第三章 铁碳合金状态图
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铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
铁碳合金相图43820
体Fe3CⅡ。
8
二、相图中的特性线
5）GS线 奥氏体冷却时开始向铁素 体转变的温度线，通常称 为A3线。
6）PSK水平线 共析线，通常称为A1线。 奥氏体冷却到共析线温度 （727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体（P），
wC＞0.0218%的铁碳合金
均会发生共析转变。 9
共晶和共析的概念：
共晶：指一定成分的液
按含碳量的不同，铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛、钢和 白口铸铁。其中，把 含碳量小雨0.0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
17
纯铁、钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁(组织为单相铁素体) (<0.0218% C)
4.3%C)
部分莱氏体组织)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3 ～ 6.69%C)
18
铁碳合金的室温组织及分类：
合金类别 纯铁 亚共析钢
钢 共析钢
含碳量 <0.0218
(%)
0.0218~0.77
室温组织 F
F+P
0.0218~2.11 0.77 P
过共析钢
0.77~2.11 P+Fe3CⅡ
亚共晶铸铁
白口铸铁 共晶铸铁
20
2.共析钢的组织的变化顺序： 共析钢在室温时的组 织是珠光体，合金的 组织按下列顺序ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化：
• 目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的 铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大 于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。
3
二、相图中点的含义
1）A点 纯铁的熔点，温度 1538℃,Wc=0
铁碳合金状态图课件
根据铁碳合金中各元素的分布情况，在 图上绘制相应的曲线。
根据铁碳合金在不同温度下的状态，绘 制等温线。
根据铁碳合金在不同温度和成分下的状 态，在图上标记相应的区域，并注明相 应的名称。
04
铁碳合金状态图的应用
在铸造工业中的应用
铸造工艺设计
铁碳合金状态图是铸造工艺设计的重 要依据，通过分析合金的凝固温度范 围和液相线温度，可以确定合适的浇 注温度和时间。
确定比例尺
根据实际需要选择合适的比例 尺，以便在图纸上准确表示铁 碳合金的实际 状态，在图上绘制等温线。
绘制元素分布曲线
根据铁碳合金中各元素的分布 情况，在图上绘制相应的曲线。
绘制实例和演示
选择合适的比例尺，绘制坐标轴。
对绘制好的铁碳合金状态图进行演示和 讲解，以便更好地理解和掌握铁碳合金 的状态变化规律。
1 2 3
铁碳合金状态图的实验研究
当前，研究者通过实验手段深入探究铁碳合金的 相变规律和组织性能，为实际生产提供理论支持。
铁碳合金状态图的计算模拟研究
随着计算材料学的进步，研究者利用计算机模拟 手段预测和模拟铁碳合金的状态和性能，为新材 料的开发提供有力支持。
铁碳合金状态图的应用研究
在实际生产中，钢铁企业根据铁碳合金状态图选 择合适的材料和工艺，提高产品质量和降低成本。
适的锻造温度和变形量。
锻件质量控制
通过铁碳合金状态图，可以预测锻 件在不同温度和变形条件下的组织 和性能变化，从而控制锻件的质量。
锻造设备选择
根据铁碳合金状态图，可以确定不 同锻造条件下材料的变形行为和所 需设备吨位，从而选择合适的锻造 设备。
在焊接工业中的应用
焊接材料选择
铁碳合金状态图可以指导焊接材 料的选择，根据母材的成分和状
根据铁碳合金在不同温度下的状态，绘 制等温线。
根据铁碳合金在不同温度和成分下的状 态，在图上标记相应的区域，并注明相 应的名称。
04
铁碳合金状态图的应用
在铸造工业中的应用
铸造工艺设计
铁碳合金状态图是铸造工艺设计的重 要依据，通过分析合金的凝固温度范 围和液相线温度，可以确定合适的浇 注温度和时间。
确定比例尺
根据实际需要选择合适的比例 尺，以便在图纸上准确表示铁 碳合金的实际 状态，在图上绘制等温线。
绘制元素分布曲线
根据铁碳合金中各元素的分布 情况，在图上绘制相应的曲线。
绘制实例和演示
选择合适的比例尺，绘制坐标轴。
对绘制好的铁碳合金状态图进行演示和 讲解，以便更好地理解和掌握铁碳合金 的状态变化规律。
1 2 3
铁碳合金状态图的实验研究
当前，研究者通过实验手段深入探究铁碳合金的 相变规律和组织性能，为实际生产提供理论支持。
铁碳合金状态图的计算模拟研究
随着计算材料学的进步，研究者利用计算机模拟 手段预测和模拟铁碳合金的状态和性能，为新材 料的开发提供有力支持。
铁碳合金状态图的应用研究
在实际生产中，钢铁企业根据铁碳合金状态图选 择合适的材料和工艺，提高产品质量和降低成本。
适的锻造温度和变形量。
锻件质量控制
通过铁碳合金状态图，可以预测锻 件在不同温度和变形条件下的组织 和性能变化，从而控制锻件的质量。
锻造设备选择
根据铁碳合金状态图，可以确定不 同锻造条件下材料的变形行为和所 需设备吨位，从而选择合适的锻造 设备。
在焊接工业中的应用
焊接材料选择
铁碳合金状态图可以指导焊接材 料的选择，根据母材的成分和状
1-3铁碳合金状态图
K
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
1538℃
A D
Y A+Y
E C
Y +Fe3CⅠ
F
1148℃ 912℃ G
A
Fe3C
A3
F+A
727℃ P S
Acm
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ Ld’ +Fe3CⅠ
A3
F+A
727℃ P
3 3
Acm
A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ L’ +Fe3CⅠ
K
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
铁碳合金状态图的作用
铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合 金的成分 温度、组织 成分、温度 组织三者之间的关系。 当含碳量增加时，铁素体的比例减少， 珠光体比例增大，故而碳钢的机械强度 和硬度增大，塑性和韧性降低；当含碳 量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多， 硬度增加，强度、塑性、韧性均下降。 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量 就控制了碳钢的组织和性能；碳钢的机 械性能又决定了碳钢的用途。
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
1538℃
A D
Y A+Y
E C
Y +Fe3CⅠ
F
1148℃ 912℃ G
A
Fe3C
A3
F+A
727℃ P S
Acm
A+Fe3CⅡ A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ Ld’ +Fe3CⅠ
A3
F+A
727℃ P
3 3
Acm
A+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’ L’ +Fe3CⅠ
K
A+Fe3CⅡ
S 4 3 4
F
3
2
3
F+P
Q C％
P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’’
Ld’’
Ld’’ +Fe3CⅠ
L
0.77％
2.11％
4.3％
6.67％
铁碳合金状态图的作用
铁碳合金状态图主要是用来分析铁碳合 金的成分 温度、组织 成分、温度 组织三者之间的关系。 当含碳量增加时，铁素体的比例减少， 珠光体比例增大，故而碳钢的机械强度 和硬度增大，塑性和韧性降低；当含碳 量超过0.9%时，碳钢中C的含量增多， 硬度增加，强度、塑性、韧性均下降。 当温度一定时，控制了碳钢的含碳量 就控制了碳钢的组织和性能；碳钢的机 械性能又决定了碳钢的用途。
Fe-c
Fe—C 2. Fe C合金中的基本相
Fe—Fe3C相图中，Fe—C Fe3C相图中 在Fe Fe3C相图中，Fe C合金在不同条件 成分，温度) 可有五 个基本相： (成分，温度)下，可有五（六）个基本相： L Fe3C相、（石墨 石墨G 相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、（石墨G）。 液相( （1）液相(L) Fe与 在高温下形成的液体溶液。 ABCD线 Fe与C在高温下形成的液体溶液。(Aห้องสมุดไป่ตู้CD线 以上) 以上) 高温铁素体（ （2）δ相[高温铁素体（high temperature ferrite） ferrite）]
（2）Fe—Fe3C相图的线 2 Fe Fe3C Fe3C相图的线 。
A.三条水平线 A.三条水平线
① HJB-- 包晶转变线 ： HJB-1459℃ （1459℃） L0.53+δ0.09 γ0.17 （LB+δH γ J）
转变产物为奥氏体 (austenit) 强度低， 强度低，塑性好
A.三条水平线 A.三条水平线
纯铁的同素异构转变
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
概念
铁素体：碳在a-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙 固溶体。 奥氏体：碳在γ -Fe（面心立方结构的铁）中的间 隙固溶体。 渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3c）。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物 （F+Fe3c 含碳0.8%） 莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物（含碳 4.3%）
Fe—C Fe C合金中的基本相
奥氏体（austenite） （3） 奥氏体（austenite） 奥氏体( A)是 Fe形成的间 奥氏体 ( γ 或 A) 是 C 溶解于 γ—Fe 形成的间 Fe 隙固溶体称为奥氏体（austenite）。 隙固溶体称为奥氏体（austenite） 奥氏体
第三章铁碳合金相图详解版
第 二 节 铁碳合金状态图
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。
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
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C 亚共晶白口铸铁<4.3% C
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢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
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
铁碳合金状态图(精)
过共析钢： （0.77%＜C＜2.11%）
② ③ ① 合金III： P Fe3C A Fe3C 室温 ④
LL AΒιβλιοθήκη A共晶白口铸铁： （C=4.3%） L L 'd Ld ② 合金IV： ① 室温
铁碳合金状态图
铸钢件生产技术课程
铁碳合金状态图
用来表示在平衡状态下，不同含碳量的铁碳合金 在不同温度下所处的状态，晶体结构和显微组织 特征的图称为铁碳合金状态图（又叫铁碳平衡
图）。 利用合金状态图可以全面了解不同成分的铁碳合 金在不同温度下处于什么状态，组织结构等，它 是制定熔铸、锻造、热处理工艺的重要依据，也 是分析合金组织研究相变规律的工具。
2. 铁碳合金分类
钢 含C量0.0218～
2.11% 共析钢 含C量0.77% S点 P 亚共析钢0.0218≤0.77% S点以左 F+P 过共析钢0.77≥2.11% S点以右 Fe3c+P 3.2.2.2 白口铸铁 2.116.69% 共晶白口铸铁 4.3% 亚共晶白口铸铁 2.114.3% 过共晶白口铸铁 4.36.69%
3.铁碳合金相图的用途
1. 作为选用钢材料的依据：
如制造要求塑性、韧性好，而强度不太高
的构件，则应选用含碳量较低的钢；要求 强度、塑性和韧性等综合性较好的构件， 则选用含碳量适中的钢，各种工具要求硬 度高及耐性好，则应选用含碳量较高的钢。
2.定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据
在铸造方面：
3. 典型铁碳合金的结晶过程
共析钢：（C=0.77%） L P L A A ③ 合金I： ① ② 室温 亚共析钢：（0.0218%＜C＜0.77%） A F L A A L ④ ② ③ 合金II： ① F P 室温
铁碳合金相图60218
铁碳合金 (按成分可
⑵钢(高温组织为单相 A，易于
变形)
分为三类)
① 亚共析钢 (0.0218 ～ 0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢 (0.77 ～ 2.11%C)
(3)白口铸铁(在液态下结晶时，全部
或部分液相会发生共晶变，获得全部或
① 亚共晶白口铸铁 (2.11 ～ 4.3%C) ② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
按含碳量的不同，铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛、钢和 白口铸铁。其中，把 含碳量小雨 0.0218%的铁碳合 金称为纯铁；把含碳 量大于0.0218%而 小于2.11%的铁碳合 金称为钢；把含碳量 大于2.11%的铁碳合 金称为铸铁。 17
纯铁、钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁(组织为单相铁素体) (<0.0218% C)
围内，温度不宜太高，以免钢材严重氧
化或发生奥氏体晶界熔化（过烧）。终
锻（或终轧）温度，一般亚共析钢控制
在稍高于GS线，过共析钢控制在稍高
于PSK线。温度不能太低，以免钢材因
塑性变差，导致产生裂纹。
30
4、在热处理方面的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用
Fe－Fe3C相图是制订热处 理工艺的依据。应用Fe－ Fe3C相图可以正确选择各种 碳钢的退火、正火、淬火等 热处理的加热温度范围。由 于含碳量的不同，各种碳钢 热处理的加热温度和组织转 变也各不相同，都可从状态 图中求得。
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳）体加 （ 低温莱）氏体。
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4.3）%
33
一、 填空题
1、常见的金属晶体类型有（ ）晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种。
2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成。
03 铁碳合金相图
二、铁碳合金的基本相
1.铁素体 ( F或α )
碳溶于α–Fe中的间隙 固溶体，呈体心立方晶格 ， 它的晶格间隙小，因而溶解 碳的能力较低。在727℃时 溶碳量最大，可达0.0218％。 随着温度的降低，它的溶碳 能力继续降低，在室温约为 0.0008％。 铁素体的组织为多边形 晶粒，性能与纯铁相似,即 铁素体的强度、硬度不高， 但塑性、韧性良好。
S ⇄FP+ Fe3C
• ⑶ 其它相线
3、铁碳合金状态图中的相区
（1）五个单相区 ABCD线以上的液相区（L）；AHNA线围着的δ固溶体相 区（δ）；NJESGN线围着的奥氏体相区（A）；GPQG 线围着的铁素体相区（F）；DFKL线垂线代表的渗碳体 相区（Fe3C）。 （2）七个双相区 ABＨA线围着的L+δ相区；JBCEJ线围着的L+A相区； DCFD线围着的L+Fe3CⅠ相区；HJNH线围着的δ+A相区； EFKSE线围着的A+Fe3C相区；GSPG线围着的A+F相区； QPSKLQ线围着的F+Fe3C相区。 （3）三个三相共存区 HJB线为L 、δ、A三相区；ECF线为L、A、Fe3C三相区； PSK线为A、F、Fe3C三相区。
Fe
Fe3C
Fe2C
FeC
C%(at%) →
C
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
铸造等工艺依据.
2.5.2 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本相的结构与性能
一、组元
* 铁 (Fe)
机械性能特点是强度、硬度低，塑性 好 * 渗碳体 (Fe3C ) 机械性能特点硬而脆
铁碳合金状态图
② 亚共析钢
③ 过共析钢
3）白口铸铁
2.11％ < WC ≤ 6.69％
按室温组织不同，又可分为以下三种： ① 共晶白口铸铁 WC = 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 ② 亚共晶白口铸铁 2.11％ < WC < 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 + 珠光体 + 二次渗碳体 ③过共晶白口铸铁 4.3％ < WC ≤ 6.69％ 室温组织：低温莱氏体 + 一次渗碳体。
渗碳体是强化相，其形状有条状、网状、
片状、粒状等，它的形状、大小和分布对 钢的性能起重要作用。
四、珠光体
珠光体（P）
定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物
（平均含碳量：0.77%）
性能组织：介于F 和 Fe3C之间具有良好的综合力学性能
层片状
颗粒状
五、莱氏体
莱氏体（Ld）
定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物
727
共晶相图
共析相图
0.0218
0.77
2.11
4.3
Fe — Fe3C状态图
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体
铁素体（F 或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体
晶格结构：体心立方晶格
最大溶解度：0.0218%（727℃）
性能组织：强度低、硬度低而塑性好。
二、奥氏体
奥氏体（A
2、制定铸、锻、热处理工艺的重要依据
1）铸造方面： 浇注温度一般在液相线以上50～100°C 铸造生产中，共晶成分附近的铸铁应用最多在此范围的钢， 其结晶温度范围小，铸造性能好
2）锻造方面： 锻造时，将其温度加热到A体区域， 能获得良好的塑性，易于锻造成形 白口铸铁中有大量硬而脆的渗碳体， 故不能锻造
03 铁碳合金状态图
1、铁碳合金状态图中的各特性点的意义 2、铁碳合金状态图中各特性线的意义 3、铁碳合金状态图中的相区
1、特性点：由字母标出的具有特定意义的点
2、特性线
ACD——液相线； AECF——固相线 其中：ACE区——L＋A； CDF区——A＋Fe3CI C点：共晶点 共晶反应：LC←－→Ld（AE+Fe3C） ECF——共晶线；wC=（2.11～6.69）%的铁碳合金，缓冷至 1148°C（ECF共晶线）都发生共晶转变。 共晶：在一定条件下（温度、成分），由液体合金中同时结晶出 两种不同晶体的转变。 GS——A冷却析出F开始线, 通常称为 A3线。 ES——C在A中溶解度曲线/ 冷却时A析出Fe3C开始线, 又称 Acm线。 PSK——共析线，又称A1线。wC>0.021 8% 的铁碳合金，缓冷至 727°C（PSK共析线）都发生共析转变。 S点：共析点 共析反应：AS←－→P（FP+ Fe3C） PQ——C在F中的溶解度曲线。
2）钢（ωc=0.0218%~2.11%）
3）白口铸铁（ωc=2.11%~6.99%）
四、典型的铁碳合金平衡结晶过程及组织
1) 共析钢的结晶过程分析
2结晶过程
4) 共晶白口铸铁的结晶过程
5) 亚共晶白口铸铁的结晶过程
6) 过共晶白口铸铁的结晶过程
1）图中的点、线和区域
三个基本相：L是Pb与Sn两组元形成的均匀的液相， α是Sn溶于Pb的固溶体，β是Pb溶于Sn的固溶体 三个单相区和三个两相区：即L+α、L+β、α+β相区。 在三个两相区之间有一根水平线MEN，是L+α+β三相 并存区 。
1、特性点：由字母标出的具有特定意义的点
2、特性线
ACD——液相线； AECF——固相线 其中：ACE区——L＋A； CDF区——A＋Fe3CI C点：共晶点 共晶反应：LC←－→Ld（AE+Fe3C） ECF——共晶线；wC=（2.11～6.69）%的铁碳合金，缓冷至 1148°C（ECF共晶线）都发生共晶转变。 共晶：在一定条件下（温度、成分），由液体合金中同时结晶出 两种不同晶体的转变。 GS——A冷却析出F开始线, 通常称为 A3线。 ES——C在A中溶解度曲线/ 冷却时A析出Fe3C开始线, 又称 Acm线。 PSK——共析线，又称A1线。wC>0.021 8% 的铁碳合金，缓冷至 727°C（PSK共析线）都发生共析转变。 S点：共析点 共析反应：AS←－→P（FP+ Fe3C） PQ——C在F中的溶解度曲线。
2）钢（ωc=0.0218%~2.11%）
3）白口铸铁（ωc=2.11%~6.99%）
四、典型的铁碳合金平衡结晶过程及组织
1) 共析钢的结晶过程分析
2结晶过程
4) 共晶白口铸铁的结晶过程
5) 亚共晶白口铸铁的结晶过程
6) 过共晶白口铸铁的结晶过程
1）图中的点、线和区域
三个基本相：L是Pb与Sn两组元形成的均匀的液相， α是Sn溶于Pb的固溶体，β是Pb溶于Sn的固溶体 三个单相区和三个两相区：即L+α、L+β、α+β相区。 在三个两相区之间有一根水平线MEN，是L+α+β三相 并存区 。
第3章 铁碳合金相图
珠光体（P）
Pearlite
HBS＝170～230 （纯铁HBS＝50～80）
工程材料及热加工
莱氏体 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物
含碳量:4.3% 共晶反应式:
L 4 .3 % C (A+Fe3C)
1148 C
性能：硬度高，塑性、韧性差
莱氏体(L)
Ledeburite
工程材料及热加工
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
工程材料及热加工
合金液体在 1-2点间转变 为。到S点 发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
工程材料及热加工
4)过共析钢结晶动态示意图 液相
奥氏体
析 出
奥氏体+二次渗碳体
共析 转变
珠光体+二次渗碳体
从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示
组成物标注区别 主要在+ Fe3C和
+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物
区， +Fe3C 相区
+ Fe3C
+ Fe3C
中有七个组织组
成物区。
工程材料及热加工
A
H
L+
温N A+ 度
A
J
B
L
D
L+A
E S
P A+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
工程材料及热加工
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 第二节 Fe-Fe3C相图 第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
3-3 铁碳合金相图
铁 碳 合 金 状 态 图
5） ECF水平线（1148C）为共晶线： 与该线成分（2.11%~6.69%C）对应的合金在 该线温度下将发生共晶转变：L4.3 A2.11 + Fe3C。 转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为 莱氏体，用符号“Ld”表示。莱氏体的组织特点 为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
3、过共析钢的结晶过程 过共析钢在3点以前与共析钢类似； 当缓冷到3点温度时，奥氏体的溶碳量随着温度的 下降而逐渐降低，并沿着奥氏体晶界析出二次渗 碳体；随着温度继续下降，二次渗碳体不断析出 ，而剩余奥氏体的碳含量沿ES线逐渐减少； 温度降到4点(727℃)时；剩余奥氏体恒温下发生 共析转变而形成珠光体； 共析转变结束后，合金组织为珠光体加二次渗碳 体，直至室温。 所有过共析钢的室温平衡组织都是珠光体+网状二 次滲碳体。 但随着含碳量的增加，组织中珠光体的数量减少 ，网状二次 滲碳体的数量增加，并变得更粗大。
L（4.3％C） Ld（A＋Fe3C）
铁 碳 合 金 状 态 图
2、主要特性线 2） ） ACD AECF 线 31 ） GS 线线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成 固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成 奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通 的线，铁碳合金在此线以上处于液相。 的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体 常称为 A3线。 AC线下结晶出奥氏体；CD线下结晶出渗碳体。 状态。
w
2、亚共析钢（以 c=0.45％为例） 过W c=0.45％的亚共析钢作合金线，与相图 分别交于1、2、3、4点温度。 亚共析钢在3点以前的结晶过程与共析钢类似； 当缓冷到3点时，从均匀的奥氏体中开始析出铁素 体； 温度继续下降，奥氏体量逐渐减少，铁素体 量逐渐增加，就会将多余的碳原子转移到尚未转 变的奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量沿 GS线逐渐增加。 当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳 量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件， 转变为珠光体。原铁素体不变保留了在基体中。 4点以下不再发生组织变化。故亚共析钢的室 温组织为铁素体＋珠光体。
第三节 铁碳合金状态图分析和应用
金属工艺学电子教案（7）【课题编号】7-3.3【课题名称】铁碳合金状态图分析（二），铁碳合金状态图的应用。
[教材版本】郁兆昌主编．中等职业教育国家规划教材—金属工艺学（工程技术类）．第2版．北京：高等教育出版社，2006【教学目标与要求】一、知识目标较熟悉碳钢的结晶过程及组织，铁碳合金状态图的应用。
二、能力目标会分析碳钢的结晶过程及组织，会应用状态图制定热加工工艺和选用钢铁材料。
三、素质目标了解碳钢的结晶过程及组织，会应用状态图制定热加工工艺和选用钢铁材料。
四、教学要求对铁碳合金状态图有一般的认识，具有初步的分析和应用能力。
【教学重点】典型成分钢的结晶过程及组织。
【难点分析】典型成分铁碳合金的结晶过程及组织。
【分析学生】1、具有学习本次课的知识基础。
2、具有学习本次课的能力基础。
3、分析碳钢的结晶过程及组织，学会应用铁碳合金状态图是本章的学习重点、难点和最终目的，也是往后学习碳钢、钢的热处理、低合金钢和合金钢、铸铁以及铸造、锻压、焊接等内容的基础。
【教学设计思路】教学方法：讲练法、演示法、讨论法、归纳法。
【教学资源】1．郁兆昌，潘展，高楷模研编制作．金属工艺学网络课程．北京：高等教育出版社，20052．郁兆昌主编．金属工艺学教学参考书（附助学光盘）．北京：高等教育出版社，2005 【教学安排】2学时（90分钟）教学步骤：讲授与演示交叉进行、讲授中穿插练习与设问，穿插讨论，最后进行归纳。
【教学过程】一、复习旧课（15分钟）1．简述铁碳合金的室温组织及性能、共析反应。
2．讲评作业批改情况；3．提问：题3-6；3-1。
二、导入新课分析铁碳合金的结晶过程及组织、学会应用铁碳合金状态图是铁碳合金状态图的核心内容。
三、新课教学（70分钟）1．典型铁碳合金的结晶过程及组织（40分钟）教师讲授共析钢、亚共析钢、过共析钢的结晶过程及组织。
演示网络课程上述内容。
学生课堂练习：题分析Wc=0.45%、Wc=0.77%、Wc=1.0%铁碳合金结晶过程。
第三章-铁碳合金相图【详解版】
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
• ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
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4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 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。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。
＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
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• 三、 含碳量对工艺性能的影响
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2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
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20钢组织
40钢组织
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• 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。
60钢组织
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bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C
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二、奥氏体（A） 奥氏体（ 奥氏体是碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体， 中所形成的间隙固溶体， 奥氏体是碳溶于 中所形成的间隙固溶体 面心立方晶格。 面心立方晶格。 其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。 其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性也好。 其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。 其晶粒呈多边形，晶界较铁素体平直。
（6）PSK水平线 共析线又称A1线 PSK水平线 共析线又称A （7）GP线 奥氏体析出 GP线 铁素体的终了线； 铁素体的终了线；也是铁 素体转变为奥氏体的开始 线 PQ线 （8）PQ线 碳在铁素体 中的溶解度曲线
3．Fe-Fe3C状态图中的相区 Fe单相区 （1）ACD线以上区域 ACD线以上区域 液相区 AESG区 （2）AESG区 奥氏体 区（A ） GPQ区 （3）GPQ区 铁素体区 （F ） DFK线 （4）DFK线 渗碳体线 （Fe3C）
（9）PSK线以下区域 PSK线以下区域
铁素体和渗碳体区（ 铁素体和渗碳体区（F+Fe3C）
第二节
铁碳合金状态图分析
一、简化的Fe-Fe3C状态图特征 简化的Fe-Fe3C状态图特征 Fe 图中温度为纵坐标， 图中温度为纵坐标，碳的质量分数为横坐 其左端点是纯铁(Wc 0)； (Wc＝ 标，其左端点是纯铁(Wc＝0)；右端点是 Fe3C(Wc=6.69%)。 Fe3C(Wc=6.69%)。 横坐标上的任何一 点,均代表了一种成分 均代表了一种成分 的铁碳合金。 的铁碳合金。图中的 任何一点， 任何一点，表明了某 一成分的铁碳合金在 一定温度下所具有的 状态或组织。 状态或组织。
1．Fe-Fe3C状态图的特性点 Fe（1）A点 纯铁的熔点 （2）G点 纯铁的同 素异晶转变点 600℃时 （3）Q点 600℃时 碳在α-＝0.0057％ Wc＝0.0057％ （4）D点 渗碳体 熔点
（5）C点 共晶点
Lc Ld(AE+Fe3C)
三、渗碳体（Fe3C） 渗碳体（ 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物， 渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，碳含 量是6.69％，具有复杂的晶体结构 6.69％，具有复杂的晶体结构。 量是6.69％，具有复杂的晶体结构。 其硬度很高，塑性和韧性很差， 、 其硬度很高，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于 脆性很大。 零，脆性很大。 四、珠光体（P） 珠光体（ 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混 合物。 合物。 铁素体与渗碳体片层状交替排列， 铁素体与渗碳体片层状交替排列，平均碳含量 为0.77％。 ％。 性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高， 性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高， 硬度适中，有一定的塑性。 硬度适中，有一定的塑性。
五、莱氏体（高温莱实体ld，变态莱氏体ld'） 莱氏体（高温莱实体l 变态莱氏体l 莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合 平均碳含量4.3 4.3％。 物,平均碳含量4.3％。 存在于1148 727℃的莱氏体称为高温莱氏体 1148～ 存在于1148～727℃的莱氏体称为高温莱氏体 (Ld);存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体 存在于727℃ (Ld);存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体 ld‘），它是由渗碳体基体与珠光体组成。 ），它是由渗碳体基体与珠光体组成 （ld‘），它是由渗碳体基体与珠光体组成。 莱氏体的力学性能与渗 碳体相近硬度很高、 碳体相近硬度很高、塑性 很差。 很差。
（6）E点 碳在γ碳在γ Fe中的最大溶解度 Fe中的最大溶解度 （7）S点 共析点
Ac P(Fp+Fe3C)
碳在α （8）P点 碳在αFe中的最大溶解度 Fe中的最大溶解度
2．Fe-Fe3C状态图的特性线 FeACD线 （1）ACD线 液相线 AECF线 （2）AECF线 固相线 ECF水平线 （3）ECF水平线 共晶线 ES线 又称A （4）ES线 又称ACm线 是碳在奥氏体中的 溶解度曲线。 溶解度曲线。 GS线 又称A （5）GS线 又称A3 线 由奥氏体中析出铁 素体的开视线； 素体的开视线；也是铁 素体转变为奥氏体的终 了线。 了线。
第三章 铁碳合金状态图
第一节 铁碳合金的基本组织
铁碳合金状态图是表示在平衡状态下， 铁碳合金状态图是表示在平衡状态下，不同 成分的铁碳合金， 成分的铁碳合金，在不同温度时所具有的状态或 组织的一种图形。 组织的一种图形。
一、铁素体（F） 铁素体（ 铁素体是碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体， 中所形成的间隙固溶体， 铁素体是碳溶于 中所形成的间隙固溶体 体心立方晶格。 体心立方晶格。 其性能是强度、硬度很低，塑性、韧性好。 其性能是强度、硬度很低，塑性、韧性好。 显微组织是明亮的多边形晶粒。 显微组织是明亮的多边形晶粒。
两相区： 两相区： （5）ACE区 ACE区 液相和奥氏体区（L+A) 液相和奥氏体区（L+A) CDF区 （6）CDF区 液相和渗碳体区（ 液相和渗碳体区（L+Fe3CⅠ） EFKS区 （7）EFKS区 奥氏体和渗碳体区（ 奥氏体和渗碳体区（A+Fe3C） GSP线 （8）GSP线 奥氏体和铁素体区（A+F） 奥氏体和铁素体区（A+F）