材科基考点强化(第10讲 铁碳相图) (1)
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)
柱状晶区
表面细晶区
中心等轴晶区
• 1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大 的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很 细的等轴晶粒区。
2、 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， 使细晶区前沿液体的过冷度减小，晶核的形成速率不 如成长率大，各晶粒成长较快。沿垂直于模壁方向散 热较快，故晶粒沿这一方向长大，形成柱状晶区。
912℃
α-Fe
2、渗碳体
铁与碳形成的间隙化合物， 含碳6.69%, 用Fe3C 或Cm表示，熔点1227 ℃ Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑
性很低，伸长率接近于0.
3、铁素体（F或α表示） 碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。
金相显微镜下为多边形晶粒 铁素体中碳的溶解度很小，室温时小于0.0008%， 727 ℃时0.0218% 性能接近于纯铁，强度、硬度低，塑性好
室温下Fe3CⅢ最大 量为:
QFe C 3 III
0.0218 0.0008 100% 0.3% 6.69 0.0008
㈡ 共析钢的结晶过程
共析渗碳体
L → L+A→ A→P(F +Fe3C) 室温组织为P.
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。
C
A + Fe3C
F + Fe3C
2.11
4.3
2
3 ωc% 4
5
L+Fe3C D 1148 F
727 K
6.69
6 Fe3C
液相线ABCD固相线AHJECFD 五个单相区，七个两相区
材料科学基础——铁碳相图
3.白口铸铁（ 2.11% -- 6.69%C）
指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆 含有变态莱氏体的一类铁碳合金
其断口白亮而得名，俗称生铁
特
具有较低的熔点，流动性好，便于铸造成形
点 含有一定数量的莱氏体，硬度高、脆性大，故不能承受锻
造、轧制等压力加工，也不宜切削加工
共析钢组织金相图
共析钢 ( Wc = 0.77% )
相组成：α+Fe3C 组织组成：P
%6.690.7788 %
6.69
F3C e% 18% 81% 2
3. 亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
亚共析钢组织金相图
亚共析钢 ( Wc = 0.45% )
相组成： α +Fe3C
%6.69 0.459.33%
合金的结晶特点：
1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温 度范围内完成，而纯金属在恒温下完成； 2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化 学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。
组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质； 在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合 金分为二元合金、三元合金及多元合金
γ - Fe
912℃
α - Fe 时间
铁素体
碳在α-Fe中的间隙固溶体称为α铁素体，简称为 铁素体(Ｆ)；最大溶碳量为727℃时的 wc=0.0218%，最小为室温时的wc=0.0008%；性 能 为 ： σb180~280MPa、σ0.2100~170MPa、 δ30%~50%，αk160~200J/㎝2 、硬度~80HB 。
组织组成： Fe3C+Ld‘
材料科学基础-铁碳相图
• 碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。
• 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,
在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。
• 铁素体的组织为多边形晶粒，性能特点：强度低、 硬度低、塑性好。
一、铁碳合金的组元及基本相
• ⑵ 奥氏体(Austenite):
• 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体，用A或 表示。
的成分、温度、
组织及性能之间 关系的理论基础, 是制定热加工、 热处理、冶炼和 铸造等工艺依据.
一、铁碳合金的组元及基本相
1. 基本组元： Fe、 Fe3C
2. 基本相：
良好塑韧性→钢中基体相
铁素体(α/F) ： C 在 BCC α-Fe中的间隙固溶体 奥氏体(γ/A) ： C 在 FCC γ-Fe中的间隙固溶体 渗碳体(Fe3C/Cm)：Fe与C形成的间隙化合物 高温铁素体(δ) C 在 BCC δ -Fe中的间隙固溶体 液相(L)
硬、脆→钢中强化相
一、铁碳合金的组元及基本相
纯铁的异构转变
1538℃ 1394℃ L → δ-Fe → γ-Fe bcc fcc 912℃ → α-Fe bcc
A N
G
纯铁的冷却曲线
一、铁碳合金的组元及基本相
⑴ 铁素体(Ferrite)：
碳在-Fe中的固溶体称铁
素体, 用F 或 表示。
铁素体
四、含碳量对铁碳合金的影响
• 3. 含碳量对力学性能的影响 • 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞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’,合金太脆.
铁碳相图(1)讲解
1 基本组元： Fe、C 2 基本相： （1）铁素体(α或 F ) ：
良好塑韧性→钢 中基体相
定义: C在体心立方α－Fe中的间隙固溶体
但C在α－Fe中的溶解度极小:
0.0008% (20℃) ~0.0218% (727℃)
性能: 强硬度低(50HBS~80HBS)，
γ +Fe3C
A1 727℃
K 6.69
0.0008 Q
Fe
α+Fe3C 常温下的组织构成：
C%
F+Fe3CⅢ
Fe3C
合金②：共析钢
L+δ
A δ
1495℃
B
J
N
Tγ
G
α+γ
α
0.77
P
S
0.0218
Q
Fe
铁碳相图
L+γ
2.11 E
L L +Fe3C D
4.3 1148℃ F C
727γ℃SA1时γ 发+7F生(2eα73℃P共C＋析F转e3C变6).6：=9KP
Fe3C
包晶线HJB
L+δ
A 1495℃
δ
B
HN J
T
γ
LB+δH γJ
共晶线ECF
L
LC γE+Fe3C
L +Fe3C D
L+γ 2.11
E
4.3 C
1148℃
F 共析线PSK
G α+γ 0.77 PS
α 0.0218
γ +Fe3C A1 727℃
α+Fe3C
γS αP+Fe3C
铁碳相图
铁碳合金第一节 铁碳合金基本知识一、纯铁的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。
如图3-1所示。
纯铁的同素异构转变可概括如下：1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。
纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。
纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。
二、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：1、铁素体（F ）铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。
由于α-Fe 晶粒的间隙小，溶解碳量极微，其最大溶碳量只有0.0218%（727℃），所以是几乎不含碳的纯铁。
铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。
2180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cmb KU a σδ==显微镜下观察，铁素体呈灰色并有明显大小不一的颗粒形状。
2、奥氏体（A ）奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。
它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。
因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。
奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。
400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈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。
铁碳相图1
石墨形态对铸铁性能的影响
石墨片越圆整、越细小、 石墨片越圆整、越细小、分布越均匀对 基体 割裂作用越小。 割裂作用越小。
铸铁的石墨化
碳以石墨的形式析出的过程。 碳以石墨的形式析出的过程。 通常视石墨 化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。 化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。 铸铁的基体通常有： 铸铁的基体通常有： *铁素体灰口铸铁 铁素体灰口铸铁 *铁素体 珠光体灰口铸铁 铁素体—珠光体灰口铸铁 铁素体 *珠光体灰口铸铁 珠光体灰口铸铁
灰铁部分
灰口铸铁 可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。 可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。而 石墨的形态、大小和分布直接影响着铸铁的性能。 石墨的形态、大小和分布直接影响着铸铁的性能 根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁可以分为： 根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁可以分为：
球墨铸铁： 球墨铸铁：石墨呈球状 可锻铸铁： 可锻铸铁：石墨呈团絮状 普通灰口铸铁： 普通灰口铸铁：石墨呈片状 蠕墨铸铁： 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状
概述
1.钢 和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材 1.钢(Steels)和铸铁 和铸铁 是应用最广的金属材 虽然它们的种类很多，成分不一， 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 两种元素。因此，学习铁碳相 和碳(C)两种元素 组成都是铁 和碳 两种元素。因此， 图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要 的。 2.建立相图方法 实验测定和理论计算。 建立相图方法： 2.建立相图方法：实验测定和理论计算。 3. 实验测定手段：配不同成分合金；测相变临界点； 实验测定手段：配不同成分合金；测相变临界点； 将这些点标在温度成分坐标图上； 将这些点标在温度成分坐标图上；将相同意义的点连接 起来。 起来。 4.测相变临界点方法：热分析法；膨胀法；磁性法； 测相变临界点方法： 测相变临界点方法 热分析法；膨胀法；磁性法； 电阻法；金相法； 射线结构分析法 射线结构分析法。 电阻法；金相法；X射线结构分析法。
1铁碳相图简画及口决
体具有很高的硬度、强度并呈脆性，延展性很低，几乎不能承受冲击载
荷。低碳回火马氏体则具有相当的强度、塑性和韧性。马氏体加热后容 易分解为其他组织。
(6) 魏氏组织一种过热组织，是由彼此交叉约 60 ·的针状铁素体嵌人基
体的显微组织。碳素钢过热，晶粒长大后，高温下晶粒粗大的奥氏体在 较慢的冷却速度时很容易形成魏氏组织。粗大的魏氏组织使焊接接头的 塑性和韧性急剧下降，导致钢材变脆甚至发生脆断。
主讲人：鱼银虎
1 16:40
内容：
概念作用 基本信息 简易画法
2
2 16:40
3 16:40
1538℃
L
L+A A
912℃
1227℃
L+Fe3CI
1148℃
A+Fe3C
F A+F
727℃
找 点 画 线 0.0218 0.77
F+Fe3C
2.11
4.3 四碳五度两平衡， 三个单来五个双；
6.69
6 16:40
青花瓷（铁碳相图） 作词：程海然 作曲：周杰伦 专辑：《材料科学基础》 演唱：杨天龙、张思聪 黑白相配铁与碳百炼则成钢 前人描绘的图案管中窥诸相 点点线线划出面一眼观全场 屏幕上 光标到处最明亮 波来铁网抱成团隐隐放珠光 粒滴斑铁绘江山沃斯田铁烫 麻田散铁最坚强 雪明碳铁诗意忆家乡
碳含量要很低不过六点七（6.7%） 十万分廿二起(0.022%) 铁变亚共析 加碳量让共析过共析在七夕（0.77%） 继续加 加碳到二十一(2.1%) 白亮色是铸铁四点三共晶(4.3%) 晶温一一四七（1147°C） 析温七二七 （727°C） 让千年的冶铁技发扬成绝艺 你我当奋起 End 来源：材料人、郭福教授团队
铁碳相图(手写)
4-1 铁碳合金的组元一、纯铁工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下：二、碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的孔隙而形成间隙固溶体。
碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。
铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体孔隙。
奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。
30-50%70-80%160-200J/cm250-80延伸率δ断面收缩率ψ冲击值布氏硬度HB 纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。
金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变（allotropic transformation）。
同素异晶转变伴随有热效应产生，因此在纯铁的冷去曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。
铁的同素异晶转变如下：温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912-1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe；温度在1394-1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe。
拉伸强度σb屈服强度σ0.218×107-28×107N/m 210×107-17×107N/m 2第四章 铁碳合金相图碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。
在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。
在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe 3C（渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase），而石墨是稳定的相。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
考点1：基础知识
例（解释名词）：珠光体。
考点2：铁碳相图综合
例1：画出Fe-Fe3C相图；
例2：分析碳含量w C=1.1%的铁碳合金从液相平衡凝固到室温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室温时各组织的相对含量。
例3：根据如图所示的铁碳平衡相图，回答以下问题：（1）写出在1495℃、1154℃、1148℃、738℃和727℃发生的三相平衡反应的反应式；（2）画出含碳量w C=1.2%的过共析钢在室温下的平衡组织，并计算二次渗碳体的百分数；（3）含碳量w C=3.5%的亚共晶白口铸铁在从液相平衡冷却到室温时会发生什么三相平衡反应和两相平衡反应（可用热分析曲线表示）？室温下该成分的铸铁中有没有二次渗碳体？如有的话，计算其百分数。
例4：如图所示为铁碳相图和一个含3.5%C的铁碳合金缓冷凝固组织。
说明或示意画出此合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程，并说明图（b）的最终组织；计算图（b）中箭头所指的树枝状组织的重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和全部的珠光体组织重量百分量（Fe3C 含6.69%C）。
例4：如图（a）所示为铁碳相图，图（b）、（c）、（d）分别为三个不同成分（设为0.45%C、3.4%C、4.7%C）的铁碳合金缓冷凝固组织（包括随后的固态相变、硝酸酒精浸蚀）。
说明它们各是哪个成分
的合金，为什么？
（2）分析图（d）组织的凝固过程，并计算该合金中白色长条状组织的重量相对量（Fe3C含6.69%C）。