相平衡与相图铁碳相图
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铁碳合金相图分析
1点以上
1～2点
2～3点
图3-3 共析钢结晶过程示意图
3点～室温
共析钢的室温组织全部为P，呈层片状，其室温下的显微组织如图3-4 所示。
图3-4 共析钢室温下的显微组织
（二）亚共析钢的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅱ为 wC 0.45% 的亚共析钢，其结晶过程如图 3-5 所示。
1点以上
1～2点
A3 线 合金冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的析出线
三、铁碳合金的结晶过程
图3-2 简化后的Fe-Fe3C相图
根据碳的质量分数和室温显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯 铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。
（一）共析钢的结晶过程 在图 3-2 中，合金Ⅰ为 wC 0.77% 的共析钢，其结晶过程如图 3-3 所示。
图3-12 亚共晶白口铸铁室温下的显微组织
（六）过共晶白口铸铁的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅵ为 wC 5.0% 的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图 3-13
所示。
1点以上
1～2点
2～3点
图3-13 过共晶白口铸铁的结晶示意图
3点～室温
过共晶白口铸铁室温下的显微组织如图 3-14 所示，图中白色条状为 Fe3CⅠ ， 黑白 相间的 基 体 为 Ld′ 。所 有过共 晶 白口 铸铁 的 室温 组织 均 为 Ld Fe3CⅠ，只是随着碳含量的增加， Fe3CⅠ量增加。
0.09
碳在 δ-Fe 中的最大溶解度
J
1 495
K
727
0.17 6.69
包晶点 LB δH
A 1495℃ J
Fe3C 的成分
符号 N P S Q
温度 T/℃ 1 394 727
727 室温
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
柱状晶区
表面细晶区
中心等轴晶区
• 1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大 的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很 细的等轴晶粒区。
2、 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， 使细晶区前沿液体的过冷度减小，晶核的形成速率不 如成长率大，各晶粒成长较快。沿垂直于模壁方向散 热较快，故晶粒沿这一方向长大，形成柱状晶区。
912℃
α-Fe
2、渗碳体
铁与碳形成的间隙化合物， 含碳6.69%, 用Fe3C 或Cm表示，熔点1227 ℃ Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑
性很低，伸长率接近于0.
3、铁素体（F或α表示） 碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。
金相显微镜下为多边形晶粒 铁素体中碳的溶解度很小，室温时小于0.0008%， 727 ℃时0.0218% 性能接近于纯铁，强度、硬度低，塑性好
室温下Fe3CⅢ最大 量为:
QFe C 3 III
0.0218 0.0008 100% 0.3% 6.69 0.0008
㈡ 共析钢的结晶过程
共析渗碳体
L → L+A→ A→P(F +Fe3C) 室温组织为P.
1 2
L+A
A
3
3’
F +Fe3C
4
• 珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈 指纹状。
C
A + Fe3C
F + Fe3C
2.11
4.3
2
3 ωc% 4
5
L+Fe3C D 1148 F
727 K
6.69
6 Fe3C
液相线ABCD固相线AHJECFD 五个单相区，七个两相区
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。
铁碳相图及相变过程
下贝氏体：过冷奥氏体在350℃~Ms的转变产物。由过饱和针状铁素体和渗碳体形成的混合物，但渗碳体在铁 素体针内；
特征：呈黑色针状或竹叶状；
粒状贝氏体：过冷奥氏体在贝氏体转变温度区的最上部的转变产物。刚形成时是由条状铁素体合并而成的块状铁 素体和小岛状富碳奥氏体组成，富碳奥氏体在随后的冷却过程中，可能全部保留成为残余奥氏体；也可能部分或 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ部分解为铁素体和渗碳体的混合物（珠光体或贝氏体）；最可能部分转变为马氏体，部分保留下来而形成两相 混合物，称为M-A组织。
铁素体：碳与合金元素溶解在a-Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，溶碳能力极差； 特征：具有良好的韧性和塑性；呈明亮的多边形晶粒组织；
马氏体：碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，体心正方结构； 常见的马氏体形态：板条、片状；
板条马氏体：在低、中碳钢及不锈钢中形成，由许多成群的、相互平行排列的板条所组成的板条束。空间形状是 扁条状的，一个奥氏体晶粒可转变成几个板条束（通常3到5个）；
粒状珠光体：由铁素体和粒状碳化物组成。它是经球化退火或马氏体在650℃~A1温度范围内回火形成。 特征：碳化物成颗粒状分布在铁素体上。
上贝氏体：过冷奥氏体在中温（约350~550℃）的相变产物，由过饱和针状铁素体和渗碳体形成的混合物， 渗碳体在铁素体针间；
特征：典型上贝氏体呈羽毛状，晶界为对称轴，脆性，硬度较高
渗碳体：碳与铁形成的一种化合物Fe3C 特征：含碳量为6.67%，具有复杂的斜方晶体结构；硬度很高，脆性极大，韧性、塑性几乎为零；
珠光体：铁碳合金中共析反应所形成的铁素体与渗碳体组成的片层相间的机械混合物； 特征：呈现珍珠般的光泽；力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好；
铁碳合金及相图
• 1.定义 •
匀晶相图
二组元在液态和固态下均无 限溶解的二元相图叫做匀晶相 图。形成此类相图的合金系有 Cu-Ni、Bi-Sb,W-Mo,Ti-Zr,TiHf等。
• 2. 相率 在单相区f=C-P+1=2
在两相区f=C-P+1=1，即只有1 个独立变量。假定T为独立变量， 则相的成分就是温度的函数。 给定温度就可以确定相的成分。
化来建立相图的。后两种方法适用于测定材料在固态
下发生的转变。
合金成分的表示方法有两种：质量分数和摩尔分数。 如A组元的质量分数为wA、摩尔分数为xA，其 相对原子量为MA；B组元的质量分数为wB、摩尔 分数为xB，其相对原子量为MB，则：
xA=(wA/MA)/(wA/MA + wB/MB)
xB=(wB/MB)/(wA/MA + wB/MB)
其它相图。
• 2. 相图的组成元素
组元 • 组成相图的独立组成物。组元可 以是纯的元素，如金属材料的纯金 属，也可以是稳定的化合物，如陶 瓷材料的Al2O3，SiO2等。
相区 相图中代表不同相的状态的区域叫相区，相区可分为单相 区、双相区和三相区。单相区中液相一般以L表示，当有几个 固态单相区时，则由左向右依次以、、等符号表示。在两 个单相区之间有对应的两相区存在。
与一个固相在恒定温
度下转变成另外一个
成分不同的固相的过 程。
L + 。
包晶反应机理
由于相是在包围初生相，并使之与液相格开的形 式下生长的，故称之为包晶反应。
§2 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’）
1-2-3铁碳合金相图
B
1。纯铁 。
同素异构转变
金属在固态下由于温度的改变而发生晶格 类型转变的现象。
2。 铁碳合金基本相 （二元相图）
（2）共晶相图与共晶转变
无法显示图像。计算机可能没有足够的内存以打开该图像，也可能是该图像已损坏。请重新启动计算机，然后重新打开该文件。如果仍然显示红色 “x” ，则可能需要删除该图像，然后重新将其插入。
PQ线是碳在F中固溶线。在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳含量大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C。析出 的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII 数量极少, 往往予以忽略。
K点
符号 K 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 6.69 含义 Fe3C的成分 的成分
P点
符号 P 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 0.0218 含义 碳在 α-Fe中的最大溶解度 中的最大溶解度
S点
符号 S 温度, 温度 ℃ 727 碳含量 ω(C)% 0.77 含义 共析点(A 共析点 1) As→ FP+Fe3C
渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐蚀，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐蚀，在 显微镜下呈黑色。 渗碳体的显微组织形态很多，在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、粒状、网状或板状。 渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形状与分布对钢的性能有很大的影响。
渗碳体
四、珠光体（Pearite） 珠光体（ [珠光体 ：是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示，珠光体是奥 珠光体]： 珠光体 氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物，碳质量分数平均为Wc=0.77%。显微 组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织，高碳钢经球化退火后也可获得 球状珠光体（也称粒状珠光体）。 [珠光体性能 ：力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和 珠光体性能]： 珠光体性能 韧性较好（σb=770MPa、180HBS、δ=20%~35%）。
第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
三、 Fe- 石墨相图
1. 相图中的线和区 CD——从液相结晶出一次石墨GI； ES ——从奥氏体中析出二次石墨GII； PQ ——从铁素体中析出三次石墨GIII； ECF——共晶反应线，LC E + G PSK ——共析反应线， S P + G 2. Fe- 石墨结晶平衡组织
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
二、 Fe- Fe3C
第五章 相平衡与相图
1. 组元和相
（1）Fe为同素异构体，在常压下从高温到低温，具有3个晶态： -Fe ， -Fe， -Fe
（2）碳有两种晶态：
金刚石：金刚石结构；石墨：六方结构 （3）在Fe-Fe3C系中有4种晶体相：
• 铁素体（ 或F）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（体心立方结构）；
第五章 相平衡与相图
• 0.09% <C < 0.17 % ： L L+
• C = 0.17 %：L L+
• 0.17 % < C < 0.53 % ：L L+ L • C > 0.53 %： L
• （固溶体同素异晶转变） 脱溶分解（ +Fe3CIII）
脱溶分解（ +Fe3CII）
+Fe3C）
共析转变（
• 室温平衡组织： Fe3CII + P +Ld （ Fe3CII + P + Fe3C共晶）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
（7）过共晶白口铁， 4.30%<C<6.69%； • L Fe3CI 共晶转变 L（ + Fe3C）Ld
第08章 铁碳相图
第三节 二元共晶相图
二、共晶体的形成
生长特点
共同生长 两个相长大时都要 排放相应的溶质组元，排出的溶 质将阻碍自身的生长，但两相同 时生长时，一相排出的组元正是 另一相生长所需要的，所以两相 的生长过程将互相促进，最后是 两相共同携手长大。由于两固相 的成分是固定的，综合成分应和 液体的成分相同，它们的数量反 映在二者的厚度相对比例上。
往往以树枝晶方式生长，偏析的分布表现为不同层次的枝晶成
分有差别，因此这种偏析又称枝晶偏析。
晶内偏析的程度决定于：相图中液—固相线相距愈远，
组元元素原子的迁移能力愈低(扩散系数小)，冷却速度
愈大，造成的晶内偏析将愈严重。
消除偏析的方法：前两条原因是不可更改的，但并不是
采用慢速冷却，因为慢速冷却会使晶粒变大，最高和最
第八章 二元相图
相图知识
二元匀晶相图与固溶体的凝固
二元共晶相图
二元包晶相图 复杂二元相图的分析方法 铁碳平衡相图
材料的性能 组织结构 相
种类
数量 尺寸 形状 分布
相图
表示物质的状态与温度、压力、组成之间的关系的 简明图解。
表示物质在热力学平衡条件下的情况，又称为 平衡相图。
8.1 相与相平衡
第三节 二元共晶相图
二、共晶体的形成
组织特点
当两个固相都是金属性较 强相时，共晶体一般生长成层 片状。当两相的相对数量比相 差悬殊时，在界面能的作用下， 数量较小的相将收缩为条、棒 状，更少时为纤维状，甚至为 点(球)状。
当有一相或两相都具有较强的非金属性时，它们表现出较 强的各向异性，不同方向的生长速度不同，并且有特定的角度 关系，同时生长过程要求的动态过冷度也有差异，往往有一个 相在生长中起主导作用，决定了两相的分布，共晶体的形态也 具有独特性，这时常见的形态有针状、骨肋状、蜘蛛网状、螺 旋状等。
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Fe—Fe3C相图有一些特性线，它们是 由不同成分合金具有相同意义的点连接起 来的。 有三条水平恒温转变线，二条磁性转 变线(水平)和三条重要的相界线。
19
A.三条水平恒温转变线
围绕三条水平线 可 把 Fe—Fe3C 相 图分解为三个部 分考虑：左上角 的包晶部分，右 边的共晶部分， 左下角的共析部 分。
一. 铁碳合金的组元及基本相
钢和铸铁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，故统称为铁碳合金。
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。
1
在铁碳合金中， Fe 与 C 可以形成一系列化合物： Fe3C、Fe2C、FeC。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。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。
纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立 方(bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc) 结构, 1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。
纯铁的同素异构转变
4
纯 铁 的 冷 却 曲 线
通常将 Fe Fe 转变称为A4 转 变，转变的平衡临界点温度称为A4 点.
莱 氏 体 金 相 图
15
二、Fe—Fe3C相图分析
下图为 Fe- 碳合金双重相图。图中实线部分为 Fe-Fe3C 相图， 虚线表示 Fe-C （石墨）相图（虚线与实线重合的部分以实 线表示）。铁碳相图通常是指Fe-Fe3C相图。
分析点、线、 区特别是重 要的点、三 条水平恒温 转变线、重 要的相界线
（3）渗碳体
前面已讨论过
8
(4)石墨
含100%C，灰口铸铁中一个基本组成 相，用C或G表示。
石墨具有简单六方晶格。 同一晶面上碳原子以共价键结合,间距0.142nm结合力较强。 两层晶面的间距为0.34nm，结合力弱。
耐高温，导电，一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和 韧性都极低。 9
20
①包晶线：HJB线（1495℃），J为包晶点， wc=0.09～0.53%的Fe-C合金缓冷到HJB线均发生包 晶反应，即：
L0.53+δ
0.09→γ 0.17
（L B+ δ H→γ J）
21
②共晶线：ECF水平线（1148℃），C点为共晶点， wc=2.11～6.69%的Fe-C合金缓冷到ECF线均发生共晶反应：
+ Fe3C
（γ S→α P+ Fe3C）
转变产物为铁素体和渗碳体组成的机械混合物（α + Fe3C ），称为珠光体，用P表示。共析转变温度常用 A1表示。
Fe-Fe3C相图
2
1. Fe—C合金中的组元
纯铁(Fe) 铁碳合金中组元： 渗碳体（Fe3C）
1)
纯铁
纯铁（Fe）
熔点1538℃，密度7.87g/㎝³。
纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变）。纯铁的强度低， 塑性好(软)，很少用于结构材料。主要利用铁磁性。
纯铁的显微组织
3
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
将 Fe Fe转变称为A3 转变， 转变的平衡临界点温度称为A3 点。 通常将α -Fe在770℃的磁性转变（高温 的顺磁性→低温的铁磁性）称为A2转变， 磁性转变温度称为铁的居里点。
5
2) 渗碳体(Fe3C)
渗碳体是Fe—C合金中碳以化合物Fe3C形式出现，含碳 量 6.69% 。正交晶系 ,C 原子周围有 6 个 Fe 原子，构成一个 八面体,Fe:C=3:1，一个渗碳体晶胞含有 12 个铁原子和 4 个 碳原子。
L4.30→γ
2.11+
Fe3C （LC→γ E+ Fe3C）
转变产物为奥氏体和渗碳体组成的共晶混合物 （γ +Fe3C ），称为莱氏体，用Ld表示。
22
③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析点。凡 wc>0.0218%的Fe-C合金冷却到PSK线均发生共析反应：
γ
0.77→α 0.0218
16
相图的分析
五个重要的成份点: P、S 、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、PK。 两个重要转变: 共晶转变反应式、 共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃、727 ℃。
17
（1）Fe—Fe3C相图的点
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。
18
（2）Fe—Fe3C相图的线
渗 碳 体 的 晶 格
6
Fe3C在230℃以下具有铁磁性，渗碳体在230℃的磁性转 变称为A0 转变。 Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板条状。渗 碳体硬而脆，塑性极低，延伸率接近于0。它是钢铁材料 中的主要强化相。 渗碳体组织金相图
7
2. Fe-C合金中的基本相和组织
在Fe—Fe3C相图中，Fe-C合金在不同条件(成分，温 度)下，可有六个基本相： 液相、δ相、γ相、α相、 Fe3C相、石墨（C） （1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶液。 （2）δ相 C溶于δ －Fe中的间隙固溶体称为δ 铁素体，也称高温 铁素体。在1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构，
12
铁素体组织金相图
铁素体 的显微 组织与 工业纯 铁相同, 晶粒常 呈多边 形。
13
珠光体 ( P )
铁素体和渗碳体组成的机械混合物。
珠光体金相图
14
莱氏体 ( Ld )
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。
在莱氏体中，渗碳体是一个连续分布的基很脆，所以 莱氏体是一种塑性很差的组织。
（5） 奥氏体
奥氏体(常用γ或A表示)，是C溶解于γ—Fe中形成的间 隙固溶体。γ铁具有fcc面心立方结构。奥氏体间隙大，可 以溶解较多的碳。奥氏体的硬度较低，塑性高。γ铁是顺磁 性的。晶粒呈平直多边形。 碳在γ －Fe中的位置
奥氏体的显微组织
10
奥氏体组织金相图
11
（6）铁素体
铁素体（α或F） 是C溶于α －Fe中形成 的间隙固溶体,具有体 心立方bcc结构。铁素 体的溶碳能力比奥氏体 小得多，含碳量非常低， 所以其性能与纯铁相似： 硬度低，塑性高。