铁碳相图

过共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
（一）工业纯铁
1
．当T在
L→δ
T1
～T2时
，由
2．分在不T2变～T3时，δ的成
3.在T3～T4时，由δ→A 4. T4～T5,A成分不变
5. T5～T6, 由A→F 室温组织为：F+Fe3CⅢ
5.2 铁碳合金相图分析
典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置
F:白色等轴晶粒；Fe3C：呈小白片状分布于F晶界
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢 共析钢 亚共析钢
亚共晶白口铁 过共晶白口铁 共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
a＋Fe3C
0
C％(重量)
Fe
C
D L＋Fe3C F
4.3
K
6.69 Fe3C
8
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
符号 温度（℃） 含碳量（%）说明
A
1538
0
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相合金的成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点(计算值)
E
1148
2.11
C在奥氏体中的最大溶解度
相：L、d、A、F、Fe3C 五个相。
相区：五个单相区：L、 d、 A、F、Fe3C 。 七个双相区：L＋A、 L＋ d、 L+ Fe3C、 d ＋A、 A
＋F、A＋Fe3C 、F＋Fe3C。 三个三相区： L+ d+A、 L ＋A＋Fe3C、F+A+ Fe3C
线:
(一) 液相线-A BC D线
(二) 固相线-AHJECF线
性能：强度较高，塑性、 韧性和硬度介于α与Cm之 间。
5.2 铁碳合金相图分析
层片状
15
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
（四）三条重要的特征线
1538℃ L＋d
dA H
B 1495℃
NJ
1394℃ d＋g
912℃ G
g a＋g
S
P 0.0218
0.77
a
Q
H：0.09 J： 0.17 B：0.53
小结 α+Fe3αC+ⅢPP P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+LLee’’ Fe3C+Le’
5.3 合金的成分与组织及性能之间的关系
一、含碳量对相及组织的影响
相： 随着C％↑F％↓Fe3C↑。
组织：
1.工业纯铁：F线以左 （Fe3C <0.33％） 2.钢： ➢ 亚共析钢中Fe3C 呈片层状分布在F基
（一）特性：
1. 纯铁具有同素异晶转变：在固 态不同温度发生晶格类型的转变。
即 α-Fe
912℃
γ-Fe
(BCC)
(FCC)
1394℃
δ-Fe
(BCC)
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
➢ 组 元： 纯铁、渗碳体 ➢ 基 本 相： 铁素体（α ）
奥氏体（γ ） 渗碳体（Cm） ➢ 基本组织： 珠光体（P） 莱氏体（Le/Le’）
5. Fe-C合金相图
5.1 纯铁及铁碳合金中的相 5.2 Fe-Fe3C相图分析 5.3 合金的成分与组织、性能的关系 5.4 Fe-Fe3C相图的应用及局限性
1
5.1 纯铁及其铁碳合金相
铁和碳可以形成的一系列化合物，即Fe3C、 Fe2C、FeC等。
Fe-C相图可分为几部分：
Fe Fe3C Fe2C FeC C, %
P
727
0.0218
C在a中的最大溶解度
Q
室温
0.0008
室温时C在a中的最大溶解度
S
727
0.77
共析点（A1）
9
一、相图分析 （一）相图中重要的点、线、区
相图中的点 相图中的五个单相(区)
相图中的三条水平线
相图中的七个两相区
5.2 铁碳合金相图分析
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
（一）相图中重要的点、线、区 相及相区
C
6.69% 9.70% 17.7%
脆性大，无实用意义
2
5.1纯铁及其铁碳合金相
一、工业纯铁及其特性
工业纯铁指含杂质为0.10～0.20％的纯铁，sb、HB低，d、aK 好。
sb=180~230 MPa HB=50~80
j=70~80%
d=30~50% aK=160~200 J/cm2
主要利用其高的导磁率，作电工材料。
共晶白口铁室温组织：变态莱氏体Le ’（珠光体 呈粒状分布在Fe3C基体上）
共晶白口铁的基体相是Fe3C脆性相，材料整体 脆性较大，硬度较高
二、典型合金的平衡凝固过程 （六）亚共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却
匀晶反应： L→ γ相
共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
先共晶γ相不断析出 Fe3CⅡ，共晶γ相析出 Fe3CⅡ不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
(三) 三条水平线
包晶线－HJB线 共晶线－ECF线 共析线－PSK线－A1线
一、相图分析 （二）三个重要的点
5.2 铁碳合金相图分析
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H
点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分 的γ。
C点为共晶点： 1148 ℃时, C点成分的L
发生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C （莱氏体）。
（二）共析钢
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。
共析钢的室温平衡组织：P
P：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？
杠杆定律
计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。
4
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
(1) α相：又称为铁素体－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的间隙
形成的固溶体，用“F”或“a ”表示。呈体心立方晶格，最大 含碳量为0.0218%，(P点)温度为727℃。
性能：бb、HB低，δ、αK 好。
5
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
（2）g相：又称为奥氏体－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的 间隙形成的固溶体，用“A”或“g”表示，具有FCC晶体结构 。 含碳量为－727℃时为0.77% ；1148℃时为2.11％ 性能：高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低.
6
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
（3）Cm相： Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正 交晶系，含碳量为6.69％ ，通常称为“渗碳体” 。
性能：高硬度， 高脆性，塑性近似为零，加热易分解。
sb=30MPa HB=800
d=0
Fe3C 3Fe ＋C（石墨）
石墨具有六方结构,强度、硬度极低
F
1148
6.69
渗碳体的成分
G
912
0
a-Feg-Fe同素异构转变点（A3）
H
1495
0.09
C在d中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
K
727
6.69
渗碳体的成分
L
0
6.69
渗碳体的成分
M 770
0
纯Fe的居里点
N
1394
0
d-Feg-Fe同素异构转变点（A4 )
O
770
0.5
铁素体的磁性转变温度
物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、 粒状等，对性能有较大影响。
7
5.2 铁碳合金相图分析
1538℃ L＋d
dA H
B 1495℃
NJ
1394℃ d＋g
912℃ G
g a＋g
S
P 0.0218
0.77
a
Q
H：0.09
J： 0.17
B：0.53
L
L＋g E 2.11
1148℃
g＋Fe3C 727℃
莱氏体
莱氏体中的渗碳 体称为共晶渗碳 体，在显微镜下 为块状或粒状γ 分布在渗碳体基 体上； 性能：渗碳体连续 分布，Ld塑性很 差。
5.2 铁碳合金相图分析
14
一、相图分析
共析反应：γ＝P (FeC3+ α)
珠光体 珠光体：铁素体与渗碳体 的机械混合物，渗碳体以 细片状分散分布在铁素体 基体上，起强化作用。
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金
工业纯铁 ﹤0.0218%
碳素钢
0.0218～2.11%
亚共析钢
共析钢 0.77%
过共析钢 亚共晶白口铁
白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁 4.3%
体上。
➢ 共析钢为100%的P。
➢ 过共析钢当C％>1.0％后Fe3CⅡ呈网状
沿A晶界分布。
➢ 钢中：基体相为F，第二相为Fe3C 3.白口铁：C％>2.11％后组织中出现了 大量的莱氏体组织。
白口铁：基体相为Fe3C，第二相为F
含C％对Fe-C合金组织的影响46
Fe3C组织
Fe3CⅠ、 Fe3CⅡ、 Fe3C Ⅲ 、共晶Fe3C、共 析 Fe3C、先共晶 Fe3C 、先共析Fe3C。 这些渗碳体的成分和晶体结构都相同，属 同一“相”。 不同的名称说明析出的母相不同、析出的 顺序不同、分布状态不同。
a
C
A(0.0008)
0.77
Fe3C
B(6.69)
a相的质量分数 Fe3C相的质量分数
Ma
=
6.69 0.77 100% 6.69 0.0008
=
88.5%
M Fe3C
=
0.77 6.69
0.0008 100% 0.0008
= 11.5%
二、典型合金的平衡凝固过程 （三）亚共析钢 L相冷却
S点为共析点： 727 ℃时, S点成分的γ发生 共析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
一、相图分析 （三）三个重要的恒温转变
5.2 铁碳合金相图分析
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
返回
一、相图分析
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ )
先共晶γ相 → P
室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
二、典型合金的平衡凝固过程 （六）过共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却 匀晶反应： L→ Fe3C相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可 见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
ES线(Acm)：碳在γ中的溶 L 解度曲线，Fe3CⅡ
L＋g E
2.111148℃源自CD L＋Fe3C F
4.3
g＋Fe3PC Q线：碳在α中的溶解度 727℃ 曲线， Fe3CⅢ
K
a＋Fe3C
GS线(A3)： 冷却过程中γ 析出α的开始线
0
C％(重量)
Fe
6.69 Fe3C
16
二、典型合金的平衡凝固过程
亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P
利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量 分数，计算铁素体（先析铁素体+P光体中的 铁素体）与渗碳体的质量分数
a
C
A(0.0218)
0.6
a组织组成物的 质量分数
P组织组成物的 质量分数
P P
B(0.77)
0.77 0.6
Ma
=
100% 0.77 0.0218
22
二、典型合金的平衡凝固过程 （一）工业纯铁
5.2 铁碳合金相图分析
工业纯铁组织金相图
23
二、典型合金的平衡凝固过程 （二）共析钢
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却
匀晶反应L相中析出γ相（奥氏体A）
γ单相固溶体的冷却 γ相发生共析反应生成珠光体P
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
二、典型合金的平衡凝固过程 （四）过共析钢
注意事项
5.2 铁碳合金相图分析
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体
Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整 体脆性加大
过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ
利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量 分数
二、典型合金的平衡凝固过程 （五）共晶白口铁
=
22.72%
MP
=
0.6 0.0218 100% 0.77 0.0218
=
77.28%
计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
二、典型合金的平衡凝固过程 （四）过共析钢
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却 L相→ γ相 γ单相固溶体（奥氏体）的冷却 γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）
共析转变： γ相→（ α+Fe3C）， 存在Fe3CⅡ
5.2 铁碳合金相图分析
L相→ δ相
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
剩余L相→ γ相
γ单相的冷却
γ相→ α相，但γ相有剩余 共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在 先析α相
二、典型合金的平衡凝固过程 （三）亚共析钢
注意事项
5.2 铁碳合金相图分析
先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析 出Fe3CⅢ，但量很少可忽略
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C）
共晶中的γ相不断析出 Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
二、典型合金的平衡凝固过程 （五）共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ， 但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见