铁碳相图对共析钢,亚共析钢和过共析钢的详细分析
《工程材料》第五章 铁碳合金相图
二.制定热加工工艺方面的应用
第六节 铁碳合金的生产及分类
钢铁的冶炼。 钢锭的组织、质量及缺陷。 碳素钢的分类、编号及用途。
一.钢铁的冶炼
铸铁锭
生产铸铁件
高炉 炼铁
炼钢生铁
转炉 平炉 电炉
生产钢件
平炉炼钢
转炉炼钢
亚共析钢 ( hypoeutectoid steel )
过共析钢 ( hypereutectoid steel )
共晶白口铁 ( eutectoid white iron )
亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron )
过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
4.3%C
6.69%C Fe3C
Fe - Fe3C 相图
二. Fe - Fe3C 相图的分析
五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线: EF、ES、GS、FK。 三个重要转变: 包晶转变反应式、共晶
转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度: 1148 ℃ 、727 ℃ 。
工程材料 机械制造基础 -Ⅰ
第五章 铁碳合金相图
第五章 铁碳合金相图 ( Iron – Carbon Phase Diagram )
Fe – C 相图的基础知识。 形成Fe - Fe3C 相图组元和基本组织的结
构与性能。 Fe - Fe3C 相图的建立与分析。 碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的
共晶白口铁组织金相图
6.亚共晶白口铁 ( Wc = 3.0% )
亚共晶白口铁组织金相图
7.过共晶白口铁 ( Wc = 5.0% )
第三节 铁碳合金及相图
3） Fe-Fe3C相图相区分析：
包括： （1）液相区： （2）液、固两相区： （3）固相区： 也包括： （1） 单相区：L、F、A、Fe3C （2） 两相区：L+A、L+ Fe3C、A+F、F+ Fe3C （3） 三相区：Le+A+ Fe3C、P+Le’+ Fe3C
简化后的Fe-Fe3C状态图
G Q
S
FP
Fe3 C K
4.3 6.69
P
0.0218 0.77 2.11
C%
C—共晶点，1148℃ 4.3%C 共晶点—发生共晶反应的点。 共晶反应 — 在一定的温度下，由一定成分的液体同时结 晶出一定成分的两个固相的反应。
共晶反应的产物——共晶体——机械混合物
L（4.3%C）
1148℃
A（2.11%C ）+ Fe3C （6.69%C ）
纯铁
0.01%C铁素体500×
2）奥氏体（A）：碳溶解在γ -Fe中形成的间隙固溶体。 γ -Fe的溶碳能力较高，最大为2.11%（1148℃）。 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。 其 δ =40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗力。是 绝大多数钢种在高温进行压力加工所需的组织。 3）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的稳定化合物。含碳 量为6.69%。 HB=800，硬度很高，脆性极大，是钢中的强化相。 显微镜下观察，渗碳体呈银白色光泽。
Fe-Fe3C相图中主要特性点含义见表：
2）Fe-Fe3C相图中特性线：
ACD线—液相线 AC—析出A CD—析出 Fe3C AECF线—固相线 AE—A析出终了线
共析钢,亚共析钢,过共析钢区别
共析钢,亚共析钢,过共析钢区别
共析钢、亚共析钢、过共析钢这三种钢的不同之处在于其微观结构的差异。
具体说来，共析钢、亚共析钢、过共析钢的碳原子在固态时的分布位置和结构不同。
下面，我们将分别对这三种钢进行介绍。
1. 共析钢
共析钢是一种非常常见的钢种，其碳含量通常在0.2%-0.8%之间。
共析钢的微观结构中，既有铁素体又有珠光体。
其中，珠光体中的碳原子与铁原子以一定比例混合分布，并被称为共析组织。
共析组织的存在使得共析钢在冷加工时拥有更好的可塑性，因此常被用于制造汽车零部件、家具等。
2. 亚共析钢
与共析钢不同，亚共析钢的碳含量通常只有0.1%-0.2%。
在亚共析钢的微观结构中，珠光体处的碳的含量较低，甚至可以降至0.05%左右，这种结构被称为亚共析结构。
亚共析结构的存在使得亚共析钢具备更高的抗拉强度和硬度，并拥有优异的耐腐蚀性，因此常被用于制造化工设备、机床等高端领域的产品。
3. 过共析钢
通常情况下，过共析钢的碳含量超过了0.8%。
在过共析钢的微观结构中，珠光体处的碳含量非常高，甚至可以超过1.2%，形成了过共析组织。
过共析组织的存在使得过共析钢在加工时较为困难，但同时也增加了其硬度和抗磨损性。
因此，过共析钢常被应用于制造特殊机床、矿山机械等领域。
综上所述，共析钢、亚共析钢、过共析钢在微观结构上有所差异，在应用领域上也各有侧重。
通过精确把握其结构和性质，可以更好地满足产品设计和制造的需求。
详解铁碳相图
详解铁碳相图（注：在解读上面铁碳相图之前，我们要明白纯铁在不同的温度下会发生同素异晶转变，这个对于我们解读上面相图很有用。
）1：ACD线：ACD线上面完全是液相，没有固相产生。
在温度1538℃时候，此时的液态铁的晶格类型为δ-Fe,如果此时的碳溶解在δ-Fe的晶格间隙中，那么就会产生一种新的相，即为铁素体相，为了区别碳溶解在α-Fe中的铁素体相，分别给它们前面加上一个δ或者α，即如果是碳溶解到晶格类型为δ-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为δ-铁素体或直接写δ，如果是溶解到晶格类型为α-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为α-铁素体或α或F。
伴随着温度的下降，组元----温度----成分三者是这个铁碳相图的核心理念。
要看懂这个相图，弄明白组元----温度----成分关系，就能读懂这个相图。
从图中你可以看见，即便同一个温度，不同的碳含量，它的成分是不一样的，这就是为什么要提到组元----温度----成分这三者关系的原因。
而铁碳相图会一直要用到这三者的关系来加以理解。
重点：铁素体就是碳溶解到δ-Fe和α-Fe的晶格间隙而形成的一种间隙固溶体相。
2：AEC区域和CDF区域AEC和CDF区域有液相也有固相，但是，它们的成分是不一样的，AEC区域为什么是奥氏体+液相呢？为什么CDF区域是渗碳体+液相呢？首先，AEC区域之所以是奥氏体+液相，那是因为在1500℃---1148℃时候δ-Fe会转变成γ-Fe(转变温度为1394℃)，也就是说，当温度从1394℃再次冷却到1148℃的时候，这时候δ-Fe已经转变成了γ-Fe，此时的碳就会溶解到γ-Fe晶格中形成一种新的间隙固溶体相，即为奥氏体，由于受到温度原因，液相并没有全部结晶，所以在AEC区域中的成分就是奥氏体—液相。
很有意思的如果碳含量达不到析出渗碳体的碳含量要求的话，液相是不会析出渗碳体，那么从图中可以看出，要从液相中析出渗碳体的的碳含量要求是必须大于或等于3.4%，即为图中的点C，而这个点也有意义的，它就是共晶点。
铁碳合金相图
铁碳合金相图用以温度为纵坐标，以碳含量为横坐标的图解方法，表示在接近平衡或亚稳状态下，以铁碳为单元组成的合金，在不同温度下相与相之间关系的图称为铁碳平衡图，也称为铁碳相图。
它是研究铁碳合金的基础，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，对了解我们厂内金属材料，尤其认识、理解锅炉管材有重要的意义，对后续想做好锅炉四管运行和维护也都是重要的基础。
一、基本概念1）我们日常接触的“铁、钢”等其实都是合金，含铁、碳、硫、硅等等，要认识了解所熟知的“铁、钢”就必须先认识他们中最基础的两种元素，纯铁和碳。
纯铁在1394℃以上以体心立方结构（δ-Fe）稳定存在，温度下降，在912～1394℃范围内发生同素异构转变，以面心立方晶格的γ-Fe稳定存在，在912℃以下又重新回复到体心立方晶格的α-Fe，说体心立方体、面心立方体都离不开另一个主角碳，就是碳在以铁元素构成的立方体中在其体心或者面心。
2）碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。
当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。
3）碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。
它在1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。
4）铁碳合金相图的基本组成相是铁素体、奥氏体和渗碳体，这里引出这三个体，具体理解如下。
1、铁素体碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体，如图1所示。
由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。
在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时碳的固溶度几乎降为零。
因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，其显微组织图如图2所示。
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
二元相图——铁碳相图部分
室温P组织中Fe何时二次渗碳体的含量 最大? 约多少?
2.11 0.77 22.6% 6.69 0.77
Fe3C II
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过共析钢的室温组织
硝酸酒精浸蚀
苦味酸浸蚀
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亚共晶钢的结晶过程
亚共晶铸铁的结晶组织
P（黑色树枝状）
图中树枝状的大块黑色组成体是先共晶A转变成 的P，其余部分为变态莱氏体。由先共晶A中析出的二 次渗碳体依附在共晶渗碳体上而难以分辨。
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P(由初生 A 转变而来)
亚共晶白口铁的室温组织
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共晶组织结晶
共晶铸铁的结晶组织
P（黑色颗粒）
1148C L4.3 2.11 Fe3C
28
P(黑色颗粒）
渗碳体
共晶白口铁的室温组织
29
二次渗碳体的相对量由杠杆法则计算可达11.8％，其实常依附于共晶渗碳体而无法分辨。
过共晶组织
2.4 二元相图实例分析
Fe-Fe3C相图
1. 铁碳合金中存在哪些基本相?
铁素体(BCC结构)----C原子溶于 - Fe形成的固溶体； 奥氏体(FCC结构)----C原子溶于 - Fe形成的固溶体； 渗碳体(正交点阵)------C与铁原子形成复杂结构的化合物； 石墨(六方结构)------碳以游离态石墨稳定相存在。
奥氏体
渗碳体（Cementite, Fe3C ）
• Fe 和 C 形成的复杂结构的金属化合物（间隙化合物）， 其碳含量为Wc=6.69％，熔点为1227℃，
根据生成条件不同 , 有条状、网状、片状、粒状等形 态， Fe3C的大小、数量、分布对铁碳合金性能有很大影响。
4%硝酸酒精浸蚀 呈白色
4%苦味酸溶液浸蚀 呈暗黑色
铁碳合金相图详解
二、钢和白口铁结晶过程分析
(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析
过共晶白口铁的结晶过程比亚共晶白口铁要简单得多，因为它在共晶反 应 之前首先结晶的是针状Fe3CⅠ， 在继续冷却过程中，Fe3CⅠ不 会发生成分和结构的变化，因 此，过共晶白口铁的最终组织 应为共晶白口铁组织加上从L 中结晶出来的针状Fe3CⅡ，即为 Fe3CⅡ + L′d( P + Fe3CⅡ + Fe3C)。
一、概述
相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线(HJB、ECF、PCK)是指三个恒温反应： (2)在1147℃(ECF水平线)发生共晶反应，其反应式为 Lc FP + Fe3C。 共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物， 称此共晶混合物为莱氏体，用字母Ld表示； 冷至室温时成为变态莱氏体，用L′d表示。 此反应发生于所有含碳量 > 2.06％ < 6.67％的铁碳 合金范围内。
二、钢和白口铁结晶过程分析
(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析
亚共晶白口铁的结晶过程示意图 ：
二、钢和白口铁结晶过程分析
(五)亚共晶白口铁(2.06～4.3％C)的结晶过程分析
含3.0％C的亚共晶白口铁的结晶过程示意图 ：
二、钢和白口铁结晶过程分析
(六)过共晶白口铁(4.3～6.67％C)的结晶过程分析
二、钢和白口铁结晶过程分析
(二)亚共析钢(0.02～0.80％C)的结晶过程分析
必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织都是F+P。各种亚 共析钢组织的主要差别，在于 其中的F与P的相对量和F的分 布情况不同。凡含碳量距S点 愈近的亚共析钢，其组织中含 P量愈多而F量则愈少。含碳量 大于0.50％的亚共析钢组织， 其中F趋向于沿P边界呈网状分 布。
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。
金属材料及热处理：铁碳相图
◆渗碳体（Cementite）or Fe3C
◆珠光体（Pearlite） （F+ Fe3C）机械混合物
片状P :α 和 Fe3C 呈片状相间分布粒 状P: Fe3C呈粒状分布在α 基体上
◆高温莱氏体 （Ledeburite）or Ld
奥氏体呈颗粒状
（A+ Fe3C ）机械混合物，727℃以上 ◆低温莱氏体用Le’or Ld’表示
铁碳合金相图
简介 1.铁碳合金基本相和组织 2.铁碳合金相图分析 3.铁碳合金成分、组织与性能的关系
简介 铁碳合金— 碳钢和铸铁 使用最广泛的金属材料。 铁与碳两个组元可形成的化合物：
Fe3C (wC=6.67%) , Fe2C, FeC
工业纯铁： wC ≤ 0.0218 % 碳钢：0.0218 %< wC ≤ 2.11% 铸铁：2.11% < wC ≤ 6.67%
S——共析点，727℃， wC=0.77%
As → （ F+ Fe3C ） P
E——A体中最大溶C量， wC=2.11% 也是钢、铁的分界点
G——Fe的同素异构转变的温度 ，912 ℃
α-Fe γ-Fe
1.主要特性线
ECF——共晶线，1148℃，
L4.3 1148oC A2.11 Fe3C6.67
体心立方
2.铁素体 F (Ferrite) ①铁素体 — C 在 -Fe 中形成的间隙固溶体，具有体 心立方晶 格，用符号 F 表示
② 铁素体的溶碳能力差 — 由于体心立方晶格的间 隙远小于碳的原子半径；
最大溶碳量：727℃， wC=0.0218% 最小溶碳量：室温， wC=0.0008%
③ 强度、硬度低，塑性好。
或块状分布在渗 碳体的基体上