第三章 铁碳合金状态图解读
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铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
铁碳合金状态图
图3-1 渗碳体的晶体结构第三章 铁碳合金状态图钢和铸铁是机械工业上广泛应用的金属材料，它主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。
铁碳合金状态图就是研究铁碳合金的成分、温度和组织之间变化关系的图解。
第一节 铁碳合金的基本组织铁碳合金在液态时，铁和碳可以无限互溶，在固态时碳能溶解于铁的晶格中，形成间隙固溶体。
当含量超过铁的溶解度时，多余的碳与铁形成化合物(Fe 3C)。
此外，还可以形成由固溶体与化合物组成机械混合物。
铁碳合金的基本组织有以下五种。
一、铁素体(F)铁素体是指碳溶于a-Fe 中而形成的间隙固溶体。
碳在a-Fe 中溶解度极小，在727℃时最大溶解度为0．0218％，而在室温时只有0．008％。
因此，铁素体强度、硬度较低(σb =l80～280MPa 。
50～80HBS)，塑性，韧性较好(δ=30％～500%、αkU =160—200J ／cm 2)。
铁索体组织适于压力加工。
二、奥氏体(A)奥氏体是指碳溶于γ-Fe 碳在γ—Fe 中而形成的间隙固溶体。
溶解度较大，在1148℃时最大溶碳量为2.11％，在727℃时最大溶碳量为0．77％。
因此，固溶强化效应较高，其强度、硬度较高(σb =400 MPa ，160—200HBS)．而塑性、韧性也较好(δ=40％～50％)。
奥氏体组织也适用于压力加工。
三、渗碳体(Fe 3C)渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，化学式近似于Fe 3C(碳化三铁)。
Fe 3C 的含碳量为6.69%，如图3—1所示。
它无同素异构转变，熔点约为1227℃。
其硬度极高(800HBW)，塑性和韧性极低(δ≈0、αku ≈0)，即硬而脆。
渗碳体不能单独使用，只能作为强化相存在于铁碳合金中。
它的数量、形态(片状、粒状、网状等)、大小和分布对合金的性能产生不同的影响。
四、珠光体(P)珠光体是指奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为铁索体薄层和碳化物(包括渗碳体)薄层交替重叠的层状复相物。
铁碳合金相图43820
体Fe3CⅡ。
8
二、相图中的特性线
5）GS线 奥氏体冷却时开始向铁素 体转变的温度线，通常称 为A3线。
6）PSK水平线 共析线，通常称为A1线。 奥氏体冷却到共析线温度 （727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体（P），
wC＞0.0218%的铁碳合金
均会发生共析转变。 9
共晶和共析的概念：
共晶：指一定成分的液
按含碳量的不同，铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛、钢和 白口铸铁。其中，把 含碳量小雨0.0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
17
纯铁、钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁(组织为单相铁素体) (<0.0218% C)
4.3%C)
部分莱氏体组织)
③ 过共晶白口铸铁 (4.3 ～ 6.69%C)
18
铁碳合金的室温组织及分类：
合金类别 纯铁 亚共析钢
钢 共析钢
含碳量 <0.0218
(%)
0.0218~0.77
室温组织 F
F+P
0.0218~2.11 0.77 P
过共析钢
0.77~2.11 P+Fe3CⅡ
亚共晶铸铁
白口铸铁 共晶铸铁
20
2.共析钢的组织的变化顺序： 共析钢在室温时的组 织是珠光体，合金的 组织按下列顺序ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ化：
• 目前应用的铁碳合金状态图是含碳量为0～6.69%的 铁碳合金部分（即Fe－Fe3C部分），因为含碳量大 于6.69％的铁碳合金在工业上无使用价值。
3
二、相图中点的含义
1）A点 纯铁的熔点，温度 1538℃,Wc=0
机械制造基础-第3章-铁碳合金状态图
16
3.2 铁碳合金状态图分析
4、铁碳合金的分类
17
3.2 铁碳合金状态图分析
5、典型铁碳合金的结晶过程分析 1）共析钢的结晶过程 1点温度以上，合金处于液态； 缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继 续下降，奥氏体量逐渐增加； 直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体； 2点至3点间为单一奥氏体的冷却； 当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变， 转变为珠光体； S点以下，珠光体冷却至室温。
28
共晶白口铁显ห้องสมุดไป่ตู้组织
29
5） 亚共晶白口铁的结晶过程
亚共晶白口铁缓慢冷却的相变过程可以简单
地示意为： L→ L十A→ A十Ld +Fe3CⅡ → P十Ld` +Fe3CⅡ 。 亚共晶白口铁室温时显微组织的相组成物是 F和Fe3C ，组织组成物是P 、Ld`和Fe3CⅡ 。
30
5） 亚共晶白口铁的结晶过程
24
3）过共析钢的结晶过程
25
过共析钢显微组织
26
4）共晶白口铁的结晶过程 共晶白口铁缓慢冷却的相变过程可以简单 地示意为： L→Ld(A十Fe3C) → Ld` (P十 Fe3C) 。 共晶白口铁室温时显微组织的相组成物是F 和Fe3C ，组织组成物是Ld` 。
27
4）共晶白口铁的结晶过程
2）含碳量与力学性能间的关系 强度：当Wc<0.9％时，随 着Wc增加，不断提高；当 Wc>0.9％时，由于渗碳体 在晶界呈网状分布，使钢 的强度下降。 硬度：随Wc的增加而提高。 塑性：随Wc的增加而迅速降低。 冲击韧性：随Wc的增加而迅 速降低。
39
课堂作业1 同样形状和大小的两块铁碳合金，一块是 低碳钢，一块是白口铁，用什么简便方法 可将它们迅速区别开来？
3.2 铁碳合金状态图分析
4、铁碳合金的分类
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3.2 铁碳合金状态图分析
5、典型铁碳合金的结晶过程分析 1）共析钢的结晶过程 1点温度以上，合金处于液态； 缓冷到1点温度时，开始从液相结晶出奥氏体，温度继 续下降，奥氏体量逐渐增加； 直至2点温度结晶终止，液相全部结晶为奥氏体； 2点至3点间为单一奥氏体的冷却； 当温度降到S点时，奥氏体在恒温下发生共析转变， 转变为珠光体； S点以下，珠光体冷却至室温。
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共晶白口铁显ห้องสมุดไป่ตู้组织
29
5） 亚共晶白口铁的结晶过程
亚共晶白口铁缓慢冷却的相变过程可以简单
地示意为： L→ L十A→ A十Ld +Fe3CⅡ → P十Ld` +Fe3CⅡ 。 亚共晶白口铁室温时显微组织的相组成物是 F和Fe3C ，组织组成物是P 、Ld`和Fe3CⅡ 。
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5） 亚共晶白口铁的结晶过程
24
3）过共析钢的结晶过程
25
过共析钢显微组织
26
4）共晶白口铁的结晶过程 共晶白口铁缓慢冷却的相变过程可以简单 地示意为： L→Ld(A十Fe3C) → Ld` (P十 Fe3C) 。 共晶白口铁室温时显微组织的相组成物是F 和Fe3C ，组织组成物是Ld` 。
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4）共晶白口铁的结晶过程
2）含碳量与力学性能间的关系 强度：当Wc<0.9％时，随 着Wc增加，不断提高；当 Wc>0.9％时，由于渗碳体 在晶界呈网状分布，使钢 的强度下降。 硬度：随Wc的增加而提高。 塑性：随Wc的增加而迅速降低。 冲击韧性：随Wc的增加而迅 速降低。
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课堂作业1 同样形状和大小的两块铁碳合金，一块是 低碳钢，一块是白口铁，用什么简便方法 可将它们迅速区别开来？
第三章铁碳合金相图详解版
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
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
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
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
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 ）
1
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
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁
铁碳合金状态图(精)
过共析钢： （0.77%＜C＜2.11%）
② ③ ① 合金III： P Fe3C A Fe3C 室温 ④
LL AΒιβλιοθήκη A共晶白口铸铁： （C=4.3%） L L 'd Ld ② 合金IV： ① 室温
铁碳合金状态图
铸钢件生产技术课程
铁碳合金状态图
用来表示在平衡状态下，不同含碳量的铁碳合金 在不同温度下所处的状态，晶体结构和显微组织 特征的图称为铁碳合金状态图（又叫铁碳平衡
图）。 利用合金状态图可以全面了解不同成分的铁碳合 金在不同温度下处于什么状态，组织结构等，它 是制定熔铸、锻造、热处理工艺的重要依据，也 是分析合金组织研究相变规律的工具。
2. 铁碳合金分类
钢 含C量0.0218～
2.11% 共析钢 含C量0.77% S点 P 亚共析钢0.0218≤0.77% S点以左 F+P 过共析钢0.77≥2.11% S点以右 Fe3c+P 3.2.2.2 白口铸铁 2.116.69% 共晶白口铸铁 4.3% 亚共晶白口铸铁 2.114.3% 过共晶白口铸铁 4.36.69%
3.铁碳合金相图的用途
1. 作为选用钢材料的依据：
如制造要求塑性、韧性好，而强度不太高
的构件，则应选用含碳量较低的钢；要求 强度、塑性和韧性等综合性较好的构件， 则选用含碳量适中的钢，各种工具要求硬 度高及耐性好，则应选用含碳量较高的钢。
2.定铸、锻和热处理等热加工工艺的依据
在铸造方面：
3. 典型铁碳合金的结晶过程
共析钢：（C=0.77%） L P L A A ③ 合金I： ① ② 室温 亚共析钢：（0.0218%＜C＜0.77%） A F L A A L ④ ② ③ 合金II： ① F P 室温
铁碳合金状态图综述
2.含碳量对机械性能的影响
珠光体P：为F + Fe3C的混合物，呈层片状，由 于Fe3C的强化作用，珠光体性能较好。 亚共析钢：由F + P组成，随碳量增加，珠光体 量增加，强度性能提高。 过共析钢：P+ Fe3C(II)组成，当含碳量<1%， Fe3C(II)断续分布在晶界处，强度提高；当含碳 量>1%， Fe3C(II)呈网状分布在晶界处，强度性 能下降。 莱氏体、Fe3C硬而脆没有使用价值。 含碳量越高，钢的强度和硬度越高，而塑性和韧 性越低。
过共析钢： （0.77%＜C＜2.11%）
② ③ ① 合金III： P Fe3C A Fe3C 室温 ④
L
L A
A
共晶白口铸铁： （C=4.3%） L L 'd Ld ② 合金IV： ① 室温
铁碳合金状态图
铸钢件生产技术课程
铁碳合金状态图
用来表示在平衡状态下，不同含碳量的铁碳合金 在不同温度下所处的状态，晶体结构和显微组织 特征的图称为铁碳合金状态图（又叫铁碳平衡
图）。 利用合金状态图可以全面了解不同成分的铁碳合 金在不同温度下处于什么状态，组织结构等，它 是制定熔铸、锻造、热处理工艺的重要依据，也 是分析合金组织研究相变规律的工具。
选择合适的浇铸温度，流动性好 在煅造方面： 选择合适的温度区，奥氏体区 在热处理方面： 选择合适的退火、正火、淬火等工艺参数
3.分析合金组织研究相变规律的工具
碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
1.含碳量对平衡组织的影响
室温下，铁碳合金均由a+ Fe3C两相组成。 随含碳量不同，可分为七个典型组织区。
铁碳合金相图60218
铁碳合金 (按成分可
⑵钢(高温组织为单相 A，易于
变形)
分为三类)
① 亚共析钢 (0.0218 ～ 0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢 (0.77 ～ 2.11%C)
(3)白口铸铁(在液态下结晶时，全部
或部分液相会发生共晶变，获得全部或
① 亚共晶白口铸铁 (2.11 ～ 4.3%C) ② 共晶白口铸铁 (4.3%C)
按含碳量的不同，铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛、钢和 白口铸铁。其中，把 含碳量小雨 0.0218%的铁碳合 金称为纯铁；把含碳 量大于0.0218%而 小于2.11%的铁碳合 金称为钢；把含碳量 大于2.11%的铁碳合 金称为铸铁。 17
纯铁、钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁(组织为单相铁素体) (<0.0218% C)
围内，温度不宜太高，以免钢材严重氧
化或发生奥氏体晶界熔化（过烧）。终
锻（或终轧）温度，一般亚共析钢控制
在稍高于GS线，过共析钢控制在稍高
于PSK线。温度不能太低，以免钢材因
塑性变差，导致产生裂纹。
30
4、在热处理方面的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用
Fe－Fe3C相图是制订热处 理工艺的依据。应用Fe－ Fe3C相图可以正确选择各种 碳钢的退火、正火、淬火等 热处理的加热温度范围。由 于含碳量的不同，各种碳钢 热处理的加热温度和组织转 变也各不相同，都可从状态 图中求得。
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳）体加 （ 低温莱）氏体。
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4.3）%
33
一、 填空题
1、常见的金属晶体类型有（ ）晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种。
2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成。
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Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及各区域 内的组织
1．主要特性点
主要特性点
2．主要特性线
主要特性线
• 铁碳合金的分类及室温组织 • 铁碳合金的分类
铁碳合金的成份、组织与性能的关系
随含碳量的不同，其组织顺序：
' F→F+P→P→P+ Fe3 C→P+ Fe3 C+ Ld
→L'd→L'd+ Fe3 CⅠ
含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性
越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。
②含碳量对碳钢力学性能的影响
• • • • • • • •
强度：当Wc<0.9％时，随着Wc增加，不断提高； 当Wc>0.9％时，由于渗碳体在晶界呈网状分布， 使钢的强度下降。 硬度：随Wc的增加而提高。 塑性：随Wc的增加而迅速降低。 冲击韧性：变化情况与塑性相似。 为使碳钢有足够的强度、一定的塑性和韧性， 工业上应用的碳钢，Wc一般不超过1.3%～1.4%。
铁碳合金的基本组织与性能
一、铁素体（F） 二、奥氏体（A） 三、渗碳体（Fe3C或Cm） 四、珠光体（P） 五、莱氏体（Ld）
1）、铁素体（F）
碳溶解在α—Fe中形成的间隙固溶体，用符号 F 表示。
铁素体的晶胞示意图
铁素体的显微组织
2）、奥氏体（A）
碳溶于γ—Fe中形成的间隙固溶体，用符号A 表示。
低温莱氏体——室温 下的莱氏体，由珠光体和 渗碳体组成，用符号Ld表 示。
低温莱氏体的显微组织
第二节 铁碳合金状态图分析
• • • • • •
图中温度为纵坐标，碳的质量分数为横坐标， 其左端点是纯铁(Wc＝0)； 右端点是Fe3C(Wc=6.69%)。 横坐标上的任何一点,均代表了一种成分的铁碳合金 图中的任何一点， 表明了某一成分的铁碳合金在一定温度 下所具有的状态或组织。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
3）、渗碳体（Fe3C或Cm）
渗碳体是含碳量为 6.69％的铁与碳的金属
化合物，其化学式为
Fe3C。
渗碳体的晶胞示意图
4）、珠光体（P）
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，用符号P表示。
光学显微镜观察组织
电子显微镜观察组织
5）、莱氏体（Ld）
莱氏体是奥氏体和渗碳体的混合物，用符号Ld表示。
复习
第三章 铁碳合金状态图
黑色金属——以铁及以铁碳为主的合金（钢铁）。
有色金属——其他金属及其合金。
合金的基本概念
合金——以一种金属为基础，加入其他金属或非金属， 经过熔合而获得的具有金属特性的材料。即合金是由两种 或两种以上的元素所组成的金属材料。
组织——合金中不同相之间相互组合配置的状态。换 言之，数量、大小和分布方式不同的相构成了合金不同的 组织。