共析钢结晶过程示意图
铁碳相图对共析钢,亚共析钢和过共析钢的详细分析
到S点发生共析
转变：
AS⇄FP+Fe3C,
A 全部转变为
珠光体。
1点以上：L
℃
+
1～2点：LA
2～3点：A
+
+
3～3'点： AP
3'点以下：P
珠光体在光镜下呈指纹状. 转变结束时，珠光体中相 的相对重量百分比为：
SK 6.69 0.77 QF 88.8%, PK 6.69 0.0218 Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
D C F
E
3
4
E2 QLe ' QLe EC 2C 2.11 0.77 QFe3CII EC 6.69 0.77 Q 100% QLe ' QFe3CII
室温下相的相对重量百分比?
亚共晶白口铁的结晶过程
(六) 过共晶白口铁的结晶过程 1~2点间从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体称一次渗碳 体，用 Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液 相成分变到C点并转变为Le。
第四节 铁碳合金相图 1、铁碳合金的基本相与性能
2、铁碳合金相图与结晶过程
3、含碳量对铁碳合金组织性能的影响
4、铁碳合金相图的应用
铁碳合金—碳钢和 铸铁，是工业应用
最广的金属材料。
含碳量为0.0218%
~2.11%的称钢。
含碳量为 2.11%~
6.69%的称铸铁。
铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为相图的组元看待。 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。
材料物理题库-22
名词解释：配位数：一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数。
费米能级：费米能级表示的是金属在绝对零度时的最高填充能级。
能带：许多原子聚集，由许多分子轨道组成的近乎连续的能级带。
价带(Valence band)：价电子能级展宽成的能带(可满可不满)满带(Filled band)：添满电子的价带空带(Empty band)：价电子能级以上的空能级展宽成的能带导带(Conduction band)：0 K 时最低的可接受被激发电子的空带禁带(Band Gaps)：两分离能带间的能量间隔，又称为能隙（Δ Eg）固溶体(Solid Solution)：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体。
点缺陷(Point Defect)：任何方向尺寸都远小于晶体线度的缺陷区线缺陷(位错Dislocation)：仅一维尺寸可与晶体线度比拟的缺陷一或数列原子发生有规则的错排弛豫：偏离了原平衡态或亚稳态的体系回复到原状态的过程 .相数 p：系统内性质相同且均匀部分的种类数独立组分数C：平衡系统中各相组成的最少纯物质数，等于纯物质数减去独立化学反应数。
自由度数 F：相平衡系统中可独立改变而不引起相变的变量数共晶：共晶是指凝固时由一个液相同时生成两个不同的固相。
共析：即两种以上的固相新相，从同一固相母相中一起析出，而发生的相变。
包晶：在结晶过程先析出相进行到一定温度后新产生的固相大多包围在已有的旧固相周围生成。
表面张力：扩张表面时单位长度上所需要的力。
表面能：增加单位面积的表面所需要做的功。
构象：高分子链由于单键内旋转形成的不同空间排列方式。
内聚能： 1 摩尔分子聚集在一起的总能量，或1 摩尔液体蒸发，或 1 摩尔固体气化的总能量。
表面(Surface)：固体与气体或液体的界面取向：链段、大分子链、晶粒（取向单元）在外力作用下，沿一定方向排列聚合物合金：两种或两种以上聚合物通过物理的或化学的方法共同混合而成的宏观上均匀、连续的高分子材料。
(2)典型合金的冷却过程分析
（2）典型合金的冷却过程分析图2-29 典型铁碳合金结晶过程示意图① 共析钢的冷却过程分析如图2-29所示，过Wc=0.77%的点作一条垂直于横轴的垂线（合金线）Ⅰ，与相图分别交于1、2、3（S ）点温度，以这三点温度为界，分析其冷却过程。
合金在1点以上全部为液相(L)，当缓冷至与AC 线相交的1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体(A)，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿AE 线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC 线变化。
冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。
2～3点(即S 点)温度范围内为单一奥氏体。
冷至3点(727℃)时，发生共析转变，从奥氏体中同时析出铁素体和渗碳体，构成交替重叠的层片状两相组织，称为珠光体，其共析转变式为：这种在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两种一定成分的固相转变，称为共析转变。
共析转变在恒温下进行，该温度称为共析温度；发生共析转变的成分称为共析成分，共析成分是一定的；共析转变后的组织称为共析组织或共析体。
共析转变后的铁素体和渗碳体又称共析铁素体和共析渗碳体。
由于在固态下原子扩散较困难，故共析组织均匀、细密。
在3点以下继续缓冷时，铁素体成分沿PQ线变化，将有少量三次渗碳体（Fe3CⅢ）从铁素体中析出，并与共析渗碳体混在一起，不易分辨，而且在钢中影响不大，故可忽略不计。
共析钢冷却过程如图2-30所示，其室温组织为珠光体。
图2-30 共析钢结晶过程示意图珠光体力学性能介于铁素体与渗碳体之间，即强度较高，硬度适中，有一定塑性。
珠光体的显微组织如图2-31所示②亚共析钢冷却过程分析图2-29中合金Ⅱ为W c=0.45％的亚共析钢。
合金Ⅱ在3点以上的冷却过程与共析钢在3点以上相似。
当合金冷至与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出铁素体。
在3～4点之间，组织为奥氏体和铁素体，温度缓冷至4点时，剩余奥氏体的碳的质量分数达到共析成分(W c=0.77％)，发生共析转变形成珠光体。
共析钢的结晶过程和组织转变
共析钢的结晶过程和组织转变共析钢是指含有两种以上的元素，当经过相变时，会形成两个以上的固相同时的钢铁材料。
共析钢的结晶过程及组织转变，是一个极其复杂的过程，其主要与原料中的元素成分、热力学条件、以及冷却速度等因素有关。
共析钢的结晶过程是从液相到固相的转化过程，根据不同的组成和特性，其结晶方式也有所不同。
一般而言，共析钢的结晶过程可以分为五个阶段：初固、完全共晶、去定共晶、残余共晶和针状铁素体。
其中，完全共晶是指共晶固相钢中原油的量达到最大，其组织是由等量的铁素体和伴生的共晶相组成。
在组织转变方面，共析钢是一种具有明显点状铁素体和针状铁素体相混合的组织。
针状铁素体是共析钢中一种具有明显的变质损伤的相。
在共晶SAE783材料中，在800℃煮制2小时的条件下，针状铁素体会向共晶中Diffuse，从而增加了热稳定性。
同时，沿着黄花岗岩升华道在不同转变过程中会形成许多的针状铁素体。
因此，在共析钢中，针状铁素体不仅有重要的力学性能，同时它也能够对材料的耐热性起到明显的提高作用。
为了得到理想的共析钢组织，需要通过合理的热处理工艺来实现。
其中，共析钢热处理的方案必须考虑材料的化学成分、钳口工艺特征、以及预期的物理-机械性能等多个因素。
通过控制热处理温度和时长来实现材料的细化处理和组织转变。
而且，在热处理过程中，还需要处理好材料的冷却过程，以确保产生理想的共析钢组织。
总之，共析钢结晶过程及组织转变是一个非常复杂而且重要的热处理工艺。
在进行共析钢的制备和应用过程中，需要充分了解其特性及工艺要求，并遵循工艺步骤进行操作，以确保生产出高质量、稳定性好的共析钢材料。
铁碳合金相图解析
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三、过共析钢的结晶过程分析
图1-36 过共析钢结晶过程示意图
图1-37 过亚 共析钢的显 微组织
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四、共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-38 共晶白口铸铁结晶过程示意图
图 1-39 共 晶 白 口 铸铁的显微组织
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五、亚共晶白口铸铁的结晶过程分析
图1-40 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图
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知识点二 Fe- Fe3C相图分析
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图1-30 Fe- Fe3C相图
简化的Fe- Fe3C相图
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1、主要特性点
表1-4简化Fe- Fe3C相图中的特性点
特性点 符号
A
温度/℃ ωc（%）
1538
0
含义 熔点：纯铁的熔点
C
1148
4.3 共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)
四个单相区。
（2）两相区 简化的Fe- Fe3C相图中有五个两相区，即
L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相
区和F+ Fe3C两相区。
每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，
即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F
和Fe3C三相共存。
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图1-46 铁碳相图与铸锻 工艺间的关系
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3、在锻压生产上的应用
钢在室温时组织为两相混合物，塑性较差，变形困难。而奥氏体的强 度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此在进行锻压和热轧加工时， 要把坯料加热到奥氏体状态。加热温度不宜过高，以免钢材氧化烧损 严重，但变形的终止温度也不宜过低，过低的温度除了增加能量的消 耗和设备的负担外，还会因塑性的降低而导致开裂。所以，各种碳钢 较合适的锻轧加热温度范围是：始锻轧温度为固相线以下100~200℃； 终锻轧温度为750~850℃。对过共析钢，则选择在PSK线以上某一温 度，以便打碎网状二次渗碳体。
钢铁结晶过程及其平衡组织
1.共析钢的结晶过程及平衡组织图中（1）线的共析钢从高温液态冷却时，与相图中的AC、.AE和.PSK线分别交于1、2、3点。
该合金在1点温度以上全部为液相（L）；缓冷至1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体；缓冷至2点温度时，液相全部结晶为奥氏体；当温度缓冷至3点温度时（727℃）时，奥氏体发生共析转变，生成珠光体组织，用符号P表示，共析转变式为。
这种由一定成分的固相，在一定温度下同时析出紧密相邻的两种或多种不同固相的转变，称为共析转变，发生共析转变的温度称共析温度。
当温度继续下降时，铁素体成分沿PQ线变化，将会有少量的渗碳体（称为Fe3CⅢ）从铁素体中析出，并与共析渗碳体混在一起，这种渗碳体（Fe3CⅢ）在显微镜下难以分辩，故可忽略不计。
因此，共析钢的室温平衡组织为珠光体。
2、亚共析钢的结晶过程及平衡组织以图中（2）合金为例。
冷却时与图中的AC、.AE.、GS和PSK线分别交于1、2、3、4点。
该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。
当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降纸，铁素体量不断增多，成分沿GP线变化，奥氏体量逐渐减少；当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。
随后的冷却过程中，也会从铁素体中析出三次渗碳体（Fe3CⅢ），但因量少忽略不计，因此亚共析钢的室温平衡组织为珠光体和铁素体。
必须指出，随亚共析钢含碳量的增加，组织中铁素体量将减少。
图中白亮色部分为铁素体，呈黑色或片层状的为珠光体。
3、过共析钢的结晶过程及平衡组织过共析钢的结晶过程以图中（3）中合金为例。
冷却时与图中AC、.AE、.ES和PSK线分别交于1、2、3、4点。
该合金在3点以上的结晶过程与共析钢的结晶过程相似。
当其缓冷至3点时，开始从奥氏体中析出渗碳体（称此为二次渗碳体Fe3CⅡ），随温度的降低，二次渗碳体量逐渐增多，而剩余奥氏体中的含碳量沿ES线变化，当温度降至4点（727℃）时，奥氏体的含碳量达到共析成分（Wc=0.77%），此时会发生共析转变，生成珠光体。
材料科学基础-第四章_铁碳合金与铁碳相图
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过共晶白口铸铁结晶过程示意图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
Ld′ Fe3CⅡ P
亚共晶白口铸铁（wC= 2.11% ~ 4.3%）的室温组织 P＋ Fe3CII ＋Ld
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
例1 分别计算含量碳为0.3%和1.0%的铁碳合金在室温下的相 组成物的相对量和组织组成物的相对量。假设铁素体和渗碳体 的密度相同，铁素体中的含碳量为零。
共析渗碳体
在727C通过共析反应生成的渗碳体，呈层片状。
三次渗碳体（Fe3CⅢ）
在727C以下从铁素体中析出的渗碳体，呈细小片条状。
特别说明：
5种Fe3C除对铁碳合金性能有不同影响外，本质上并无不同，都 是同一种相，只是显微组织形貌特征不同而已。
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.3铁碳合金的平衡结晶过程及其组织
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.2 铁碳合金相图分析
L+ (0.09) 1495C
1538C
(0.53)
(0.17)
L
1394C +
L+
1148C
(2.11)
(4.3)
912C
+Fe3C
+
(0.0218) (0.77)
727C
1227C
L+Fe3C
+Fe3C
Fe3C
Fe-Fe3C相图
第四章 铁碳合金与铁碳相图－§4.1 铁碳合金的基本相 第一节 铁碳合金的基本相 一、铁素体（Ferrite）
定义：碳溶解在体心立方晶格的 -Fe中形成的间隙固溶体。
典型铁碳合金的结晶过程
一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
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。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。