第三章 铁碳合金相图【详解版】
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西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
⒉ 特征线
⑴ 液相线—ABCD， 固相线—AHJECF
⑵ 三条水平线：
J N
L
L+
G
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
(1)共晶点C 1148℃, 4.3%C 共晶成分 反应式： Lc→(AE+Fe3C) 共晶体，即高温莱氏体Ld ;
(2)共析点S
727℃
0.77% C 共析成分 反应式:
As → (Fp + Fe3C共析) 共析体，即珠光体;
(3)钢、铁分界点E（2.11%C）
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。
20钢组织
40钢组织
60钢组织
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
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。
面心立方结构
奥氏体
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
3、渗碳体（Fe3C）
定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化 相，高温下可分解， Fe3C→3Fe+C(石墨) 。
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
1）铁素体 碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示； 铁素体的溶碳能力很低，为体心立方晶格； 铁素体的组织为多边形晶粒，其力学性能几乎与
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
5）亚共晶白口铁的结晶过程
1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
二、 含碳量对力学性能的影响 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.
1
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
三、 含碳量对工艺性能的影响 ① 切削性能: 中碳钢合适
Fe3C
Fe2C
FeC
C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
一、Fe - Fe3C 相图的建立
1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢 地冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线 （时间、温度）；
2.从冷却曲线上 找出临界点，并 画到成分—温度 坐标中； 3.相同意义的点连 接起来。
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P
Q P+F P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
二、铁碳合金状态图的分析
1. 特性点
J N
L
L+
L+Fe3C
⇄
G
+
+Fe3C
⇄
⇄ ⇄ ⇄
+Fe3C
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
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体心立方结构
纯铁相同。
铁素体
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
2）奥氏体:
碳溶于 -Fe中的间隙固溶体；用A或 表示。
面心立方晶格，溶碳能力比铁素体大；
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
Cu-Ni合金相图的建立过程
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
Fe - Fe3C 相图
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利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢， 在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
第一节 铁碳合金的组元及基本相
一、纯铁及其同素异构转变 (重结晶) 磁性转变：
770 °C以上无磁性 770 °C以下有磁性
纯铁的力学性能 特点：强度、硬 度低，塑性、韧 性好，一般不用 于结构件。
δ - Fe
bcc
1394 °C
γ - Fe
fcc
912 °C
α - Fe
bcc
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
特点：含碳量为6.69%，晶 格构造十分复杂。性能很 硬很脆，而塑性和韧性极
低，伸长率和冲击韧性几
乎为零，在钢中主要起强 化作用，不能单独应用。
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
室温组织：P+Fe3CⅡ
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
补充：工业纯铁的结晶过程
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 Fe-Fe3C相图
第二节 第三节
含碳量对碳钢组织与性能的影响
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
三、典型铁碳合金的结晶过程
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
1)共析钢的结晶过程
珠光体
室温组织为：P（F+Fe3C）
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Fe - Fe3C 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 )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
含碳量%
工 业 纯 铁
钢
共析钢 亚共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
0 0.0218 100
铁素体
0.77
2.11
二次渗碳体
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
珠光体
莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
1
0
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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
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT C%(at%) →
L
L+
L+Fe3C
G
+
+Fe3C
+Fe3C
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
⒊ 相区 ⑴ 五个单相区： L、、、、Fe3C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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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727℃
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
J N
⑶ 其它相线 GS,GP— ⇄ 固溶体 转变线, GS又称A3 线。 HN,JN—δ⇄ 固溶体 转变线， ES—碳在 -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 PQ—碳在-Fe中的固 溶线。
室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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 ）
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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 铁碳合金中的相：液相L、 α 、γ和 δ固溶体、 Fe3C金属化合物
在铁碳合金中碳既可溶入α – Fe、γ-Fe ，也可以 溶入δ-Fe ，形成不同的固溶体。
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
⒉ 特征线
⑴ 液相线—ABCD， 固相线—AHJECF
⑵ 三条水平线：
J N
L
L+
G
+
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
(1)共晶点C 1148℃, 4.3%C 共晶成分 反应式： Lc→(AE+Fe3C) 共晶体，即高温莱氏体Ld ;
(2)共析点S
727℃
0.77% C 共析成分 反应式:
As → (Fp + Fe3C共析) 共析体，即珠光体;
(3)钢、铁分界点E（2.11%C）
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。
20钢组织
40钢组织
60钢组织
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
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。
面心立方结构
奥氏体
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
3、渗碳体（Fe3C）
定义：铁与碳形成的金属化合物，是钢铁中的强化 相，高温下可分解， Fe3C→3Fe+C(石墨) 。
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
1）铁素体 碳溶于a-Fe中形成的间隙固溶体,以F或α表示； 铁素体的溶碳能力很低，为体心立方晶格； 铁素体的组织为多边形晶粒，其力学性能几乎与
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
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1
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5）亚共晶白口铁的结晶过程
1
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二、 含碳量对力学性能的影响 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.
1
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
三、 含碳量对工艺性能的影响 ① 切削性能: 中碳钢合适
Fe3C
Fe2C
FeC
C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
一、Fe - Fe3C 相图的建立
1.配制不同成分的铁碳合金，加热后缓慢 地冷却，记录数据，绘制它们的冷却曲线 （时间、温度）；
2.从冷却曲线上 找出临界点，并 画到成分—温度 坐标中； 3.相同意义的点连 接起来。
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P
Q P+F P+Fe3CⅡ
0.0218%C 0.77%C Fe
2.11%C
4.3%C
6.69%C Fe3C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
二、铁碳合金状态图的分析
1. 特性点
J N
L
L+
L+Fe3C
⇄
G
+
+Fe3C
⇄
⇄ ⇄ ⇄
+Fe3C
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
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体心立方结构
纯铁相同。
铁素体
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2）奥氏体:
碳溶于 -Fe中的间隙固溶体；用A或 表示。
面心立方晶格，溶碳能力比铁素体大；
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
Cu-Ni合金相图的建立过程
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Fe - Fe3C 相图
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利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析钢， 在室温下组织组成物和相组成物的相对含量。
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
第一节 铁碳合金的组元及基本相
一、纯铁及其同素异构转变 (重结晶) 磁性转变：
770 °C以上无磁性 770 °C以下有磁性
纯铁的力学性能 特点：强度、硬 度低，塑性、韧 性好，一般不用 于结构件。
δ - Fe
bcc
1394 °C
γ - Fe
fcc
912 °C
α - Fe
bcc
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特点：含碳量为6.69%，晶 格构造十分复杂。性能很 硬很脆，而塑性和韧性极
低，伸长率和冲击韧性几
乎为零，在钢中主要起强 化作用，不能单独应用。
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
室温组织：P+Fe3CⅡ
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
补充：工业纯铁的结晶过程
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 Fe-Fe3C相图
第二节 第三节
含碳量对碳钢组织与性能的影响
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
三、典型铁碳合金的结晶过程
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
1)共析钢的结晶过程
珠光体
室温组织为：P（F+Fe3C）
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Fe - Fe3C 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 )
Ld+Fe3CⅠ
727℃ K Ld’+Fe3CⅠ
S A+F F P ( F+ Fe3C )
含碳量%
工 业 纯 铁
钢
共析钢 亚共析钢 过共析钢 亚共晶白口铸铁
白 口 铸 铁
共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
0 0.0218 100
铁素体
0.77
2.11
二次渗碳体
4.3
6.69
一次渗碳体
组织组 成物相 对量%
珠光体
莱氏体
0
三次渗碳体
相组成 物相对 量%
100
Fe3C
1
0
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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
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT C%(at%) →
L
L+
L+Fe3C
G
+
+Fe3C
+Fe3C
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
⒊ 相区 ⑴ 五个单相区： L、、、、Fe3C
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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
西安理工大学材料科学与工程学院 school of material science and engineering of XAUT
727℃
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材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
J N
⑶ 其它相线 GS,GP— ⇄ 固溶体 转变线, GS又称A3 线。 HN,JN—δ⇄ 固溶体 转变线， ES—碳在 -Fe中的固 溶线。又称Ac m线。 PQ—碳在-Fe中的固 溶线。
室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
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1
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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 ）
材料及热加工工艺—第三章 铁碳合金相图
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 铁碳合金中的相：液相L、 α 、γ和 δ固溶体、 Fe3C金属化合物
在铁碳合金中碳既可溶入α – Fe、γ-Fe ，也可以 溶入δ-Fe ，形成不同的固溶体。