巧记铁碳相图Microsoft Office Word 文档
(完整word版)铁碳合金相图
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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。
C Fe 3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 -C Fe 3相图。
相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。
3.1 Fe -C Fe 3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2/m kg 3107.87⨯。
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： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心）α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，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。
⑵C Fe 3 C Fe 3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。
C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。
3.1.2 基本相Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3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。
图 铁碳相图 第四节 铁碳相图和铁碳合金
4.硫的影响
硫在钢中是有害的杂质。 液态时Fe、S能够互溶，固态时 Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点 为1190℃的化合物FeS。形成的共 晶体（r-Fe+FeS）以离异共晶形式 分布在r-Fe晶界处。 若将含有硫化铁共晶体的钢加 热到轧制、锻造温度时，共晶体熔 化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶 界开裂，这种现象称为钢的“热脆” 或“红脆”。
40.6%
P% 6.69 2.11 (1 40.6%) 46% 6.69 0.77
4.30 6.69
碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响
含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系
1.碳的影响
在C%<1%时，随含碳量的 增加钢的强度、硬度增加，但 塑性、韧性降低； 当C%>1%后，随含碳量的 增加，钢的硬度增加，但强度、 塑性、韧性降低，这是因为 Fe3CⅡ成连续网状分布，进一步 破坏了铁素体基体之间的连接 作用所造成。
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 <0.001%。 氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在钢 中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe203、Fe304、MnO、 SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响主要取决于这 些氧化物的性能，数量、大小和分布等。
图 共析钢的室温组织
ES、PQ、GS线
ES线是碳在奥氏体中的溶解度 曲线。含碳量大于0.77%的合金， 从1148℃冷到727℃的过程中，将 自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳 体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的溶解度 曲线。铁碳合金由727℃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）。
钢铁知识必备—铁碳相图
钢铁知识必备—铁碳相图铁碳相图铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，对于轧钢来说也是制定各种轧制温度、加热制度、热处理的物理依据。
一、Fe-Fe3C相图的组元1．Fe组元纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。
工业纯铁的机械性能特点：强度低、硬度低、塑性好。
2．CC在Fe-C合金中的存在形式有三种：①C溶入Fe的不同晶格中形成固溶体；②C与Fe形成金属化合物，渗碳体(Fe3C)；③C以游离态石墨存在于合金中。
渗碳体(cementite)在铁碳合金中是一种亚稳定相，熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。
在长时间高温下可分解为铁和石墨：Fe3C→Fe + C石墨的性能特点为耐高温，可导电，有一定的润滑性，但其强度、硬度、塑性和韧性都极低。
二、Fe-Fe3C相图中的相1．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ -Fe中——δ相）C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不观察，也有称高温铁素体。
3．α相铁素体F （C固溶到α-Fe中——α相）C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为 F (Ferrite)或α。
强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体（C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低，易塑性变形。
C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为 A (Austenite)或γ。
5．Fe3C铁和碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂斜方晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm (Cementite)。
三、相图分析1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB：这是一包晶反应，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。
铁碳平衡相图
铁碳平衡相图又称铁碳相图或铁碳状态图。
它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。
简史早期利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的在 1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。
至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）温度视加热或冷却 (分别以A c和A r表示)过程而异。
奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。
1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即A r1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，A r3下降而与A r21合为一点。
1904年又发现A4至熔点相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与Ar间为δ铁。
以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。
随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。
目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。
当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。
铁碳平衡图释义纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构,即δ－Fe。
当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。
铁碳相图讲解讲课文档
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亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
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亚共晶白口铸铁组织金相图
现在四十四页，总共一百零七页。
亚共晶白口铸铁 ( Wc = 3.0% )
相组成： α +Fe3C
%6.693.05.52%
6.69
F3 C e % 1 5.2 5 % 4.8 4 %
组织组成： Fe3C+P+Ld’——？
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过共晶白口铸铁 ( Wc = 5.0% )
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过共晶白口铸铁组织金相图
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P % 1 7 .2 % 6 9 .7 2 % 4
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a) 硝酸酒精浸蚀
白色网状相为二次渗碳体
暗黑色为珠光体
b) 苦味酸钠的浸蚀 黑色网状为二次渗碳体
浅白色为殊光体
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共晶白口铸铁 ( Wc = 4.3% )
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奥氏体（Austenite）
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)， 最高溶碳量为1148℃时的wc=2.11％；奥氏体具 有高塑性、低硬度和强度，其力学性能为： σb400MPa、δ40%~50%、170~220HB。
奥氏体主要存在于727℃以上的高温范围内，利 用这一特性，工程上常将钢加热到高温奥氏体状 态下进行塑性成形。
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铁碳相图理解记忆法
Fe–Fe3C相图，作为《金属材料与热处理》这门课程的重点内容，究其原因除了它在生产实践中具有重大意义外，还有就是该相图与本课程其它很多内容都有关联。
有经验的教师会很好地利用该相图，使各相关的知识点得到很好的融会贯通，使得本课程成为一个有机的整体。
但在具体学习中，很多同学都不能很好地理解Fe–Fe3C相图，更不用说熟记该相图去分析铁碳合金的成份、组织与性能的关系了。
其主要原因除了本课程特有的抽象性外，在Fe–Fe3C相图的记忆上具体存在着三大难点：1、线条不规则。
2、数字多，既有温度的数字，又有含碳量的数字。
3、组织名称多。
所以，在学习中，学生经常出现“望图生畏”，而不愿去记忆该相图。
如何让学生轻松愉快地快速记下该相图呢？本人在多年教学实践中，总结出下面的心得体会：（下面以简化后的Fe–Fe3C相图为例，见附图3）具体画图时，分三步进行：第一步：先画出图内的线条，分出各个区域。
第二步：在纵、横坐标上标出相应的数字，分别代表温度及含碳量。
第三步：标出各区域对应组织的符号。
如何准确画出相图中的线条呢？下面以我的某次授课过程为例，说明其记忆方法：我先让同学们观察书中Fe–Fe3C相图，找出图中线条的特征，一段时间后，同学们还是找不出什么特征。
我在黑板上用彩色粉笔画出图中的ACD和ECF线以及GSE和PSK线，让同学们再观察这些线条，顺便提示，将铁碳合金相图比作一个海洋。
马上有同学回答：“象海鸥”，我紧跟着加以引导：“不错，我们的相图就象两只海鸥在海平面上展翅飞翔”，同学们马上报以愉快的笑声。
“不对！”笑后，还是有同学站起来纠正：“老师，你画的图漏画了AE线”。
“是啊！这AE线怎么办呢？”我继续引导。
“那是一条美丽的彩虹！”马上有同学补充，下面是伴随着一阵会心的笑声。
“是啊，多么美丽的彩虹，”我边说边将AE线画上。
“老师，还有三条铅垂方向的虚线呢？”观察仔细的同学还是发现存在的不足。
“那是海鸥在海平面上激起的三朵浪花。
铁碳相图简画及口决
控制热处理过程中的组织转变
铁碳相图有助于控制热处理过程中合金的相变和组织转变，以获得所需的组织和性能。
预测和控制热处理过程中可能出现的缺陷
通过铁碳相图，可以预测和控制热处理过程中可能出现的缺陷，如开裂、变形等，以提 高产品质量。
铁碳相图的应用
铁碳相图广泛应用于钢铁工业、 铸造、焊接等领域，为材料科学、 工程热物理等领域提供了重要的 理论支持。
铁碳相图的未来展望
新型材料的研究
随着新材料技术的不断发展，铁碳相图将进一步应用于新 型材料的研发和制备过程中，为新材料的性能优化提供理 论指导。
计算机模拟技术的发展
随着计算机模拟技术的不断进步，铁碳相图的模拟精度和 可靠性将进一步提高，为实验研究和实际应用提供更加精 确的数据支持。
预测和优化钢铁材料的性能
通过铁碳相图，可以预测和优化钢铁材料的力学性能、物理性能和化学性能，如强度、韧 性、硬度、耐腐蚀性等。
指导钢铁材料的热处理工艺
铁碳相图是制定钢铁材料热处理工艺的基础，如退火、正火、淬火和回火等，以获得所需 的组织和性能。
在铸造工业中的应用
指导合金成分设计
01
铁碳相图为铸造工业提供了选择和设计铸造合金成分的依据，
THANKS
感谢观看
N区域特性
总结词
纯铁的液态区与固态区
详细描述
N区域是铁碳相图中的纯铁的液态区与固态区，位于恒温点N的左侧区域。在该 区域内，碳含量接近于零，纯铁以液态或固态形式存在。
04
铁碳相图的应用
在钢铁工业中的应用
确定不同成分铁碳合金的结晶过程和组织转变
材料科学基础——铁碳相图
但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的形式存在。
% 88% 所以，S是一种有害元素。
组织组成： Fe3C+P——Ld‘
6.69 3）P和Cu一起加入钢中，可以提高钢在大气中的抗蚀性。
要求：保证化学成分和力学性能，需要热处理获得需要的性能。
温 度
Fe Fe3C Fe2C FeC
C
(6.69%C)
渗碳体是个亚稳定的相，石墨才是稳定的相。 但石墨的表面能很大，只有在极缓慢冷却或加入某 些合金元素使石墨的表面能降低，碳才能以石墨的 形式存在。
因此，铁碳相图有两类：
Ⅰ 液体、固溶体和渗碳体之间亚稳平衡，是紧 靠铁端部分，其中C含量的范围是0～6.69％
相组成： α +Fe3C 这种现象叫做应变时效。
组织组成：P
渗碳体是指晶体点阵为复杂正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种间隙式化合物，用符号Fe3C表示，其含碳量为wc=6.
如果钢液脱氧不良，含较多FeO，还会形成熔点更低的（Fe＋FeO＋FeS)三相共晶体，其危害更大。
T8 T10
蓝脆就是指钢在加热到150～300℃时，产生硬度升高，塑性、韧性下降的现象。 与Fe-Fe3C相图的不同之处：
铸铁(cast iron)： C%： 2.11～6.69%，有较好的铸造 性能、质脆，不能锻造。又分为： 共晶铸铁(eutectic cast iron)： C%： 4.30% 亚共晶铸铁(hypoeutectic cast iron) ： C%： 2.11～ 4.30% 过共晶铸铁(hypereutectic cast iron) ： C%： 4.30～ 6.69%
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巧记铁碳相图
本帖最后由 sunny2008 于 2010-12-8 06:23 编辑
一二三四五六巧记铁碳相图
"一"指一种合金组织渗碳体（Fe3C）：特别需要注意从金属液态直接结晶出渗碳体称为一次渗碳体（Fe3CⅠ），而从A（奥氏体）中析出渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。
很易把两者混淆。
"二"指二个坐标：Ｃ/％、Ｔo／℃；在画的时候容易忘记这两坐标标注。
"三"指三个单项：Ａ（奥氏体）、Ｐ（珠光体）、Ｌd（莱氏体）。
在铁碳合金相图中，只有三个区域中是单项组织，其中在727℃以下含碳量为0.77％时，其成分只有Ｐ（朱光体），1148℃以下含碳量为4.3％时，其成分只有Ｌd（莱氏体），在这些地方经常容易漏掉。
"四"指四个含碳量： 0.77％、2.11％、4.3％、6.69％；
"五"指五种温度：1538℃，1148℃，1227℃，912℃，727℃；
"六"指六条线：
(1) ACD液相线：其以上组织都是液态。
(2) AECF固相线：其以下组织都是固态。
(3) GS奥氏体析出铁素体的开始线：奥氏体析出铁素体
(4) ES溶解度线：奥氏体析出渗碳体称为二次渗碳体
(5) ECF共晶线：金属液态结晶出莱氏体（Ld）。
(6) PSK共析线：当合金组织冷却到727℃以下奥氏体（A）全部转成朱光体（P）。
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昨天06:23
一、基本概念
1.铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金
2.碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金
3.铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金
4.铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C
二、组元
1.纯铁
纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。
2.碳
碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体。
3.碳在铁碳合金中的存在形式有三种：
1.C与Fe形成金属化合物，即渗碳体；
2.C以游离态的石墨存在于合金中。
3.C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体；
A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相，
铁素体在室温下可稳定存在。
B. 奥氏体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”表示，奥氏体强度低、塑性好，钢材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。
C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6.69％。
以“Fe3C”或“Cm”符号表示，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很高(HB＝800)而脆，塑性几乎等于零。
渗碳体在钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。
它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。
碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。
铁碳合金相图的分析
1.铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图；
2.相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体 Fe3C；。