铁碳合金相图分析报告
(完整word版)铁碳相图分析
二、铁碳合金相图的分析Fe-Fe3C相图如图3-25所示。
可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。
相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C。
这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ Fe3C。
图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。
相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。
Fe- Fe3CHJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53+ δ0.09→γ0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。
ECF水平线（1148︒C）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→γ2.11 + 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“Le”表示。
莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
PSK水平线（727︒C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218 + Fe3C。
转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。
珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。
共析线又称为A1线。
此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线：GS、GP为γ⇄α固溶体转变线，HN、JN为δ⇄γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。
GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。
ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。
在1148︒C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727︒C 时溶解度只有0.77%。
铁碳合金相图分析
成P点成分的铁素体和渗碳体，即γS＝αP＋Fe3C。
▪
所得到的共析体αP＋Fe3C称为珠光体，用P表示。
3. 铁碳合金的平衡结晶和组织转变
1）铁碳合金的分类 工业纯铁：碳含量小于0.022％的铁碳合金称为工业纯铁， 其特点是在冷却过程中不发生共析反应。
钢：碳含量在0.022～2.14％之间的铁碳合金称为钢，其特 点是结晶过程不发生共晶反应。根据室温组织的不同，钢又 分为：
是2.25g/cm3。
▪
碳的原子半径为0.34nm。碳有两种存在
形式：石墨和金刚石，石墨较为广泛。
▪
石墨是由碳原子层组成，层内原子呈正六
边形。层内原子由共价键结合，原子间距为
0.142nm。层间原子由弱金属键结合，间距为
0.34nm。
▪
石墨的晶体结构属于六方晶系，其中a＝
0.46nm，c＝0.670nm，每个晶胞含有四个原子。
PK
6.690.022
亚共析钢的室温平衡组织是先共析铁素体和珠光体。
亚共析钢中的先共析铁素体可能呈现不同的形态：先共 析铁素体在奥氏体晶界上形核后，可形成沿原奥氏体晶界的 网状先共析铁素体；也可沿奥氏体晶内某特定晶面生长成相 互平行的片状，即魏氏组织。
❖ 过共析钢
d1 d2
d3 P S d4
当合金从液相开始冷却：
%＝c5S100% 0.76－ 0.3 100%62.2%
PS
0.760.022
P％Pc5100%0.30.022100%37.8%
PS
0.760.022
此时，合金中α与Fe3C两相的相对量为：
%＝c5K100% 6.69－ 0.3100%95.8%
PK
6.690.022
铁碳合金相图
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2.有害元素: P — 有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。
S — 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂 )。
第六节
二、碳钢的分类与编号
碳
钢
１碳钢的分类方法很多，常用的分类方法有以几种： （１）按碳的质量分数分类：
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屈服强度 σ0.2 98-166MPa
HBS
下一页 纯铁具有较好的塑性，但强度太低，不能用来制造机械零件。
二、同素异构转变
许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、 银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。 钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在 固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、 钛等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会 发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格 转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
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Q 235 — A ·F
沸腾钢 A等级 235 MPa 屈服强度
第六节
碳
钢
（２）优质碳素结构钢。其牌号用两位数字表示，两位数字表示钢中 平均碳的质量分数的万倍。 00
第二节
三、三种渗碳体
铁碳合金相图分析
PQ线是碳在铁素体中的固溶线。铁碳合金自７２ ７℃，冷至室温时，将从铁素体中析出渗碳体，称为 三次渗碳体，用符号Ｆｅ３ＣⅢ表示。 凡是WＣ＞０．７７％的铁碳合金自１１４８℃冷 至７２７℃的过程中，必将从奥氏体中析出渗碳体， 称为二次渗碳体，用符号Ｆｅ３ＣⅡ表示。
如图合金Ⅰ（WＣ＝０．７７％）为共析钢。当合金冷到点１ 时，开始从液相中析出奥氏体，降至点２时全部液相都转变为奥 氏体，合金冷却到点３时，奥氏体将发生共析反应，即
铁碳合金相图及平衡组织分析
实验三铁碳合金相图及平衡组织分析一、实验目的1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，建立Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系3.了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备二、实验原理通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。
按组织分区的Fe-Fe3C相图（一）铁碳合金中的几种基本相和组织（1）铁素体（F）。
它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。
具有磁性及良好的塑性，硬度较低。
用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒。
亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。
（2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%。
用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。
此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。
（3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。
由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。
因此，铁素体后，渗碳体薄。
硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。
1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。
铁碳相图详解
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金,按成分可分为三类：⑴ 工业纯铁（〈0.0218％ C ），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。
⑵ 碳钢(0.0218%~2。
11％C ），其特点是高温组织为单相A,易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0。
77%C)、共析钢（0.77％C ）和过共析钢(0。
77%～2.11％C ）。
⑶ 白口铸铁（2。
11％～6。
69%C ），其特点是铸造性能好，但硬而脆,白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2。
11％~4。
3%C ）、共晶白口铸铁（4.3%C ）和过共晶白口铸铁(4.3-6.69%C)下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化.图3—26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置㈠ 工业纯铁(图3-26中合金①）的结晶过程合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体.继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。
温度降低到3点以后，开始从d 铁素体中析出奥氏体，在3～4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，d 铁素体全部转变为奥氏体。
在4~5点之间,不发生组织转变。
冷却到5点时,开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。
在6-7点之间冷却，不发生组织转变.温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe 3C III 。
7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC Fe Q .图3—27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。
工业纯铁的室温组织为a+Fe 3C III ,如图3—28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②)的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0。
铁碳相图分析
二、铁碳合金相图的分析Fe-Fe3C相图如图3-25所示。
可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。
相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C。
这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ Fe3C。
图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。
相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。
点的符号温度/℃含碳量/%说明A 1538 0 纯铁熔点B 1495 0.53 包晶反应时液相的成分C 1148 4.3 共晶点L C ⇄γE+Fe3CD 1227 6.69 渗碳体的熔点E 1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度F 1148 6.69 渗碳体G 912 0 γ-Fe ⇄α-Fe同素异构转变点H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度Fe- Fe3HJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。
ECF水平线（1148︒C）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→γ2.11 + 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“Le”表示。
莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。
PSK水平线（727︒C）为共析线，与该线成分（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218+ Fe3C。
转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。
铁碳合金相图及平衡组织分析
T8钢（4%硝酸酒精溶液）
P
T12钢（4%硝酸酒精溶液）
P Fe3CⅡ
T12钢（碱性苦味酸钠水溶液）
Fe3CⅡ P
共晶白口铁（4%硝酸酒精溶液）
L'd
亚共晶白口铁（4%硝酸酒精溶液）
Fe3CⅡ
P
L'd
过共晶白口铁（4%硝酸酒精溶液）
Fe3CⅠ L'd
小结： 不同含碳量旳铁碳合金平衡组织形貌特征
腐蚀剂
4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液
碱性苦味酸钠水溶液
4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液 4%硝酸酒精溶液
工业纯铁（4%硝酸酒精溶液）
F 晶 界
15钢（4%硝酸酒精溶液）
F P
45钢（4%硝酸酒精溶液）
F
P
65钢（4%硝酸酒精溶液）
铁碳合金相图及平衡组织分析
一、试验目旳： 1. 熟练利用铁碳相图，提升分析铁碳合金平衡结晶过程 及组织变化旳能力； 2. 掌握碳钢和白口铁旳显微组织特征。
二、试验概述： 1. 铁碳相图旳分析； 2. 铁碳合金中常见旳固态组织及特征； 3. 工业纯铁、碳钢和白口铁旳显微组织特征。
三、试验内容、措施及要求： 1. 讨论Fe-Fe3C相图（相、组织、性能与含碳量旳关系）； 2. 借助显微镜和电脑对金相试样实物及其电子组织图片进行 观察，分析不同成份铁碳合金旳室温平衡组织形貌特征； 3. 随堂完毕电子试验报告。
为确保工业用钢应具有 足够旳σb 和一定旳δ 、Ak ， 故其碳含量一般都不超出 Wc1.3% ~1.4%。
Ψ HB σb
δ Ak
1.0
试样名称 工业纯铁
铁碳合金相图分析
⑶ 白口铸铁(2.11~6.69%C)
铸造性能好，硬而脆 ① 亚共晶白口铸铁 (2.11~4.3%C) ② 共晶白口铸铁(4.3%C)
③ 过共晶白口铸铁
(4.3~6.69%C)
典型铁碳合金平衡结晶过程分析
1.工业纯铁 2.共析钢
3.亚共析钢 4.过共析钢 5.共晶白口铁
6.亚共晶白口铸铁 7.过共晶白口铸铁
2、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Le’，合金太脆。
d.形态：组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。
e.性能：强度低、塑性好，钢材热 加工都在区进行。 碳钢室温组织中无奥氏体。
奥氏体
⑶ 渗碳体：即Fe3C，含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。 a.晶格结构：复杂正交 b.性能： Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。 Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C（石墨），该反应对铸铁有重要意义。 c.溶解度：由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下 碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。
6．亚共晶白口铸铁 2.11%<C%<4.3%
相组成物：F，Fe3C 相相对量：
F%=
Fe3C%= 组织组成物：P，Le’，Fe3CII
亚共晶白口铁金相
7．过共晶白口铸铁
亚共晶、过共晶生铁结晶过程分析
L’d—变态莱氏体
相组成物 ：F，Fe3C F%=
Fe3C%= 组织组成物：Le’，Fe3C
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Fe3CⅢ .
工业纯铁（ <0.0218%C ） 钢（ 0.0218-2.11%C ） —— 亚共析钢、共析钢（ 0.77%C ）、过共析钢 白口铸铁（ 2.11-6.69%C） —— 亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁
L → L+A → A → P(F+Fe3C)
L → L+A → A → A+F → P+F
Mn 溶入 Fe3C → 形成合金渗碳体（ Fe, Mn） 3C
2、硅
Si + FeO → S2iO + Fe （脱氧）
Si 溶入铁素体 → 固溶强化
Si<0.4% ，对性能影响不大
3、硫 钢中 S+Fe → FeS。FeS 与 Fe 形成低熔点的共晶体（
Mn <0.8% ，对性能影响不大 985℃）分布在晶界上，当钢在热
标准实用
第四章 铁碳合金
第一节 铁碳合金的相结构与性能
一、纯铁的同素异晶转变 δ-Fe→γ-Fe→α-Fe 体心 面心 体心
同素异晶转变 —— 固态下，一种元素的晶体结构 随温度发生变化的现象。
特点： ? 是形核与长大的过程（重结晶） ? 将导致体积变化（产生内应力） ? 通过热处理改变其组织、结构 → 性能 二、铁碳合金的基本相
文案大全
轮、曲轴等 。
标准实用
. 状态图中的特性点 Fe- Fe3C 相图中各点的温度、浓度及其含义
Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义
L → L+A → A → A+ Fe 3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ
4、 共晶白口铸铁 L → Ld(A+Fe 3C) → Ld(A+Fe 3C+ Fe3CⅡ) → Ld′ (P+F3eC+ Fe3CⅡ)
5、 亚共晶白口铸铁 L → Ld(A+Fe 3C) + A → Ld+A+ Fe 3CⅡ → Ld′ +P+ F3eCⅡ
第三节 碳钢（非合金钢）
碳钢是指 ωc≤2.11，%并含有少量锰、硅、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。
铁碳合金具有良好的力学性能和工艺性能，且价格低廉，故广泛应用。
一、杂质元素对碳钢性能的影响
1、 锰
Mn + FeO → MnO + Fe
炉渣
Mn+ S → MnS
（脱氧） （去硫）
Mn 溶入铁素体 → 固溶强化
Mn
炼钢时残留
溶入 F→ 固溶强化 —— 有益
S
矿石中
热脆性 —— 有害
P
矿石中
冷脆性 —— 有害
二、碳钢的分类 按含碳量分：低碳钢 (0.0218～0.25)、中碳钢（ 0.25～0.6）、高碳钢（ 0.6～ 2.06%） 按质量分类：普通碳钢、优质碳钢、特殊碳钢（ S、P 含量） 按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢 三、碳钢的牌号、性能和应用 1、碳素结构钢
.也叫 Acm 线.
③ PQ 线---是碳在铁素体中的溶解度曲线 .铁素体中的最大溶碳量于 727oC 时达到最大值 0.0218%.随着温 度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在 300oC 以下溶碳量小于 0.001%.因此当铁素体从 727oC 冷却下来时要
从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为
基本相
定义
力学性能
铁素体 F
碳在 α-Fe 中的间隙固溶体
强度 ,硬度低，塑性 ,韧性好
奥氏体 A
碳在 γ-Fe 中的间隙固溶体
硬度低，塑性好
渗碳体 Fe3C Fe 与 C 的αk=0
溶碳量 最大 0.0218% 最大 2.11% 9.69%
第二节 铁碳合金相图
6、 过共晶白口铸铁 L → Ld(A+Fe 3C) + Fe3C → Ld + Fe 3C→ Ld′ + F3eC
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标准实用
三、铁碳合金的成分、组织、性能之间的关系 1、含碳量对铁碳合金平衡组织的影响 2、含碳量对铁碳合金力学性能的影响
四、铁碳合金相图的应用 1、选材方面的应用 2、在铸造、锻造和焊接方面的应用 3、在热处理方面的应用
GB700-88 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275(五大类， 20 个钢种 ) GB700-79 A1, A2, A3, A4, A5 Q235-AF 表示： σ s≥ 235M，pa质量等级为 A ，沸腾钢。 应用：
Q195, Q215—— 塑性高，用于冲压件、铆钉、型钢等； Q235—— 强度较高，用于轴、拉杆、连杆等； Q255, Q275—— 强度更高，用于轧辊、主轴、吊钩等。 2、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢：优质钢、高级优质钢（ A ）、特级优质钢（ E） 牌号： 08F —— 冲压件；
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标准实用
加工（ 1000~1200℃）时，共晶体熔化，导致开裂 —— 热脆 消除热脆： Mn+ S → MnS （熔点高 1620℃并有一定塑性） 硫是一种有害元素
4、磷 钢中磷全部溶于铁素体，产生强烈固溶强化，低温时更加严重 磷是一种有害元素
—— 冷脆
杂质元素
来源
作用
Si
炼钢时残留
溶入 F→ 固溶强化 —— 有益
一、相图分析
两组元： Fe、 Fe3C
上半部分图形（二元共晶相图）
共晶转变：
1148℃
727℃
L4.3 → A2.11+ Fe 3C → P +
Fe3C 莱氏体 Ld
Ld′
2、下半部分图形（共析相图）
两个基本相： F、Fe3C
共析转变：
727℃
A0.77 → F0.0218 + Fe 3C
珠光体 P
45—— 齿轮、连杆、轴类； 65 Mn—— 弹簧、弹簧垫圈、轧辊等。 3、碳素工具钢 牌号： T8、T8A—— 木工工具； T10、 T10A —— 手锯锯条、钻头、丝锥、冷冲模； T12、 T12A —— 锉刀、绞刀、量具。 4、铸钢 表示方法：用力学性能表示 ZG200-400（ σs≥200Mp，aσb≥400Mp）a 用化学成分表示 ZG30（ 0.3%C） 用于制作形状复杂且强度和韧性要求较高的零件， 如轧钢机架、 缸体、 制动
二、典型合金结晶过程 分类：
文案大全
标准实用
三条重要的特性曲线
① GS 线 ---又称为 A3 线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶 入奥氏体的终了线 .
② ES 线--- 是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之
为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线