工程材料第二章1-2节资料
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0 0.09 0.17 6.69
0 0 0.46 0.0218 0.77 <0.008
纯铁熔点 在包晶转变温度下的液相含碳量 共晶点 渗碳体熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 共晶转变线与渗碳体成分线的交点 α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点(A3) 碳在δ-Fe中的最大溶解度 包晶点 共折转变线与渗碳体成分线的交点 α-Fe磁性转变点(A2) γ-Fe←→δ-Fe同素异构转变点(A4) 铁素体的磁性转变时，与之平衡的奥氏体碳含量 碳在α-Fe中的最大溶解度 共析点 碳在α-Fe中的溶解度
2020/11/1
机械工程学
2
三、金属的同素异构转变——实验现象
现象：加热时铁丝伸长， 铁丝 标尺
支架
到912℃开始收缩。
若冷却时从1000 ℃到 912 ℃出现伸长现象。
铁丝加热实验示意图
◆概念：同素异构转变——在固态条件下，元素的晶体结 构随温度发生变化的现象。
实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变
PQ 碳在F中的溶解度线(T<A1)
HJB LB+δH←→γJ包晶转变线，L+δ+γ三相平衡区 ECF LC←→γE+Fe3C共晶转变线，L+γ+Fe3C三相平衡区 PSK（A1） AS←→αP+Fe3C共析转变线，L+γ+Fe3C三相平衡区
2020/11/1
机械工程学
9
二、鉄碳合金的平衡结晶过程及其组织 （一）共析钢（wC=0.77%)的结晶过程
2020/11/1
1
（二）同素异构转变特点
与金属结晶的比较： 1. 也是形核与长大，且二者同时进行的过程 所以称为重结晶。 2. 是一种固态晶格向另一种固态晶格转变 不同于结晶（由液态转变为固态）
同素异构（晶）转变需要更大的相变驱动力
意义： 对有同素异构转变的材料，可以通过热
处理改变其组织、结构→ 性能
2020/11/1
机械工程学
ⅡⅢ
12
亚共析组织
2020/11/1
机械工程学
13
（三）过共析钢的结晶过程
L
A+L
A
Fe3CⅡ +A 727 P + Fe3CⅡ
过共析钢（合金Ⅲ ）
Fe3CⅡ 与 共析 Fe3C： • 生成温度不同 • 形态不同
2020/11/1
机械工程学
14
过 共 析 组 织
2020/11/1
2020/11/1
机械工程学
33-19
（五）铸铁（共晶）组织转变（1）
2020/11/1
机械工程学
20
（五）铸铁（亚共晶）组织转变（2）
2020/11/1
机械工程学
33-21
（五）铸铁（过共晶）组织转变（3）
2020/11/1
机械工程学
22
本节课 主要教学内容回顾
1.同素异构转变及其特点和实用意义； 2.Fe-C合金的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、
Leabharlann Baidu
FP + Fe3C
珠光体 P
珠光体 P：F与 Fe3C 的机械混合物 成分：0.77%C 性能：适中，介于 F 和 Fe3C 之间 形态：层片状，粒状
Ld 降温到 727℃时，A→ P，因此：Ld (A+Fe3C) → L’d (P+Fe3C)
低温莱氏体 L’d ：P 和 Fe3C 的机械混合物 （变态莱氏体）
第二章 鉄碳合金
碳合金是工业上应用最广泛的金属材料。了解铁碳合金相图对合 理选择和使用鉄碳合金、制定热加工工艺；估计在平衡条件下合金的 组织、组成相机相的相对量进而估计其性能等具有重要意义。
第一节 鉄碳合金的基本组织 一、纯铁的结晶与同素异晶转变
（一）纯铁的结晶过程
δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
同素异构转变： 在固态下，元素 的晶体结构随温度发生变化的现象。
机械工程学
15
（四）碳钢的平衡组织（工业纯铁）（1）
工业纯铁：F
2020/11/1
机械工程学
16
（四）碳钢（亚共析钢）的平衡组织（2）
20钢
2020/11/1
45钢
65钢
（F+P）
机械工程学
17
（四）碳钢（共析钢）的平衡组织（3）
2020/11/1
机械工程学
18
（四）碳钢（过共析钢）平衡组织（4）
2020/11/1
机械工程学
8
特性线
（四）铁碳合金相图的主要特性线
说
明
ABCD 液相线
AHJECF 固相线
HN 碳在δ相中的溶解度线
JN A←→δ转变开始（终了）温度线
GP F←→A转变开始（终了）温度线，碳在F中的溶解度线(T>A1),
GS (A3) A←→F转变开始（终了）温度线 ES(Acm) 碳在A中的溶解度线
共析钢（合金Ⅰ）：
L
A+L
727℃
A
P
2020/11/1
Ⅰ
机械工程学
10
共析组织
2020/11/1
机械工程学
11
(二）亚共析钢的结晶过程
亚共析钢（合金Ⅱ ）：
L
A+L
A
F初 + A
727
P+F
（F + Fe3C)
F初 与共析 F 的区别： • 生成的温度不同，形态不同 • 随C%提高→ P%升高
δ-Fe（BCC）致密度0.68，γ-Fe（FCC）致密度0.74，α-Fe（BCC），
3
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机械工程学
二、铁碳合金的基本相
铁素体 F：碳在α-Fe中的间隙固溶体 体心立方（BCC），σb↓, HB↓, δ↑, αk↑,铁磁性
奥氏体 A：碳在γ-Fe中的间隙固溶体 面心立方（FCC），HB↓, δ↑, 顺磁性
3 包晶转变
1495
LB+δH
AJ
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机械工程学
7
（三）铁碳合金相图的特性点
特性 点
温度(℃)
A 1538
B 1495
C 1148
D 1227
E 1148
F 1148
G
912
H 1495
J 1495
K
727
M
770
N 1394
O
770
P
727
S
727
Q
0
碳含量(%)
说
明
0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69
渗碳体 Fe3C : Fe与C的间隙化合物 复杂晶格（复杂斜方结构），硬而脆，几乎无塑性， 230℃以下具有铁磁性
高温铁素体 δ：碳在δ-Fe中的间隙固溶体 体心立方，顺磁性
2020/11/1
机械工程学
4
第二节 铁碳合金相图
2020/11/1
机械工程学
5
一、铁碳合金相图分析 （一）相区及主要三大转变
相区：5个单相区，7个两相区，3条三相水平线 三个主要转变：
1 共晶转变
LC
1148
AE + Fe3C
莱氏体Ld
莱氏体 Ld：A与 Fe3C 的机械混合物 成分：4.3%C 性能：硬而脆 形态：点状、短条状A
分布于Fe3C基体上
2020/11/1
机械工程学
6
共析转变和包晶转变
727
2 共析转变 AS
0 0 0.46 0.0218 0.77 <0.008
纯铁熔点 在包晶转变温度下的液相含碳量 共晶点 渗碳体熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度 共晶转变线与渗碳体成分线的交点 α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点(A3) 碳在δ-Fe中的最大溶解度 包晶点 共折转变线与渗碳体成分线的交点 α-Fe磁性转变点(A2) γ-Fe←→δ-Fe同素异构转变点(A4) 铁素体的磁性转变时，与之平衡的奥氏体碳含量 碳在α-Fe中的最大溶解度 共析点 碳在α-Fe中的溶解度
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三、金属的同素异构转变——实验现象
现象：加热时铁丝伸长， 铁丝 标尺
支架
到912℃开始收缩。
若冷却时从1000 ℃到 912 ℃出现伸长现象。
铁丝加热实验示意图
◆概念：同素异构转变——在固态条件下，元素的晶体结 构随温度发生变化的现象。
实质是：原子排列不同，结构不同，金属体积发生改变
PQ 碳在F中的溶解度线(T<A1)
HJB LB+δH←→γJ包晶转变线，L+δ+γ三相平衡区 ECF LC←→γE+Fe3C共晶转变线，L+γ+Fe3C三相平衡区 PSK（A1） AS←→αP+Fe3C共析转变线，L+γ+Fe3C三相平衡区
2020/11/1
机械工程学
9
二、鉄碳合金的平衡结晶过程及其组织 （一）共析钢（wC=0.77%)的结晶过程
2020/11/1
1
（二）同素异构转变特点
与金属结晶的比较： 1. 也是形核与长大，且二者同时进行的过程 所以称为重结晶。 2. 是一种固态晶格向另一种固态晶格转变 不同于结晶（由液态转变为固态）
同素异构（晶）转变需要更大的相变驱动力
意义： 对有同素异构转变的材料，可以通过热
处理改变其组织、结构→ 性能
2020/11/1
机械工程学
ⅡⅢ
12
亚共析组织
2020/11/1
机械工程学
13
（三）过共析钢的结晶过程
L
A+L
A
Fe3CⅡ +A 727 P + Fe3CⅡ
过共析钢（合金Ⅲ ）
Fe3CⅡ 与 共析 Fe3C： • 生成温度不同 • 形态不同
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14
过 共 析 组 织
2020/11/1
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33-19
（五）铸铁（共晶）组织转变（1）
2020/11/1
机械工程学
20
（五）铸铁（亚共晶）组织转变（2）
2020/11/1
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33-21
（五）铸铁（过共晶）组织转变（3）
2020/11/1
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22
本节课 主要教学内容回顾
1.同素异构转变及其特点和实用意义； 2.Fe-C合金的基本组织：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、
Leabharlann Baidu
FP + Fe3C
珠光体 P
珠光体 P：F与 Fe3C 的机械混合物 成分：0.77%C 性能：适中，介于 F 和 Fe3C 之间 形态：层片状，粒状
Ld 降温到 727℃时，A→ P，因此：Ld (A+Fe3C) → L’d (P+Fe3C)
低温莱氏体 L’d ：P 和 Fe3C 的机械混合物 （变态莱氏体）
第二章 鉄碳合金
碳合金是工业上应用最广泛的金属材料。了解铁碳合金相图对合 理选择和使用鉄碳合金、制定热加工工艺；估计在平衡条件下合金的 组织、组成相机相的相对量进而估计其性能等具有重要意义。
第一节 鉄碳合金的基本组织 一、纯铁的结晶与同素异晶转变
（一）纯铁的结晶过程
δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
同素异构转变： 在固态下，元素 的晶体结构随温度发生变化的现象。
机械工程学
15
（四）碳钢的平衡组织（工业纯铁）（1）
工业纯铁：F
2020/11/1
机械工程学
16
（四）碳钢（亚共析钢）的平衡组织（2）
20钢
2020/11/1
45钢
65钢
（F+P）
机械工程学
17
（四）碳钢（共析钢）的平衡组织（3）
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机械工程学
18
（四）碳钢（过共析钢）平衡组织（4）
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8
特性线
（四）铁碳合金相图的主要特性线
说
明
ABCD 液相线
AHJECF 固相线
HN 碳在δ相中的溶解度线
JN A←→δ转变开始（终了）温度线
GP F←→A转变开始（终了）温度线，碳在F中的溶解度线(T>A1),
GS (A3) A←→F转变开始（终了）温度线 ES(Acm) 碳在A中的溶解度线
共析钢（合金Ⅰ）：
L
A+L
727℃
A
P
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Ⅰ
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10
共析组织
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11
(二）亚共析钢的结晶过程
亚共析钢（合金Ⅱ ）：
L
A+L
A
F初 + A
727
P+F
（F + Fe3C)
F初 与共析 F 的区别： • 生成的温度不同，形态不同 • 随C%提高→ P%升高
δ-Fe（BCC）致密度0.68，γ-Fe（FCC）致密度0.74，α-Fe（BCC），
3
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二、铁碳合金的基本相
铁素体 F：碳在α-Fe中的间隙固溶体 体心立方（BCC），σb↓, HB↓, δ↑, αk↑,铁磁性
奥氏体 A：碳在γ-Fe中的间隙固溶体 面心立方（FCC），HB↓, δ↑, 顺磁性
3 包晶转变
1495
LB+δH
AJ
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7
（三）铁碳合金相图的特性点
特性 点
温度(℃)
A 1538
B 1495
C 1148
D 1227
E 1148
F 1148
G
912
H 1495
J 1495
K
727
M
770
N 1394
O
770
P
727
S
727
Q
0
碳含量(%)
说
明
0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69
渗碳体 Fe3C : Fe与C的间隙化合物 复杂晶格（复杂斜方结构），硬而脆，几乎无塑性， 230℃以下具有铁磁性
高温铁素体 δ：碳在δ-Fe中的间隙固溶体 体心立方，顺磁性
2020/11/1
机械工程学
4
第二节 铁碳合金相图
2020/11/1
机械工程学
5
一、铁碳合金相图分析 （一）相区及主要三大转变
相区：5个单相区，7个两相区，3条三相水平线 三个主要转变：
1 共晶转变
LC
1148
AE + Fe3C
莱氏体Ld
莱氏体 Ld：A与 Fe3C 的机械混合物 成分：4.3%C 性能：硬而脆 形态：点状、短条状A
分布于Fe3C基体上
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机械工程学
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共析转变和包晶转变
727
2 共析转变 AS