4 铁碳合金的相图的详细讲解
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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
铁碳合金相图
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 类型 钢号 碳质量分数／％ 亚共析钢 20 45 60 0.20 0.45 0.60 共析钢 T8 0.80 过共析钢 T10 T12 1.00 1.20
(4)各相的质量： QL= 50×2/3 = 33.3（kg) Qα = 50-33.3 = 16.7（kg)
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（Yes ）
5. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
c. 以砂型代金属型
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织
P + Fe3CII
400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织 （低温）莱氏体 （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C） 莱氏体 Le′的性能
第4章铁碳合金相图
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
H 1495℃ , 0.09%C
N 1394℃
J 1495℃ , 0.17%C
E 1148℃ , 2.11%C
4）wC0.53％~2.11％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。 ） ％ ％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
2. ES线 线 ES线：碳在 线 奥氏体中的 溶解度曲线. 溶解度曲线 ES线是二次 线是二次 渗碳体的开 始析出线 →ACm线。
3. PQ线 线 PQ线：碳在铁素体 线 中的溶解度曲线。 中的溶解度曲线。
当铁素体从727℃冷 ℃ 当铁素体从 却下来时， 却下来时，要从铁 素体中析出渗碳体， 素体中析出渗碳体， 称之为三次渗碳体， 称之为三次渗碳体， 记为Fe 记为 3CⅢ。
莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物， 表示。 莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，以符号Ld表示。 进行共晶转变的合金成分范围： 2.11％~6.69％ 进行共晶转变的合金成分范围：wC2.11％~6.69％ 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体的力学性能： 莱氏体的力学性能：塑性很差
五、三条重要的特性曲线
1. GS线 线 GS线→A3线 线 冷却:奥氏体析出铁 冷却 奥氏体析出铁 素体开始线 加热:铁素体溶入奥 加热 铁素体溶入奥 氏体终了线。 氏体终了线。 GS线由 点(A3点)演 线由G点 线由 演 变而来， 变而来，随着含碳 量的增加， 量的增加，使奥氏 体向铁素体的同素 异晶转变温度逐渐 下降，从而由A 下降，从而由 3点 变成了A 变成了 3线。
第4章 铁碳合金相图
F
Ld A+ S Ld+ Fe3CⅠ A+F K Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld F P 727 P F+ Fe3C Ld P+ Q P+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d L′d+ Fe3CⅠ Fe3C Fe F+ Fe C C%
3 Ⅲ
PSK线-共析线。奥氏体冷却到共析温度（727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体。
1.工业纯铁： • wC ≤ 0.0218 %，室温组织为铁素体。 2.钢 • 0.0218 % ＜ wC ≤ 2.11 %，高温固态组织为塑性很好 的奥氏体，适于热压成形。
Fe3C——渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，C%=6.69%
第四章 铁碳合金相图
一、上半部分图形
912˚C 以上的部分，由液态变
为固态的第一次结晶。 组元：γ-Fe与Fe3C 1、图中各点分析 A点：纯铁的熔点 D点：渗碳体的熔点 E点：在1148˚C 时碳在
γ-Fe中最大溶解度（2.11%）
A G F A+F P
H J
L+ B L+A
L D C
E A+ Fe3C
A+ S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld P Ld
L+ Fe3C
F
Ld+ Fe3CⅠ Ld L′d+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
Fe
P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d
F+ Fe3C
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
三、 Fe-Fe3C相图中各点、线含义的小结
第四章 铁碳合金相图
表4.3 铁碳合金的分类
第四节铁碳合金的成分、组织、性能间的关系 一、含碳量与平衡组织间的关系
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A晶界上——形成莱氏 体时，渗碳体则成了基体 。）
二、含碳量与力学性能间的关系
（ 1 ）硬度 WC 增加，硬度增加；
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
三、渗碳体
渗碳体（Fe3C）
铁与碳形成的间隙化合物，含碳 量6.69%； 室温相——常作为钢的第二弥散 强化相； 渗碳体具有高硬度、高脆性、低 强度和低塑性； 一次渗碳体 Fe3CI：从液相直接 结晶出来。 二次渗碳体 Fe3CII：从 A 中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
一、合金Ⅰ（共析钢）
结晶过程
共析结晶过程
1点以上 L； 1~2点 L+A； 2~3点 A； 3点 共析转变AS
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
QFe3 C
（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团
3~4点 F+ Fe3CIII+ Fe3C ≡ P
0.77 0.0218 11.2% 6.69 0.0218
第一节 铁碳合金的基本相
同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以
后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而 发生变化的现象，也称同素异构转变。
Fe的冷却曲线及相应的晶体结构
L-Fe 液相
1538℃
δ-Fe 体心
1394℃
γ-Fe 面心
912℃ α-Fe 体心
同素异构转变（重结晶）的特点
4 铁碳合金相图
一、共析钢
1 C 2
•珠光体中铁素体与渗碳体的
相对量可用杠杆定律求得。
w FP SK 6.69 0.77 100%
PK 6.69 0.0218 88.8%
PS 0.77 - 0.0218
3
w Fe 3 C
PK 6.69 0.0218 11 .2 % (1 - w FP ) 100%
σb
750~900MPa
δ
20%~25%
αk
24~32J/㎝2
第四章 铁碳合金相图
硬度
180~280HBS
共晶转变与共析转变比较
相同点： • 在恒温下，由一相转变成两相混合物
不同点：
• 共晶转变——从液相发生转变；共晶体-莱氏体Ld；
• 共析转变——从固相发生转变；共析体-珠光体P；
• 由于原子在固态下扩散困难，故共析体比共晶体 更细密。
第四章 铁碳合金相图
二、下半部分图形-固态的相变
2.图中各线的分析
• PQ-碳在铁素体中固溶线，碳在铁素体中的最大溶解度是P 点，随着温度降低溶解度减小。从727℃到室温，铁素体中
溶碳量从wC=0.0218%减小到wC=0.0008%。
第四章 铁碳合金相图
三次渗碳体（Fe3CⅢ）——由727℃冷却到室温的过程中，过 剩的碳将以渗碳体形式从铁素体中析出，称为三次渗碳体。 一次渗碳体（Fe3CⅠ）——自液态合金中直接析出的渗碳体。 二次渗碳体（Fe3CⅡ）——自奥氏体中析出的渗碳体。
第四章 铁碳合金相图
三、渗碳体
σb
30MPa
δ
0%
αk
0J/㎝2
硬度
800HBW
• 渗碳体是指晶体点阵为正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种 具有复杂晶格的间隙化合物，用符号Fe3C表示。 • 其含碳量为wc=6.69%，熔点为1227℃，不发生同素异构转变， 有磁性转变，在230℃以下具有弱磁性，230℃以上失去铁磁 性。 • 渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被 其他金属原子置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金 渗碳体。 • Fe3C在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或块 状。在碳钢中起强化相，其形态与分布对钢的性能有很大影 响。在一定条件下会分解成石墨状的自由碳。
第四章 铁碳合金相图
第四节铁碳合金相图从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
1．铁素体2．奥氏体3．渗碳体二、铁碳合金相图分析1．Fe- Fe3C相图中的特性点图4-14是Fe- Fe3C相图。
图中各点的温度、含碳量及其意义示于表4-1中。
Fe- Fe3C相图中的特性点均采用固定的字母表示。
图4-14 Fe-Fe3C相图2．Fe-Fe3C相图中的特性线相图中的ABCD线为液相线，AHJECFD为固相线，ES线是碳在γ-Fe中的固溶度曲线，又叫作Acm 线。
PQ线是碳在α-Fe中的固溶度曲线。
GS线是冷却过程中，由奥氏体中析出铁素体的开始线，或者是加热时，铁素体溶入奥氏体的终止线，GS线又叫作A3线。
根据生成条件的不同，渗碳体可分为一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体五种。
它们的不同形态与分布，除对铁碳合金性能有不同影响外，就其本身来讲，并无本质区别。
三、铁碳合金的结晶过程下面以几种典型的铁碳合金为例，分析其平衡结晶过程及组织。
由于工业纯铁的实际应用较少，所以这里不分析其结晶过程。
所选合金的成分如图4-15所示。
图4-15 6个典型的铁碳合金结晶过程分析1．共析钢的结晶过程分析图4-15中，合金①是共析钢，其结晶过程示于图4-16。
图4-16 共析钢结晶过程示意图2．亚共析钢的结晶过程分析图4-15中的合金②是亚共析钢，其结晶过程如图4-17所示。
图4-17 亚共析钢结晶过程示意图3．过共析钢的结晶过程分析图4-15中的合金③是过共析钢，其结晶过程如图4-18所示。
第四章 铁碳合金相图(全)
工程材料及热工处理
第四章 铁碳合金相图
主讲人： 刘 怿 凡
§4.1 固态合金的相结构
几个重要概念
1.合金
两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成 的具有金属特性的物质
2.组元
组成合金的最基本的独立物质称为组元，可以是组 成合金的元素，也可以是化合物，有二元、三元等。
3.相
在合金中，凡成分相同、结构相同并以明显界面相 互分开的均匀组成部分，是合金中最基本的组成部分。
●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐 磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂 的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
§4.4 铁碳合金相图的应用
2.在铸造工艺方面的应用
根据Fe—Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在 液相线以上50～100℃。
§4.1 固态合金的相结构
4.组织
用肉眼或显微镜观察到的金属材料的内部情景，包 括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。“特殊形 态的微观形貌”
5.合金系
由相同组元配制的一系列成分不同的合金，组成一 个合金系统。
合金组织中的相结构决定合金的性能
§4.1 固态合金的相结构
合金的相结构
晶体结构、原子结构不同、组元相互作用不同——不同相结构
4.在热处理工艺方面的应用
Fe—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些 热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图 确定的。
§4.4 铁碳合金相图的应用
在运用Fe—Fe3C相图时应注意以下两点：
①Fe—Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其 它元素，相图将发生变化，与实际情况有较大差异。
第四章 铁碳合金相图
主讲人： 刘 怿 凡
§4.1 固态合金的相结构
几个重要概念
1.合金
两种或两种以上的金属，或金属与非金属元素组成 的具有金属特性的物质
2.组元
组成合金的最基本的独立物质称为组元，可以是组 成合金的元素，也可以是化合物，有二元、三元等。
3.相
在合金中，凡成分相同、结构相同并以明显界面相 互分开的均匀组成部分，是合金中最基本的组成部分。
●白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐 磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂 的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。
§4.4 铁碳合金相图的应用
2.在铸造工艺方面的应用
根据Fe—Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在 液相线以上50～100℃。
§4.1 固态合金的相结构
4.组织
用肉眼或显微镜观察到的金属材料的内部情景，包 括晶粒的大小、形状、相对数量和相对分布。“特殊形 态的微观形貌”
5.合金系
由相同组元配制的一系列成分不同的合金，组成一 个合金系统。
合金组织中的相结构决定合金的性能
§4.1 固态合金的相结构
合金的相结构
晶体结构、原子结构不同、组元相互作用不同——不同相结构
4.在热处理工艺方面的应用
Fe—Fe3C相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义。一些 热处理工艺如退火、正火、淬火的加热温度都是依据Fe—Fe3C相图 确定的。
§4.4 铁碳合金相图的应用
在运用Fe—Fe3C相图时应注意以下两点：
①Fe—Fe3C相图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态，如含有其 它元素，相图将发生变化，与实际情况有较大差异。
第四章 铁碳合金相图
的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁
性。
铁碳合金中的基本相
• 铁素体的力学性能特点是塑性、韧性好，
而强度、硬度低。
• δ=30%~50%，AK=128~160J
σb=180~280MPa，50~80HBS。
铁碳合金中的基本相
• 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，在亚共析钢中铁素体呈
铁碳合金中的基本相
• 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。
铁碳合金中的基本相
3、渗碳体（Cementite）
• 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金
属化合物，用化学分子式“Fe3C”表示。它
的碳质量分数wc=6.69％，熔点为1227℃。
• 硬而脆，耐腐蚀。用4%硝酸酒精溶液浸蚀 后，在显微镜下呈白色，如果用4%苦味酸 溶液浸蚀，渗碳体呈暗黑色。
第四章 铁碳合金相图
LOGO
概述
• 钢铁是现代工业中应用最广泛的材料，其 基本组成元素是铁和碳，故称为铁碳合金。 普通碳钢和铸铁就属于铁碳合金的范畴， 而合金钢则是有意加入一些合金元素的铁 碳合金。 • 为了研究铁碳合金的组织和性能以及它们 与成分、温度的关系，就必须学习铁碳合 金相图。
概述
• 铁碳合金相图最早是在1889年测定的，距
• 钢中wc↑，其可焊性↓，故焊接用钢主要是指 低碳 钢和低碳合金钢。
上一级
• （三） 切削加工性能
• 金属的切削加工性能是指金属进行切削 加工时的难易程度。 • 钢的硬度为160～230HBS时，切削加工 性最好。
上一级
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
LOGO
水平线ECF为共晶反应线。
第四章 铁碳合金讲解
Fe3C = 1 - Wα = 6.42%
第四节 碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响
碳的质量分数对平衡组织的影响。 碳的质量分数对力学性能的影响。 碳的质量分数对工艺性能的影响。
一.碳的质量分数对平衡组织的影响
随着含碳量的增加, Fe－C合金的组织发生下列变化： α+Fe3CⅢ→α+P→P→P+Fe3CⅡ→Fe3CⅡ+Ld’+P→Ld’→ Fe3CⅠ+Ld’，称为组织组成物 所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体α和渗碳体 Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C 合金的相组成物。
L+ Fe3CⅠ
F
γ+
Ld Ld+Fe3CⅠ
α
γ+α S Fe3CⅡ P (α+ Fe3C)
γ+Ld+Fe3CⅡ
727℃ K
P+α
Q
P P+Fe3CⅡ
Ld’
P+Ld’+Fe3CⅡ
Ld’+Fe3CⅠ
0.0218%C 0.77%C 2.11%C Fe
4.3%C
6.69%C Fe3C
二、Fe-Fe3C 相图的分析
1.包晶转变反应式:
LB + H 1495℃ αJ
2.共晶转变反应式:
1148℃
LC
(γE + Fe3C )
Ld
3.共析转变反应式:
γS 727℃ (αP + Fe3C ) P
B. 两条磁性转变线
230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线，230℃以 上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表 示
工程材料第四章-铁碳合金相图
铁碳合金的固相线，即奥氏体的结晶终了线 铁碳合金的固相线ห้องสมุดไป่ตู้即Lc—（AE+Fe3C）共晶转变线
奥氏体转变为铁素体的开始线 奥氏体转变为铁素体的终了线
碳在奥氏体中的固溶线 碳在铁素体中的固溶线 AS—（FP+Fe3C）共析转变线
四、铁－渗碳体相图中铁碳合金的分类
第四章 铁碳合金相图
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
第四节 铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系：1）组织组成物的变化； 2）相的变化规律
随成分增加，铁素体减少，渗碳体增加
二、含碳量与力学性能间的关系
随成分增加，强度先上升（含碳0.9%）后下降，硬度上升，塑性、韧 性下降。
三、含碳量与工艺性能间的关系
第四章 铁碳合金相图
共析钢平衡结晶过程
层状细密结构 白底的铁素体 黑线的渗碳体
白亮为铁素体 黑色为珠光体
渗碳体网 珠光体
L——Ld（A+Fe3CⅡ+Fe3C）——Ld´（P+Fe3CⅡ+Fe3C）
黑色珠光体 白色渗碳体
L——L+A ——A+Ld+Fe3CⅡ——P+Ld´+Fe3CⅡ
黑色珠光体 基体变态莱
奥氏体（放大500倍）
第二节 铁－渗碳体相图分析 第四章 铁碳合金相图 AE、ECF为固相线。 AE线为奥氏体结晶终 了线，ECF线为共晶线
AC、CD为液相线，液 态合金冷却到此线时，
开始结晶
ES线为碳在奥氏体中的
溶解度曲线 GS线为冷却时由A向F PQ线为碳在铁素转体变中的的开始线
溶解度曲线
GP线为冷却时由A向F 转变的终了线
奥氏体转变为铁素体的开始线 奥氏体转变为铁素体的终了线
碳在奥氏体中的固溶线 碳在铁素体中的固溶线 AS—（FP+Fe3C）共析转变线
四、铁－渗碳体相图中铁碳合金的分类
第四章 铁碳合金相图
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
第四节 铁碳合金的成分、组织、性能间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系：1）组织组成物的变化； 2）相的变化规律
随成分增加，铁素体减少，渗碳体增加
二、含碳量与力学性能间的关系
随成分增加，强度先上升（含碳0.9%）后下降，硬度上升，塑性、韧 性下降。
三、含碳量与工艺性能间的关系
第四章 铁碳合金相图
共析钢平衡结晶过程
层状细密结构 白底的铁素体 黑线的渗碳体
白亮为铁素体 黑色为珠光体
渗碳体网 珠光体
L——Ld（A+Fe3CⅡ+Fe3C）——Ld´（P+Fe3CⅡ+Fe3C）
黑色珠光体 白色渗碳体
L——L+A ——A+Ld+Fe3CⅡ——P+Ld´+Fe3CⅡ
黑色珠光体 基体变态莱
奥氏体（放大500倍）
第二节 铁－渗碳体相图分析 第四章 铁碳合金相图 AE、ECF为固相线。 AE线为奥氏体结晶终 了线，ECF线为共晶线
AC、CD为液相线，液 态合金冷却到此线时，
开始结晶
ES线为碳在奥氏体中的
溶解度曲线 GS线为冷却时由A向F PQ线为碳在铁素转体变中的的开始线
溶解度曲线
GP线为冷却时由A向F 转变的终了线
铁碳合金相图分析
第四章铁碳合金第一节铁碳合金的相结构与性能一、纯铁的同素异晶转变δ-Fe→γ-Fe→α-Fe体心面心体心同素异晶转变——固态下，一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象。
特点：? 是形核与长大的过程（重结晶）? 将导致体积变化（产生内应力）? 通过热处理改变其组织、结构→ 性能二、铁碳合金的基本相第二节铁碳合金相图一、相图分析两组元：Fe、Fe3C上半部分图形（二元共晶相图）共晶转变：1148℃727℃L4.3 → A2.11+ Fe3C → P +Fe3C莱氏体Ld Ld′2、下半部分图形（共析相图）两个基本相：F、Fe3C共析转变：727℃A0.77→ F0.0218 + Fe3C珠光体P二、典型合金结晶过程分类：三条重要的特性曲线??? ① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线.??? ② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线.??? ③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ.工业纯铁（<0.0218%C）钢（0.0218-2.11%C）——亚共析钢、共析钢（0.77%C）、过共析钢白口铸铁（2.11-6.69%C）——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁L → L+A → A → P(F+Fe3C)L → L+A → A → A+F → P+FL → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ4、共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) → Ld(A+Fe3C+ Fe3CⅡ) → Ld′(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)5、亚共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + A → Ld+A+ Fe3CⅡ→ Ld′+P+ Fe3CⅡ6、过共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响四、铁碳合金相图的应用1、选材方面的应用2、在铸造、锻造和焊接方面的应用3、在热处理方面的应用第三节碳钢（非合金钢）碳钢是指ωc≤2.11%，并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。
铁碳合金的相图的最全详细讲解
过共晶白口铁组织金相图
Fe - Fe3C 相图的应用
选择材料方面的应用
制定热加工工艺方面的应用
一.选择材料方面的应用
1. 分析零件的工作条件, 根据铁碳合金 成分、组织、性能之间的变化规律进 行选择材料。
2. 根据铁碳合金成分、组织、性能之间 的变化规律 , 确定选定材料的工作范 围。
二.制定热加工工艺方面的应用
§2-5 铁碳合金的组织与状态图
铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，都可作为 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。
共晶产物是A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。
莱氏体
（二）铁碳合金的组织转变
工业纯铁 ( ingot iron )
共析钢
( eutectoid steel )
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
工业纯铁组织金相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
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P,钢的性能即P的性能
b. ＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。 c. ＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld,合金太脆.
45
3 含碳量对工艺性能的影响
(1) 切削性能: 中碳钢合适 (2) 可锻性能: 低碳钢好 (3) 焊接性能: 低碳钢好 (4) 铸造性能: 共晶合金好
二次渗碳体
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
铁素体 珠光体 莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
0
44
2 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。
a. 0.77%C时，组织为100%
Fe3CⅠ+Ld
K
F + P
L'd
Fe3CⅠ+L'd
F+Fe3CⅢ
Fe
1.0
2.0
3.0
Fe3C 4.0
wc(%)
5.0
6.0
6.69
17
(一)铁碳合金相图中主要点和线的意义
• 五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 • 四条重要的线: EF、ES、GS、PSK。 • 三个重要转变: 包晶转变、共晶转变、共析 转变。 • 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
L+δ
δ+
L+ L+ Fe3C + + Fe3C
F+ Fe3C
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布,
性能介于两相之间。
珠光体
PSK线又称A1线 。
24
⑶ 其它相线 • GS,GP— ⇄ 固溶体
转变线, GS又称A3线。
• HN,JN—δ⇄ 固溶体 转变线， • ES—碳在 -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 • PQ—碳在-Fe中的固 溶线。
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
铁碳合金相图：表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、 组织与温度的关系图。利用它可以研究钢和铸铁的内部组织及其 变化规律，从而为更好的利用它们，并为制定热处理、压力加工 等工艺规程打下基础。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际 上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如图所示。
1600 A δ H B δ+A J 1400 1394℃
L+δ
L
L+A 1148℃
D
L+Fe3CⅠ
温度/ ℃
1200 1000 800 F 600 Q 400 200
A
F
E G 912℃ F+A P S P
P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+L'd A+Fe3CⅡ+Ld A+Fe3CⅡ
727℃
C Ld
Le+ Fe3CⅠ
K
Ld Ld+ Fe3CⅠ Fe3C
Q P+F Fe F+ Fe3CⅢ
C%
43
（四）含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 ⒈ 含碳量对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
含碳量%
钢 工 业 共析钢 纯 铁 亚共析钢 过共析钢
0 0.0218 100 0.77 2.11
1.工业纯铁 ( Wc < 0.0218% )
工业纯铁组织金相图
2. 共析钢 ( Wc = 0.77% )
共析钢组织金相图
3.亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
4.过共析钢 ( Wc = 1.2% )
过共析钢组织金相图
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
白口铸铁 (2.11～6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 a. 亚共晶白口铸铁 (2.11～4.3%C) P+Fe3CII+Ld′ b. 共晶白口铸铁 (4.3%C) Ld′ c. 过共晶白口铸铁 (4.3～6.69%C) Fe3CI+Ld′
26
工 业 纯 铁
亚 共 共 析 析 钢 钢 P F + P
奥氏体
奥氏体组织金相图
• ⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。
• Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零
Fe3C是一个亚稳相，在一定 条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反应
对铸铁有重要意义。
钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度很小，
15
※二 铁碳合金相图
1.Fe-C相图与Fe-Fe3C相图
• • • • 铁碳合金—碳钢和铸铁，是工业应用最广的合金。 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。
铣
车 刨 钻
(5) 热处理性能: 后续介绍
磨
切削加工的基本形式
46
焊 缝 组 织
铸 造
模锻
47
（五） 铁碳合金相图的应用 1）在铸造中的应用。根据相图可以知道各种成分的钢 和铸铁的结晶温度，可确定合金的浇注温度，知道合 金的凝固温度范围，判断流动性以及缩孔、缩松的倾 向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流 动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。 2）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好， 变形是抗力低，便于塑性变形，故常选择单相奥氏体 区域的适当温度范围。 3）在热处理中的应用。相图反映了不同成分的合金在 缓慢加热或冷却时，所发生的组织转变温度，是制订 热处理工艺的依据。
因而常温下碳在铁碳合金中主
要以Fe3C或石墨的形式存在。
铸铁中的石墨
渗碳体组织金相图
• ⑷珠光体：铁素体与Fe3C的机械混合物，用P表示。
珠光体的组织特点是两相 呈片层相间分布,性能介
于两相之间。
珠光体
珠光体 ( P )
• ⑸莱氏体：机械混合物
• 高温莱氏体：727 ℃以上，奥氏体与渗碳体，以Ld表示
A
L+δ
L
L+A 1148℃
D
L+Fe3CⅠ
F
E G 912℃ A+Fe3CⅡ F+A 800 F P S 600 Q 400 200
A+Fe3CⅡ+Ld
727℃
C Ld
Fe3CⅠ+Ld
K
F + P
P
P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+L'd
L'd
Fe3CⅠ+L'd
• ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C
第四章 铁碳合金相图及碳素钢
※一 铁碳合金的基本组织 ※二 铁碳合金相图
※三 碳素钢（非合金钢）
1
※一 铁碳合金的基本组织
一【 新课导入】
钢和生铁都是铁碳合金，其基本组织是铁和碳两 个元素，是现代工业中应用最广泛的金属材料。为 了熟悉钢铁材料的组织与性能，以便在生产中合理 使用，首先必须研究铁碳合金相图。一般说的铁碳 合金相图，实际上是铁-渗碳体（Fe- Fe3C ）相图。 根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体， 也可以反应形成金属化合物，或固溶体与金属化合 物组成机械混合物。因此，在铁碳合金中出现以下 几种基本组织：
Fe - Fe3C 相图
T°
Fe
Fe3C
Fe - Fe3C 相图
T° A
L
L+A
E A+ Fe3CⅡ
D
C L+ Fe3CⅠ F Ld+Fe3CⅠ 727℃ K Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C
1148℃
G
A
S A+F F P ( F+ Fe3C )
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C
25
（二）铁碳合金的分类
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
钢(0.0218～2.11%C)高温组织为单相 a. 亚共析钢 (0.0218～0.77%C) 室温组织为F+P b. 共析钢 (0.77%C) P c. 过共析钢 (0.77～2.11%C) Fe3CⅡ +P
过 共 析 钢 Fe3CⅡ +P
亚 共 晶 白 口 铁 P+Fe3CII+Ld′
共 晶 白 口 铁
Ld′
过 共 晶 白 口 铁 Fe3CI+Ld′ 6.69 00
27
（三）典型铁碳合金的结晶过程及其组织
• • • • • • • 工业纯铁 ( ingot iron ) 共析钢 ( eutectoid steel ) 亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 过共析钢 ( hypereutectoid steel ) 共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
• 低温莱氏体：727 ℃以下，珠光体与渗碳体，以Ld、表示 • 为蜂窝状, 以Fe3C为基，性能硬而脆。