第四章 铁碳合金相图
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铁碳合金相图
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
室温组织: 层片状 P ( F + 共析 Fe3C ) 500×
(3)亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程
各组织组成物的相对量：
P % = ( 0.4 – 0.0218 ) / ( 0.77 – 0.0218 ) ≈ 51 % F % ≈ 1 – 51 % = 49 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 % 亚共晶白口铁 ＜ 4.3 % 共晶白口铁 ＝ 4.3 % 过共晶白口铁 ＞ 4.3 % 类型 钢号 碳质量分数／％ 亚共析钢 20 45 60 0.20 0.45 0.60 共析钢 T8 0.80 过共析钢 T10 T12 1.00 1.20
(4)各相的质量： QL= 50×2/3 = 33.3（kg) Qα = 50-33.3 = 16.7（kg)
2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（Yes ）
5. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用： a. 快速浇注 b. 加变质剂
√ √
c. 以砂型代金属型
各相的相对量：
Fe3CII % ≈ 1.2 / 6.69 = 18 % F % ≈ 1 – 18 % = 82 %
室温组织
P + Fe3CII
400×
(5)共晶白口铁 ( C % = 4.3 % )结晶过程
室温组织 （低温）莱氏体 （P + Fe3CII + 共晶 Fe3C） 莱氏体 Le′的性能
第4章铁碳合金相图
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
H 1495℃ , 0.09%C
N 1394℃
J 1495℃ , 0.17%C
E 1148℃ , 2.11%C
4）wC0.53％~2.11％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。 ） ％ ％合金，按匀晶转变凝固后，组织为单相奥氏体。
A 1538℃ B 1495℃, 0.53%C
2. ES线 线 ES线：碳在 线 奥氏体中的 溶解度曲线. 溶解度曲线 ES线是二次 线是二次 渗碳体的开 始析出线 →ACm线。
3. PQ线 线 PQ线：碳在铁素体 线 中的溶解度曲线。 中的溶解度曲线。
当铁素体从727℃冷 ℃ 当铁素体从 却下来时， 却下来时，要从铁 素体中析出渗碳体， 素体中析出渗碳体， 称之为三次渗碳体， 称之为三次渗碳体， 记为Fe 记为 3CⅢ。
莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物， 表示。 莱氏体：共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，以符号Ld表示。 进行共晶转变的合金成分范围： 2.11％~6.69％ 进行共晶转变的合金成分范围：wC2.11％~6.69％ 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体组织形态：颗粒状奥氏体分布在呈连续分布的渗碳体基底上。 莱氏体的力学性能： 莱氏体的力学性能：塑性很差
五、三条重要的特性曲线
1. GS线 线 GS线→A3线 线 冷却:奥氏体析出铁 冷却 奥氏体析出铁 素体开始线 加热:铁素体溶入奥 加热 铁素体溶入奥 氏体终了线。 氏体终了线。 GS线由 点(A3点)演 线由G点 线由 演 变而来， 变而来，随着含碳 量的增加， 量的增加，使奥氏 体向铁素体的同素 异晶转变温度逐渐 下降，从而由A 下降，从而由 3点 变成了A 变成了 3线。
第4章 铁碳合金相图与碳钢
1227
(I)
亚共析钢
过共析钢
工业纯铁
共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁
0.02% 0.40% 0.77% 1.2%
2.11%
3.0% 4.3%
5.0%
1227
(I)
0.01%
1227
(I)
(1)工业纯铁（C＝0.01%）： L→L+δ →δ →δ +A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ
WF= （6.69-0.01） /6.69=99.85%
L+Fe3C
6.69
莱氏体( Ld)-奥氏体和渗碳体混合物 珠光体（P）-铁素体和渗碳体层片 状混合物
区的意义：
1495
（1）单相区：L、δ 、A、F；
（2）两相区：L+δ 、L+A、
L+Fe3CⅠ、δ +A、A+F、A+Fe3C F+Fe3C （3）三相共存点：
J点：(L+δ +A)
C点：（L+A+ Fe3C）； S点：（A+F+ Fe3C）；
4.3%
1227
(I)
共晶白口铁（C＝4.3%） L→Ld→Ld′
相组成：WF=(6.69-4.3)/6.69 =35.7% 组织组成：Ld’=100%
5.0%
1227
(I)
过共晶白口铁（C＝5.0%）：
L→L+ Fe3CⅠ→Ld+ Fe3CⅠ→Ld′+ Fe3CⅠ
相组成：WF=(6.695.0)/6.69=25.3% 组织组成 WLd’=(6.69-5.0)/(6.69-4.3)=70.7% WFe3CI=29.3%
第4章 铁碳合金相图
F
Ld A+ S Ld+ Fe3CⅠ A+F K Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld F P 727 P F+ Fe3C Ld P+ Q P+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d L′d+ Fe3CⅠ Fe3C Fe F+ Fe C C%
3 Ⅲ
PSK线-共析线。奥氏体冷却到共析温度（727℃）时，将发生共 析转变生成珠光体。
1.工业纯铁： • wC ≤ 0.0218 %，室温组织为铁素体。 2.钢 • 0.0218 % ＜ wC ≤ 2.11 %，高温固态组织为塑性很好 的奥氏体，适于热压成形。
Fe3C——渗碳体 具有复杂晶格的间隙化合物，C%=6.69%
第四章 铁碳合金相图
一、上半部分图形
912˚C 以上的部分，由液态变
为固态的第一次结晶。 组元：γ-Fe与Fe3C 1、图中各点分析 A点：纯铁的熔点 D点：渗碳体的熔点 E点：在1148˚C 时碳在
γ-Fe中最大溶解度（2.11%）
A G F A+F P
H J
L+ B L+A
L D C
E A+ Fe3C
A+ S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Ld P Ld
L+ Fe3C
F
Ld+ Fe3CⅠ Ld L′d+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
Fe
P+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+L′d
F+ Fe3C
F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
三、 Fe-Fe3C相图中各点、线含义的小结
第04章 铁碳合金相图
铁和碳的合金称为铁碳合金， 如钢和铸铁都是铁碳合金。要掌握各种钢和铸铁的 组织、性能及加工方法等，必须首先了解铁碳合金中的
化学成分、组织和性能之间的关系。
铁碳合金相图是研究铁碳合金组织与成分、温度关 系的重要图形，了解和掌握它对制定钢铁的各种加工工 艺都有着重要的作用。
4.1
铁碳合金的基本组织 在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们
γ -Fe的最大空隙半径 4-3所示。由于 γ -Fe是面心立方晶格，而
略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能
力较强，溶解度比铁素体高得多。在1 148℃时溶碳量可达 2.11%的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在 727℃时溶碳量为0.77%。
4.1
铁碳合金的基本组织
应该指出的是：稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁
碳合金缓冷到 727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其他类型 的组织。
4.1
铁碳合金的基本组织
图4-4
奥氏体的显微组织
4.1
铁碳合金的基本组织
4.1.3
渗碳体
渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一 种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69%。渗碳体具有复 杂的斜方晶格结构，如图4-5所示，与铁和碳的晶格结构完全
在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基 本相所组成。 在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，
形成两种间隙固溶体——铁素体和奥氏体。
当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物—
—渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合
物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态 下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等，
第四章 铁碳合金相图
表4.3 铁碳合金的分类
第四节铁碳合金的成分、组织、性能间的关系 一、含碳量与平衡组织间的关系
随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很 大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在A晶界上——形成莱氏 体时，渗碳体则成了基体 。）
二、含碳量与力学性能间的关系
（ 1 ）硬度 WC 增加，硬度增加；
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
三、渗碳体
渗碳体（Fe3C）
铁与碳形成的间隙化合物，含碳 量6.69%； 室温相——常作为钢的第二弥散 强化相； 渗碳体具有高硬度、高脆性、低 强度和低塑性； 一次渗碳体 Fe3CI：从液相直接 结晶出来。 二次渗碳体 Fe3CII：从 A 中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
一、合金Ⅰ（共析钢）
结晶过程
共析结晶过程
1点以上 L； 1~2点 L+A； 2~3点 A； 3点 共析转变AS
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
QFe3 C
（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团
3~4点 F+ Fe3CIII+ Fe3C ≡ P
0.77 0.0218 11.2% 6.69 0.0218
第一节 铁碳合金的基本相
同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以
后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而 发生变化的现象，也称同素异构转变。
Fe的冷却曲线及相应的晶体结构
L-Fe 液相
1538℃
δ-Fe 体心
1394℃
γ-Fe 面心
912℃ α-Fe 体心
同素异构转变（重结晶）的特点
铁碳合金相图
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。
在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe 3C 系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe 3C 相图。
4-1 铁碳合金的组元一、纯铁纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图7.1所示。
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 ）。
同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。
铁的同素异晶转变如下：（体心立方）（面心立方）（体心立方）Fe Fe Fe CC O O −⇔−⇔−αγδ9121394 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 。
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：时间温度（℃）图7.1 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化拉伸强度σb18×107~28×107N/m2屈服强度σ0.2 10×107~17×107N/m2延伸率δ 30~50%断面收缩率ψ70~80%冲击值160~200J/cm2布氏硬度HB 50~80二、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原子间的空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。
铁碳合金相图
200×
(６)过共晶白口铁 ( C % = 3 % )结晶过程
室温组织:
Le′+ Fe3CI
500×
标注了组织组成物的相图
3．铁碳合金的 成分-组织-性能关系
含碳量与相的相对量关系：
C %↑→F %↓，Fe3C %↑
含碳量与组织关系： 图（a）和（b） 含碳量与性能关系 HB：取决于相及相对量 强度：C%=0.9% 时最大 塑性、韧性：随C%↑而↓
图4-13
6.亚共晶白口铁结晶过程
图4-14 亚共晶白口铁结晶过程示意图
亚共晶白口铁组织金相图
图4-15
7.过共晶白口铁结晶过相图
图4-17
二、碳对铁碳合金平衡组织和性 能的影响
含碳量对平衡组织的影响 含碳量对铁碳合金机械性能的影响
Ⅲ 3 Ⅱ
3
Ⅰ
含碳量对平衡组织的影响
图4-18 含碳量对平衡组织的影响示意图
含碳量对铁碳合金机械性能的影响
图4-19含碳量对铁碳合金机械性能的影响
§4铁碳合金的成分—组织—性能
关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
一、含碳量与平衡组织间的关系
1、含碳量——相相对量 C%↑→F%↓，Fe3C%↑ 2、含碳量——组织 F--->F+P--->P--->P+Fe3CII-->P+Fe3CII+Le’--->Le’-->Le’+Fe3CII--->Fe3C
第四章 铁碳合金相图
§1铁碳合金的基本相 §2 铁碳相图 §3典型铁碳合金的结晶过程及其组织 §4铁碳合金的成分—组织—性能关系
§1铁碳合金的基本相
• 一、铁碳合金相图中组元的性质和相的类
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铣
车
钻
刨
④ 铸造性能: 共晶合金好 ⑤ 热处理性能: 第六章介绍
磨
切削加工的基本形式
焊
铸
模锻
缝
造
组
织
第四节 凝固组织及其控制
一、结晶后的晶粒大小及其控制 1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度叫晶
粒度。可用晶粒的平均面 积或平均直径表示。 工业生产上采用晶粒度等 级来表示晶粒大小。 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过 100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。
是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体 大，1148℃时最大为2.11%。
组织为不规则多面体 晶粒，晶界较直。强
度低、塑性好，钢材
热加工都在 区进行.
碳钢室温组织中无奥 氏体。
奥氏体
⑶ 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相，在一
PQ—碳在-Fe中的固
溶线。
⒊ 相区
⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
三、典型合金的平衡结晶过程
铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴ 工业纯铁(<0.0218% C) 组织为单相铁素体。
中有七个组织组
+ Fe3C + Fe3C
成物区。
A
L+
H
B
温N J
度 A+
L
D
L+A
A
E
C
L+ Fe3C F
A+ Fe3C
G
A+
Le
F
A+F S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le
P
P
F+ Fe3C
Le+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
P+ Fe3CⅡ
Le’
P+ Fe3CⅡ+Le’
Le’+ Fe3CⅠ
Fe3CⅡ与共晶Fe3C 结合，不易分辨。
1’
Fe3C
2
温度降到2点, 成分达到0.77%, 此时, 相的相对重量:
Q
6.69 4.3 6.69 0.77
100%
40.4%，QFe
3C
59.6%
在2点, 共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种由
P与 Fe3C组成的 共晶体称低温莱
氏体, 用Le’表示.
室温下相的相对重量 百分比为：
QFe3C
Q6 QL
C 0.0008 100% 6.69 0.0008
6L
S’
Q QL 100% QFe3C
室温下组织组成物的相对重量百分比为：
QP
Q6 QS'
C 0.0008 100%, 0.77 0.0008
Q
6S' QS'
100% QP
含0.20%C钢的组织
⑵ 钢 (0.0218~2.11%C) 高温组织为单相
① 亚共析钢
(0.0218~0.77%C) ② 共析钢 (0.77%C) ③ 过共析钢
(0.77~2.11%C)
亚共 过 共析 共 析钢 析 钢钢 工 业 纯 铁
亚 共过
共 晶共
晶 白晶
白 口白
口 铁口
铁
铁
⑶ 白口铸铁 (2.11~6.69%C) 铸造性能好, 硬而脆
㈡ 共析钢的结晶过程
合金液体在 1-2点间转变
为。到S点
发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
共析钢的结晶过程
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：
Q
SK PK
6.69 0.77 6.69 0.0218
88.8%,
Q Fe3C 100% 88.8% 11.2%
定条件下可发生分解：
Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反
应对铸铁有重要意义。
钢中的渗碳体
由于碳在-Fe中的溶解度
很小，因而常温下碳在铁
碳合金中主要以Fe3C或石
墨的形式存在。
铸铁中的石墨
铁碳合金的基本组织
铁素体 强度、硬度低，塑性、韧性好
奥氏体 渗碳体
有铁一素定体的和强渗度碳和体硬组度，塑性也很好
N
1
D
E2
E
2C
F
QLe' QLe EC
3
2C 2.11 0.77
QFe3C II
EC
6.69 0.77
4
Q 100% QLe' QFe3CII
室温下相的相对重量百分比?
㈦ 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。
成的机械混合物 硬度很高，脆性大，塑性和韧性极低
珠光体 综合力学性能较好
莱氏体 硬度很高，塑性很差
渗碳体为基体上分布着 珠光体（奥氏体）
二、铁碳合金相图的分析
⒈ 特征点
⇄
⇄ ⇄
⇄ ⇄
J
N
L+
G
+
L
L+Fe3C
+Fe3C
+Fe3C
⒉ 特征线 ⑴ 液相线—ABCD，
固相线—AHJECFD
⑵ 三条水平线：
亚共析钢室温下的组织 为F+P。
在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织
㈣ 过共析钢的结晶过程
合金在1~2点转变为 , 到3点, 开始析出Fe3C。从奥氏
体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示, 其沿晶 界呈网状分布.
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
铁碳合金相图是 研究铁碳合金最 基本的工具，是 研究碳钢和铸铁 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、铁碳合金的组元和相
⒈ 组元：Fe、 Fe3C ⒉相
含1.4%C钢的组织
室温下两相的相对
重量百分比：
Q
5L QL
6.69 C 100% 6.69 0.0008
Q5 QFe3C QL 100% Q
室温下两组织组成物
的相对重量百分比：
1 2
3 4
S’ 5
QP
5L S' L
6.69 C 6.69 0.77
100%,
QFe
3CⅡ
S'5 S' L
D
1 2
F 3K
4
Fe3C
2点以下, Fe3CⅠ成分重量不再 发生变化, Le变化同共晶合金, 其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。
㈧ 组织组成物在铁碳合金相图上的标注
组织组成物与相 组成物标注区别
主要在+ Fe3C和 +Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物
区，+Fe3C相区
100% QP
㈤ 共晶白口铁的结晶过程
合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),
莱氏体是共晶 与共晶Fe3C的机械混合物, 呈蜂窝状.
Fe3C
共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:
Q
6.69 4.3 6.69 2.11
100%
52.2%，QFe3C
47.8%
C点以下, 成分沿ES线变化，共晶 将析出Fe3CⅡ。
温度下降, Fe3CⅡ量增加。
到4点， 成分
沿ES线变化到
S点，余下的
转变为P。
在共析温度下Fe3CⅡ的相对量？
过共析钢的结晶过程
过共析钢室温组织为P+ Fe3C Ⅱ。
Fe3CⅡ量随含碳量而增加, 含碳量为2.11%时, Fe3CⅡ
量最大：
QFe C 3 II
2.11 0.77 100% 22.6% 6.69 0.77
Fe F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
A
B
H
J
温 度
N
G A3
Acm
E
D
C 1148
F
\℃
P Q
A1 S
727
K
0 0.02
Fe
0.77
2.11
4.3
Wc/%
铁碳合金状态图
6.69
Fe3C
㈨ 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
⒈ 含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
HJB：包晶线LB+δH⇄ J ECF：共晶线LC⇄ E+Fe3C 共晶产物是 与Fe3C的机械
混合物，称作莱氏体, 用Le 表示。为蜂窝状, 以Fe3C为 基，性能硬而脆。
莱氏体
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是 与
Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
L+δ
⑴ 铁素体：
碳在-Fe中的固溶体称