铁碳合金相图相关计算
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
铁碳合金相图分析报告
Fe3CⅢ .
工业纯铁（ <0.0218%C ） 钢（ 0.0218-2.11%C ） —— 亚共析钢、共析钢（ 0.77%C ）、过共析钢 白口铸铁（ 2.11-6.69%C） —— 亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁
L → L+A → A → P(F+Fe3C)
L → L+A → A → A+F → P+F
Mn 溶入 Fe3C → 形成合金渗碳体（ Fe, Mn） 3C
2、硅
Si + FeO → S2iO + Fe （脱氧）
Si 溶入铁素体 → 固溶强化
Si<0.4% ，对性能影响不大
3、硫 钢中 S+Fe → FeS。FeS 与 Fe 形成低熔点的共晶体（
Mn <0.8% ，对性能影响不大 985℃）分布在晶界上，当钢在热
标准实用
第四章 铁碳合金
第一节 铁碳合金的相结构与性能
一、纯铁的同素异晶转变 δ-Fe→γ-Fe→α-Fe 体心 面心 体心
同素异晶转变 —— 固态下，一种元素的晶体结构 随温度发生变化的现象。
特点： ? 是形核与长大的过程（重结晶） ? 将导致体积变化（产生内应力） ? 通过热处理改变其组织、结构 → 性能 二、铁碳合金的基本相
文案大全
轮、曲轴等 。
标准实用
. 状态图中的特性点 Fe- Fe3C 相图中各点的温度、浓度及其含义
Fe-Fe3C 相图中各特性点的符号及意义
L → L+A → A → A+ Fe 3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ
4、 共晶白口铸铁 L → Ld(A+Fe 3C) → Ld(A+Fe 3C+ Fe3CⅡ) → Ld′ (P+F3eC+ Fe3CⅡ)
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)
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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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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
第四章 铁碳合金相图
第四节铁碳合金相图从某种意义上讲，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，也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本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。
1．铁素体2．奥氏体3．渗碳体二、铁碳合金相图分析1．Fe- Fe3C相图中的特性点图4-14是Fe- Fe3C相图。
图中各点的温度、含碳量及其意义示于表4-1中。
Fe- Fe3C相图中的特性点均采用固定的字母表示。
图4-14 Fe-Fe3C相图2．Fe-Fe3C相图中的特性线相图中的ABCD线为液相线，AHJECFD为固相线，ES线是碳在γ-Fe中的固溶度曲线，又叫作Acm 线。
PQ线是碳在α-Fe中的固溶度曲线。
GS线是冷却过程中，由奥氏体中析出铁素体的开始线，或者是加热时，铁素体溶入奥氏体的终止线，GS线又叫作A3线。
根据生成条件的不同，渗碳体可分为一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体五种。
它们的不同形态与分布，除对铁碳合金性能有不同影响外，就其本身来讲，并无本质区别。
三、铁碳合金的结晶过程下面以几种典型的铁碳合金为例，分析其平衡结晶过程及组织。
由于工业纯铁的实际应用较少，所以这里不分析其结晶过程。
所选合金的成分如图4-15所示。
图4-15 6个典型的铁碳合金结晶过程分析1．共析钢的结晶过程分析图4-15中，合金①是共析钢，其结晶过程示于图4-16。
图4-16 共析钢结晶过程示意图2．亚共析钢的结晶过程分析图4-15中的合金②是亚共析钢，其结晶过程如图4-17所示。
图4-17 亚共析钢结晶过程示意图3．过共析钢的结晶过程分析图4-15中的合金③是过共析钢，其结晶过程如图4-18所示。
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℃。
第五章 铁碳合金相图及应用
第五章 铁碳合金相图及应用4学时
铁碳合金基本相→铁碳相图重要点、线、区分析→铁碳合金 分类→工业纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢凝固结晶分析→ 合金成分与组织性能关系及应用
3.分析一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体和共析渗碳体的异同之处。
答：相同点：都是渗碳体，晶体结构、成分、性能相同。 不同点：一次渗碳体从液相析出，二次渗碳体从奥氏体析出，三次渗碳体从铁素体析出，共晶渗碳体共晶反应
时形成，共析渗碳体共析反应时形成。
7.根据铁碳相图解释下列现象:1)进行热轧和锻造时,通常将钢材加热到1000-1250℃；2)钢铆钉一般用低碳钢制造； 3)绑扎物件铁丝一般为镀锌低碳钢丝,而起重机吊重物时用钢丝绳用含碳0.60%、0.65%、0.70%的钢等制成；4)在 1100℃时，Wc=0.4%的碳钢能进行锻造，而Wc=4%的铸铁不能进行锻造；5)室温下Wc=0.8%的碳钢比Wc=1.2% 的碳钢强度高；6)亚共析钢适于压力加工成形，而铸铁适于铸造成形。
渗碳体Fe3C:含碳6.69%,是硬而脆的间隙相，硬度为950-1050Hv，塑性和韧
性几乎为零。
思考题：什么是铁素体和奥氏体？铁素体和奥氏体分别具有何种晶体结构？
铁碳相图分析 第二节 铁碳合金相图分析 P73 ➢重要点:共析成分点S(0.77%C)；共晶成分点C(4.3%C)。 ➢重要线:A1线(PSK),A3线(GS),Acm线(ES)。 ➢相区:单相区、两相区和三相区。 ➢渗碳体:从液相、奥氏体、铁素体中析出的一次、二次、三次渗碳体。 ➢共析反应和共晶反应:A=F+Fe3C,L=A+Fe3C。 ➢珠光体P和莱氏体Ld:共析反应形成的铁素体和渗碳体的机械混合 物；共晶反应形成的A与Fe3C的机械混合物。
第三章 铁碳合金相图
2、有益元素 Mn、Si
锰Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素 体中，具有固溶强化效果，少部分形成 合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了 硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中
1.0%- 1.2%。
硅Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强 化作用；可增加钢液流动性。碳钢中 <0.4%
工程材料及热加工基础课件
3、非金属夹杂物的影响
① N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中 以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N 固定，消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，
易成为疲劳裂纹源。 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时， 降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
工程材料及热加工基础课件
第五节
碳素钢
碳素钢是指ωc≤2.11%，并含有少量Mn、Si、S、P等杂质元素的铁碳合金。
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响（ Mn、Si、S、P）
1、有害元素 S、P 硫S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低 熔点（985）共晶体FeS→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑，改 善切削加工性能。
A+F F P
( F+ Fe3C ) P
Q 0.0218%C Fe
P+F
4.3%C
6.69%C Fe3C
工程材料及热加工基础课件 1、 Fe-Fe3C 相图中的特性点
机械工程材料第五章 铁碳合金
4、共晶白口铁
L
L→ Ld( A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织:Ld′ 即 P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C 室温相：α+Fe3C
5、亚共晶白口铁
L L→A L→ Ld (A+Fe3C) A→ （Fe3C）Ⅱ
A→P(α+Fe3C)
室温组织: Ld′+P+（Fe3C）Ⅱ 即(P+（Fe3C）Ⅱ+Fe3C)+P+Fe3CⅡ 室温相：α+Fe3C
四、 Fe-Fe3C相图的应用
1.为选材提供成分依据
低碳钢（0.10-0.25%C）：建筑结构和容器等 中碳钢（0.25-0.60%C）：如轴等 高碳钢（0.6-1.3%C）：如工具等 白口铁：如拔丝模、轧辊和球磨机的铁球等
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2.为制定热加工工艺提供依据
（1）在铸造生产方面的应用 根据Fe-Fe3C相图可以确定铁碳合金的浇注温度， 浇注温度一般在液相线以上50℃～100℃。 共晶成分的铸铁凝固区间最小（为零），流动性 好，分散缩孔少，可使缩孔集中在冒口内，有可 能得到致密的铸件得到较广泛的应用。
其性能特点是强度低，硬度不高，易于塑性变形。
⑸ Fe3C相（又称渗碳体）：根据其生成条件不同有条状、网状、
片状、粒状等形态，对铁碳合金的力学性能有很大影响。
1600 A 1400 N 1200 1000
+L
B 0.53 J 0.17 H 0.09 1495
L
2.11 E
4.3 1148 C
+
注意：由于不保证化学成分，所以热处理时不能 依甲类钢来选材，应依乙类钢选，才能根据相图 制定热处理工艺。
5 铁碳相图
一、铁碳合金的组元和相 ⒈ 组元：Fe、 Fe3C ⒉ 相 ⑴ 铁素体： 碳在α-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或α 表示。 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 能与纯铁相似。 铁素 体
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0.20%C钢的组织
含0.45%C钢的组织
含0.60%C钢的组织 29
利用杠杆定律，可以计算出含碳量为0.40%的亚共析 钢，在室温下组织组成物和相组成物的相对含量? 分析： 杠杆定理不能直接用来计算室温下组织组成物的质量分 数； 可根据结晶过程发生的转变，分析室温下的组织组成物 是由哪些相转变而来的，这些相的质量分数就是它们转 变成的组织组成物的分数。 在Fe-Fe3C系中，由于共析转变发生在727 °C，所以应 该分析在727 °C下、未发生共析转变的相的组成，从而 获得室温下组织组成物的质量分数。
T12钢的室温平衡组织
P+Fe3CII Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。 含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C 组织组成物为Fe3CII和P：
5、共晶白口铁的结晶过程
1～1'点 L→Le 即L→(A+Fe3C)。 1'～2点 Le中的A 析出Fe3CII。 此时的莱氏体由A+ Fe3CII+ Fe3C组成。 2～2'点 A→P，高温莱氏体Le转变成低温莱氏体 Le'(P+ Fe3CII+ Fe3C)。 2'～3点 Le'
铁碳相图
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。
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铁碳合金相图相关图像算式问题整理
Gary
问答题：
图像总结：
工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢
亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
占比计算：
1.工业纯铁（<=0.0218%C ）
2.亚共析钢（0.0218%~0.77%C ）
3
III
Fe C 3III
++Fe C αγαγα
γγααα→→→−−−→−−−→−−−−→3III Fe C 100%6.69x
W =
⨯3III Fe C 6.69-=1-100%6.69x
W W α=
⨯
3.共析钢（0.77%C ）
4.过共析钢（0.77%~2.11%C ）
5.亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C ）
6.共晶白口铸铁（4.3%C ）
7.过共晶白口铸铁（4.3%~6.69%C ）
3
III
Fe C P
3III
++P +P+Fe C αγαγγγααα→→→−−−→−−−→−−−−→P -0.0218
100%
0.77-0.0218x W =
⨯3III Fe C P -100%6.69x
W W =
⨯⨯（1）3III P Fe C =1--W W W α⨯（）100%
P
3P F+Fe C γγ→−−−→析（）
P 100%
W =F 6.69-0.77
100%
6.69W =
⨯3Fe C 0.77
100%6.69W =
⨯析3
II
Fe C P
3II 3II
+Fe C P+Fe C γγγγ→→−−−−→−−−→3Fe C 0.77
100%
6.690.77x W -=
⨯-II 3II P Fe C 6.69(1)100%=
100%
6.690.77x
W W -=-⨯⨯-d 3II L L Fe C L γ
d L L++L γγγ→→→−−−→−−−→−−−−→P '3II d 3II d F
e C L P+Fe C +L γγ→++−−−
→'d d
L L 2.11=
100%4.30 2.11x W W -=⨯-3Fe C 2.110.77 4.30100%
6.690.77 4.30 2.11x
W --=⨯⨯--II '3d
P Fe C L 6.69-2.11 4.301--=
100%
6.69-0.77 4.30 2.11x
W W W -=⨯⨯-II d L L P
'd d 3L L L (P+Fe C )
γ→→−−−→−−−→共晶'd d
L L =100%
W W =3P Fe C 6.69-4.30
1-=
100%
6.69W W =⨯晶3I d L Fe C L L P
'3I d 3I d 3I
L L+Fe C L +Fe C L +Fe C γ→→→−−−−→−−−→−−−→3Fe C 4.30
100%
6.69 4.30x W -=
⨯-I '3d
Fe C L 6.691100%
6.69 4.30x
W W -=-=
⨯-I
计算题：
2. 根据图4-117所示二元共晶相图, 试完成:
(1) 分析合金I, II的结晶过程, 并画出冷却曲线.
(2) 说明室温下合金I, II的相和组织是什么, 并计算出相和组织组成物的相对量.
(3) 如果希望得到共晶组织加上相对量为5%的β初的合金, 求该合金的成分.
解：
合金1 合金2
(1) 合金I的冷却曲线参见右图, 其结晶过程如下:
1以上, 合金处于液相;
1~2时, 发生匀晶转变L→α, 即从液相L中析出固溶体α, L和α的成分沿液相线和固相线变化, 达到2时, 凝固过程结束;
2时, 为α相;
2~3时, 发生脱熔转变, α→βII.
合金II的冷却曲线参见右图, 其结晶过程如下:
1以上, 处于均匀液相;
1~2时, 进行匀晶转变L→β;
2时, 两相平衡共存, ;
2~2′ 时, 剩余液相发生共晶转变;
2~3时, 发生脱熔转变α→βII.
(2) 室温下, 合金I的相组成物为α + β, 组织组成物为α + βII.
相组成物相对量计算如下:
组织组成物的相对量与相的一致.
室温下, 合金II 的相组成物为α + β, 组织组成物为β初 + (α+β). 相组成物相对量计算如下:
组织组成物相对量计算如下:
(3) 设合金的成分为wB = x, 由题意知该合金为过共晶成分, 于是有：
所以, x = 0.52, 即该合金的成分为wB = 0.52. αβ0.900.80
100%12%
0.900.050.800.05100%88%
0.900.05w w -=
⨯=--=⨯=-β(α+β)
0.800.50
100%75%
0.900.500.900.80100%25%0.900.50w w -=⨯=--=⨯=-初β0.50
100%5%
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