二元合金相图分析实例
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
二元合金相图实验报告
本次实验的目的是研究二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
实验中，我们使用了一种名为“二元合金相图”的实验方法。
该方法是通过改变合金中两种元素的比例，来研究合金的性质变化。
我们使用的合金是铝锰合金，它由铝和锰组成，比例分别为90％和10％。
实验过程中，我们首先将铝和锰的比例改变为80％和20％，然后将其熔炼，并将其冷却到室温，以观察其相变。
结果发现，当比例改变为80％和20％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
接下来，我们将铝和锰的比例改变为70％和30％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为70％和30％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
最后，我们将铝和锰的比例改变为60％和40％，并重复上述实验步骤。
结果发现，当比例改变为60％和40％时，合金的结构发生了变化，表面出现了一层薄膜，表明合金中出现了新的相。
经过上述实验，我们发现，随着铝和锰的比例的改变，合金的结构也会发生变化，出现新的相。
这表明，铝锰合金的组成和性质之间存在着密切的关系。
总之，本次实验成功地研究了二元合金的相图，以及它们的组成和性质之间的关系。
2.2二元合金相图
杠杆定律别小看，能定成分能把量来算。
2、分析合金结晶
分析结晶也不难，首先定好合金线；
画曲线，分阶段，各段画出相转变； 引线标相（组织）名，这样做最简便。
1 常见的金属晶体结构有哪几种？晶体缺陷有哪几种
2 何谓晶体、非晶体？二者有何区别？ 3 在纯金属的冷却曲线上为什么会出现一水平台阶？ 4 为什么晶粒越细小其力学性能越好？
确定相
三、常用的相图特点及分析
L
1500 1400 1300 1200 1100 1000 900
600
L
T
1800
L
A
1600 1400
L α α
0 20 40 60 80 100
L
L α
C P
β
1200
1000
800
β
0
B
800
Ni
WCu(%)
Cu
A
B%
B
400
E
20
四、具有共析反应的相图
自某种均匀一致 的固相中同时析 出两种化学成分 和晶格结构完全 不同的新固相的 转变过程称为共 析反应。 共析体：共析反 应的产物称为共 析体。 共析组：织共析 体的显微组织称 为共析组织。
本章知识回顾
一、基本概念
1、固态合金的相结构
纯 金 属 合 金 三元 合金 固溶体 二元 合金 金属间化合物 多元 合金 置换固溶体 正常价化合物
许多合金系都具有包晶转变，例如Pt-Ag、Sn-Ag、 Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn等。Pt-Ag合金相图是一 种比较简单的包晶相图，下面以此为例进行分析。
2、相图分析
1772A
1600 1800
点：D 线：
Pb-Sn二元相图测定及其组织分析报告
实验10 二组分合金相图班级：材料（硕）01 组长：丁斌组员：陈越凡门明达王光王晓宇魏瑛康何林温雅欣杨多雪杨俊杰实验日期：2013年5月221.1实验目的1.2①掌握用热分析法测定材料的临界点的方法；②学习根据临界点建立二元合金相图；③自制二元合金金相样品，并分析组织。
热分析法（冷却曲线法）热分析法（冷却曲线法）是绘制凝聚体系相图时常用的方法。
它是利用金属及合金在加热或冷却过程中发生相变时，潜热的释出或吸收及热容的突变，使得温度－时间关系图上出现平台或拐点，从而得到金属或合金的相转变温度。
由热分析法制相图，先做冷却曲线，然后根据冷却曲线作图。
通常的做法是先将金属或合金全部熔化。
然后让其在一定的环境中自行冷却，通过记录仪记录下温度随时间变化的曲线（步冷曲线）。
以合金样品为例，当熔融的体系均匀冷却时（1所示），如果系统不发生相变，则系统温度随时间变化是均匀的，冷却速率较快（如图中ab线段）；若冷却过程中发生了相变，由于在相变过程中伴随着放热效应，所以系统的温度随时间变化的速率发生改变，系统冷却速率减慢，冷却曲线上出现转折（如图中b点）。
当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），此时熔液系统以低共熔混合物的固体析出。
在低共熔混合物全部凝固以前，系统温度保持不变，因此步冷曲线出现水平线段（如图中cd线段）；当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图中de线段）。
由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物系统，可根据它的冷却曲线得出有固体析出的温度和低共熔点温度。
根据一系列组成不同系统的步冷曲线的各转折点，即可画出二组分系统的相图（温度－组成图）。
不同组成熔液的冷却曲线对应的相图2所示。
测定一系列不同Pb-Sn合金成分下的由液体缓慢冷却至完全凝固的数据，作冷却曲线，找出转折点或者平台，即对应转变开始或者完成所对应的温度，由此，综合这一系列的温度和其所对应的成分即可作出平衡态下的相图。
图1 图2实验结果：金相组织分析：何林温雅欣杨多雪杨俊杰组：成分组织相理论相对量相实际相对量90%Pb-10%Sn α+βⅡα90% 87.1% β10% 12.9%最终为ɑ固溶体，其冷却到固溶度线以下，将析出二次β，通常呈粒状或小条状分布于晶界与晶内。
二元匀晶相图
二元匀晶(Isomorphous)相图是二元合金相图中图形最简单的 相图。
具有匀晶相图的二元合金系统有Cu-Ni, Fe-Cr, Ag-Au, Nb-Ti, Cr-Mo, W-Mo等。
右图所示Cu-Ni相图是最常 见的二元匀晶相图，以此相图 为例进行讨论，其它匀晶相图 与此类似。
一、相图分析
2、相的相对量计算
1300˚C时，液相的相对量QL/Q（可以取合金总量Q =1）：
QL 58 53 0.38 38% Q 58 45
固相的相对量QS /Q：
QS 53 45 0.62 62% Q 58 45
因为 QL + QS = Q，取Q =1
所以 QS =1-QL = 1-38% = 62%
金的总量为Q，在温度T1时液、 固两相平衡，液相的成分为xL、 质量为QL，固相的成分为xS、 质量为QS。则有：
Q QL QS Q x QL xL QS xS
上式可变换为：
QL xS x QS x xL
还可以变换为：
或 QL x xL QS xS x
液相的成分沿液相线变化，固相的 成分沿固相线变化。
动画
温度降低到1300℃时，液相成分为45%Ni, 固相成分为58%Ni。 当温度降低到2点，即固相线温度时，液相的成分为L2，固相的 成分为合金的平均成分(53%Ni)。此时液相实际上已经不存在了， 都已结晶成为固相。
温度继续下降，一直冷却到室温，合金在固态没有任何转变 发生。仔细观察动画。
采用均匀化热处理(Homogenizing heat treatment)可以消除枝 晶偏析。
匀晶合金的 非平衡组织
因此，能够形成匀晶合金系的两种组元必须具有相同的晶体 结构，相同的原子价，原子半径接近(相差不超过15％)，相互 不形成化合物。
第3章__二元合金相图
液相线 纯镍 熔点
1455
L+
纯铜 熔点
Ni 100
固相线
固液两相区
2、合金的结晶过程
L L
平衡结晶
形核和晶粒的长大
能量起伏 结构起伏 成分起伏
图3-17 匀晶相图合金的结晶过程
3、杠杆定律及其应用
设合金成分为ω，合金的总质量 为m，在T温度时，固相成分ωα， 液相成分ωL，对应的质量 m α ， mL mL m m
mLL m m
mL bc m L ab
mL bc m ab m ac m ac m ab
T,C
T,C 1 L L+(+)+
183
L+
M
L
E
L+
N
2L+
+
Pb X3
(+ )+ (+ )+ + Ⅱ Sn
t
标注了组织组成物的相图
M
E
N
三、相图与性能的关系
1. 合金的使用性能与相图的关系
固溶体中溶质浓度↑ → 强度、硬度↑ 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。
二、共晶相图
液相线
固相线
T,C
Pb
L+
L
L+
Sn
固溶线
+
Sn%
固溶线
铅-锡合金共晶相图
二元合金相图（1）
第二章二元合金相图纯金属在工业上有一定的应用，通常强度不高，难以满足许多机器零件和工程结构件对力学性能提出的各种要求；尤其是在特殊环境中服役的零件，有许多特殊的性能要求，例如要求耐热、耐蚀、导磁、低膨胀等，纯金属更无法胜任，因此工业生产中广泛应用的金属材料是合金。
合金的组织要比纯金属复杂，为了研究合金组织与性能之间的关系，就必须了解合金中各种组织的形成及变化规律。
合金相图正是研究这些规律的有效工具。
一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。
其中组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。
组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。
由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
二元以上的合金称多元合金。
合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多，这正是合金的应用比纯金属广泛得多的原因。
合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。
利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时所可能发生的变化。
掌握相图的分析和使用方法，有助于了解合金的组织状态和预测合金的性能，也可按要求来研究新的合金。
在生产中，合金相图可作为制订铸造、锻造、焊接及热处理工艺的重要依据。
本章先介绍二元相图的一般知识，然后结合匀晶、共晶和包晶三种基本相图，讨论合金的凝固过程及得到的组织，使我们对合金的成分、组织与性能之间的关系有较系统的认识。
2.1 合金中的相及相图的建立在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。
液态物质为液相，固态物质为固相。
相与相之间的转变称为相变。
在固态下，物质可以是单相的，也可以是由多相组成的。
由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成合金的组织。
组织是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌。
由不同组织构成的材料具有不同的性能。
二元合金相图
（二）枝晶偏析
在平衡条件下结晶时，由于冷速缓慢，原子可充分进行扩散，能够 得到成分均匀的固溶体。但在实际生产条件下，由于冷速较快（不平衡 结晶），从液体中先后结晶出来的固相成分不同，使得一个晶粒内部化 学成分不均匀，这种现象称为晶内偏析。由于固溶体一般都以树枝状方 式结晶，先结晶的树枝晶轴含高熔点的组元较多；后结晶的晶枝间含低 熔点组元较多，因此晶内偏析又称为枝晶偏析。通常冷却速度越大，实 际结晶温度越低，原子扩散能力越弱，枝晶偏析越严重。
图2-20 杠杆定律的应用
若要确定某合金（Ⅰ）在某温度（t）时两平衡相的相对质量，则可进行如下的 运算。
设合金（Ⅰ）的总质量为 1，温度 t 时液相的质量为 QL ，固相的质量为 Qα 。又 已知液相的含 Ni 量为 xL ，固相的含 Ni 量为 xα ，合金（Ⅰ）的含 Ni 量为 x，则
QQLL
结晶终了温度/℃ 1 083 1 130 1 195 1 270 1 360 1 455
（2）如图2-18（a）所示，测定每一合金在缓冷条件下的冷却曲线， 得到转变开始和转变终了的临界点温度，其数据如表2-1所示。
（3）建立一个以温度为纵轴，Ni的质量分数为横轴的直角坐标系。 从横轴上的成分点向上作垂线，把临界点分别标在成分垂线上。
（4）将转变开始点和转变终了点分别用平滑的曲线连接起来，根据已 知条件和实际分析结果标上数字、字母和各区内相（或组织）的名称，便得 到了一个完整的Cu-Ni二元合金相图，如图2-18（b）所示。
（a）冷却曲线
（b）相图
图2-18 Cu-Ni合金的冷却曲线及合金相图
二、二元合金相图的分析
两组元在液态和固态均能无限互溶时所形成的二元合金相图称为匀晶相 图，它是相图中最简单的一种。除此之外，还有二元共晶相图、二元包晶相图 等。现以Cu-Ni二元匀晶合金相图为例进行分析。
第四章 二元合金相图与合金凝固
第四章二元合金相图与合金凝固本章主要内容：相图基本原理：相，相平衡，相律，相图的表示与测定方法，杠杆定律；二元匀晶相图：相图分析，固溶体平衡凝固过程及组织，固溶体的非平衡凝固与微观偏析固溶体的正常凝固过程与宏观偏析：成分过冷，溶质原子再分配，成分过冷的形成及对组织的影响，区域熔炼；二元共晶相图：相图分析，共晶系合金的平衡凝固和组织，共晶组织及形成机理：粗糙—粗糙界面,粗糙—光滑界面,光滑—光滑界面；共晶系非平衡凝固与组织：伪共晶，离异共晶，非平衡共晶；二元包晶相图：相图分析，包晶合金的平衡凝固与组织，包晶合金的非平衡凝固与组织包晶反应的应用铸锭：铸锭的三层典型组织，铸锭组织控制，铸锭的缺陷其它二元相图：形成化合物的二元相图，有三相平衡恒温转变的其它二元相图：共析，偏晶，熔晶，包析，合晶，有序、无序转变，磁性转变，同素异晶转变二元相图总结及分析方法二元相图实例：Fe-Fe3C亚稳平衡相图，Al-Mn相图，Al2O3-SiO2二元系相图相图与合金性能的关系相图热力学基础：自由能—成分曲线，异相平衡条件，公切线法则，由成分—自由能曲线绘制二元相图1.填空1 相律表达式为_____________________________。
2. 固溶体合金凝固时，除了需要结构起伏和能量起伏外，还要有_____________起伏。
3. 按液固界面微观结构，界面可分为__________________和____________________。
4. 液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是__________________________，光滑界面晶体的长大机制是_____________________和_____________________。
5 在一般铸造条件下固溶体合金容易产生____________偏析，用_________________热处理方法可以消除。
6 液态金属凝固时，若温度梯度dT/dX>0（正温度梯度下），其固、液界面呈________________状，dT/dX<0时（负温度梯度下），则固、液界面为________________状。
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（1）Fe—Fe3C相图的点
Fe—Fe3C相图相图中的各特性点所对应的温度、成分和意义 如下表：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、N、P、S、Q各点
Fe
2015年7月4日8时56分
21
2015年7月4日8时56分
22
（2）Fe—Fe3C相图的线
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。 Fe—Fe3C相图中各线的意义如下.
2015年7月4日8时56分 16
碳在γ－Fe晶格中的位置
2015年7月4日8时56分
17
奥氏体的显微组织
2015年7月4日8时56分
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2.Fe—C合金中的基本相 －C
(5)铁素体（ferrite） 铁素体（α或 F ）是 C 溶于α－ Fe 形成 的间隙固溶体称为铁素体（ferrite ）。 C 原子溶于八面体间隙。单相α相在 GPQ 以左部分。铁素体的含碳量非常低，在 727℃ 时 C 在 α － Fe 中 最 大 溶 解 量 为 0.0218% ，室温下含碳仅为 0.005% ，所以 其性能与纯铁相似：硬度 (HB50-80) 低， 塑性( 延伸率δ为 30%~50%) 高。铁素体的 显微组织与工业纯铁相同。晶粒常呈多 边形。是铁磁性，具有bcc结构。 (6) 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨 （graphite） (hcp)稳定相存在。所以 石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本 相。
2015年7月4日8时56分 26
（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： ·4个单相区：L、δ、γ、α · 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、 γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C · 3个三相共存区：L+γ+ Fe3C（ECF共晶线）、 L+δ+γ（HJB包晶线）、γ+α+ Fe3C（PSK 共析线）
2015年7月4日8时56分
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4. Fe—C合金分类
Fe 、 C 合金通常按其含碳量 (Wc) 及其室温平衡组 织 分 为 三 大 类 ： 工 业 纯 铁 （ pure iron ） 、 碳 钢 （ carbon steel ）、铸铁（ cast iron ）。根据碳 钢和铸铁的相变、组织特征可把二者细分。即： （1）工业纯铁：
25
C. 几条重要的相界线(固态转变线)
① GS线：A中开始析出α或α全部溶入(升温时) γ的转变线。 常用 A3 表示。因这条线在共析转变线以上，故又称为先共 析α相开始析出线。常称为A3线或A3温度。 ② ES 线： C 在γ中溶解度曲线。常用 Acm 表示，称为 Acm 温度。 低于此温度，溶解度降低，将析出Fe3C。为了区别自液(CD 线)态合金中直接析出的一次 Fe3C，将γ中析出的Fe3C称为 二次Fe3C。 ③ PQ 线： C 在α中溶解度曲线。在 727℃时， C 在α中的最大 溶解度 0.0218% ，但温度下降， C 在中溶解度下降，会析出 少量的渗碳体，，称为三次 Fe3C 。以区别于沿 CD 线和 ES 线 析出的Fe3C。
2015年7月4日8时56分 24
B. 两条磁性转变线
① 230℃为水平线为 Fe3C 的磁性转变线， 230℃ 以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性。常用A0表示 ② 770℃为α的铁磁性转变线。770℃以上无铁 磁性，770℃以下为铁磁体。常用A2表示，又称居 里点。
2015年7月4日8时56分
Fe3C 熔点为 1227℃，Fe3C是一种亚稳化合物，在一定条件下， 渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳： Fe3C→3Fe + C(石 墨 ) 。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。所以 Fe— Fe3C 相图又叫介稳定系相图， Fe － C 相图又叫稳定系相图， 若把Fe—Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上，称为Fe－C合 金双重相图，如图7.50。两相图各有不同适用范围。
2015年7月4日8时56分 10
渗碳体的晶格
2015年7月4日8时56分
11
Fe-Fe3C双重相图－1
2015年7月4日8时56分
12
Fe-Fe3C双重相图－2
2015年7月4日8时56分
13
(2) 渗碳体(Fe3C)-B
Fe3C在 230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这个临
界点。 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 (HB800)，塑性极低，延伸率接近于 0。 它是钢铁材料中的主要强化相。 Fe3C 中碳和 Fe 可以 被其它元素替代形成以 Fe3C 为基的固溶体。 Fe 被 Cr 、 Mn 等原子金属置换，形成以 Fe3C 为基的固溶体，称 为合金渗碳体。
2015年7月4日8时56分 3
1538 1495 1394
Fe
2015年7月4日8时56分 4
1.Fe—C合金中的组元
Fe-Fe3C相图
铁碳合金中 组元： 纯铁(Fe)和 渗碳体（Fe3C）
Fe3C
2015年7月4日8时56分 5
(1)
纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） WFe > 99.8%，原子序数26， 原子相对质量 55.85 ，纯铁的熔点 1538℃，汽 化点2738℃，密度7.87g/㎝³ 。 纯铁固态下具有 同素异构转变 （ allotropic transformation ） ： 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 具 有 磁 性 转 变 （ 770/768℃ 磁 性 转 变 、 magnetic transformation ）。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（ferromagnetism）。
2015年7月4日8时56分 15
2.Fe—C合金中的基本相 －B
（4） 奥氏体（austenite） 奥氏体 (γ 或 A) 是 C 溶解于 γ—Fe 形 成 的 间 隙 固 溶 体 称 为 奥 氏 体 （austenite）。γ具有fcc结构。具有 面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较 多的碳，1148°C时最多可以溶解2.11% 的碳，到727°C时含碳量降到0.8%。碳 原子存在于面心立方晶格中正八面体的 中心，单相 γ 区存在于 NJBESGN 区域内 （ 727---1459℃ ） 。 奥 氏 体 的 硬 度 (HB170-220) 较 低， 塑 性 ( 延 伸 率 δ 为 40%-50%)高。奥氏体的显微组织见下图。 γ 是顺磁性（ paramagnetism ），具有 fcc结构。晶粒呈平直多边形。
2015年7月4日8时56分 6
纯铁的同素异构转变
2015年7月4日8时56分
7
纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
2015年7月4日8时56分
8
纯铁的显微组织
2015年7月4日8时56分
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(2) 渗碳体(Fe3C)－A
渗碳体（cementite）是Fe—C合金 中碳以化合物(Fe3C)形式出现的。 它具有复杂的晶格。 Fe3C 是由 C 原 子构成的一个斜方晶格， C原子周 围有六个Fe原子，构成一个八面体， 而每个Fe原子属于两个八面体共有， Fe:C=3:1。
2015年7月4日8时56分
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A.三条水平恒温转变线
①包晶线：HJB线（1459℃），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+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ） 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 EFC 线均发生共晶反应，即： L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） 转变产物为γ和 Fe3C 组成的共晶混合物 称为莱氏体（ledeburite），用Ld表示。
7.3.8 二元合金相图分析实例
重点：铁碳相图
2015年7月4日8时56分
1
7.3.8 二元合金相图分析实例
Fe—C合金能 Cu—Zn合金相图 Cu—Sn合金 其他例子
2015年7月4日8时56分
2
一. Fe—C合金的组织和性能 钢 (Steels) 和铸铁 (Cast irons) 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（ alloys of the iron － carbon system ）。 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。 铁碳相图 ( 如图 7.50) 是一个较复杂的二元合金相 图，它概括了钢铁材料的成分、温度与组织之间的关 系。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 FeFe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化 合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值 （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。
(Wc<0.0218%)显微组织为固溶体。
2015年7月4日8时56分
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（2）钢
钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%) 之间的Fe—C合金。其特点是： 高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。因而 可以进行锻造、轧制等压力加工。根据其室温 组织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为： 共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77% 亚 共 析 钢 （ hypoeutectoid steel ） ： Wc=0.0218～0.77% 过 共 析 钢 （ hypereutectoid steel ） ： Wc=0.77～2.11%