§5.6 铁碳相图和铁碳合金
钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，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(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
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5.6-1）。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。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图5.6-1 铁碳双重相图
【说明】图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
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%。【说明】
图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
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5.6-2。
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5.6-2）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5.6-3,图5.6-4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图5.6-3奥氏体的显微组织图5.6-4碳在γ－Fe晶格中的位置渗碳体
(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5.6-5），
熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。在一定条件下，渗碳体可以分解而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C(石墨)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
图 5.6-5渗碳体的晶格
单相区——5个相图中有5个基本的相，相应的有5个相
区：液相区(L)——ABCD以上区域δ固溶体区——
AHNA奥氏体区(γ)——NJESGN铁素体区(α)——GPQ以
左渗碳体区(Fe3C)——DFK直线
两相区——7个7个两相区分别存在于两个相应的单相区之
间：L+δ——AHJBA L+γ——BJECB L+ Fe3C——
DCFD δ+γ——HNJH γ+α——GPSG γ+Fe3C—
—ESKFCE α+ Fe3C——PQLKSP
三相区——3个包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)
共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)
共析线——水平线PSK(γ+α+Fe3C)
图5.6-6 Fe-Fe3C相图
表5.6-1 Fe-Fe 3C 相图中的特性点
相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表5.6-1
。
Fe-Fe 3C 相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。
包晶转变发生在1495℃（水平线HJB ），反应式为：
式中 L 0.53——含碳量为0.53%的液相；δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。
共晶转变发生在1148℃（水平线ECF ），反应式为：
共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号L d 表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。
共析转变发生727℃（水平线PSK ），反应式为：
共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P 表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃ 时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。
Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C II)。
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅可以溶解
7×10-7%C。所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C III)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。
GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和白口铁三类。
1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。
2.钢——含碳量0.0218% ~ 2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。根据室温组织的不同，钢又可以分为：
亚共析钢(Hypo-eutectoid steel)：含碳量0.0218% ~ 0.77%，具有铁素体α+珠光体P的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。
共析钢(Eutectoid)：含碳0.77%，组织是全部珠光体P。
过共析钢(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77% ~2.11%，组织是珠光体P + 渗碳体Fe3C。
3.白口铁——含碳量2.11% ~ 6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为：
亚共晶白口铁(Hypo-eutectic white iron)：含碳2.11% ~ 4.30%，组织是珠光体P+渗碳体Fe3C+莱氏体L d'。
共晶白口铁(Eutectic white iron)：含碳4.30%，组织是莱氏体L d'。
过共晶白口铁(Hyper-eutectic white iron)：含碳4.3% ~ 6.69%，组织是渗碳体Fe3C+莱氏体L d'。
图5.6-6 Fe-Fe3C合金分类工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe3C III的析出。在冷却过程中合金的组织转变情况见动画演示。室温下工业纯铁的组织为铁素体以及分布在晶界处极少量的三次渗碳体(Fe3C III)。工业纯铁实际室温组织的照片见图5.6-2。
根据Fe-Fe3C相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L→ γ（奥氏体），共析转变γ→ (α +Fe3C)（珠光体P）, α中析出三次渗碳体(Fe3C III) 。具体转变过程见动画演示。室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe3C III）。图5.6-7是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。
图5.6-7 共析钢的室温组织(P)
共析钢只有一种组织（忽略Fe3C III），即珠光体P，珠光体由α和Fe3C两个相组成。应用杠杆定律可以计算出α和Fe3C两个相的相对量。
例题：计算珠光体中α和Fe3C两个相的相对量。
解：应选择α+Fe3C二相区，共析温度（727℃）
或Q Fe3C= 1- Qα= 1- 88.75% = 11.25%
含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。45钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变L0.45→ L0.53+δ，包晶转变L0.53 +δ → γ0.45，同素异晶转变γ0.45→ α +γ0.77，共析转变γ0.77 → (α+Fe3C)。转变过程见动画演示。室温下45钢的组织为：铁素体α + 珠光体P（α + Fe3C）。45钢的实际室温组织照片见图5.6-8。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。图5.6-9和图5.6-10分别是20钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。应用杠杆定律可以准确计算相对量的多少。
图5.6-9 20钢的室温组织 5.6-8 45钢的室温组织图 5.6-10 60钢的室温组织图例题：应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P的相对量。
解：应选择α +γ二相区，共析温度
或Q P = 1-Qα = 1- 42.77% = 57.23%
同样可以计算出20钢：Qα = 76.18% , Q P=
23.82%； 60钢：Qα = 22.72% , Q P= 77.28%。过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体γ；当温度到达ES线以下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3C II），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77 → (α+Fe3C)，形成珠光体P。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe3C)+Fe3C II。具体转变过程见动画演示。实际1.2%C（T12）钢的室温组织照片见图5.6-11。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe3C II的量增大。由于大量的Fe3C II会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe3C II的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe3C II网）或相应的热处理后才能使用。
图5.6-11 1.2%C过共析钢的室温组织图5.6-12 1.4%C过共析钢的室温组织
比较图5.6-11和图5.6-12，可以看出1.4%C钢中的Fe3C II的量比1.2%C中明显的多。
共晶白口铁在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148℃进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体L d（共晶组织）：
在1148℃到727℃之间，莱氏体中的奥氏体γ将按照ES
线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3C II，而奥氏体在727℃时的含
碳量降到0.77%；此时，奥氏体进行共析转变，将全部转变成
珠光体P： .。经过共析转变的
莱氏体，称为低温莱氏体，用符号L d'表示，以区别L d。珠光体
中的渗碳体叫做共析渗碳体，共晶组织中的渗碳体叫做共晶渗
碳体。所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体L d'，其组织
组成为：P+Fe3C共晶+Fe3C II。图5.6-13是共晶白口铁的实际室
温组织照片。
图5.6-13 共晶白口铁的室温组织亚共晶白口铁冷却过程中组织转变与共晶白口铁类似，只是在共晶转变之前，液相中先结晶出奥氏体。到达1148℃时，剩余的液相成份为4.3%C，再往下面，液相的转变就与共晶白口铁一样了。先结晶出来的奥氏体和共晶奥氏体一样，在以后的冷却过程中依次析出二次渗碳体（难以明显看出）和进行共析转变。室温下亚共晶白口铁的平衡组织为：P+Fe3C II+L d'。图5.6-14为实际亚共晶白口铁的室温组织。
图5.6-14 亚共晶白口铁的室温组织
图中黑色树枝状组织为珠光体，其余为共晶组织（低温莱氏体L d'）。
过共晶白口铁在从液态到室温的
冷却过程中，先从液相中结晶出来的是一次渗碳体Fe3C I，剩余的
液相在1148℃进行共晶转变。以下的过程与共晶白口铁相同。因
此，过共晶白口铁的室温组织为：Fe3C I+L d’。见图5.6-15
图5.6-15 过共晶白口铁的室温组织图中白色条状组织为一次渗碳体Fe3C I，其余为共晶组织（低温莱氏体L d’）。
所有白口铁因含有大量的渗碳体而具有很高的硬度，极低的塑性，属于脆性材料。在生产中白口铁主要用于抗磨件，如：轧辊、犁铧、抗磨衬板，等。另外，生产可锻铸铁也需要先生产出白口铸铁坯件，然后通过石墨化热处理得到可锻铸铁件。
所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体
α和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素
体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成
物。含碳量越高，合金中Fe3C的相对量越
多，铁素体α的相对量越少（见图5.6-16）。
图 5.6-16 含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物
相对量、组织组成物相对量的关系
Fe-Fe3C合金的组织组成较为复杂，含碳量对组织组成的影响也较为复杂(见图5.6-16)。
碳钢的组成相只有铁素体和渗碳体两种，组织组成物有先共析铁素体、珠光体和二次渗碳体三种。由于铁素体硬度低、塑性好，渗碳体硬度非常高、塑性为0；所以，由铁素体和渗碳体均匀混合的珠光体具有良好的综合性能，即具有良好的强度和硬度,同时也具有较好地塑性和韧性。
对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降；只有硬度增高。含碳量对钢的性能的具体影响见图5.6-17。
5.6-17 含碳量对热轧钢力学性能的影响
碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通
常被称为钢铁材料的五大元素。C, Si, Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素。C对钢的组织和性能的影响前面已进行了讨论，下面对其余四种元素的影响作简单介绍。
锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的，一般碳钢的含锰量为0.25% ~ 0.8%。钢中的锰一部分形成MnS和MnO夹杂物，其余的锰溶入铁素体和渗碳体中。锰溶入铁素体可以起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度，但是也会降低钢的塑性。
硅在碳钢中的含量小于0.50%，硅具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体可以提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显。但是，硅的含量大于0.8%时，钢的塑性、韧性显著下降。
硫是钢中有害的杂质元素（硫可以提高钢对切削性能，所以在易切削钢中硫是作为合金元素加入的），它是炼钢过程中难以除尽的杂质。硫的有害作用主要是增大钢的热脆性，引起铸件产生热裂纹。因此, 工业上规定优质钢中的硫不得超过0.04%。
钢中的磷来源于炼钢原料。磷对钢的有害作用表现在提高钢的冷脆性，明显降低钢的塑性和韧性。因此，优质碳素钢含磷量不能大于0.04%。
习题
1. 下列说法正确的是：A 铁素体是碳溶解于α-Fe中形成的固溶体，具有体心立方晶体结构； B 渗碳体是碳溶解于γ-Fe 中形成的固溶体，具有体心立方晶体结构；C 奥氏体是碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体，具有面心立方晶体结构。
2. 亚共析钢的含碳量范围是：
A 0.0218% -0.77%
B 0.77% -2.11%;
C 2.11% ~ 4.3%C。
3. 共析钢的室温组织是：
A 珠光体P +二次渗碳体Fe3C II；
B 珠光体P（100%）；
C 莱氏体L d’ (100%)。
4. 计算1148℃共晶转变刚结束时莱氏体中渗碳体Fe
C的相对量: A 52%； B 60%； C 48%。
3
C的相对量(室温铁素体的含碳量看作0):A 48.23%C； B 52.77%C; 47%。
5. 计算室温时莱氏体中渗碳体Fe
3
6. 随着含碳量的增高，亚共析钢的
A 强度、硬度升高，塑性下降；
B 塑性升高，强度、硬度下降；
C 强度、硬度和塑性都升高。
7. 对于过共析钢，含碳量越高，
A 钢的强度、硬度越高，塑性越低；
B 钢的强度、硬度越低，塑性越高；
C 钢的硬度越高，强度和塑性越低。
三、典型铁碳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），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。 ⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。 ⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C） 下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。 图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置 ㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程 合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3C III。7点以下，随温度下降，Fe3C III量不断增加，室温下Fe3C III的最大 量为： % 31 .0 % 100 0008 .0 69 .6 0008 .0 0218 .0 3 = ? - - = Ⅲ C Fe Q 。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为α+Fe3C III，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3C III。
铁碳平衡图 （The Iron-Carbon Diagrams） 连聪贤 本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。 铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。铁碳合金状态图的实际应用。锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。碳铁的分类、编号、性能和用途。 铁碳合金状态图是金属热处理的基础。必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。练习绘制铁碳合金状态 四、课程纲要 （一）铁碳合金的构成元素及基本相
1. 合金的构成元素与名词解释 （1）金属特性：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特 性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶 体）。 （2）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。 （3）相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分，物理上均质且可区分的部分。 （4）固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态 金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。（5）固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。 （6）化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。 （7）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。
§5.6 铁碳相图和铁碳合金 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，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(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。 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5.6-1）。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。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 图5.6-1 铁碳双重相图 【说明】图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
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%。【说明】 图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 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5.6-2。 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5.6-2）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5.6-3,图5.6-4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。 图5.6-3奥氏体的显微组织图5.6-4碳在γ－Fe晶格中的位置渗碳体 (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5.6-5），
铁碳相图以及铁碳合金 Post By：2009-12-6 16:33:51 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，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(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过化合物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。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe -石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
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1 394℃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
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
定义 铁碳平衡相图，又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，铁碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件和亚稳条件下（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。 实用性分析 铁碳平衡相图是铁碳合金在平衡状态时的组织组成图，而不是获得非平衡的马氏体、贝氏体等组织的转变图。铁碳相图的临界温度参数仅仅局限在碳钢和铸铁，非合金钢和合金铸铁。合金钢和合金铸铁的平衡状态图由于添加了其它合金元素，与铁碳平衡状态图相差还是很大的。即使对于碳钢，直接在铁碳平衡图上读取成分----温度之间的对应关系参数值，也是不够精确的。实际上是借助于钢的加热温度临界参数手册而不是从相图上直接获得，那样得到的数值要精确和直观，对应关系明确。 铁碳平衡相图是加热和冷却过程中的速度是及其缓慢的结果，而且又局限于铁碳合金钢种，这个理论状态，是不可能在实际生产中大量运用，实际淬火等热处理加热冷却过程中组织转变都是在一定加热速度和冷却速度下进行的，不是完全达到平衡状态。 所以说铁碳平衡相图仅仅是研究热处理、学习热处理的必备基础知识和出发点，而不是直接在热处理工艺过程中运用的相图。 铁碳相图的用途究竟是什么？（转自汪庆华文章） 在很多资料中说明铁碳平衡相图在热处理中是十分重要的知识，是制定钢铁材料加热工艺的依据，而且指出：尤其是热处理工必须熟练掌握铁碳平衡相图。但是在实际生产运用中，例如：淬火、回火过程中，铁碳相图的直接应用是十分有限的，直接实用的是各种钢材的CCT、TTT、以及各种钢材的淬透性参数（曲线）、临界加热参数、临界冷却速度参数曲线，回火硬度曲线等。 铁碳相图是铁碳合金在平衡状态时的组织组成图，而不是获得非平衡的马氏体、贝氏体等组织的转变图。铁碳相图的临界温度参数仅仅局限在碳钢和铸铁，非合金钢和合金铸铁。合金钢和合金铸铁的平衡状态图由于添加了其它合金元素，与铁碳平衡状态图相差还是很大的。即使对于碳钢，直接在铁碳平衡图上读取成分----温度之间的对应关系参数值，也是不够精确的。实际上是借助于钢的加热温度临界参数手册而不是从相图上直接获得，那样得到的数值要精确和直观，对应关系明确。 另外，铁碳平衡相图是加热和冷却过程中的速度是及其缓慢的结果，而且又局限于铁碳合金钢种，这个理论状态，是不可能在实际生产中大量运用，实际淬火等热处理加热冷却过程中组织转变都是在一定加热速度和冷却速度下进行的，不是完全达到平衡状态。所以，铁碳平衡相图仅仅是研究热处理、学习热处理的必备基础知识和出发点，而不是直接在热处理工艺过程中运用的相图。
第四章 纯铁：α-Fe 在770℃（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。 工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好 C在钢铁中存在的三种形式： 溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶体）－钢 以游离石墨存在于钢铁中－铸铁。 与铁成金属间化合物如Fe3C, Fe2C, FeC）－金属间化合物 石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。 实线为 Fe－Fe3C 相图虚线为 Fe－C 相图 α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。α= F γ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。γ= A δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。
Fe3C相铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为 Cm(Cementite)。 石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。 L相碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。 的冷却过程中组织还会发生变化。 Ld(Ledeburite) 的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite)
（1） ABCD ―液相线（2） AHJECF ―固相线 （3） HJB ―包晶反应线 (1495 C) L B+δH←→A J （4） ECF ―共晶反应线 (1148 C) L C←→ A E+Fe3C I (称为莱氏体) （5） PSK ―共析反应线 (727 C)As←→Fp+Fe3C (称为珠光体) （6） A CM线（ES线）―从奥氏体析出Fe3CⅡ的临界温度线 （7） A3线（GS线）―从奥氏体转变为铁素体线 五个单相区：液相区 L 高温固溶体δ；γ相（奥氏体，A) ；α相（铁素体，F) Fe3C相（渗碳体，Cm） 七个双相区：L＋δ， L＋γ， L＋ Fe3C，δ＋γ，γ＋ Fe3C，α＋γ；α＋Fe3C 三个三相区：HJB线 L＋δ＋γ；ECK线 L ＋γ＋ Fe3C；PSK线γ＋α＋Fe3C 工业纯铁 (C%<0.02%) 碳钢 ( C%= 0.02% 2.11 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共析钢：C<0.77 wt% 共析钢： C=0.77 wt% 过共析钢：C>0.77 wt% 白口铸铁 (生铁）（C%= 2.11 6.69 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共晶白口铸铁 C<4.3 wt% 共晶白口铸铁 C=4.3 wt% 过共晶白口铸铁 C>4.3 wt% 灰口铸铁（C%= 2.11 6.69 wt %） 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F 相：α (F) 共析钢(C%≈0.77%)：组织：P 相：α(F)＋Fe3C 亚共析钢(C%=0.02 0.77%)：组织：F＋P 相：α (F)＋Fe3C 组织转变： L→L+A→A→F+A→F+P 过共析钢(C%=0.77 2.11%)：组织：P＋Fe3C II相；α (F) ＋Fe3C 组织转变：L→L＋A →A→A＋Fe3C II→P＋Fe3C II 共晶白口铁(C%≈4.3%)：组织：L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变 L → Ld（A+Fe3C I)→A+Fe3C II+Fe3C I → (P + Fe3C I（Fe3CⅡ)） 亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)：组织：P＋Fe3C II＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变L→L＋A→A＋Ld→A＋Fe3C II＋Ld→P＋Fe3C II＋L’d 过共晶白口铁(C%=4.3 ~ 6.69%)：组织：Fe3C I＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变 L→L+Fe3C I→Fe3C I+Ld→Fe3C I+L’d
二、铁碳合金相图的分析 Fe-Fe3C相图如图3-25所示。可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相?，铁素体相?，奥氏体相?和渗碳体相Fe3C。这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+?、L+ Fe3C、δ+?、?+ Fe3C 、?+?和?+ Fe3C。 图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图 在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。 点的符号温度/℃含碳量/% 说明 A 1538 0 纯铁熔点 B 1495 包晶反应时液相的成分 C 1148 共晶点L C ??E+ Fe3C D 1227 渗碳体的熔点 E 1148 碳在?-Fe中的最大溶解度 F 1148 渗碳体 G 912 0 ?-Fe ??-Fe同素异构转变点 H 1495 碳在?-Fe中的最大溶解度 J 1495 包晶点L B+?H ??J K 727 渗碳体 N 1394 0 ?-Fe??-Fe同素异构转变点 P 727 碳在?-Fe中的最大溶解度 S 727 共析点?S ??P+ Fe3C Q 室温室温下碳在?-Fe中的溶解度Fe- Fe3C HJB水平线（1495?C）为包晶线，与该线成分（%~%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：+ ???（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。 ECF水平线（1148?C）为共晶线，与该线成分（%~%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：?? + Fe3C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。 PSK水平线（727?C）为共析线，与该线成分（%~%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：??? + Fe3C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。共析线又称为
铁碳平衡相图 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。 简史早期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）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 1合为一点。1904年又发现A4至熔点相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与A r 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。
第三章 铁碳合金相图 非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。 铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 3.l.l 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为 2/m kg 3107.87?。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变） ，即： δ-Fe （体心） γ-Fe （面心） α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。 可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。 3.1.2 基本相 Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相： ⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。 ⑶奥氏体 碳溶于γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 3.2 Fe -C Fe 3相图 3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义 Fe -C Fe 3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。
一、解释下列名词 1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。共析Fe3C ：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢：含碳量大于%，小于%的铁碳合金白口铸铁：含碳量大于%的铁碳合金。 二、填空题 1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等两个。 2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。 3、Fe－Fe3C 相图有三条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。 5、共晶白口铁的含碳量为%，室温平衡组织P占%，Fe3C共晶占%，Fe3CⅡ占%。 6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的塑、韧性，因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。 三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？ 答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。 2、铁素体（F），奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点？ 答：铁素体结构为体心立方晶格。由于碳在α-Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（A）结构为面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。 渗碳体（Fe3C）具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。 珠光体（P）为铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。 莱氏体（Ld）为奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。 3、Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？ 答：⑴碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。 ⑵为选材提供成分依据：铁碳相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；
▲铁碳相图 [此图中的所有字母、重要温度点、区间产物、含碳量都要会默写，考试不给图，还要会画每个区间冷却组织组成物，冷步曲线。] ①亚共析钢(Wc=4.0%) 计算Wc=4.0%的铁碳合金，按亚稳态冷却到室温后组织中的珠光体，二次渗碳体和莱氏体的相对量，并计算组织组成物珠光体中渗碳体与铁素体及莱氏体中的二次渗碳体，共晶渗碳体和共析渗碳体的量。 [分解过程如下，考研题比这个简单一些] （1）奥氏体γ或A: 4.3 4.0100%=13.7%4.3 2.11 -?- 高温Ld: 1-13.7%=86.3% 奥氏体中二次渗碳体Fe 3C Ⅱ：2.11-0.7713.7%=3.10%6.69-0.77 ? 珠光体P ：13.7%-3.10%=10.6% （2）珠光体中α和3Fe C 共析：
0.0218α：10.6%-1.21%=9.39% 3Fe C 共析：0.77-0.021810.6%=1.21%6.69-0.0218 ? 莱氏体：86.3% 3Fe C 共晶： 4.3-2.11%=41.3%6.69-2.86.311? γ：%-41.3%86.3=45% Fe 3C Ⅱ：2.11-0.77%=10.1%6.69-045.77 ? P ：45%-10.1%=34.9% 3Fe C 共析： 0.77-0.0218%=3.98%6.69-0.034.9? ②过共析钢（Wc=5.0%） 3Fe C 1：100%=29%6.69-4.3 ? ① 4.3L ：1-29%=71% [考试题目只会选取其中一点考，所以此题掌握铁碳相图求解就OK 了] 1、某单晶体受到一均匀切应力τ的作用，其滑移面上有一柏氏矢量b 的位错，如图所示（一般要先假定位错环的方向，按ABCD 顺时针或者逆时针。） （1）分析该位错环中各段位错的类型。 （2）求出各段所受的力的大小及方向。 （3）请指出刃型位错半原子面的位置。 （4）在切应力τ的作用下，该位错环将如何运动其运动结果如何 （1）A 纯正刃型位错，C 纯正刃型位错，B 左螺型位错，D 右螺型位错， 其余为混合位错（这个别丢写）。 （2）A 处半原子面在滑移面的上方，C 处半原子面在滑移面的下方 30.021834.334.3-2.11%=34% 6.69-2.110.0218-0Fe C 25.43%=0.076%%-%=% 6.69-Fe C 025.43%-0.076%=25.354%071L P %-%=%:71%-34%.77-0.0218%=3.2%6.69-0.0218=37%Fe C ααγ????????共晶Ⅲ共析:⑤④③：37：：28.63 3.225.43：28.68.3728.363②：3 2.11-0.7737%=8.37%6.69-0.77Fe C ?????????????????????????????? ??Ⅱ：
最全的铁碳相图 首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下： 合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。 相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。 固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。 固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。 金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。 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。 在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。 1.铁素体 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。 δ=30%~50%，A KU=128~160J，σb=180~280MPa，50~80HBS. 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,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。 2.奥氏体
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 第二节铁碳合金相图 一、相图分析 两组元：Fe、Fe3C 上半部分图形（二元共晶相图） 共晶转变： 1148℃727℃ L4.3 → A2.11+ Fe3C → P + Fe3C莱氏体Ld Ld′ 2、下半部分图形（共析相图） 两个基本相：F、Fe3C 共析转变： 727℃ A0.77→ F0.0218 + Fe3C 珠光体P 二、典型合金结晶过程 分类：
三条重要的特性曲线 ① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线. ② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线. ③ PQ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727oC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727oC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. 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 L → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ 4、共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) → Ld(A+Fe3C+ Fe3CⅡ) → Ld′(P+Fe3C+ Fe3CⅡ) 5、亚共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + A → Ld+A+ Fe3CⅡ→ Ld′+P+ Fe3CⅡ 6、过共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C
第三章铁碳相图(含答案) 以下是为大家整理的第三章铁碳相图(含答案)的相关范文，本文关键词为第三章,铁碳,相图,答案,第三章,铁碳,相图,填空,空白处,，您可以从右上方搜索框检索更多相关文章，如果您觉得有用，请继续关注我们并推荐给您的好友，您可以在交流材料中查看更多范文。 第三章铁碳相图 一、填空题（在空白处填上正确的内容） 1、从相变的角度来看，钢与铸铁是按________来区分的，钢与工业纯铁是按________来 区分的。
答案：有无共晶转变、有无共析转变 2、碳溶解在________中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号________表示；奥氏体 的力学性能是________和________不高，但具有良好的________。 答案：γ-Fe、A、强度、硬度、塑性 3、渗碳体是铁和碳的化合物，常用________表示；渗碳体的含碳量为6．69％，具有复杂的晶格，它的________很高，脆性很大，而________和________几乎等于零。 c、硬度、塑性、韧性 答案：Fe 3 c相图，它由三个典型的二元合金相图组合而成，即________、________和4、统观Fe-Fe
3 ________。 答案：匀晶（型）相图、共晶（型）相图、包晶（型）相图 5、铁碳合金在固态下的基本相有________、________和________三种。 答案：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3c) 6、在钢中，由于铁与碳的相互作用，可以形成四种基本组织，即________、________、 ________和________。 答案：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3c）、珠光体（p） 7、Fe-Fe c相图中，根据e点（含碳量为________）可将铁碳合金分为
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 C C 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结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。 三、铁碳化合物 当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化物Fe3C的形式存在。 Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。 4-2 Fe-Fe3C相图分析 Fe-Fe3C相图如图7.2所示。
铁碳合金相图在实际生产中应用之我见 摘要：铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，实际应用中对于钢铁材料的应用以及热加工和 热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe 3C、Fe 2 C、 FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe 3C部分，通常称其为 Fe-Fe 3 C相图,相图中的 组元只有Fe和Fe 3 C。 关键词：相图分析结晶应用 一、铁碳合金基本相 1、铁素体δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度： C%=0.0218%）。 2、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形 3、渗碳体 Fe 3 C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 二、Fe-Fe 3 C相图分析 1、相图中的点、线、面 三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A （2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A （2.11%C）+Fe 3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe 3 C三 相共存。共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。
（3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分 的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe 3 C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）。共析 反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe 3 C三相共存。共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：抗拉强度极限σb≈770MPa 冲击韧性ak≈3×105J/m2～4×105J/m2 延伸率δ≈20%～35% 硬度：180HB 液固相线：液相线ABCD 固相线AECF 2、Fe-C合金平衡结晶过程 工业纯铁（C%≤0.0218%）：铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。 L →L+A →A →A+F →F →F+Fe 3C III 相组成物：F+Fe 3 C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%） 相相对量：F%= Fe 3 C%= 组织组成物：F和Fe 3C III 工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。共析钢（C%=0.77%）： 相组成物：F和Fe 3 C 相相对量：F%= Fe 3 C%= 组织组成物：P L →L+A →A →A+P →P 亚共析钢（0.0218%＜C%＜0.77%）： L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F