铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
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铁碳合金与铁碳合金相图
铁碳合金与铁碳合金相图1 铁碳合金的基本组织1.1. 铁素体碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。
强度和硬度低，塑性和韧性好。
1.2. 奥氏体碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。
高温组织，在大于727℃时存在。
塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。
1.3. 渗碳体铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。
用Fe3C1.4. 珠光体F与Fe3C混合物。
强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。
1.5. 莱氏体A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。
2 铁碳合金状态图2.1 状态图主要点线主要点主要线：ABCD线液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。
AHJECF线固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化GS线A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入AES线Acm线，C在A中溶解度曲线ECF线共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。
PSK线共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体2.2 铁碳合金分类2.2.1 钢含C量0.0218～2.11%共析钢含C量0.77%亚共析钢0.0218-0.77%过共析钢0.77-2.11%2.2.2 白口铸铁 2.11-6.69%共晶白口铸铁 4.3%亚共晶白口铸铁 2.11-4.3%过共晶白口铸铁 4.3-6.69%2.3 铁碳合金相图的作用在铸造方面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退火，正火，淬火等2.4 碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响一、含碳量对平衡组织的影响室温下，铁碳合金均由α+ Fe3C两相组成随含碳量不同，可分为七个典型组织区二、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。
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
2020/11/4
12
铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
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奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
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（3）Fe3C(渗碳体） cementite
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4
（1）纯铁pure iron（多型性）
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➢ 纯铁熔点1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。
➢ 在912℃以下为体心立方 ， 称α铁(α-Fe)；
➢ 低温的铁具有铁磁性，在 770℃ 以 上 铁 磁 性 趋 于 消 失 。
➢ 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)；
称为铸铁 ➢含碳量小于0.0218％的铁碳合金则称为工
业纯铁
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25
根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
G 912
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0
α与γ同素异构转变点(A3)
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2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 H J K N P S Q
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温度/℃ 1495 1495 727 1394 727 727 室温
含碳量/% 含义
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
第三节 铁碳合金及相图
3） Fe-Fe3C相图相区分析：
包括： （1）液相区： （2）液、固两相区： （3）固相区： 也包括： （1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3） 三相区：Le+A+ Fe3C、P+Le’+ Fe3C
简化后的Fe-Fe3C状态图
G Q
S
FP
Fe3 C K
4.3 6.69
P
0.0218 0.77 2.11
C%
C—共晶点，1148℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。 共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。
共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
L（4.3%C）
1148℃
A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）
纯铁
0.01%C铁素体500×
2）奥氏体（A）：碳溶解在γ -Fe中形成的间隙固溶体。 γ -Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。 由于γ -Fe一般存在于727～1394℃之间，所以奥氏体也 只出现在高温区域内。显微镜观察，奥氏体呈现外形不 规则的颗粒状结构，并有明显的界限。 其 δ =40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是 绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。 3）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳 量为6.69%。 HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。
Fe-Fe3C相图中主要特性点含义见表：
2）Fe-Fe3C相图中特性线：
ACD线—液相线 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF线—固相线 AE—A析出终了线
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’）
图铁碳相图第四节铁碳相图与铁碳合金
图 共晶白口铸铁平衡组织
恒温转变线PSK
S 7270 C P Fe3C
珠光体是铁素体和渗碳 体两相的混合物，是共析 反应的产物，用符号“P” 表示。 珠光体是一种双相组织。 一般情况下，两相呈层片 状分布，强度较高、硬度 适中、有一定塑性。
图 铁碳相图
S 7270 C P Fe3C
图 铁碳相图
恒温转变线ECF
LC 11480 C E Fe3C
莱氏体（又称高温莱 氏体）共晶反应的产物， 用符号“Ld”表示。 变态莱氏体（又称低温 莱氏体）是由珠光体、二 次渗碳体和共晶渗碳体组 成，用符号“Ld΄”表示。
图 铁碳相图
LC 11480 C E Fe3C
ABC D
AHJ ECF
含
义
铁碳合金的液相线
铁碳合金的固相线
HJB
LB+ δ →AJ
ECF
LC→AE+Fe3C共晶转变线
GS 奥氏体转变为铁素体的开始线
ES
碳在奥氏体中的溶解度线
PSK As→ Fp+Fe3C 共析转变线
PQ
碳在铁素体中的溶解度线
图 铁碳相图
恒温转变线HJB
LB H 14950 C J
-Fe(<912 C ) 铁的同素异形体：
-Fe(BCC) -Fe(FCC) -Fe(BCC)
（2）铁的固溶体
铁素体 碳原子溶解在-Fe(低温相)和-Fe(高温相)中形成的固
溶体，为bcc结构。Fe原子位于点阵的结点上，而碳原子固 溶到晶格的八面体间隙中。相的强度、硬度较低，但塑性 和韧性较好。一般用F或表示。 奥氏体
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。
恒温转变线PSK
S 7270 C P Fe3C
珠光体是铁素体和渗碳 体两相的混合物，是共析 反应的产物，用符号“P” 表示。 珠光体是一种双相组织。 一般情况下，两相呈层片 状分布，强度较高、硬度 适中、有一定塑性。
图 铁碳相图
S 7270 C P Fe3C
图 铁碳相图
恒温转变线ECF
LC 11480 C E Fe3C
莱氏体（又称高温莱 氏体）共晶反应的产物， 用符号“Ld”表示。 变态莱氏体（又称低温 莱氏体）是由珠光体、二 次渗碳体和共晶渗碳体组 成，用符号“Ld΄”表示。
图 铁碳相图
LC 11480 C E Fe3C
ABC D
AHJ ECF
含
义
铁碳合金的液相线
铁碳合金的固相线
HJB
LB+ δ →AJ
ECF
LC→AE+Fe3C共晶转变线
GS 奥氏体转变为铁素体的开始线
ES
碳在奥氏体中的溶解度线
PSK As→ Fp+Fe3C 共析转变线
PQ
碳在铁素体中的溶解度线
图 铁碳相图
恒温转变线HJB
LB H 14950 C J
-Fe(<912 C ) 铁的同素异形体：
-Fe(BCC) -Fe(FCC) -Fe(BCC)
（2）铁的固溶体
铁素体 碳原子溶解在-Fe(低温相)和-Fe(高温相)中形成的固
溶体，为bcc结构。Fe原子位于点阵的结点上，而碳原子固 溶到晶格的八面体间隙中。相的强度、硬度较低，但塑性 和韧性较好。一般用F或表示。 奥氏体
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。
铁碳合金相图讲解
铁碳合金二元相图
海洋材料科学与工程研究院
刘LO伯G洋O
纯铁
屈服强度(σ0.2)：100~170MPa
抗拉强度(σb)：180~270MPa
伸长率(δ)：30％~50％
纯 铁
断面收缩率(ψ)；70％~80％
的 冷
冲击韧度(αK)；160~200J/cm2
却
硬度HBS：50~80
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相 不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢 （316L）
与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶 间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，导热系数高，具 有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化 物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。
含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。 综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12
的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的 强度最高。
绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却 用钢丝绳（用 60、65、70、75 等钢制成）
绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选 用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；
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，塑性和韧性较好。
重要固态转变线
GS线：GS线又称A3线，冷却 时，γ析出α的开始线，或加热 时α全部溶入γ的终了线。
ES线：碳在γ中的固溶度曲线 。 常 称 Acm 线 。 当 温 度 低 于 此 线，γ将析出Fe3C、即二次渗 碳体Fe3CⅡ，从液相中经CD线 析出一次渗碳体Fe3CⅠ 。
对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较 快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元 素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。
海洋材料科学与工程研究院
刘LO伯G洋O
纯铁
屈服强度(σ0.2)：100~170MPa
抗拉强度(σb)：180~270MPa
伸长率(δ)：30％~50％
纯 铁
断面收缩率(ψ)；70％~80％
的 冷
冲击韧度(αK)；160~200J/cm2
却
硬度HBS：50~80
该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点。其中双相 不锈钢的耐孔蚀性能、耐腐蚀性能优于超低碳合金钢 （316L）
与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶 间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，导热系数高，具 有超塑性等特点。
与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化 物应力腐蚀有明显提高。具有优良的耐孔蚀性能。
含碳量少，铁素体多，塑性好，所以塑性直线下降。 综上所述，T12钢的硬度最高，45钢的硬度最低；T12
的塑性最差，45钢塑性最好；T8钢均居中，而T8钢的 强度最高。
绑轧物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却 用钢丝绳（用 60、65、70、75 等钢制成）
绑轧物件的性能要求有很好的韧性，因此选 用低碳钢有很好的塑韧性，镀锌低碳钢丝；
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，塑性和韧性较好。
重要固态转变线
GS线：GS线又称A3线，冷却 时，γ析出α的开始线，或加热 时α全部溶入γ的终了线。
ES线：碳在γ中的固溶度曲线 。 常 称 Acm 线 。 当 温 度 低 于 此 线，γ将析出Fe3C、即二次渗 碳体Fe3CⅡ，从液相中经CD线 析出一次渗碳体Fe3CⅠ 。
对于铁碳合金来说，由于包晶反应温度高，碳原子的扩散较 快，所以包晶偏析并不严重。但对于高合金钢来说，合金元 素的扩散较慢，就可能造成严重的包晶偏析。
铁碳相图和铁碳合金
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。
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。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。
所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, 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。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。
因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图5.6-1）。
Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。
这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
【说明】图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。
纯铁的同素异晶转变如下：由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。
碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
工业纯铁的显微组织见图5.6-2。
纯铁纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。
2-铁碳相图及其合金解析
电厂金属材料
第二章 铁碳相图及其合金
2020/3/2
1
电厂金属材料
2020/3/2
2
电厂金属材料
一、铁碳合金下图中各主要线的意义是：
AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃ 时必然发生共晶反映，形成莱氏体。
13
电厂金属材料
四、合金铸铁
• 合金铸铁是在铸铁中加入合金元素，以提高其力学性能，或者提高其耐磨、 耐蚀、耐热等特殊性能，又成为特殊性能铸铁。
• 常用的合金铸铁有耐磨铸铁，耐蚀铸铁和耐热铸铁。
2020/3/2
14
电厂金属材料
（一）耐磨铸铁
• 耐磨铸铁按其工作条件大体可分为两种类型一种是在润滑条件下工作的，如 机床导轨、汽缸套、活塞环和轴承等；另一种是在屋润滑的干摩擦条件下工 作的，如火电厂煤粉制备系统中的碎煤机、磨煤机中的零件。后一种耐磨铸 铁也有称为抗磨铸铁的。
•在优质碳素结构钢中，对于专门用途的优质碳素结构钢编号，是在钢号前面或后面加一 个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。
2020/3/2
9
电厂金属材料
• 优质碳素结构钢的应用。低碳优质碳素结构钢可用作桥梁．起重及工程机 械，钢结构件，还可渗碳后使用，制作机械零件；中碳优质碳素结构钢可经 调质后制作轴、齿轮、温度不超过450℃的汽轮机转子、联轴器和汽缸紧因 件；中、高碳优质碳素结构钢可用作各类弹簧、板黄和钢丝绳等。优质碳素 结构钢一般经热处理后使用，或在正火状态下供应。若含S、P量更低的叫 高级优质碳素结构钢，就在钢号后面加写A字(或高字)，如20 A(或20高)。 20 A广泛应用于锅炉的水冷壁管。
第二章 铁碳相图及其合金
2020/3/2
1
电厂金属材料
2020/3/2
2
电厂金属材料
一、铁碳合金下图中各主要线的意义是：
AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃ 时必然发生共晶反映，形成莱氏体。
13
电厂金属材料
四、合金铸铁
• 合金铸铁是在铸铁中加入合金元素，以提高其力学性能，或者提高其耐磨、 耐蚀、耐热等特殊性能，又成为特殊性能铸铁。
• 常用的合金铸铁有耐磨铸铁，耐蚀铸铁和耐热铸铁。
2020/3/2
14
电厂金属材料
（一）耐磨铸铁
• 耐磨铸铁按其工作条件大体可分为两种类型一种是在润滑条件下工作的，如 机床导轨、汽缸套、活塞环和轴承等；另一种是在屋润滑的干摩擦条件下工 作的，如火电厂煤粉制备系统中的碎煤机、磨煤机中的零件。后一种耐磨铸 铁也有称为抗磨铸铁的。
•在优质碳素结构钢中，对于专门用途的优质碳素结构钢编号，是在钢号前面或后面加一 个表示用途的汉字或汉字的拼音符号。
2020/3/2
9
电厂金属材料
• 优质碳素结构钢的应用。低碳优质碳素结构钢可用作桥梁．起重及工程机 械，钢结构件，还可渗碳后使用，制作机械零件；中碳优质碳素结构钢可经 调质后制作轴、齿轮、温度不超过450℃的汽轮机转子、联轴器和汽缸紧因 件；中、高碳优质碳素结构钢可用作各类弹簧、板黄和钢丝绳等。优质碳素 结构钢一般经热处理后使用，或在正火状态下供应。若含S、P量更低的叫 高级优质碳素结构钢，就在钢号后面加写A字(或高字)，如20 A(或20高)。 20 A广泛应用于锅炉的水冷壁管。
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（1）GS线——奥 氏体中开始析出铁 素体或铁素体全部 转变为奥氏体的转 变线，常称此温度 为A3温度。
2015/10/9
21
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（2）ES线：碳在奥氏 体中的固溶度线 此温度常称为Acm温度 低于此温度，奥氏体中 将析出渗碳体，称为二 次渗碳体记作Fe3CII以 区别液相中经CD线析 出的一次渗碳体Fe3CI。
41
（6）过共晶白口铸铁(4.30％—6.69％，图中合金⑦)
2015/10/9
42
过共晶白口铸铁 wC=5.0%
Ｌ 温 度
1
Ｌ→Fe3CⅠ Ｌ →Ｌ d
1
2
2’
Ld(γ →Fe3CII) L’d (γ →P)
C
E
2
D F
3
3’
3
Ｌd’＋Fe3CⅠ
2015/10/9
K
时间
43
铁碳相图
2015/10/9
2015/10/9 4
（1）纯铁pure iron（多型性）
纯铁熔点 1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。 在 912℃以下为体心立方， 称α铁(α-Fe)； 低温的铁具有铁磁性，在 770℃以上铁磁性趋于消失。 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)； 在1394℃-1538℃(熔点)之间 为体心立方，被称为 δ 铁 (δFe)。
44
按组织分区的铁碳合金相图
2015/10/9
45
铁碳合金的成分与性能的对应关系
2015/10/9
46
拉伸实验
2015/10/9
47
钢铁的生产流程
2015/10/9
48
钢铁的冶炼
2015/10/9
49
二 、碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响（自学）
2015/10/9
50
思考题
1.为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜 用于铸造成形? 可得到单相组织；适合铸造，流动性好
Fe-Fe3C（6.69%C）相图 （用实线表示）
Fe-C（石墨100%C）相图 （用虚线表示）
2015/10/9 3
铁碳合金中的组元及相
组元：纯铁和碳
相：碳在铁中形成的固溶体铁素体ferrite （F）、奥氏体austenite （A）、高温铁素体 （δ ）和铁与碳形成的间隙化合物渗碳体 cementite （Fe3C）
2015/10/9 22
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 3 ） GP 线：碳在 铁 素 体 (α) 中 的 固 溶度线 在 α+γ 两相区，温 度变化时，铁素体 中的含碳量沿这条 线变化。
2015/10/9 23
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 4 ） PQ 线 ： 碳 在 铁 素 体 (α) 中的固溶度线 ( 共析 温度以下) 在 727℃时，铁素体含碳 量为 0.0218 ％，在 600℃ 时仅为 0.008 ％，因此温 度下降时铁素体中将析 出渗碳体，称为三次渗 碳体记作Fe3CIII。 图中 (770℃) 线表示铁素 体的磁性转变温度 ( 居里 温度)，常称A2温度。 230℃水平虚线表示渗碳 体的磁性转变温度 24
2015/10/9 12
铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
2015/10/9
13
奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
2015/10/9
14
（3）Fe3C(渗碳体） cementite
铁碳相图和铁碳合金
2015/10/9
1
一、 铁碳相图 Fe-C diagram
钢与铸铁（金属材料） 钢与铸铁的基本组成是铁和碳两种元素 铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等多种稳 定化合物 铁碳相图：1868年发现（俄国冶金学家）
2015/10/9
2
一、 铁碳相图
铁碳合金中的碳可以有两种方式存在即 渗碳体(Fe3C)和石墨 铁碳相图常表示为Fe- Fe3C和Fe—石墨 双重相图
共晶白口铸铁的相组成是铁素体和渗碳体，其组织则为100％的 变态莱氏体(见图)。
白色基体是共晶渗碳体，黑 色颗粒是由共晶奥氏体转变 而来的珠光体
2015/10/9 37
（4）共晶白口铸铁(4.3％C，图中合金⑤)
1148℃，L4.3=A2.11+Fe3C （Ld）
2015/10/9
A2.11
6.69 4.3 52% 6.69 2.11
2
D F
L’d+P+Fe3CII
K
2015/10/9
时间
40
（5）亚共晶白口铸铁(2.11％-4.3％C，图中合金⑥)
2015/10/9
Ld=（3.0-2.11）/（4.3-2.11 ） A2.11≈59%， P=0.59×（6.69-2.11）/（6.69-0.77）=46% ， Fe3CII=0.59 ×（2.11-0.77）/（6.69-0.77）=13%
2015/10/9
727
室温
0.77 0.0008
共析点 室温下碳在α-Fe中的溶解度
18
2、 Fe-Fe3C相图分析 特征线
ABCD为液相线 AHJECF为固相线 整个相图主要由包晶、共晶、共析三个 恒温转变所组成
2015/10/9 19
特征线
2015/10/9
20
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
金属凝固后晶粒较为粗大（宏观可见）
三个晶区：激冷区、柱状晶区、等轴晶区
2015/10/9 54
1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
①激冷区：紧邻型壁的一个 外壳层，它由无规则排列的 细小等轴晶组成； ②柱状晶区：它由垂直于型 壁，彼此平行的柱状晶组成； ③等轴晶区：它处于铸锭(件) 的中心区域，由等轴晶粒组 成。
2015/10/9
16
2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点14个
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义 A 1538 0 纯铁的熔点 B C D E F
2015/10/9
1495 1148 1227 1148 1148 912
0.53 4. 3 6.69 2.11 6.69 0
包晶转变时液态合金的成分 共晶点 Fe3C的熔点 碳在 γ-Fe中的最大溶解度 Fe3C的成分 α与γ同素异构转变点(A3)
2015/10/9 5
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe，fcc
2015/10/9
-Fe，bcc
6
图
2015/10/9
纯铁的同素异构转变
7
2015/10/9
8
铁的同素异构转变
2015/10/9
9
纯铁的性能特点
塑性好 韧性好 磁导率高（仪器仪表的铁芯） 强度硬度低： 屈服强度：100-170MPa 抗拉强度：180-270MPa 硬度HBS：50-80
2015/10/9 55
口头作业
组元、相、相图、成分过冷、平衡分 配系数、自由度、相律、匀晶转变、 共晶转变、共析转变、包晶转变、脱 溶、组织、组织组成体、伪共晶、离 异共晶。
2015/10/9
56
作业1
画出Fe-Fe3C相图，标注出P，S，E， C的成分，共晶转变和共析转变温度。 分别用相和组织标注相图。
2.歌曲“比铁还硬,比钢还强”能不能改成 “比钢还硬,比铁还强”? • 随C%提高, 强度、硬度升高，塑韧性下降。
2015/10/9 51
三、 合金铸件的组织与缺陷
宏观组织的好坏，对铸件的使用性能，对铸 锭的热加工性能及热变形后合金的性能都有 显著影响。
由于凝固过程中所发生的包括液-固相变的一 系列物理化学变化，造成了铸件(铸锭)在宏观 范围内的不均匀。（不均匀性分为三类）
2015/10/9 30
(1) 共析钢（0.77％C，图中合金②）
2015/10/9
31
共析钢的组织为100％的珠光体
从相组成看共析钢由铁 素体和渗碳体两相组成
T℃
1538A
L A
D 1227
912
G
L+A C L＋Fe3C F E 1148 A + Fe C 3
S 727 K
F
600 Q 0
2015/10/9 25
根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
2015/10/9 10
硬度测量
布氏硬度计
2015/10/9
洛氏硬度计
11
（2）铁的固溶体
碳溶解于α 铁或δ 铁中形成的固溶体为铁 素体ferrite ，用α 或δ 表示(或用F表示)。 碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218％ 碳溶解于γ 铁中形成的固溶体称为奥氏体 austenite ，用γ 表示(或用A表示)。 碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％
17
G
2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义 H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点 K 727 6.69 Fe3C的成分 N P 1394 727 0 0.0218 γ与δ同素异构转变点(A4) 碳在α-Fe中的最大溶解度
2015/10/9
21
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（2）ES线：碳在奥氏 体中的固溶度线 此温度常称为Acm温度 低于此温度，奥氏体中 将析出渗碳体，称为二 次渗碳体记作Fe3CII以 区别液相中经CD线析 出的一次渗碳体Fe3CI。
41
（6）过共晶白口铸铁(4.30％—6.69％，图中合金⑦)
2015/10/9
42
过共晶白口铸铁 wC=5.0%
Ｌ 温 度
1
Ｌ→Fe3CⅠ Ｌ →Ｌ d
1
2
2’
Ld(γ →Fe3CII) L’d (γ →P)
C
E
2
D F
3
3’
3
Ｌd’＋Fe3CⅠ
2015/10/9
K
时间
43
铁碳相图
2015/10/9
2015/10/9 4
（1）纯铁pure iron（多型性）
纯铁熔点 1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。 在 912℃以下为体心立方， 称α铁(α-Fe)； 低温的铁具有铁磁性，在 770℃以上铁磁性趋于消失。 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)； 在1394℃-1538℃(熔点)之间 为体心立方，被称为 δ 铁 (δFe)。
44
按组织分区的铁碳合金相图
2015/10/9
45
铁碳合金的成分与性能的对应关系
2015/10/9
46
拉伸实验
2015/10/9
47
钢铁的生产流程
2015/10/9
48
钢铁的冶炼
2015/10/9
49
二 、碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响（自学）
2015/10/9
50
思考题
1.为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜 用于铸造成形? 可得到单相组织；适合铸造，流动性好
Fe-Fe3C（6.69%C）相图 （用实线表示）
Fe-C（石墨100%C）相图 （用虚线表示）
2015/10/9 3
铁碳合金中的组元及相
组元：纯铁和碳
相：碳在铁中形成的固溶体铁素体ferrite （F）、奥氏体austenite （A）、高温铁素体 （δ ）和铁与碳形成的间隙化合物渗碳体 cementite （Fe3C）
2015/10/9 22
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 3 ） GP 线：碳在 铁 素 体 (α) 中 的 固 溶度线 在 α+γ 两相区，温 度变化时，铁素体 中的含碳量沿这条 线变化。
2015/10/9 23
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 4 ） PQ 线 ： 碳 在 铁 素 体 (α) 中的固溶度线 ( 共析 温度以下) 在 727℃时，铁素体含碳 量为 0.0218 ％，在 600℃ 时仅为 0.008 ％，因此温 度下降时铁素体中将析 出渗碳体，称为三次渗 碳体记作Fe3CIII。 图中 (770℃) 线表示铁素 体的磁性转变温度 ( 居里 温度)，常称A2温度。 230℃水平虚线表示渗碳 体的磁性转变温度 24
2015/10/9 12
铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
2015/10/9
13
奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
2015/10/9
14
（3）Fe3C(渗碳体） cementite
铁碳相图和铁碳合金
2015/10/9
1
一、 铁碳相图 Fe-C diagram
钢与铸铁（金属材料） 钢与铸铁的基本组成是铁和碳两种元素 铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等多种稳 定化合物 铁碳相图：1868年发现（俄国冶金学家）
2015/10/9
2
一、 铁碳相图
铁碳合金中的碳可以有两种方式存在即 渗碳体(Fe3C)和石墨 铁碳相图常表示为Fe- Fe3C和Fe—石墨 双重相图
共晶白口铸铁的相组成是铁素体和渗碳体，其组织则为100％的 变态莱氏体(见图)。
白色基体是共晶渗碳体，黑 色颗粒是由共晶奥氏体转变 而来的珠光体
2015/10/9 37
（4）共晶白口铸铁(4.3％C，图中合金⑤)
1148℃，L4.3=A2.11+Fe3C （Ld）
2015/10/9
A2.11
6.69 4.3 52% 6.69 2.11
2
D F
L’d+P+Fe3CII
K
2015/10/9
时间
40
（5）亚共晶白口铸铁(2.11％-4.3％C，图中合金⑥)
2015/10/9
Ld=（3.0-2.11）/（4.3-2.11 ） A2.11≈59%， P=0.59×（6.69-2.11）/（6.69-0.77）=46% ， Fe3CII=0.59 ×（2.11-0.77）/（6.69-0.77）=13%
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727
室温
0.77 0.0008
共析点 室温下碳在α-Fe中的溶解度
18
2、 Fe-Fe3C相图分析 特征线
ABCD为液相线 AHJECF为固相线 整个相图主要由包晶、共晶、共析三个 恒温转变所组成
2015/10/9 19
特征线
2015/10/9
20
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
金属凝固后晶粒较为粗大（宏观可见）
三个晶区：激冷区、柱状晶区、等轴晶区
2015/10/9 54
1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
①激冷区：紧邻型壁的一个 外壳层，它由无规则排列的 细小等轴晶组成； ②柱状晶区：它由垂直于型 壁，彼此平行的柱状晶组成； ③等轴晶区：它处于铸锭(件) 的中心区域，由等轴晶粒组 成。
2015/10/9
16
2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点14个
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义 A 1538 0 纯铁的熔点 B C D E F
2015/10/9
1495 1148 1227 1148 1148 912
0.53 4. 3 6.69 2.11 6.69 0
包晶转变时液态合金的成分 共晶点 Fe3C的熔点 碳在 γ-Fe中的最大溶解度 Fe3C的成分 α与γ同素异构转变点(A3)
2015/10/9 5
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe，fcc
2015/10/9
-Fe，bcc
6
图
2015/10/9
纯铁的同素异构转变
7
2015/10/9
8
铁的同素异构转变
2015/10/9
9
纯铁的性能特点
塑性好 韧性好 磁导率高（仪器仪表的铁芯） 强度硬度低： 屈服强度：100-170MPa 抗拉强度：180-270MPa 硬度HBS：50-80
2015/10/9 55
口头作业
组元、相、相图、成分过冷、平衡分 配系数、自由度、相律、匀晶转变、 共晶转变、共析转变、包晶转变、脱 溶、组织、组织组成体、伪共晶、离 异共晶。
2015/10/9
56
作业1
画出Fe-Fe3C相图，标注出P，S，E， C的成分，共晶转变和共析转变温度。 分别用相和组织标注相图。
2.歌曲“比铁还硬,比钢还强”能不能改成 “比钢还硬,比铁还强”? • 随C%提高, 强度、硬度升高，塑韧性下降。
2015/10/9 51
三、 合金铸件的组织与缺陷
宏观组织的好坏，对铸件的使用性能，对铸 锭的热加工性能及热变形后合金的性能都有 显著影响。
由于凝固过程中所发生的包括液-固相变的一 系列物理化学变化，造成了铸件(铸锭)在宏观 范围内的不均匀。（不均匀性分为三类）
2015/10/9 30
(1) 共析钢（0.77％C，图中合金②）
2015/10/9
31
共析钢的组织为100％的珠光体
从相组成看共析钢由铁 素体和渗碳体两相组成
T℃
1538A
L A
D 1227
912
G
L+A C L＋Fe3C F E 1148 A + Fe C 3
S 727 K
F
600 Q 0
2015/10/9 25
根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
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硬度测量
布氏硬度计
2015/10/9
洛氏硬度计
11
（2）铁的固溶体
碳溶解于α 铁或δ 铁中形成的固溶体为铁 素体ferrite ，用α 或δ 表示(或用F表示)。 碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218％ 碳溶解于γ 铁中形成的固溶体称为奥氏体 austenite ，用γ 表示(或用A表示)。 碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％
17
G
2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义 H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点 K 727 6.69 Fe3C的成分 N P 1394 727 0 0.0218 γ与δ同素异构转变点(A4) 碳在α-Fe中的最大溶解度