钢铁知识必备—铁碳相图
铁碳相图知识
铁碳相图知识看到题目，想必材料人都很熟悉了，今天一起重温当年经典的铁碳相图基础知识，记得收藏学习哦~一、准备知识首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下：合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。
相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。
固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。
二、铁碳合金相铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体。
1、铁素体铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号'F'(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。
δ=30%~50%, AKU=128~160J，σb=180~280MPa, 50~80HBS。
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,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。
铁碳相图知识(打印)
铁碳相图知识化合物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。
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2。
图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织铁的固溶体碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。
铁素体的含碳量非常低（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（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。
具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。
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图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(Fe3C)渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)资料
1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
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
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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。
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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。
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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
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）
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三、 合金铸件的组织与缺陷
不均匀性分为三类（根据形态）： 物理不均匀性，包括缩孔、疏松、气泡、 裂纹等； 结晶不均匀性，指初生树枝状晶的大小、 形状、位向和分布； 化学不均匀性，包括树枝状偏析(晶内偏 析)和区域偏析。
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
共析转变线PSK: （A1线）
AS 727℃ FP+ Fe3C P
A
F
珠光体是铁素体 和渗碳体片层相 间的组织, 呈指 纹状。 较高强度和硬度, 塑性较差
HJB: 包晶反应 LB+δH⇄ AJ
δ
L
A
三条重要的相界线 Acm
A3
三、典型合金的平衡结晶过程
㈥ 亚共晶白口铁的结晶过程 L → L + A→ A(初生) + Ld → A+ Fe3CⅡ+ Ld → P+Fe3CⅡ+Ld’ • 亚共晶白口铁室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
㈦ 过共晶白口铁的结晶过程 L → L+Fe3CⅠ →Ld+ Fe3CⅠ →Ld’+ Fe3CⅠ,
• 过共晶白口铸铁室温组织为Fe3CⅠ+Ld’。
1 2
L+A
A
3
3’
F +Fe3C
4
• 珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织, 呈指 纹状。
㈢ 亚共析钢的结晶过程 L→L+δ →L+ A → A → F+A → F+ P (F+Fe3C)
F中析出Fe3CⅢ， 量少,忽略不计. 室温组织: F＋P
亚共析钢室温组织: F＋P， 随C％增加，P含量增加。
＞0.9%C, Fe3CⅡ为晶界 连续网状, 强度下降, 但硬度仍上升。
＞2.11%C, 组织中有以 Fe3C为基的Le’,硬度高 脆性大, 难以切削加工。
⒊ 含碳量对工艺性能的影响 ① 切削性能: 中碳钢合适 ② 可锻性能: 低碳钢好 ③ 焊接性能: 低碳钢好 ④ 铸造性能: 共晶合金好
铁碳相图幻灯
Fe-Fe3C相图
1.Fe—C合金中的组元
铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C）
(1) 纯铁（Fe）
纯铁（pure iron） 纯铁固态下具有同素异构转变
（allotropic transformation）
纯铁具有磁性转变（770℃磁性转变、 magnetic transformation）。
（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）：
C. 几条重要的相界线(固态转变线)
③ PQ线： 碳在α中的溶解度 线.。冷却时从α中 开始析出Fe3CⅢ或加 热时Fe3CⅢ全部溶入 α中的转变线.
（3）Fe—Fe3C相图中的区
Fe—Fe3C相图中的区： · 5个单相区：L、δ、γ、 α、Fe3C · 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线）、 L+δ+γ（HJB线）、 γ+α+ Fe3C（PSK线）
锻压常识及相关知识
主要涉及的内容
绪论 锻造用原材料 锻造的热规范 自由锻主要工序分析 锻后热处理 性能热处理 金属材料的机械性能
绪论
锻造工艺学及其性质 锻造生产的特点及其在国民经济中的作用 我国锻造生产的历史，现状及发展趋势 锻造生产方法的分类
铁碳相图简介
▪ 亚 共 析 钢 （ hypoeutectoid steel）： Wc=0.0218～0.77%
▪ 过 共 析 钢 （ hypereutectoid steel）： Wc=0.77～2.11%
（3）白口铸铁
白 口 铸 铁 （ white cast iron） 是 含 碳 量 在 Wc=2.11～6.69%之间旳Fe、C合金。其特点液 态合金结晶时都发生共晶反应，液态时有良好旳 流动性，因而铸铁都具有良好旳铸造性能。但因 共晶产物是以Fe3C为基旳莱氏体组织，所以性能 硬、脆，不能铸造。其断口呈银白色，故称为白 口铸铁。
(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) ▪ Tube sheet ▪ Primary head (channel
head)
实例
▪ Upper head ▪ Core shell ▪ Lower head
我国铸造生产旳历史，现状及发展趋势
▪ 历史 ▪ 现状 ▪ 趋势
铸造生产措施旳分类
▪ 按所用工具不同，铸造能够分为自由锻和模 锻两大类
铁碳相图
iron-carbon diagram
主要旳内容
1.铁碳合金状态图 2.铁碳合金旳结晶过程和组织变化 3.铁碳合金旳成份、组织与性能间旳关系
Fe—C合金概述
▪ 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是当代机械制造工业中
应用最广旳金属材料，虽然种类诸多，成份不一，其基 本构成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素，故统称为铁碳合金 （alloys of the iron－carbon system）。 ▪ 铁碳相图(iron-carbon diagram)描述了钢铁材料旳 成份、温度与组织（相）之间旳关系，是了解钢铁材料 旳基础。
工程材料-铁碳相图
A
温
δ
L+ δ
H
B
度 N
J
L+A A
L
A+ δ
D C A+ Fe3C
Le A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ
E S
P A+ Fe3CⅡ
L+ Fe3C
F
G
F A+F
P Q Fe
P+F
P+ Fe3CⅡ
K
F+ Fe3C
Le’ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
F+ Fe3C
C%
Fe3C
珠光体
PSK线又称 1线 。 线又称A 线又称
1.共晶转变反应式 共晶转变反应式: 共晶转变反应式
LC
1148℃ ℃
( AE + Fe3C )
பைடு நூலகம்Le
2.共析转变反应式 共析转变反应式: 共析转变反应式
AS
727℃ ℃
( FP + Fe3C )
P
成份点: 、 、 、 、 成份点 P、S、E、C、…… 重要的线: 重要的线 ECF、PSK、ES、GS、ACD、 、 、 、 、 、 AECF…… 重要转变: 共晶转变反应式、 重要转变 共晶转变反应式、共析转变 反应式。 反应式。
莱氏体
PSK：共析线 ： AS ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是 F 与 Fe3C的机械混合物，称 的机械混合物， 的机械混合物 表示。 作珠光体，用P表示。 珠光体， 表示
L+δ
δ+ γ
L+ γ L+ Fe3C γ+α γ + Fe3C
Fe-C相图
室温组织 含钢量在0.0218％～0.77％范围内的碳钢合金其组织由先共析 铁素体和珠光体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐 渐减少，而珠光体的数量则相应地增多；亮白色为铁素体，暗 黑色为珠光体。
20钢室温显微组织（250×） 60钢室温显微组织（250×）
过共析钢
在平衡态下的相变过程
当温度在1点以上合金④是均匀的液相状态。在1～ 2 点之间是该 合金的结晶温度区间，是A和L两相共存区。即当温度降到1点以 下从L相中按成核长大方式结晶出A相，当温度降到2点则L相全部 结晶成单相A。2～3点之间A单相区只有A的简单冷却，无相变。 3～4点之间是A和Fe3CⅡ的两相区。即温度降到3点以下，由于 碳在奥氏作中的溶解度下降，因而从奥氏体中以二次渗碳体 （Fe3CⅡ）的形式析出多余的碳。这种渗碳体也称先共析渗碳体。 随温度下降Fe3CⅡ的相对质量百分数逐渐增加，而A的相对质量 百分数逐渐减少，并且二次渗碳体沿着A的晶界呈网状分布。与 此同时A中碳的质量分数沿ES线也不断的减少。当温度降到4点 （727C）时A的Wc≈0.77%。于是A就发生恒温的共析转变，全 部A转变成P。这时合金④的显微组织是P+网状Fe3CⅡ；直到室 温这个显微组织保持不变。
室温组织 共晶白口铸铁 其室温下的组织由单一的共晶莱氏体组成。经 浸蚀后，在显微镜下，珠光体呈暗黑色细条或斑点状，共晶 渗碳体呈亮白色，如图所示。
亚共晶白口铸铁
平衡态下相变过程
合金⑥是一种亚共晶白口铸铁。从Fe－Fe3C相图上可见，当温度高于1点时 合金⑥处于均匀的液相（L）状态。在1～2之间是合金⑤的结晶温度区间。是 L和A两相共存区。即当温度降到1点以下液相中先以成核长大方式产生A相， 称为先共晶奥氏体。随温度下降，先共晶奥氏体相的比例增加，L相比例减少。 但是剩余液相的wc沿BC线增加，当温度降到2点（1148C)时剩余液相的wc＝ 4.3%。于是剩余液相发生共晶转变生成高温莱氏体（Ld），当温度低于2点 （1148C）后先共晶奥氏体由于对碳溶解度的下降开始析出Fe3CⅡ。并使先 共晶奥氏体的wc下降。在2～3点之间合金⑥的显微组织是A+Fe3CⅡ+Ld，当 温度降到3点（727C）时先共晶奥氏体中的碳的质量分数降到0.77%，于是 先共晶奥氏体发生共析转变成为珠光体，而高温莱氏体（Ld）也转变成低温 莱氏体（Ld`），因此，自3点以下直到室温合金⑥的显微组织是P+ Fe3CⅡ+Ld`。并且随着亚共晶白口铸铁的wc增加，P和Fe3CⅡ所占比例减少。 直到wc=4.3成为共晶白口铸铁时，P和Fe3CⅡ所占比例为0。
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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．C
C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L
2．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。
（2）共晶转变线ECF
共晶反应，产物共晶体组织称为莱氏体，记录Ld(Ledeburite)
1148摄氏度，C%=2.11---6.69% ，
L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3 高温莱氏体 Ld （3）共析转变线PSK，
共析反应，产物为两相层片交替分布的共析体组织称为珠光体，记录P(Pearlite)。
2．液固相线
液相线ACD 固相线AECF
3．溶解度线
ES线碳在A中的固溶线，1148摄氏度，2.11%——727摄氏度,0.77%,Fe3CII PQ线碳在F中的固溶线，727摄氏度,0.0218%——
0.0008%室温，Fe3CIII 。
4．GS线
GS线是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的温度线，通常称A3线。
5. 特征点
6.特征线
读而思deepreader。