工程材料与机械制造基础 第四章 铁碳合金相图及碳素钢

织为单相A （γ）
① 亚共析钢 (0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢
亚共 共析 析钢 钢 工 业 纯 铁 过 共 析 钢 亚 共 晶 白 口 铁 共 晶 白 口 铁 过 共 晶 白 口 铁
(0.77~2.11%C)
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
Fe3C
Ｐ
过共析钢组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程

过共析钢室温组织为P+ Fe3CⅡ。 Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ量最大：
含1.4%C钢的组织
§4-3 铁碳合金的结构和相图

室温下两相的相对重量百分比：
1 2
3 4
3

在2点, 共晶
(A)发生共析反应，转变为珠光体，这种由
P与 Fe3C组成的共晶
体称低温莱氏体, 用
Le’表示。 2 点以下，共晶体中P 的变化同共析钢。
S
§4-3 铁碳合金的结构和相图

共晶白口铁室
温组织为Le’
(P+ Fe3C), 它 保留了共晶转 变产物的形态 特征。

室温下两相的 相对重量百分 比为：
d). 1.2%C 铁素体+二次渗碳体 500×
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
5、共晶白口鉄的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶 (A)
与共晶Fe3C的机械混合物, 呈鱼骨状。

Fe3C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
珠光体
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 相变结束时，珠光体中 相的相对重量百分比为：
1 2
F
3
Q
4
9
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 室温下，珠光体中 两相的相对重量百分 比是多少？
3 1 2
F
Q
4 4
9
§4-3 铁碳合金的结构和相图
6.69 4.3 Q 100% 35.7% 6.69 0.0008 QFe C 100% 35.7% 64.3%
3
共晶白口铁组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 6、 亚共晶白口铁的结晶过程
合金在1~2点间析出 (A) 。到2点，液相成分变到C点,并转
S A+F F P ( F+ Fe3C )
P
Q P+F P+Fe3CⅡ 0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
1、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F（ α ）。 ⑵ 钢(0.0218~2.11%C)高温组
艺依据.
§4-3 铁碳合金的结构和相图
一、 铁碳合金的基本相和组织 1、铁碳合金相图的组元 Fe、 Fe3C 2、铁碳合金中的基本相和组织
⑴ 铁素体（F、 ）： 碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F或表示。
铁素体
铁素体是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在
727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
一、 铁碳合金的基本相和组织 3、铁碳合金中的基本相和组织
（5）莱氏体 (Le)：
是奥氏体和渗碳体的机械混合物。
莱氏体的组织特点是:为 鱼骨状, 以Fe3C为基，性

Fe3C
能硬而脆。
L 4.3%
1148℃
Le (A+ Fe3C)
莱氏体
共晶反应，共晶体Le 。
§4-3 铁碳合金的结构和相图
一、 铁碳合金的基本相和组织 3、铁碳合金中的基本相和组织

合金在1~2点转变为(A) , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏体中
析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶界呈网状分布。

温度下降, Fe3CⅡ量 增加。到4点， (A)
成分沿ES线变化到S
点，余下的 (A)转变 为P。
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
§4-3 铁碳合金的结构和相图
二、 铁碳合金相图
A T°
匀晶相图 L+A
L
1148℃ C
共晶相图
D
L+ Fe3CⅠ F
G 共析相图
A
E A+ Fe3CⅡ
( A+Fe3C )
Ld
A+Ld+Fe3CⅡ P+Ld’+Fe3CⅡ Ld’ ( P+Fe3C ) 4.3%C
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ 6.69%C Fe3C
变为Le。2~3点间从 (A)中析出Fe3CⅡ，一次 (A)的Fe3C合金的结构和相图
二、 铁碳合金相图 2、特征线
(1）液相线—ACD，
固相线—AECF (2）两条水平线：
●
ECF：共晶线
LC⇄ AE+Fe3C
●
PSK：共析线
(A1线)
AS ⇄ F P+ Fe3C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
二、 铁碳合金相图
（3）其它相线 GS—A⇄ F 固溶体 转变线, GS又称 A3 线。
⑶ 白口铸铁
(2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆 ① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C) ② 共晶白口铸铁(4.3%C) ③ 过共晶白口铸铁
(4.3~6.69%C)
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
1、铁碳合金的分类
工业纯铁 ——Wc< 0.0218% 铁 碳 合 金 分 类 碳 钢 白 口 铸 铁 亚共析钢 ——0.0218% < Wc <0.77% 共 析 钢 ——Wc= 0.77% 过共析钢 ——0.77% < W < 2.11% c 亚共晶白口铸铁 ——2.11% < Wc < 4.3% ——Wc=4.3% ——4.3% < Wc < 6.69%
C点以下, (A)成分沿ES线变化，共晶 (A)将析出Fe3CⅡ。
Fe3CⅡ与共晶Fe3C 结合，不易分辨。
1’
Fe3C 2
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程

§4-3 铁碳合金的结构和相图
温度降到2点, (A)成分达到0.77%, 此时, 相的相对 重量: 6.69 4.3 Q 100% 40.4%，QFe C 59.6% 6.69 0.77
铸铁中的石墨
§4-3 铁碳合金的结构和相图
一、 铁碳合金的基本相和组织 3、铁碳合金中的基本相和组织
（4） 珠光体(P)：
是铁素体和渗碳体的机械混合物。
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，强、韧性好。
727℃
A0.77
P(F+ Fe3C)
珠光体
共析反应，共析体P。
§4-3 铁碳合金的结构和相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
α
Ｐ
亚共析钢组织金相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
共析温度下相的相对重量为：
S’
组织组成物的相对重量为：
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程

室温下相的相对重量百分 比为：
（6）低温莱氏体 (Le’)：
是珠光体和渗碳体的机械混合物。
Le’（P+ Fe3C ） 低温莱氏体的组织特点是: 为鱼骨状, 其Fe3C较多，性能 硬而脆。
低温莱氏体
§4-3 铁碳合金的结构和相图
一、 铁碳合金的基本相和组织
L
L+A
L+Fe3C
A Ld
F
P
Ld’
§4-3 铁碳合金的结构和相图
二、 铁碳合金相图 1、特征点
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
共析钢金相组织图
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 3、亚共析钢的结晶过程
以0.45%C的钢为例 合金在3点以前通过匀晶 反应全部转变为（A）。 到3点，由 （A）中析出 。 到4点, （A）成分沿 GS线变到S点， （A）发生 共析反应转变为珠光体。 温度继续下降， (F) 中析出Fe3CⅢ，由于与共 析Fe3C结合, 且量少, 忽 略不计。
ES—碳在A中的固
溶线。又称Ac m线。 PQ—碳在F中的固 溶线。
§4-3 铁碳合金的结构和相图
二、 铁碳合金相图 3、相区
① 四个单相区:
L、A、F、Fe3C
②五个两相: L+A、L+Fe3C、 A+Fe3C、A+F 、
F+Fe3C
③ 两个三相区：即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线 相图中的两项区的两个组成相，由其相邻的两个单相区决定。
铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似,塑性、韧性较 高而硬度较低，HB=80左右。

纯 铁：L
1538℃
δ-Fe
γ-Fe
1394℃
α-Fe
912℃
(铁的同素异构转变)
δ-相、 奥氏体（A、γ）、 铁素体（F 、α ） 均是碳在Fe中的 间隙固溶体
§4-3 铁碳合金的结构和相图
一、 铁碳合金的基本相和组织 2、铁碳合金中的基本相和组织
构和相图
§4-3 铁碳合金的结构和相图

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。
§4-3 铁碳合金的结构和相图

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。
一、 铁碳合金的基本相和组织
2、铁碳合金中的相和组织 ⑶ 渗碳体（Fe3C ）：
是Fe—C的金属化合物，含碳6.69%, 用 Fe3C表示,熔点为1227℃。 Fe3C硬度高（HB=800）、强度低 （b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零。
钢中的渗碳体
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。 由于碳在-Fe中的溶解度小，因而 常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或 石墨的形式存在。
工程材料与机械制造基础
第4章 铁 碳 合 金
一、合金概述
§4-1 合金的相结构
二、固溶体 三、金属间化合物
一、二元相图的建立 二、杠杆定律
§4-2 二元合金状态图的建立
三、共晶相图 四、共析相图
一、铁碳合金的基本相和组织
§4-3 铁碳合金的结
二、铁碳合金相图 三、典型成分合金平衡结晶过程分析 四、铁碳合金的应用
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 2、共析钢的结晶过程 合 金 液 体 在 1-2 点间转变为A,到 S 点 发 生共 析转 变：
F A A A A
AS⇄P(FP+Fe3C)
A 全部转变为珠
光体。
F
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 珠光体在光镜下呈指纹 状。 珠光体中的渗碳体称共 析渗碳体。 S点以下，共析 F 中析 出Fe3CⅢ，与共析Fe3C结合 不易分辨。室温组织为P。
S’

室温下组织组成物的相对重量百分比为：
§4-3 铁碳合金的结构和相图

亚共析钢室温下的组织
为F+P。

在0.0218~0.77%C 范围
内珠光体的量随含碳量
增加而增加。
含0.20%C钢的组织
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程 4、过共析钢的结晶过程
S’
5

室温下两组织组成物的相对重量百分比：
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
亚共析钢与过共析钢组织比较
§4-3 铁碳合金的结构和相图
三、典型成分铁碳合金的平衡结晶过程
铁碳合金组织特征
(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×

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。
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
§4-3 铁碳合金的结构和相图
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
⑵ 奥氏体（A 、 ）:
碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或表示。是面心立方晶
727℃时，为0.77% 。 组织为不规则多面体晶粒， 晶界较直。强度低、塑性好， 钢材热加工都在 区进行。 碳钢室温组织中无奥氏体。
奥氏体
格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%，
§4-3 铁碳合金的结构和相图