碳合金的主要组成相。
渗碳体相区的形成与碳含量有关，随着碳含量的增加，渗碳体相区的范围逐渐扩大。
渗碳体相区的存在使得铁碳合金具有较高的硬度和耐磨性，广泛应用于机械制造、汽车、航空 等领域。
建立更精确的模型
利用计算机模拟技术，建立更精确的铁碳合金相图模型 结合实验数据，对模型进行验证和优化 考虑合金元素对相图的影响，建立多元合金相图模型 研究相图与材料性能之间的关系，为材料设计和应用提供指导
应用新技术
计算机模拟技术：利用计算机模拟铁碳合金相图的形成和变化
实验技术：采用先进的实验设备，提高实验精度和效率 数据分析技术：利用大数据和人工智能技术，对铁碳合金相图数据进行深 入分析 材料设计技术：利用铁碳合金相图，设计新型材料和优化材料性能
材料选择
铁碳合金相图可以帮助选择合适的材料，以满足特定性能要求。 铁碳合金相图可以指导材料热处理工艺，以提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。 铁碳合金相图可以帮助预测材料的相变行为，从而优化材料设计和加工工艺。 铁碳合金相图可以指导材料焊接工艺，以提高焊接质量和可靠性。
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%
铁碳相图及其应用
铁碳相图及其应用一、铁碳相图的发展史：早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫就注意到只有把钢加热到某一温度”T”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。
至1887～1892年奥斯蒙等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点。
奥斯蒙认为这表明铁有同素异形体，即α铁、β铁和γ铁。
1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来。
1904年又发现了δ铁。
1899年罗伯茨－奥斯汀制定了第一张铁碳相图；而洛兹本更首先在合金系统中应用吉布斯相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。
随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修改。
目前采用的铁碳平衡相图如图1所示：图1—铁碳平衡相图二、铁碳平衡图释义：纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构,即δ－Fe。
当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。
Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。
但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱)，石墨虽然在铸铁(2～4％C)中大量存在,但在一般钢(0.03～1.5％C)中却较难形成这种稳定相。
Fe－Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。
图1中的实线绘出亚稳的 Fe-Fe3C 系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。
Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成。
铁碳相图简画及口决
控制热处理过程中的组织转变
铁碳相图有助于控制热处理过程中合金的相变和组织转变，以获得所需的组织和性能。
预测和控制热处理过程中可能出现的缺陷
通过铁碳相图，可以预测和控制热处理过程中可能出现的缺陷，如开裂、变形等，以提 高产品质量。
铁碳相图的应用
铁碳相图广泛应用于钢铁工业、 铸造、焊接等领域，为材料科学、 工程热物理等领域提供了重要的 理论支持。
铁碳相图的未来展望
新型材料的研究
随着新材料技术的不断发展，铁碳相图将进一步应用于新 型材料的研发和制备过程中，为新材料的性能优化提供理 论指导。
计算机模拟技术的发展
随着计算机模拟技术的不断进步，铁碳相图的模拟精度和 可靠性将进一步提高，为实验研究和实际应用提供更加精 确的数据支持。
预测和优化钢铁材料的性能
通过铁碳相图，可以预测和优化钢铁材料的力学性能、物理性能和化学性能，如强度、韧 性、硬度、耐腐蚀性等。
指导钢铁材料的热处理工艺
铁碳相图是制定钢铁材料热处理工艺的基础，如退火、正火、淬火和回火等，以获得所需 的组织和性能。
在铸造工业中的应用
指导合金成分设计
01
铁碳相图为铸造工业提供了选择和设计铸造合金成分的依据，
THANKS
感谢观看
N区域特性
总结词
纯铁的液态区与固态区
详细描述
N区域是铁碳相图中的纯铁的液态区与固态区，位于恒温点N的左侧区域。在该 区域内，碳含量接近于零，纯铁以液态或固态形式存在。
04
铁碳相图的应用
在钢铁工业中的应用
确定不同成分铁碳合金的结晶过程和组织转变
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
讲座32铁碳相图的应用C曲线资料ppt课件
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
钢再加热奥氏体化的目的——再控制其冷却、获得 所需要的组织与性能
钢在冷却过程中的组织转变
热处理中两种常用 的冷却方式：
1）等温处理 2）连续冷却
图中临界温度在这 指A化温度。
要解决以上疑问必须了解时间因素，如等温、实际非平 衡连续冷却过程相转变的规律；必须了解合金元素的对 相转变影响。 二、应用 1．选材 2．热加工工艺制定的基础
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
HB↑，强度↑ 。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
珠光体型组织（珠光体、索氏体、屈氏 体）有何相同和不同点？
1.珠光体 铁素体与渗碳体的片间距为0.6～0.7μm，通常用符号P表示。
本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢
奥氏体晶粒长大趋势与特征
思考题： 1）如何测定钢的晶体粒度？ 2）如何测定钢本质晶粒度？
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
3．奥氏体晶粒度的控制
影响奥氏体晶粒度的因素
重点掌握
1. 钢加热时组织转变及影响因素； 2. 本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大
小的因素； 3. 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C
曲线中各温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌、 性能特点。 4. 非共析钢C曲线与点，冷却速度对钢 的组织变化和最终性能的影响等； 6.影响C曲线的因素
杠杆原理在铁碳相图的应用
杠杆原理在铁碳相图的应用引言杠杆原理是力学中的一个重要概念，而在材料学中，它也有广泛的应用。
铁碳相图是描述铁和碳的相变关系的图表，通过理解和运用杠杆原理，可以更好地解释和预测铁碳相图的变化规律，从而为材料设计和加工提供指导。
杠杆原理简介杠杆原理是指在一个平衡系统中，如果一个物体在杠杆上受到两个力的作用，且两个力的乘积相等，那么这个物体在杠杆上的平衡点将会保持不变。
杠杆原理可以用公式表示为：$F_1 \\cdot d_1 = F_2 \\cdot d_2$，其中F1和F2分别为作用在杠杆两端的力，d1和d2分别为力的作用点到杠杆转轴的距离。
铁碳相图的基本概念铁碳相图是描述铁和碳在不同温度和成分下的相变关系的图表。
它是材料学中最重要的相图之一，对于理解和控制钢铁的组织和性能具有重要意义。
铁碳相图通常分为三个区域：铁的α固溶区、铁的γ固溶区和铁的σ相区。
在不同的温度和碳含量下，铁和碳会发生不同的相变，在铁碳相图中可以清晰地展示这些相变的关系。
杠杆原理在铁碳相图中的应用1. 预测相变温度根据杠杆原理，我们知道在相图中，相变发生的温度取决于两个相的稳定状态。
通过测量和分析铁碳相图中各相的稳定状态，可以预测相变的温度范围。
例如，在铁碳相图中，通过测量铁的α和γ相的稳定状态，可以预测过渡温度的范围，从而指导合金设计和热处理过程。
2. 设计合金成分根据杠杆原理，在铁碳相图中，可以通过调整合金中碳含量来改变相变温度和相区组织的稳定性。
通过合理设计合金成分，可以实现所需的相变温度和组织结构，从而调控材料的性能。
例如，在钢铁行业中，通过控制合金中的碳含量，可以实现不同硬度和强度的钢材的生产。
3. 预测相区组织杠杆原理还可以用于预测铁碳相图中各相区的组织结构。
根据不同相的稳定状态和杠杆原理的关系，可以推断出相区中存在的组织特征。
例如，在铁碳相图中，通过测量相变温度和相区内的碳含量，可以预测相区的晶体结构和晶粒大小，这对于材料的加工和应用有着重要的意义。
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
铁碳合金的性能特点
工业纯铁具有较高的磁导率和良好的冷加工性能， 但强度和硬度较低。
钢具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时具有良 好的塑性和韧性。
白口铸铁具有较高的硬度和耐磨性，但韧性较差。
02 铁碳相图的特征点
CHAPTER
共晶点
总结词
共晶点是铁碳相图中的一个关键点，表 示铁和碳在液态时完全共溶，形成奥氏 体。
控制热处理过程中的相变过程
通过铁碳相图，可以预测和控制热处理过程中铁 碳合金的相变过程和组织转变，以获得所需的组 织和性能。
提高热处理效率和降低能耗
根据铁碳相图，可以优化热处理工艺，提高热处 理效率和降低能耗，节约能源和资源。
谢谢
THANKS
渗碳体的析出点
总结词
渗碳体的析出点是铁碳相图中的另一个特征点，表示渗碳体在不同温度下从液态或奥氏 体中析出的过程。
详细描述
在渗碳体的析出点，渗碳体开始从液态或奥氏体中析出。这个过程是在一定的温度范围 内进行的，温度越高，析出越快。渗碳体的析出对钢铁的性能有重要影响，如硬度、强
度和韧性等。因此，了解渗碳体的析出点对于钢铁材料的研究和生产具有重要意义。
铁碳相图演示
目录
CONTENTS
• 铁碳相图简介 • 铁碳相图简介 • 铁碳相图的特征点 • 铁碳相图的特征线 • 铁碳相图的演示画法 • 铁碳相图的应用
01 铁碳相图简介
CHAPTER
铁碳合金的分类
根据碳含量，铁碳合金可以分为工业 纯铁、钢和白口铸铁三类。
工业纯铁的碳含量最低，一般在 0.02%以下；钢的碳含量在0.02%2.0%之间；白口铸铁的碳含量在2.0% 以上。
表示铁碳合金开始从液态转变为固态的温度 。
铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织
铁碳相图的组成
铁碳相图主要由以下几个区域组成： 液态区、固态单相区、固态两相区、 三相共存区和渗碳体析出区。
每个区域都对应不同的温度和成分范 围，以及在该范围内可以形成的相和 组织。
铁碳相图的特性
铁碳相图是铁碳合金的重要参考依据，可以预测合金在不同温度和成分条件下的 组织状态和性能。
通过铁碳相图，可以了解合金的凝固过程、相变温度、相组成和组织形态等信息 ，从而指导合金的制备和加工。
铁碳合金在缓冷过程中，由于冷却速度较慢，合金中的原子有足够的时间进行扩散和重新排列，从而 形成特定的组织结构。
铁碳合金中的碳原子在冷却过程中会向奥氏体晶界扩散，促使奥氏体晶粒长大，并形成铁素体和渗碳体 等相。
铁碳合金中的碳含量和冷却速度是影响组织形成的主要因素。随着碳含量的增加，合金中会形成更多的 渗碳体，使得组织变得更加硬和脆。
02 铁碳合金的缓冷过程
缓冷过程的定义
缓冷过程
铁碳合金在冷却过程中，由于冷却速度缓慢，使得合金中的原子有 足够的时间进行扩散，从而形成稳定的晶体结构。
冷却速度
缓冷过程中，铁碳合金的冷却速度通常在每秒几度至几十度的范围 内。
冷却曲线
缓冷过程中，铁碳合金的冷却曲线呈现连续变化，不同温度区间对 应不同的相变过程。
碳含量
铁碳合金中的碳含量是影响组织形成的主要因素之一。随着碳 含量的增加，合金中会形成更多的渗碳体，使得组织变得更加
硬和脆。
冷却速度
冷却速度对铁碳合金的组织形成具有重要影响。在快速冷却时 ，合金中的原子来不及进行扩散和重新排列，从而形成更加细
小的组织结构。
合金元素
合金元素对铁碳合金的组织形成也有一定的影响。例如，铬、 镍等元素可以抑制渗碳体的形成，从而改善组织的韧性和塑性
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。
铁碳合金的相图解读
D1227
L+ Fe3CⅠ F
912 G
A
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+ Fe3CⅡ A+F F P ( F+ Fe3C )
P
O 0.0218%C 0.77%C Fe
Q P+F
P+Fe3CⅡ
2.11%C
在1148℃时最大，为2.11%。727 ℃时为0.77%
奥氏体强度硬度不高但具 有良好塑性，钢材热加工 都在 区进行。
一般情况奥氏体不存在于
室温中。
奥氏体
⑶ 渗碳体Fe3C： 渗碳体是一种具有复杂斜方晶格的金属化合物。含碳量为 6.69%,熔点为1227℃。 Fe3C具有硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为 零
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铁碳合金相图
•一、纯铁的同素异构转变 •二、铁碳合金的基本相及组织 •三、铁碳合金相图
•四、铁碳合金相图的应用
一、纯铁的同素异构转变
纯铁在 结晶为固态 后继续冷却 至室温的过 程中，还会 发生两次晶 格结构的转 变。
二、铁碳合金的基本相及组织
⑴ 铁素体F：
铁素体是碳固溶于-Fe中形 成的间隙固溶体, 用F 表示。
4.3%C
6.69%C Fe3C
特征线 ⑴ 液相线—ACD， 固相线—AECF
⑵ 水平线：
ECF：共晶线LC⇄ A+Fe3C 共晶产物是A与Fe3C的机械混合 物，称作莱氏体, 用Ld表示。为 蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而
铁碳相图的分析及应用
铁碳相图的分析及应用铁碳相图是描述铁和碳混合体系中不同组织和组分相变关系的图表。
在该图中，横轴表示碳含量，纵轴表示温度。
铁碳相图可以分为三个区域：铁铁素体区、铁奥氏体区和铁珠光体区。
铁铁素体区是指碳含量低于2.11%的区域。
在这一区域内，铁的晶体结构主要是针状的铁素体。
随着碳含量的增加，铁的晶体结构会逐渐变为面心立方结构的奥氏体。
铁奥氏体区是指碳含量在2.11%至6.7%之间的区域。
在这一区域内，铁的晶体结构主要是面心立方结构的奥氏体。
随着碳含量的增加，奥氏体中的碳溶解度也会增加。
铁珠光体区是指碳含量大于6.7%的区域。
在这一区域内，铁的晶体结构主要是珠光体。
随着碳含量的增加，铁的硬度和脆性都会增加。
铁碳相图在冶金学和材料科学中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 理解和预测材料的相变行为：铁铁素体区、铁奥氏体区和铁珠光体区的存在和相变关系，可以帮助科学家和工程师理解和预测材料在不同温度和碳含量下的相变行为。
比如，通过铁碳相图可以确定钢材的相变温度和相变组织，从而指导钢材的热处理工艺。
2. 材料强度和韧性的控制：铁碳相图可以指导材料的合金化和热处理工艺，从而控制材料的强度和韧性。
以钢材为例，通过在铁铁素体区添加合适的合金元素，可以提高钢材的强度和硬度；通过在铁奥氏体区进行适当的热处理，可以提高钢材的韧性和塑性。
3. 材料组织和性能的调控：铁碳相图可以帮助科学家和工程师预测不同温度和碳含量下材料的组织和性能，并通过调控温度、合金元素和热处理工艺等手段来实现所需的材料性能。
比如，在航空航天领域，通过对铁碳相图的研究和应用，可以开发出高温和高强度的铁基合金材料，以满足航空发动机等高温工作环境的需求。
4. 材料失效分析和改进：铁碳相图可以帮助科学家和工程师分析材料失效的原因，并提出改进措施。
比如，通过分析钢材中的碳含量和组织变化，可以了解钢材的强度和韧性是否满足设计要求，并根据需要进行相应的材料改进。
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概述
碳钢和铸铁都是铁碳合金，是应用最广 泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁 碳合金的重要工具，它是清楚地表明了 铁碳合金成分、温度、组织三者之间关 系的一个“地图”，同一种成分不同温 度，同一种温度不同成分，它们组织不 同，以及室温组织随含碳量的变化，最 终导致钢材力学性能的变化，了解与掌 握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究 和使用、各种热加工工艺的制订以及工 艺废品原因的分析都有很重要的指导意 义
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
符号 A B C D E F G H J K N P S Q
温度/℃ 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727 727 600
含碳量×100
3、同素异构转变
金属在固态下发生晶格形式的转变称为同素异 构转变.
纯铁从液态结晶为固态后，继续冷却至一定温 度时，将先后发生两次同素异构转变。
金属的同素异构转变对于加工及热处理都有重 要的意义
二、 铁碳合金基本组成相和组织
相：系统中均匀的、与其他部分有界面分开的 部分，如：α相,β相 。
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.
特性说明
0
纯碳的熔点
0.53 包晶反应时的液相浓度
4.30
共晶反应点
6.69
渗碳体的熔点
2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度
6.69
Fe3C
0 α-FeDγ-Fe的异晶转变点
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
0.17
包晶反应点
6.69
Fe3C
0 γ-FeDδ-Fe的异晶转变点
1.1相图与杠杆定律
1.1.1合金相图:是表示合金系中合金 状态（组织）、温度和成分之间的关 系的图象，又称为状态图。因为相图 上所表示的组织是在极其缓慢冷却下， 即所谓平衡状态获得的，因而还称平 衡图合金相图；利用相图可以知道各 种成分的合金在不同温度下存在哪些 相、各个相的成分及其相对含量。
c. 共析体中渗碳体一般呈薄片状
实际热处理状态下的渗碳体还有球状、粒状、棒状
⑤ 一般性质
硬而脆,硬度高约HB=800,而塑性很差,延伸率几乎
为0,耐磨性好。 分解,形成石墨
Fe3C是一种亚稳定化合物,一定条件下
4. 珠光体( P )
珠光体( P ):铁素体和渗碳体的机械混合 物(F+Fe3C)
1.1.4杠杆定律
1.1.4杠杆定律
设K成分的Cu—Ni合金，在t温度时处于L+α两 相区。作t温度的水平线，交固相线于b点，交 液相线于a,固相相对量Qα ，液相相对量 QL
则
注：杠杆定理只适用于两相区 因为对单相区无 此必要,在三相恒温线上,三个相可以任何比例 相平衡
1.2铁碳相图
钢和铸铁的基本组成是铁和碳； 5%以下的铁碳合金才有应用价值，通常 铁碳合金按Fe-Fe3C(渗碳体)形式存在， 但一定条件下Fe3C分解为铁的固溶体和 石墨,故铁碳相图是双重相图。
⑤ 表示方法:一般用 A ,也用γ、γ—Fe等
3. 渗碳体（ Fe3C）
渗碳体:是Fe和C的化合物,以Fe3C表示 ① 其含C量为6.69%, 固定成分。
② 熔点很高1227℃，固定熔点。
③ 晶体结构相当复杂
④ 组织形态
a. 从液相中直接结晶出来的一次渗碳体,一般呈粗 大片状
b. 从固相中析出的次生或三次渗碳体,一般呈网状 分布
1.1相图与杠杆定律
1.1.2合金相图的建立 最常用的方法是热分析法实验获得相图。
以 二元合金系为例来介绍其建立的步骤。
以下图为例:
1.1.2合金相图的Байду номын сангаас立
铜---镍合金的冷却曲线和相图 (a)不同成分合金冷却曲线 （b）铜镍合金相图
1.1.3基本的恒温转变
1.1.4杠杆定律
固溶体的平衡结晶过程中，液、固两相 相对量的变化关系，不仅取决于结晶的 温度，而且还取决于平衡两相的成分， 符合杠杆定律。在合金的结晶过程中,合 金中各个相的成分以及它们的相对含量 都在不断地发生变化。为了了解相的成 分及其相对含量，这就需要杠杆定律。
1.2.1铁碳合金的基本组成相和组织
一、纯铁的晶体结构及同素异构转变
铁具有多晶型性，从铁的冷却曲线中可 以看出，如下图
1. 三种晶体结构
1538℃--1394℃ δ—Fe (体心立方)
1394℃--912℃ γ—Fe (面心立方)
912℃--
α—Fe (体心立方)
2、纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化
奥氏体（A）： C 溶在 γ—Fe中的间隙固溶体 （是一种高温相）
① 晶体结构：面心立方晶格
② 溶碳能力：比 α—Fe稍大，在727℃可溶C 0.77% ，随温度升高，其溶解度增加，在 1148℃时达最大溶C 量 2.11%。
③ 组织形态:多边形等轴晶粒
④ 机械性能:具有高温塑性,变形抗力小,易于锻 造成型。
组织：在结晶的各个阶段中形成的、有清晰轮 廓的独立组成部分。
如：初生 α、β 为单相组织 （α+β）共一种组 织由两相构成
铁碳合金的基本组成相有铁素体，奥氏体和渗 碳体；这些相都是以铁为基的固溶体或铁的化 合物，组织组成物有珠光体和莱氏体。
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
2、奥氏体 （γ-Fe ）