机械工程材料-教案-04
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同素异构转变线：GS 和 GP
13
析出
g
析出
a
Fe3CII （二次渗碳体）
二次渗碳体多以网状 形式析出，损害材料 的强度、塑性韧性
Fe3CIII （三次渗碳体）
14
❖ 相图中的相区 ❖ 单相区（4个） γ＋ α ＋Fe3C ＋L ❖ 两相区（5个）L + γ, L + Fe3C， γ＋ α, γ
3
3、渗碳体（Fe3C、Cm）： ❖ 渗碳体：铁和碳形成的一种具有复杂晶格结构的
金属间化合物。含碳量为6.69%。性能：硬度高， 塑性、韧性趋于0，脆性极大。渗碳体合理分布可 提高合金的强度、硬度等性能。 4、珠光体（P）： ❖ 珠光体：铁素体和渗碳体的两相片层状机械混合 物。性能介于F和Fe3C之间。 5、莱氏体（Ld）： ❖ 莱氏体：奥氏体和渗碳体的两相机械混合物。
3.3 铁-碳平衡相图
铁碳合金（Iron－Carbon Alloy）
碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了 解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各 种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都 有十分重要的意义。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。 现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅 简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实 际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先 来重点研究Fe-Fe3C相图也是必要的。
2
❖ 3.3.1铁碳合金的基本相和组织 ❖ 1、铁素体（F、a）： ❖ 铁素体：碳原子溶入到a-Fe的间隙中所形成的间
隙固溶体。晶格类型为体心立方晶格，C的最大 溶解度为0.0218%（727℃时），室温下溶解度为 0.008%。性能：强度、硬度低，塑性、韧性好， 耐蚀性好。 2、奥氏体（A、γ）： ❖ 奥氏体：碳原子溶入到γ-Fe的间隙中所形成的间 隙固溶体。晶格类型为面心立方晶格，C的最大 溶解度为2.11%（1148℃时）。性能：强度、硬 度低，塑性好，易于锻压成型。
+ Fe3C
Fra Baidu bibliotek4.3
❖ PSK：
2.11
6.69
❖ 共析反应线，A1线，727℃，，生成P，含碳量在
0.0218~6.69%间的Fe-C合金会发生共析反应。
gs
727ºC
0.77
aP
+
0.0218
Fe3C 6.69
12
❖ 固溶度线： ❖ ES线：Acm线，碳在A中的固溶线，1148℃时最大，
为2.11%C，727℃时最小，为0.77%C。含碳量大 于0.77%的Fe-C合金从1148℃→727℃时，从A中 沿A晶界析出Fe3CⅡ。从液相中结晶出的Fe3C称 为Fe3CⅠ。 ❖ PQ线：碳在F中的固溶线，727℃时最大，为 0.0218%C，0℃时最小，为0.0008%C。含碳量大 于0.0218%的Fe-C合金从727℃→0℃时，从F中或 沿F晶界析出Fe3CⅢ。Fe3CⅠ、Fe3CⅡ和Fe3CⅢ 仅在来源和分布方面有所不同，并无本质区别，它 们的含碳量、晶格类型、本身性能均相同。
5
❖ 3.3.2 铁碳合金相图分析
6
1
21 2
3 34
7
1 2
3 4
8
9
❖ 1、相图中主要特性点和特性线的意义
❖ 组元：Fe、Fe3C
❖ 点：（温度、成分、意义）
❖ 相图中的点（10个）
❖ （1）组元的熔点：
❖
A (0, 1538) 铁的熔点
❖
D (6.69, 1227) Fe3C的熔点
❖ （2）同素异构转变点
❖ 根据每条线表示的转变，写出每两个点之间 或者重要点上发生的转变；由液相分析至室 温。
❖ 室温下该成分线所在的相区，合金室温下就 具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程 中发生的转变。
16
3.3.3 Fe-C合金在平衡冷却时的转变 ❖ Fe-C合金分类: ❖ 按含碳量和组织不同，铁碳合金相图上的各
种合金分为三类： ❖ 1）工业纯铁：含碳量小于0.0218%Fe-C合
金; ❖ 2）钢：含碳量在0.0218%~2.11%间的Fe-C
2 相图中的线
3 液相线(ＡＣＤ):其上体系为液相，(结晶时液相的成 分变化线)
4 固相线（ＡＥＣＦ）：其下为固相，(结晶时固相的 成分变化线)
11
重要特性线：
❖ 平行线：
❖ ECF：共晶反应线，1148℃，生成莱氏体（Ld），
含碳量在2.11~6.69%间的Fe-C合金会发生共晶反
应。
Lc 1148ºC gE
❖
G（0，912） γ －Fe α -Fe
❖ （3）碳在铁中最大溶解度点
❖
P（0.0218，727）碳在α -Fe 中的最大溶解度
❖
E（2.11，1148）碳在 γ -Fe 中的最大溶解度
❖
Q（0.0008，RT）室温下碳在α -Fe 中的溶解度
10
❖ (4)三相共存点 ❖ S（共析点）（ γs＋ αP ＋Fe3C） ❖ C（共晶点）（ γE＋LC ＋Fe3C） ❖ （5）其它点 ❖ F（6.69,1148) ，渗碳体 ❖ K (6.69,727) ， 渗碳体
1
❖ 需要掌握的知识点: ❖ Fe-Fe3C相图中重要的点、线和相区。 ❖ Fe-Fe3C相图中的重要转变及产物。 ❖ 应用Fe-Fe3C相图分析典型成分铁碳合金的
结晶过程。分析室温下得到的相和组织组成 物。 ❖ 会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的 质量分数。 ❖ 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。
❖ 变态莱氏体L’d。
4
6. δ phase
❖ δ is the same as a ferrite, except for the range of temperatures over which each exists. Since the δ ferrite is stable only at relatively high temperature, it is of no technological importance and is not discussed further.
＋ Fe3C, α + Fe3C。 ❖ 强调！ 根据相图规则，两个单相区之间
必然夹一个两相区，两相区的两个相就由 这两个单相区的相组成。
15
❖ 典型铁碳合金结晶过程分析方法和步骤：
❖ 在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该 点作成分线；
❖ 在成分线与相图的各条线的交点作标记（一 般用1、2、3、4等）
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析出
g
析出
a
Fe3CII （二次渗碳体）
二次渗碳体多以网状 形式析出，损害材料 的强度、塑性韧性
Fe3CIII （三次渗碳体）
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❖ 相图中的相区 ❖ 单相区（4个） γ＋ α ＋Fe3C ＋L ❖ 两相区（5个）L + γ, L + Fe3C， γ＋ α, γ
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3、渗碳体（Fe3C、Cm）： ❖ 渗碳体：铁和碳形成的一种具有复杂晶格结构的
金属间化合物。含碳量为6.69%。性能：硬度高， 塑性、韧性趋于0，脆性极大。渗碳体合理分布可 提高合金的强度、硬度等性能。 4、珠光体（P）： ❖ 珠光体：铁素体和渗碳体的两相片层状机械混合 物。性能介于F和Fe3C之间。 5、莱氏体（Ld）： ❖ 莱氏体：奥氏体和渗碳体的两相机械混合物。
3.3 铁-碳平衡相图
铁碳合金（Iron－Carbon Alloy）
碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛材料。了 解铁碳合金相图，对于铁碳合金的研究和使用，各 种热加工工艺的制定以及工艺、品质量的保证等都 有十分重要的意义。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。 现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅 简化了我们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实 际使用的金属合金其含碳量一般不超过5%，所以先 来重点研究Fe-Fe3C相图也是必要的。
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❖ 3.3.1铁碳合金的基本相和组织 ❖ 1、铁素体（F、a）： ❖ 铁素体：碳原子溶入到a-Fe的间隙中所形成的间
隙固溶体。晶格类型为体心立方晶格，C的最大 溶解度为0.0218%（727℃时），室温下溶解度为 0.008%。性能：强度、硬度低，塑性、韧性好， 耐蚀性好。 2、奥氏体（A、γ）： ❖ 奥氏体：碳原子溶入到γ-Fe的间隙中所形成的间 隙固溶体。晶格类型为面心立方晶格，C的最大 溶解度为2.11%（1148℃时）。性能：强度、硬 度低，塑性好，易于锻压成型。
+ Fe3C
Fra Baidu bibliotek4.3
❖ PSK：
2.11
6.69
❖ 共析反应线，A1线，727℃，，生成P，含碳量在
0.0218~6.69%间的Fe-C合金会发生共析反应。
gs
727ºC
0.77
aP
+
0.0218
Fe3C 6.69
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❖ 固溶度线： ❖ ES线：Acm线，碳在A中的固溶线，1148℃时最大，
为2.11%C，727℃时最小，为0.77%C。含碳量大 于0.77%的Fe-C合金从1148℃→727℃时，从A中 沿A晶界析出Fe3CⅡ。从液相中结晶出的Fe3C称 为Fe3CⅠ。 ❖ PQ线：碳在F中的固溶线，727℃时最大，为 0.0218%C，0℃时最小，为0.0008%C。含碳量大 于0.0218%的Fe-C合金从727℃→0℃时，从F中或 沿F晶界析出Fe3CⅢ。Fe3CⅠ、Fe3CⅡ和Fe3CⅢ 仅在来源和分布方面有所不同，并无本质区别，它 们的含碳量、晶格类型、本身性能均相同。
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❖ 3.3.2 铁碳合金相图分析
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3 34
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❖ 1、相图中主要特性点和特性线的意义
❖ 组元：Fe、Fe3C
❖ 点：（温度、成分、意义）
❖ 相图中的点（10个）
❖ （1）组元的熔点：
❖
A (0, 1538) 铁的熔点
❖
D (6.69, 1227) Fe3C的熔点
❖ （2）同素异构转变点
❖ 根据每条线表示的转变，写出每两个点之间 或者重要点上发生的转变；由液相分析至室 温。
❖ 室温下该成分线所在的相区，合金室温下就 具有那个相。组织组成物则取决于冷却过程 中发生的转变。
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3.3.3 Fe-C合金在平衡冷却时的转变 ❖ Fe-C合金分类: ❖ 按含碳量和组织不同，铁碳合金相图上的各
种合金分为三类： ❖ 1）工业纯铁：含碳量小于0.0218%Fe-C合
金; ❖ 2）钢：含碳量在0.0218%~2.11%间的Fe-C
2 相图中的线
3 液相线(ＡＣＤ):其上体系为液相，(结晶时液相的成 分变化线)
4 固相线（ＡＥＣＦ）：其下为固相，(结晶时固相的 成分变化线)
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重要特性线：
❖ 平行线：
❖ ECF：共晶反应线，1148℃，生成莱氏体（Ld），
含碳量在2.11~6.69%间的Fe-C合金会发生共晶反
应。
Lc 1148ºC gE
❖
G（0，912） γ －Fe α -Fe
❖ （3）碳在铁中最大溶解度点
❖
P（0.0218，727）碳在α -Fe 中的最大溶解度
❖
E（2.11，1148）碳在 γ -Fe 中的最大溶解度
❖
Q（0.0008，RT）室温下碳在α -Fe 中的溶解度
10
❖ (4)三相共存点 ❖ S（共析点）（ γs＋ αP ＋Fe3C） ❖ C（共晶点）（ γE＋LC ＋Fe3C） ❖ （5）其它点 ❖ F（6.69,1148) ，渗碳体 ❖ K (6.69,727) ， 渗碳体
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❖ 需要掌握的知识点: ❖ Fe-Fe3C相图中重要的点、线和相区。 ❖ Fe-Fe3C相图中的重要转变及产物。 ❖ 应用Fe-Fe3C相图分析典型成分铁碳合金的
结晶过程。分析室温下得到的相和组织组成 物。 ❖ 会用杠杆定律计算室温下相和组织组成物的 质量分数。 ❖ 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响。
❖ 变态莱氏体L’d。
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6. δ phase
❖ δ is the same as a ferrite, except for the range of temperatures over which each exists. Since the δ ferrite is stable only at relatively high temperature, it is of no technological importance and is not discussed further.
＋ Fe3C, α + Fe3C。 ❖ 强调！ 根据相图规则，两个单相区之间
必然夹一个两相区，两相区的两个相就由 这两个单相区的相组成。
15
❖ 典型铁碳合金结晶过程分析方法和步骤：
❖ 在相图的横坐标上找出给定的成分点，过该 点作成分线；
❖ 在成分线与相图的各条线的交点作标记（一 般用1、2、3、4等）