铁碳合金相图

• 当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度降至2～3点之间时，合 金为单相奥氏体。
• 温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共 析反应。从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C，两相所组成的共析 组织即珠光体P。
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• 珠光体是在727℃恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变 化。只是铁素体的含碳量从0.0218%降至几乎为零，碳则以微量的三
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• 珠光体是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下：
抗拉强度δ b 布氏硬度 HB
750-900Mpa 180-280HB
断后延伸率 A11.3 冲击韧性 a K
20%~25% 30~40J/cm²
• 由此可见，珠光体力学性能介 于铁素体与渗碳体之间，具有 较好的塑性和韧性，强度较高， 硬度适中。正火后便可得到珠 光体组织。
• 相图的左下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是
从液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同
时析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在
727℃时发生共析反应：
恒温
A0.77
F0.0218 + Fe3C
727℃
以上反应生成的铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体组织，称为珠光体，以符号P表示。
• 碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。 当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物 相Fe3C，称为渗碳体。
• 碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在 1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性 能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。
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图2-1 Fe-Fe3C
相图
图2-2 简化的Fe-Fe3C相图
L+Fe 3C
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• 相图的右上部为共晶相图。在1148℃时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应：
恒温
L4.3
A2.11 + Fe3C
1148℃
以上反应生成的奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体组织，称为莱氏体，以符号Ld表示。
Fe3C → 3Fe+C（石墨）
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第二节 铁 碳 合 金 相 图
一、相图图形介绍
• 在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金脆性大，没有 使用价值。因此只研究含碳量小于6.69%的这一部分，通常称 为铁碳合金相图，也称Fe-Fe3C相图，如图2-1所示。
• 在Fe—Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金 的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。包 晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是 在1400℃以上发生反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织 和性能都没有什么影响，故不予研究。Fe—Fe3C相图可简化 为图2-2形式。
解度达到饱和。 • 温度降低至3-4时，开始析出Fe3C，即为二次渗碳体Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界
析出。室温下过共析钢的显微组织如图2-9所示，图中白色的沿着晶界分布的组织 即为二次渗碳体；深色部分的组织为珠光体。 • 温度降至4点（727℃）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在A＋Fe3C两相区SK线 上计算出来。
其中 QF（总）为先共析铁素体与共析铁素体之和。式中② — 亚共析钢的含碳量。
亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L → L+A→ A → F＋A → F+P
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（三）过共析钢
• 含碳量在 0.77% ～ 2.11% 的碳钢, 称为过共析钢。 • 以图2-3中合金③为例，过共析钢的结晶过程如图2-8所示。 • 合金从液相冷却至1-2点以后，结晶出奥氏体； • 温度继续降至2-3之间时，全部转变为奥氏体；温度降至3点时，碳在奥氏体中溶
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（一）共析钢
• 上图中合金①称为共析钢，其含碳量为0.77%。 • 当温度在1点以上时，合金为液相； • 温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体； • 温度降至1～2点之间时，从液相中不断析出奥氏体。它的特点是液相不断
减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC线变化，奥氏体的成 分沿AE线变化。
含碳量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。 • 珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁
碳中合计金算的出相亚结共构析只钢有中铁铁素素体体和 与渗 渗碳 碳体 体。 的可 含以 量利 ，用 称杠 作杆 相定的律相在对含F+量Fe：3C的两相区
• QF（总）=（6.69－②）/（6.69－0.0218）×100% • QFe3C = 1－ QF（总）
次渗碳体的形式析出来。
• 共析钢的结晶过程如图2-4所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁
素体与渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。 共析钢的结晶过程用反应式表示为：
L→L+A
恒温
P
727℃
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图2-5 共析钢的珠光体组织 500x
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（二）亚共析钢
• 含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢。 • 以图2-3中合金②为例，亚共析钢的结晶过程，如图2-6所示。 • 合金从液相冷却到1-2点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体； • 温度继续降至2-3点之间时，完全转变为单相奥氏体； • 当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶

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Wc=0.20%
Wc=0.40% 图2－7 亚共析钢的室温组织 200x
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• 铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区的PS线上计算出。 • 合金②中，珠光体组织含量为：QP=P4/PS×100% • 先共析铁素体含量为：QF=1－QP 或 QF=4S／PS×100% • 随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当
铁碳合金相图
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主要内容
• 铁碳合金的相结构 • 铁碳合金相图 • 碳钢与铸铁 • 铁碳合金相图的应用及其局限
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第一节 铁碳合金的相结构
• 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的δ-Fe，随后随着温度 的降低发生同素异构转变，得到面心立方晶格的γ-Fe，再冷 却生成体心立方晶格的α-Fe。
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三、典型合金结晶过程及室温组织
• 工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁，碳钢和铸铁三大类，它们的区别在于含碳量 的不同。含碳量小于0.0218%的，称为工业纯铁；含碳量大于0.0218%而小于2.11% ， 称为碳铁；含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的，称为铸铁。
在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢， 亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口 铁共六种典型合金，如图2-3所示。
二、相图中点、线和相区的意义
• 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及含义见下表。
特性点 温度（℃） 含碳量（％）
特性点含义
A
1538
0
纯铁的熔点
C
1148
4.3
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点
E
1148
2.11
碳在奥氏体中的最大溶解度
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G
912
0
α-Fe γ-Fe的同素异构转变点
S
• 相图中有五个双相区，即L+A、L+Fe3C、A+F、A+Fe3C、F+Fe3C。相图中的两条水平线 是三相平衡线，线上有三个点，分别与各个单相区以点相连接，当发生三相平衡反 应时，三个平衡相的成分即这三个点的成分，说明了在相变过程中相变温度和各组 成相的相对含量是固定的。
• 从 相 图 可 以 看 出 ， 含 碳 量 大 于 0.008%时 任 何 成 分 的 铁 碳 合 金 在 室 温 时 都 处 在 F+Fe3C相区内，即合金的相结构都要由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的 形态和分布不同，即组织不同，合金的性能变化很大。
727
0.77
共析点
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铁碳合金相图中各主要线的意义：
AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线的范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃时 即发生共晶反应，形成莱氏体。 ES为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称Acm。从该线可以看出，在1148℃时碳在奥氏 体中的最大溶解度为2.11%，在727℃时，溶解度为0.77%，随着温度降低，碳在奥 氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称 为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。从液相中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体（Fe3CⅠ）， 从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3CⅢ）。
• 渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几 乎是零。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主 要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性 能影响很大。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、 网状和板状形态存在。
• 在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时间会发生 下面的分解反应，析出石墨态的碳。反应式如下：
GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。
GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。
PSK为共析线，简称A1线。若含碳量在PSK线的范围（0.0218%~6.69%）内，奥氏体 在727℃时必然发生共析反应，形成珠光体。