铁碳相图
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铁碳合金相图分析
1点以上
1～2点
2～3点
图3-3 共析钢结晶过程示意图
3点～室温
共析钢的室温组织全部为P，呈层片状，其室温下的显微组织如图3-4 所示。
图3-4 共析钢室温下的显微组织
（二）亚共析钢的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅱ为 wC 0.45% 的亚共析钢，其结晶过程如图 3-5 所示。
1点以上
1～2点
A3 线 合金冷却时从奥氏体中开始析出铁素体的析出线
三、铁碳合金的结晶过程
图3-2 简化后的Fe-Fe3C相图
根据碳的质量分数和室温显微组织不同，铁碳合金可以分为工业纯 铁、钢和白口铸铁三大类，具体如下。
（一）共析钢的结晶过程 在图 3-2 中，合金Ⅰ为 wC 0.77% 的共析钢，其结晶过程如图 3-3 所示。
图3-12 亚共晶白口铸铁室温下的显微组织
（六）过共晶白口铸铁的结晶过程 图 3-2 中的合金Ⅵ为 wC 5.0% 的过共晶白口铸铁，其结晶过程如图 3-13
所示。
1点以上
1～2点
2～3点
图3-13 过共晶白口铸铁的结晶示意图
3点～室温
过共晶白口铸铁室温下的显微组织如图 3-14 所示，图中白色条状为 Fe3CⅠ ， 黑白 相间的 基 体 为 Ld′ 。所 有过共 晶 白口 铸铁 的 室温 组织 均 为 Ld Fe3CⅠ，只是随着碳含量的增加， Fe3CⅠ量增加。
0.09
碳在 δ-Fe 中的最大溶解度
J
1 495
K
727
0.17 6.69
包晶点 LB δH
A 1495℃ J
Fe3C 的成分
符号 N P S Q
温度 T/℃ 1 394 727
727 室温
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
铁碳合金相图
二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
亚共析钢的室温组 织由珠光体和铁素体 组成合金的组织按下 列顺序变化：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。
Fe-C相图
Fe-C 相图又称铁碳相图或铁碳状态图。
它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。
简史早在1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。
至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）等利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度视加热或冷却(分别以A c和A r表示)过程而异。
奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。
1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即A r1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，A r3下降而与A r2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与A r1合为一点。
1904年又发现A4至熔点间为δ铁。
以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本(H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。
随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。
目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。
当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。
铁素体的强度、硬度不高（σb=180-280MPa,50-80HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=30%-50%,Akv=128-160J)。
所以以铁素体为基体的铁碳合金适于塑性成形加工奥氏体的强度、硬度为（σb约为400MPa,160-200HBS），但具有良好的塑性和韧性(δ=40%-50%)，无磁性。
铁碳相图
N
P S Q
1394
727 727 室温
0
0.0218 0.77 0.0008
γ与δ同素异构转变点(A4)
碳在α-Fe中的最大溶解度 共析点 室温下碳在α-Fe中的溶解度
2. Fe－Fe3C合金相图
1538℃ L＋ A B 1495℃ H J N 1394℃ ＋ H：0.09 J： 0.17 B：0.53 L＋ E 2.11 1148℃ ＋Fe3C 727℃ K L 1227℃ C 4.3 L＋Fe3C D F
P L'd P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+L'd Fe3CⅠ+L'd
K
P F+P
室温 0.008 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.5 2.0 3.0 4.0 5.0 6.69
A
δ N G H J
B
L E C D F K 2.11% 4.3% 铸铁 亚 共 晶 白 口 铁
2.11%
A S F Fe P 0.02% 0.77% 钢 工 业 纯 铁
Fe3C 6.69%
亚 共 共 析 析 钢 钢
过 共 析 钢
共 晶 白 口 铁
4.3%
过 共 晶 白 口 铁
6.69%
0.02%
0.77%
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900
A纯铁熔点
简化的铁-碳相图
A 2~3 A 铁碳合金相图分析 A 3~4 Fe3CⅡ A
重要线 GS（A3）
F和A两相平衡线
A L 4~4' 3 δ B1495℃ H J 4' 4 N A
4'~5 5 A
铁碳相图简介
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48
钢锭的内部缺陷
激冷结晶区（细小等轴结晶区）
没问题
柱状结晶区
没多大问题
树枝状结晶区
多产生负V型偏析,因此这部分多产生偏析线、夹渣、气泡等缺陷
自由结晶区（粗大等轴结晶区）
多产生V型偏析,常产生偏析线、夹渣、金属夹杂物、渣孔、气泡等缺陷,呈
所谓疏松组织
淀淀结晶区
常产生夹渣类缺陷
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40
实例
▪ Elliptical head ▪ Upper shell (Ⅰ、 Ⅱ) ▪ Conical shell ▪ Intermediate shell (lower)
(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) ▪ Tube sheet ▪ Primary head (channel
head)
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13
Fe—C合金中的基本相
（3） 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）。
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14
Fe—C合金中的基本相
（4）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）。
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.
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25
（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）
铁碳相图
GS线：
ES线： 奥氏体中析出次生渗碳体，通常称为二次渗碳体，因此该曲线又是二次渗碳
体的开始析出线。 是碳在铁素体中的溶解度曲线。铁素体中的最大溶碳量于727℃时达到最大 值WC0.0218%。随着温度的减低，铁素体中的溶碳量逐渐减少，在300℃以 下，溶碳量小于WC0.001%。因此，当铁素体从727℃冷却下来时，要从铁素 体中析出渗碳体，称之为三次渗碳体，记为Fe3CⅢ
意义 δ固溶体区（δ） 铁素体区（α或F） L+α L+Fe3C γ+α α+Fe3C 共晶转变线 渗碳体的磁性转变线
ECF
230℃虚线
包晶转变：
在1495℃的恒温下，含碳量为的WC0.53%液相与含碳量WC0.09%为的δ铁素 体发生包晶反应，形成含碳量为WC0.17%的奥氏体，其反应式为：
LB + δ
PQ线：
14 9 5 ℃ H
⇔
γ
J
含碳量低于WC2.11%的合金在冷却过程中，都可在一定的温度区间内得到单相的奥氏体 组织。 在1148℃的恒温下，由WC4.3%的液相转变为WC2.11%的奥氏体和渗碳体组 成的混合物。其反应式为：
1 1 48 ℃
共晶转变：
LC
⇔
γ
E
+ Fe 3 C
共晶转变形成的奥氏体与渗碳体的混合物，称为莱氏体，以符号Ld表示。凡是在 WC2.11% ~ WC6.69%范围内的合金，都要进行共晶转变 在727℃的恒温下，由WC0.77%的奥氏体转变为WC0.0218%的铁素体和渗碳 体组成的混合物。其反应式为：
J F M N P S Q
1495 727 770 1394 727 727 600
0.17 6.69 0 0 0.0218 0.77 0.0057
铁碳相图简介
▪ 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%
（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。
▪ 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。
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性能：强度较高，塑性、 韧性和硬度介于α与Cm之 间。
5.2 铁碳合金相图分析
层片状
15
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
（四）三条重要的特征线
1538℃ L＋d
dA H
B 1495℃
NJ
1394℃ d＋g
912℃ G
g a＋g
S
P 0.0218
0.77
a
Q
H：0.09 J： 0.17 B：0.53
二、典型合金的平衡凝固过程 （四）过共析钢
注意事项
5.2 铁碳合金相图分析
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体
Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整 体脆性加大
过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ
利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量 分数
二、典型合金的平衡凝固过程 （五）共晶白口铁
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢 共析钢 亚共析钢
亚共晶白口铁 过共晶白口铁 共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、 粒状等，对性能有较大影响。
7
5.2 铁碳合金相图分析
1538℃ L＋d
dA H
B 1495℃
NJ
1394℃ d＋g
912℃ G
g a＋g
S
P 0.0218
0.77
a
Q
H：0.09
J： 0.17
B：0.53
L
L＋g E 2.11
1148℃
g＋Fe3C 727℃
4
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
(1) α相：又称为铁素体－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的间隙
形成的固溶体，用“F”或“a ”表示。呈体心立方晶格，最大 含碳量为0.0218%，(P点)温度为727℃。
性能：бb、HB低，δ、αK 好。
5
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
（2）g相：又称为奥氏体－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的 间隙形成的固溶体，用“A”或“g”表示，具有FCC晶体结构 。 含碳量为－727℃时为0.77% ；1148℃时为2.11％ 性能：高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低.
a＋Fe3C
0
C％(重量)
Fe
C
D L＋Fe3C F
4.3
K
6.69 Fe3C
8
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
符号 温度（℃） 含碳量（%）说明
A
1538
0
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相合金的成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点(计算值)
E
1148
2.11
C在奥氏体中的最大溶解度
C
6.69% 9.70% 17.7%
脆性大，无实用意义
2
5.1纯铁及其铁碳合金相
一、工业纯铁及其特性
工业纯铁指含杂质为0.10～0.20％的纯铁，sb、HB低，d、aK 好。
sb=180~230 MPa HB=50~80
j=70~80%
d=30~50% aK=160~200 J/cm2
主要利用其高的导磁率，作电工材料。
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C）
共晶中的γ相不断析出 Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
二、典型合金的平衡凝固过程 （五）共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ， 但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见
5. Fe-C合金相图
5.1 纯铁及铁碳合金中的相 5.2 Fe-Fe3C相图分析 5.3 合金的成分与组织、性能的关系 5.4 Fe-Fe3C相图的应用及局限性
1
5.1 纯铁及其铁碳合金相
铁和碳可以形成的一系列化合物，即Fe3C、 Fe2C、FeC等。
Fe-C相图可分为几部分：
Fe Fe3C Fe2C FeC C, %
过共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
（一）工业纯铁
1
．当T在
L→δ
T1
～T2时
，由
2．分在不T2变～T3时，δ的成
3.在T3～T4时，由δ→A 4. T4～T5,A成分不变
5. T5～T6, 由A→F 室温组织为：F+Fe3CⅢ
5.2 铁碳合金相图分析
典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置
F:白色等轴晶粒；Fe3C：呈小白片状分布于F晶界
(三) 三条水平线
包晶线－HJB线 共晶线－ECF线 共析线－PSK线－A1线
一、相图分析 （二）三个重要的点
5.2 铁碳合金相图分析
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H
点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分 的γ。
C点为共晶点： 1148 ℃时, C点成分的L
发生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C （莱氏体）。
小结 α+Fe3αC+ⅢPP P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+LLee’’ Fe3C+Le’
5.3 合金的成分与组织及性能之间的关系
一、含碳量对相及组织的影响
相： 随着C％↑F％↓Fe3C↑。
组织：
1.工业纯铁：F线以左 （Fe3C <0.33％） 2.钢： ➢ 亚共析钢中Fe3C 呈片层状分布在F基
先共晶γ相 → P
室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
二、典型合金的平衡凝固过程 （六）过共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却 匀晶反应： L→ Fe3C相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可 见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
=
22.72%
MP
=
0.6 0.0218 100% 0.77 0.0218
=
77.28%
计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
二、典型合金的平衡凝固过程 （四）过共析钢
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却 L相→ γ相 γ单相固溶体（奥氏体）的冷却 γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）
共析转变： γ相→（ α+Fe3C）， 存在Fe3CⅡ
S点为共析点： 727 ℃时, S点成分的γ发生 共析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
一、相图分析 （三）三个重要的恒温转变
5.2 铁碳合金相图分析
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
返回
一、相图分析
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ )
体上。
➢ 共析钢为100%的P。
➢ 过共析钢当C％>1.0％后Fe3CⅡ呈网状
沿A晶界分布。
➢ 钢中：基体相为F，第二相为Fe3C 3.白口铁：C％>2.11％后组织中出现了 大量的莱氏体组织。
白口铁：基体相为Fe3C，第二相为F
含C％对Fe-C合金组织的影响46
Fe3C组织
Fe3CⅠ、 Fe3CⅡ、 Fe3C Ⅲ 、共晶Fe3C、共 析 Fe3C、先共晶 Fe3C 、先共析Fe3C。 这些渗碳体的成分和晶体结构都相同，属 同一“相”。 不同的名称说明析出的母相不同、析出的 顺序不同、分布状态不同。
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金
工业纯铁 ﹤0.0218%
碳素钢
0.0218～2.11%
亚共析钢
共析钢 0.77%
过共析钢 亚共晶白口铁
白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁 4.3%
6
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
（3）Cm相： Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正 交晶系，含碳量为6.69％ ，通常称为“渗碳体” 。
性能：高硬度， 高脆性，塑性近似为零，加热易分解。
sb=30MPa HB=800
d=0
Fe3C 3Fe ＋C（石墨）
石墨具有六方结构,强度、硬度极低
（一）特性：
1. 纯铁具有同素异晶转变：在固 态不同温度发生晶格类型的转变。
即 α-Fe
912℃
γ-Fe
(BCC)
(FCC)
1394℃
δ-Fe
(BCC)
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
➢ 组 元： 纯铁、渗碳体 ➢ 基 本 相： 铁素体（α ）
奥氏体（γ ） 渗碳体（Cm） ➢ 基本组织： 珠光体（P） 莱氏体（Le/Le’）
（二）共析钢
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。
5.2 铁碳合金相图分析
层片状
15
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
（四）三条重要的特征线
1538℃ L＋d
dA H
B 1495℃
NJ
1394℃ d＋g
912℃ G
g a＋g
S
P 0.0218
0.77
a
Q
H：0.09 J： 0.17 B：0.53
二、典型合金的平衡凝固过程 （四）过共析钢
注意事项
5.2 铁碳合金相图分析
从奥氏体中析出的Fe3C称为二次渗碳体
Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整 体脆性加大
过共析钢室温平衡组织：珠光体P+ Fe3CⅡ
利用杠杆定律计算珠光体与二次渗碳体的质量 分数
二、典型合金的平衡凝固过程 （五）共晶白口铁
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢 共析钢 亚共析钢
亚共晶白口铁 过共晶白口铁 共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
亚共析钢用途实例
45＃钢 碳含量0.45％
60＃钢 碳含量0.60％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
共析钢的应用举例
T8钢 碳含量 0.80％
物相形貌：渗碳体根据形成条件不同，有条状、网状、片状、 粒状等，对性能有较大影响。
7
5.2 铁碳合金相图分析
1538℃ L＋d
dA H
B 1495℃
NJ
1394℃ d＋g
912℃ G
g a＋g
S
P 0.0218
0.77
a
Q
H：0.09
J： 0.17
B：0.53
L
L＋g E 2.11
1148℃
g＋Fe3C 727℃
4
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
(1) α相：又称为铁素体－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的间隙
形成的固溶体，用“F”或“a ”表示。呈体心立方晶格，最大 含碳量为0.0218%，(P点)温度为727℃。
性能：бb、HB低，δ、αK 好。
5
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
（2）g相：又称为奥氏体－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的 间隙形成的固溶体，用“A”或“g”表示，具有FCC晶体结构 。 含碳量为－727℃时为0.77% ；1148℃时为2.11％ 性能：高塑性、高韧性、良好的锻造性能，强度、硬度较低.
a＋Fe3C
0
C％(重量)
Fe
C
D L＋Fe3C F
4.3
K
6.69 Fe3C
8
一、相图分析
5.2 铁碳合金相图分析
符号 温度（℃） 含碳量（%）说明
A
1538
0
纯铁的熔点
B
1495
0.53
包晶转变时液相合金的成分
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体的熔点(计算值)
E
1148
2.11
C在奥氏体中的最大溶解度
C
6.69% 9.70% 17.7%
脆性大，无实用意义
2
5.1纯铁及其铁碳合金相
一、工业纯铁及其特性
工业纯铁指含杂质为0.10～0.20％的纯铁，sb、HB低，d、aK 好。
sb=180~230 MPa HB=50~80
j=70~80%
d=30~50% aK=160~200 J/cm2
主要利用其高的导磁率，作电工材料。
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却
共晶反应：L→Le（γ+Fe3C）
共晶中的γ相不断析出 Fe3CⅡ，不可见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C）
二、典型合金的平衡凝固过程 （五）共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
注意事项
冷却过程中莱氏体中的奥氏体相析出， Fe3CⅡ， 但其依附于莱氏体中的Fe3C长大，不可见
5. Fe-C合金相图
5.1 纯铁及铁碳合金中的相 5.2 Fe-Fe3C相图分析 5.3 合金的成分与组织、性能的关系 5.4 Fe-Fe3C相图的应用及局限性
1
5.1 纯铁及其铁碳合金相
铁和碳可以形成的一系列化合物，即Fe3C、 Fe2C、FeC等。
Fe-C相图可分为几部分：
Fe Fe3C Fe2C FeC C, %
过共晶白口铁
二、典型合金的平衡凝固过程
（一）工业纯铁
1
．当T在
L→δ
T1
～T2时
，由
2．分在不T2变～T3时，δ的成
3.在T3～T4时，由δ→A 4. T4～T5,A成分不变
5. T5～T6, 由A→F 室温组织为：F+Fe3CⅢ
5.2 铁碳合金相图分析
典型铁碳合金在Fe-Fe3C相图中的位置
F:白色等轴晶粒；Fe3C：呈小白片状分布于F晶界
(三) 三条水平线
包晶线－HJB线 共晶线－ECF线 共析线－PSK线－A1线
一、相图分析 （二）三个重要的点
5.2 铁碳合金相图分析
J为包晶点: 1495 ℃时, B点成分的L与H
点成分的 δ 发生包晶反应, 生成J点成分 的γ。
C点为共晶点： 1148 ℃时, C点成分的L
发生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C （莱氏体）。
小结 α+Fe3αC+ⅢPP P+Fe3CⅡ P+Fe3CⅡ+LLee’’ Fe3C+Le’
5.3 合金的成分与组织及性能之间的关系
一、含碳量对相及组织的影响
相： 随着C％↑F％↓Fe3C↑。
组织：
1.工业纯铁：F线以左 （Fe3C <0.33％） 2.钢： ➢ 亚共析钢中Fe3C 呈片层状分布在F基
先共晶γ相 → P
室温组织： Le’（P+Fe3C） + P
二、典型合金的平衡凝固过程 （六）过共晶白口铁
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却 匀晶反应： L→ Fe3C相 共晶反应：剩余L→Le（γ+Fe3C）
共晶γ相析出Fe3CⅡ不可 见 共析反应： Le（γ+Fe3C） → Le’（P+Fe3C） 室温组织： Le’（P+Fe3C） + Fe3C
=
22.72%
MP
=
0.6 0.0218 100% 0.77 0.0218
=
77.28%
计算727 ℃下, 组织组成物的质量分数
二、典型合金的平衡凝固过程 （四）过共析钢
5.2 铁碳合金相图分析
单相液体的冷却 L相→ γ相 γ单相固溶体（奥氏体）的冷却 γ相中析出二次渗碳体（Fe3CⅡ）
共析转变： γ相→（ α+Fe3C）， 存在Fe3CⅡ
S点为共析点： 727 ℃时, S点成分的γ发生 共析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
一、相图分析 （三）三个重要的恒温转变
5.2 铁碳合金相图分析
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
返回
一、相图分析
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ )
体上。
➢ 共析钢为100%的P。
➢ 过共析钢当C％>1.0％后Fe3CⅡ呈网状
沿A晶界分布。
➢ 钢中：基体相为F，第二相为Fe3C 3.白口铁：C％>2.11％后组织中出现了 大量的莱氏体组织。
白口铁：基体相为Fe3C，第二相为F
含C％对Fe-C合金组织的影响46
Fe3C组织
Fe3CⅠ、 Fe3CⅡ、 Fe3C Ⅲ 、共晶Fe3C、共 析 Fe3C、先共晶 Fe3C 、先共析Fe3C。 这些渗碳体的成分和晶体结构都相同，属 同一“相”。 不同的名称说明析出的母相不同、析出的 顺序不同、分布状态不同。
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
二、典型合金的平衡凝固过程
5.2 铁碳合金相图分析
铁碳合金
工业纯铁 ﹤0.0218%
碳素钢
0.0218～2.11%
亚共析钢
共析钢 0.77%
过共析钢 亚共晶白口铁
白口（铸）铁
2.11～6.68%
共晶白口铁 4.3%
6
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
（3）Cm相： Fe3C为复杂结构的间隙化合物，属于正 交晶系，含碳量为6.69％ ，通常称为“渗碳体” 。
性能：高硬度， 高脆性，塑性近似为零，加热易分解。
sb=30MPa HB=800
d=0
Fe3C 3Fe ＋C（石墨）
石墨具有六方结构,强度、硬度极低
（一）特性：
1. 纯铁具有同素异晶转变：在固 态不同温度发生晶格类型的转变。
即 α-Fe
912℃
γ-Fe
(BCC)
(FCC)
1394℃
δ-Fe
(BCC)
5.1纯铁及其铁碳合金相
二、铁碳合金相
➢ 组 元： 纯铁、渗碳体 ➢ 基 本 相： 铁素体（α ）
奥氏体（γ ） 渗碳体（Cm） ➢ 基本组织： 珠光体（P） 莱氏体（Le/Le’）
（二）共析钢
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。