第三章 铁碳合金和铁碳相图
6.3铁碳相图
高，这种现象称为氢脆。
含有较多氢的钢，在加热热轧时溶入，冷却时溶解度降 低，析出的氢结合成氢分子，使钢的塑性大大降低，脆性大
大升高，加上热轧时产生的内应力，当它们的综合作用力大
于钢的时，在钢中就会产生许多微细裂纹如头发丝一样，也 称发裂，这种组织缺陷称为白点。
8.氧的影响
氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过 程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧 过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在 700℃时为0.008%，在500℃时在铁素体中的溶解度
破坏了铁素体基体之间的连接
作用所造成。
含碳量对碳钢机械性能的影响
对工艺性能的影响 适合锻造：C%<2.11%，可得到单相组织。 适合铸造：C%～4.3%，流动性好。 适合冷塑变：C%<0.25%，变形阻力小。
适合热处理：0.0218-2.11%，有固态相变。
思考题
1.如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁?
冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳
体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。 GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或 者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同 素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其 转变温度有变化）。
T℃
1538A
L A L+A E
时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高，
塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。 为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加 入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物， 以减小氮所造成的时效敏感性。
7.氢的影响
氢在钢中的存在也是有害元素，它是由潮湿的炼钢原料 和炉气而进入钢中的。 氢在钢中的溶解度甚微，但严重的影响钢的性能，氢溶 入铁中形成间隙固溶体，使钢的塑性大大降低，脆性大大升
第三章 铁碳相图(含答案)
第三章铁碳相图(含答案)第三章铁碳相图一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、从相变的角度来看，钢与铸铁是按________来区分的，钢与工业纯铁是按________来区分的。
答案：有无共晶转变、有无共析转变2、碳溶解在________中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号________表示；奥氏体的力学性能是________和________不高，但具有良好的________。
答案：γ-Fe、A、强度、硬度、塑性3、渗碳体是铁和碳的化合物，常用________表示；渗碳体的含碳量为6．69％，具有复杂的晶格，它的________很高，脆性很大，而________和________几乎等于零。
C、硬度、塑性、韧性答案：Fe3C相图，它由三个典型的二元合金相图组合而成，即________、________和4、统观Fe-Fe3________。
答案：匀晶（型）相图、共晶（型）相图、包晶（型）相图5、铁碳合金在固态下的基本相有________、________和________三种。
答案：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3C)6、在钢中，由于铁与碳的相互作用，可以形成四种基本组织，即________、________、________和________。
答案：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3C）、珠光体（P）7、Fe-FeC相图中，根据E点（含碳量为________）可将铁碳合金分为________和________3两大部分。
答案：2.11%、（碳）钢、铸铁8、在铁碳合金的基本相中，属于固溶体的有________、________，属于金属间化合物的有________。
答案：奥氏体、铁素体、渗碳体9、含碳量为4.3％的铁碳合金叫________，在1148℃以上为________，缓冷至1148℃时发生________反应，继续冷却到727℃时发生________转变，其室温组织为________。
合金相图.ppt
单相区：液相线以上为液体L 固相线以下为固溶体α
双相区：固液相线之间L、α两相 同时共存，以L+α表示
二、匀晶相图 2 、合金的结晶过程 匀晶转变的结晶过程：L→L+α →α
性能: 一般较硬、脆
三、机械混合物
液态金属在平衡凝固时形成的两种固溶体或 固溶体加金属化合物的混合物(机械混合物)
单一固溶体：强度、硬度较低 单一化合物：硬而脆 机械混合物——不是一种单一相
3.2 二元合金相图
概念： 合金相图是用图解的方法表示不同 温度及成分下合金系中各相的平衡 关系，又称平衡图或状态图。
❖ 共晶转变：一个液相在冷却过程中 同时结晶出两个结构不同的固相的转变。 即：L+
❖共晶体：共晶转变所得的两相机械混合物。
❖共晶相图：具有共晶转变的相图。 如Pb-Sn、Pb-Sb、Al-Si、Ag-Cu和Mg-Al等。
1、Pb－Sn合金相图分析
• ⑴ 相：L、、
——Sn在 Pb中的固溶体， ——Pb 在Sn中的固溶体。
AS 727℃
( AE + Fe3C ) Ld ( FP + Fe3C ) P
A T°
G
Fe - FEeCF3线C:共相晶转图变
匀晶相图
L L→L共d(晶A+相F图e3C)
D
G时S不线同（成AL3分+）的A：A开冷始却
A
析出铁素体F的温度线
铁碳合金：铁和碳两种元素组成的合金。 铁碳相图：研究钢铁成分、组织和性能
之间关系的理论基础，制定 热加工工艺的依据。
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
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铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
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奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
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（3）Fe3C(渗碳体） cementite
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（1）纯铁pure iron（多型性）
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➢ 纯铁熔点1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。
➢ 在912℃以下为体心立方 ， 称α铁(α-Fe)；
➢ 低温的铁具有铁磁性，在 770℃ 以 上 铁 磁 性 趋 于 消 失 。
➢ 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)；
称为铸铁 ➢含碳量小于0.0218％的铁碳合金则称为工
业纯铁
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根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
G 912
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0
α与γ同素异构转变点(A3)
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2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 H J K N P S Q
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温度/℃ 1495 1495 727 1394 727 727 室温
含碳量/% 含义
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
第3章-1铁碳相图
40 Ni%
60
80
100
铜镍合金状态图
1500 1400 1300 1200 1100 1000 0 20 40 60 Ni% 80 100 时间 L3 L1
L L 1
L2
3
2
t1 t2 t3
含60%镍合金的冷却曲线及结晶过程示意图
3 共晶相图
定义： 500 铅中溶锑 形成固溶体；400 300 锑中溶铅 形成β固溶 200 体。 100
铁碳合金分类
工业纯铁------------------<0.0218%C
亚共析钢----------0.0218~0.77%C 钢
共析钢-------------0.77%C
过共析钢----------0.77~2.11%C 亚共晶铸铁-------2.11~4.3%C 铸铁 共晶铸铁----------4.3%C 过共晶钢铸铁----4.3~6.69%C
3.2.2 Fe-Fe3C相图分析（各组成相的组织形态）
T℃ 1600 A(1538 ℃) 1500 1400 液体 1300 液体+奥氏体 C 1200 1148℃ E 奥氏体 1100 1000 G(913 ℃) 奥氏体+渗碳体 Acm 900 奥+铁 奥氏体+ II 铁 800 A3 S 727℃ 渗碳体II +莱氏体 素 700 P A1 铁 渗碳体II 珠光体+渗碳体II 体 600 + +珠光体 +低温莱氏体 500 珠 0.02 0.77 2.11 4.3 C%
(2) 奥氏体——是碳在γ-Fe中的固溶体，Austenite ( A )
特点： ① 最大溶解度(Maximum saturated solubility of C in austenite)2.11%C； ② 其力学性能与含碳量及晶 粒大小有关，一般170～220HBS、 δ=40～50%； ③ 形变能力好，形变抗力小。
第三章 铁碳合金相图
第三章铁碳合金相图非合金钢[（GB／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。
了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。
本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。
铁与碳可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC等。
Fe3C的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe-Fe3C相图。
相图的两个组元是Fe和Fe3C。
3.1 Fe-Fe3C系合金的组元与基本相3.l.l 组元⑴纯铁 Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为7.87⨯103kg/m2。
纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即：α-Fe（体心）γ-Fe（面心）工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度σb=180～230MPa，屈服强度σ0.2＝100～δ-Fe （体心）170MPa，伸长率δ=30～50％，硬度为50～80HBS。
可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。
⑵Fe3C Fe3C是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表示。
Fe3C具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度σb=30MPa，伸长率δ=0。
3.1.2 基本相Fe-Fe3C相图中除了高温时存在的液相L，和化合物相Fe3C外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴高温铁素体碳溶于δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。
⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。
F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。
第4讲铁碳合金基本组织及铁碳合金相图分析
第4讲铁碳合⾦基本组织及铁碳合⾦相图分析第三章铁碳合⾦第⼀节基本组织⼀、铁碳合⾦的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。
由于α-Fe晶粒的间隙⼩，溶解碳量极微，其最⼤溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是⼏乎不含碳的纯铁。
=180～230Mpa性能：σbHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰⾊并有明显⼤⼩不⼀的颗粒形状。
Array C）2、渗碳体（Fe3渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。
含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很⾼，脆性极⼤，是钢中的强化相。
显微镜下观察，渗碳体呈银⽩⾊光泽。
渗碳体在⼀定条件下可以分解出⽯墨，3、奥⽒体（A）奥⽒体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。
γ-Fe的溶碳能⼒较⾼，最⼤为2.11%（1148℃）。
由于γ-Fe⼀般存在于727～1394℃之间，所以奥⽒体也只出现在⾼温区域内。
显微镜观察，奥⽒体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。
性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗⼒。
是绝⼤多数钢种在⾼温进⾏压⼒加⼯所需的组织。
4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。
珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。
显微镜观察，珠光体呈层⽚状特征，表⾯具有珍珠光泽，因此得名。
=750Mpa性能：σbHB=160～180较⾼δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱⽒体（Ld）莱⽒体是由奥⽒体和渗碳体组成的共晶体。
铁碳合⾦中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发⽣共晶转变，⽣成⾼温莱⽒体。
合⾦继续冷却到727℃时，其中的奥⽒体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱⽒体。
统称莱⽒体。
第⼆节铁碳合⾦相图分析各主要线的意义：相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合⾦的开始点和终了点，分别⽤光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合⾦内部组织发⽣转变的界限。
3.铁碳合金和铁碳相图资料
发生共晶反应的成分范围： Wc ：2.11 %—6.69%
(合金成分线与ECF线相交) 产物： γE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Le表示。（Fe3C为
基体；γE呈粒状或卵状分布在基体上）
莱氏体是塑性很差也很硬的组织。 共晶点C ：(4.3,1148)
3）共析转变 （水平线PSK,亦称A1线） 727º C gs aP Fe3C +
HV=950~1050
δ=0
二、 Fe-Fe3C相图的相
1.液相 L
2.δ 相（高温铁素体）：碳溶于δ -Fe的间隙固溶体。
在1495℃时的最大溶碳量为0.09%。（bcc） 3.α 相（F，铁素体）：碳溶于α -Fe的间隙固溶体。 在727℃时的最大溶碳量为0.0218%。（bcc） 性能：软而韧
室温组织: 先共析F + P
亚共析钢显微组织示意图
室温组织为珠光体及铁素体,珠光体呈黑色块状, 铁素体呈连续白色网状在珠光体周围
亚共析钢结晶过程:L
L+A
A
F+A
F+P
求室温中相 组织的含量
室温各相的相对量：（在α + Fe3C两相区室温用杠杆定律） Fe3C%≈0.45/6.69=6.7%
温度低于此线时，
碳以Fe3C形式从A中析出，
析出的次生Fe3C 又称二次渗碳体， 记为Fe3CII 。
固溶度线
PQ 碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线
（温度 ，最大溶解度 ） (0.0008%—0.0218%)
温度低于727℃时，
碳以Fe3C形式从F中析出，
析出的Fe3C 又称三次渗碳体， 记为Fe3CIII 。
4.Fe-Fe3C相图中的转变
第3章B 铁碳合金相图 ppt
第3章 铁碳合金相图 高等教育出版社
机械工程材料
铁碳合金的基本组织性能特点 铁素体：碳与α-Fe形成的间隙固溶体。 性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。 奥氏体：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体;高温组织， 在大于727℃时存在。 性能-塑性好，强度和硬度高于F。 渗碳体：铁与碳形成的金属化合物。 性能-硬度高，脆性大。 珠光体：F与Fe3C组成的机械混合物 。 性能-力学性能介于两者之间。 莱氏体：A与Fe3C组成的机械混合物。 性能-硬度高，塑性差。
PSK PQ
第3章 铁碳合金相图
奥氏体转变为铁素体的终了线 碳在奥氏体中的溶解度线 含C量在0.0218 % --6.69%的铁碳合金至此反生 共析反应，产生珠光体P ，又称A1线。 碳在铁素体中的溶解度线
高等教育出版社
机械工程材料
3.2.2
铁碳合金的分类
按Fe-Fe3C相图中碳的质量分数及室温组织的不 同,铁碳合金分为以下三类: 1.工业纯铁wc≤0. 021 8%,室温组织为铁素体。 2.钢0.0218%<wc≤2.11%。按室温组织不同,又 可分为以下三种: ①共析钢,wc=0.77%,室温组织为珠光体。 ②亚共析钢,0.021 8% < wc<0.77%,室温组织为 珠光体+铁素体。 ③过共析钢,0.77% <wc≤2.11%,室温组织为珠 光体+二次渗碳体。
特性点
温度/℃
wc/(％)
含
义
A C D E F G K P S Q
第3章 铁碳合金相图
1538 1148 1227 1148 1148 912 727 727 727 600
0
4.3 6.69 2.11 6.69 0 6.69 0.0218 0.77 0.0057
铁碳相图和铁碳合金
钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。
因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。
由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图5.6-1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
【说明】图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图5.6-2。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
铁碳合金相图
三、含碳量与工艺性能间的关系 1、铸造性能 根据Fe-Fe3C相图可以确定合 适的浇注温度；接近共晶成分铸铁的固/液相线 的温度间隔小，铸造性好，且浇注温度低，适 合于铸造生产。 2、锻造性能 碳钢在室温下为两相组织，形 变加工困难，而在高温下碳钢为单相A组织，硬 度低而塑性好，锻造性能优良，适合进行锻造 加工；白口铸铁在高温/低温下，其组织都是以 Fe3C为基体的，不能进行锻造。 3、焊接性能 钢材的焊接性能主要取决于材 料的碳当量，碳当量越低则焊接性能越好，因 此焊接结构一般应选用低碳钢或低碳合金钢， 而铸铁的焊接性能差，故焊接仅用于铸铁件的 修复和焊补。
第三节 铁 碳 合 金
钢铁是现代工业中应用最为广泛的的金属材料，其基本组元是 铁和碳元素，因此称为铁碳合金。 为了掌握钢铁材料的成分、组织 和性能之间的关系，为以后的生产应用做好准备，就必须学习和研 究铁碳合金相图。 铁和碳元素可以形成固溶体以及一系列化合物（Fe3C、Fe3C、 FeC等），但由于含碳量较大的铁碳合金脆性很大，无实际应用价 值，所以在铁碳合金相图中，只需研究Fe-Fe3C部分（含碳量 ≦6.69%）。
铁碳合金相图分析
分析相图： 注意相图中的恒温反应！ 钢铁的分类： （1）工业纯铁 wc＜0.0218% （2）钢 0.0218%＜wc＜2.11% （3）白口铸铁 2.11%＜wc＜6.69%
铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
从铁碳平衡相图中可以看出，随着含碳量的提高，Fe3C的含量也随之提 高，而且Fe3C的形态也发生变化（亚共析钢为F基体+Fe3C片；过共析钢为 P+网状Fe3C；白口铸铁中的莱氏体则是以Fe3C为基体）。因此，不同成分 的铁碳合金具有不同的组织，进而决定了它们具有不同的性能。
第三章 铁碳相图
铁碳相图的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用，对指导铸锻焊 和热处理工艺有直接意义。 1. 铸造方面 可根据相图上液相线确定铸件的合理浇 注温度。一般选在液相线以上 50-150℃，共晶成 分铸铁铸造性能好。 2. 锻压方面 从相图可以知道把钢加热到A3和Acm线 之上都会变成单相奥氏体。奥氏体钢塑性好，强 度较低，适用于变形量大的热变形加工。 3. 焊接方面 可根据铁碳相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊 接应力。 4. 热处理方面 相图中的A1，A3和Acm三条相变线是 确定热处理工艺加热温度的依据。
2、碳的质量分数对平衡状态下碳钢机械性能的影响
1、硬度随含碳量 的增加而增加 2、强度随含碳量 的增加而增加， 到0.9%左右达到 最大，而后下降。 3、塑性、韧性随 含碳量的增加而 下降。
名称
组织
性能
铁素体 F/α相 奥氏体 A/γ相 珠光体 P 渗碳体 Fe3C
莱氏体 Ld 变态莱氏 体L’d
室温下各种相的相对含量，同理可求。
小结：标注组织的铁碳相图
小结：标注组织的铁碳相图
Ld
Ld
Ld
Ld′
Ld′
Ld′
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
铁碳合金的成分-组织-性能关系
三、铁碳合金的成分-组织-性能关系
1、碳的质量分数对平衡组织的影响
6.69 - 5 L'd % 100 % 70.7% 6.69 - 4.3 5 4.3 Fe3C(%) 100 % 29.3% 6.69 - 4.3
6.69 - 5 F% 100 % 25.3% 6.69 - 0.0218 5 0.0218 Fe3C(%) 100 % 74.7% 6.69 - 0.0218
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。
第三章 铁碳合金相图
A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、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%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
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5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体
第三章 铁碳合金和铁碳相图
共析钢的平衡结晶过程
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。
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
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
亚共析钢的平衡结晶过程
注意事项
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
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
化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
塑
性
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变 形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就
降到近于零值了。
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3.5 钢中的杂质元素
A(0.0008)
C 0.77
Fe3C
B(6.69)
相的质量分数
6.69 0.77 M 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe 3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
3.铁碳合金和铁碳相图资料
（4）三相共存点 S（0.77，727） 共析点 共析转变 γ s α p+Fe3C C（4.30，1148） 共晶点 共晶转变 Lc γ E+Fe3C J（0.17，1495） 包晶点 包晶转变 LB+δH γ J （5）其它点 B（0.53，1495） 发生包晶反应时液相的成分 F（6.69,1148) Fe3C的成分 K (6.69,727) Fe3C的成分
0.77 0.0218 6.69
含义：在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变。 产物：α 相和Fe3C的两相混合物，以层片形式混合，称为珠光体，用P表示 合金范围： Wc: 0.0218 %—6.69%(合金成分线与PSK线相交)
ห้องสมุดไป่ตู้
成分新固相的反应——包晶转变反应。
发生包晶反应的合金成分： C%：0.09%——0.53% 即合金 的成分线与HJB线相交。 产物：单相奥氏体（γ J ） 包晶点 （J点）：（0.17，1495）
2）共晶转变 （水平线ECF线） 1148º C g Lc E + Fe3C 4.3 相的 转变。 2.11 6.69 含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固
同素异构转变线：NH 和 NJ，GS 和 GP
3.相图中的相区 单相区（4个＋1个）: L、α 、γ 、δ 、 Fe3C
两相区（7个）:L+δ, L+ Fe3C，L +γ , δ+γ , γ +α , γ + Fe3C , α + Fe3C
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。
相交，即含碳量Wc:0.53%～4.3%
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亚共晶白口铁的平衡结晶过程
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） 先共晶γ相 → P 室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
过共晶白口铁的平衡结晶过程
A(0.0008)
C
Fe3C
B(6.69)
0.77
相的质量分数
6.69 0.77 M 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008
Fe3C相的质量分数
L相冷却 L相→ δ相
第三章
铁碳合金和铁碳相图
第三章 铁碳合金和铁碳相图
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相 §3.2 Fe-Fe3C相图 §3.3 典型合金的平衡结晶 §3.4 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响 §3.5 钢中杂质元素对组织性能的影响
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
组 元： 纯铁、渗碳体 基 本 相： 高温铁素体（δ）、 铁素体（α）、 奥氏体（γ） 基本组织： 珠光体（P）、 莱氏体（Le/Le’）
2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。
• 再增加碳含量时, 由于合金基体都为脆性很高的Fe3C, 强度变
化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
塑
性
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变
形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就 降到近于零值了。
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
课后作业
亚共析钢和过共析钢的相组成都是铁素体和渗碳
体，计算室温下，两者铁素体相和渗碳体相的质量分
数。（亚共析钢以含碳量0.45%为例，过共析钢以含碳 量1.0%为例）
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共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
MP 0.6 0.0218 100 % 77.28% 0.77 0.0218
过共析钢的平衡结晶过程
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
过共析钢的平衡结晶过程
注意事项
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
3.2
Fe-Fe3C相图
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）。
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）。
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
3.2
Fe-Fe3C相图
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
3.2
Fe-Fe3C相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
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3.3
典型合金的平衡结晶
工业纯铁
﹤0.0218%
亚共析钢 铁碳合金 碳素钢
0.0218～2.11%
共析钢 过共析钢
§6 金属铸锭宏观组织
• 凝固后在铸造状态(或还要经过热处理)下使 用的金属件称为铸件，凝固后还要经历塑 性变形的金属件称为铸锭。 • 铸锭实际上是一个形状简单的铸件.具有很 典型的铸态组织。铸锭剖面大致存在三个 不同特征的区 • 铸锭三晶区：表面细晶粒区，柱状晶粒区， 中心等轴区
图3-6 铸件的宏观组织形成过程示意图
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3.2
Fe-Fe3C相图
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3.2
Fe-Fe3C相图
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Le( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
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工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
3.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢
亚共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共析钢
共晶白口铁
3.2
Fe-Fe3C相图
亚共析钢用途实例
Le’
Fe3C+Le’
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硬
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和 质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度
低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度
约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。
强
度
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
纯铁
§3.1 铁碳合金中的组元和基本相
纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。
由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。 同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶 体结构变化的现象。
3.2
Fe-Fe3C相图
相图中的三个重要点 相图中的五个单相(区) 相图中的三条水平线 相图中的四条垂直线
0.77%
亚共晶白口铁
白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁 过共晶白口铁
4.3%
工业纯铁的平衡结晶过程
冷却过程中匀晶反应：L相→δ相→γ相→α相 → α相中沿晶界析出片状Fe3CⅢ
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共析钢的平衡结晶过程
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
• Ｃ％↑, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密,
则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随Ｃ％ ↑而增大。 • 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度 的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度
迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到
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3.5 钢中的杂质元素
一、Si 脱氧剂，（且强化F,提高淬透性） 但SiO2易成为非金属夹 杂, ∴Si%<0.5% Si+O2→SiO2 二、Mn 脱氧剂，除硫剂，（且强化F,提高淬透性），但MnO、MnS 易成为非金属夹杂物, ∴Mn%<0.8% 三、S
M n+S→MnO
Mn+S→MnS
不 利 作 用 ： 引 起 热 脆 ,S ％ <0.050%. < 原 因 ： FeS （ Tm=1190℃ ） ； (Fe+FeS) （ Tm=989℃ ） ； (Fe+FeS +FeO) （Tm=940℃）;锻造温度：1150-1250℃> 有利作用：提高切削加工性
柱状晶粒区
• 分枝少，晶质细密 • 晶粒粗大，各向异性 横向性能差； • 柱状晶交界处有夹杂和气体 热加工时易开裂， • 获得：大的温度梯度 单向散热，定向凝固
等轴晶粒区
• • • • 晶界面积大，杂质分布分散 各晶粒位向不同，性能均匀，没有方向性； 枝晶彼此嵌人，没有脆弱面。 缺点是枝晶发达，树枝晶间液相凝固收缩留 下很多分散孔洞(显微缩松)，因此凝固后全 属组织不够致密。 • 获得：较低的浇注温度；孕育处理；机械振 动晶反应：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
小结
碳含量对铁碳合金室温组织的影响
a+Fe3CⅢ a+P P
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Le’
3.5 钢中的杂质元素
四、P 不利作用：引起冷脆, P％<0.045%。 （原因：固溶于F→钢强 硬度↑，塑韧性↓↓） 有利作用：提高切削加工性,使弹片易碎等 五、 N、H、O 1. 一般情况下均是有害元素 N —— 时效形成氮化物→脆化 H —— 氢脆， 白点→塑韧性↓↓ O —— 形成氧化物 → 非金属夹杂 2. 控制方法： N —— 加入Al→AlN H —— 冶金时防止进入， 去氢退火 O —— 加脱氧剂 Si,Mn等
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
亚共析钢的平衡结晶过程
P 计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
A(0.0218)
C
0.6
P
B(0.77)
组织组成物的 质量分数 P组织组成物的 质量分数
0.77 0.6 M 100 % 22.72% 0.77 0.0218
剩余L相→ γ相 γ单相的冷却
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
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
亚共析钢的平衡结晶过程
注意事项
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
亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P
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）
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 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