铁碳合金相图分析报告

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δ，铁素体相α，奥氏体相γ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+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ 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。

Fe- Fe3CHJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53+ δ0.09→γ0.17（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（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + 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（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218 + 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A1线。

此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线：GS、GP为γ⇄α固溶体转变线，HN、JN为δ⇄γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。

GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。

ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。

在1148︒C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727︒C 时溶解度只有0.77%。

实验三铁碳合金相图及平衡组织分析一、实验目的1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征；2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，建立Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系3.了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备二、实验原理通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。

按组织分区的Fe-Fe3C相图（一）铁碳合金中的几种基本相和组织（1）铁素体（F）。

它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。

具有磁性及良好的塑性，硬度较低。

用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒。

亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。

（2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量为6.69%。

用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。

此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。

（3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。

由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。

因此，铁素体后，渗碳体薄。

硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。

1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。

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d 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，d 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Fe 3C III 。

7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为:%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC 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a+Fe 3C III ,如图3—28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。

图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②)的结晶过程共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0。

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δ，铁素体相α，奥氏体相γ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+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ 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 0.53 包晶反应时液相的成分C 1148 4.3 共晶点L C ⇄γE+Fe3CD 1227 6.69 渗碳体的熔点E 1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度F 1148 6.69 渗碳体G 912 0 γ-Fe ⇄α-Fe同素异构转变点H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度Fe- Fe3HJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53 + δ0.09→γ0.17（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（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + 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（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218+ 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。

【金属学】09-铁碳相图分析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，也是制定各种轧制制度、加热制度的物理依据。

一、Fe-Fe3C相图的组元 1．Fe组元δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--- a -Fe(bcc) (同素异构转变) 强度低、硬度低、韧性、塑性好2．Fe3C （ Cem， Cm）熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

二、Fe-Fe3C相图中的相1．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ -Fe中——δ相）3．α相铁素体F （C固溶到α-Fe中——α相）强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体（C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低，易塑性变形5．Fe3C三、相图分析1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB：1495摄氏度，C%=0.09-0.53% LB+δH------AJ 即L0.53+ δ0.09------- A0.17（2）共晶转变线ECF,1148摄氏度，C%=2.11---6.69%L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3 高温莱氏体Le，Ld（3）共析转变线PSK，727摄氏度，C%=0.0218---6.69% As----FP+Fe3C（共析渗碳体）A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体Le’2．液固相线液相线ACD 固相线AECF3．溶解度线ES线碳在A中的固溶线，1148摄氏度，2.11%——727摄氏度,0.77%,Fe3CII PQ线碳在F中的固溶线，727摄氏度,0.0218%——0.0008%室温，Fe3CIII4．GS线5. 特征点6.特征线表。

铁碳合金的平衡结晶过程及组织分析工业纯铁的平衡结晶过程及其组织①线Ｔ１～Ｔ２：Ｌ→δＴ２～Ｔ３：δＴ３～Ｔ４：δ→γＴ３～Ｔ４：γＴ５～Ｔ６：γ→αＴ６～Ｔ７：αＴ７以下：α→Ｆｅ３ＣⅢ室温组织：α＋Ｆｅ３ＣⅢ亚共析钢的平衡结晶过程及其组织②线Ｔ１～Ｔ２：Ｌ→δＴ２：Ｌ＋δ→γＴ２～Ｔ３：Ｌ→γＴ３～Ｔ４：γＴ４～Ｔ５：γ→αＴ５或727℃：γ0.77→Ｐ727℃以下：α→Ｆｅ３ＣⅢ，但析出量很少，可以忽略不计室温组织：α＋Ｐ，即由先共析铁素体和珠光体组成。

共析钢的平衡结晶过程及其组织③线Ｔ１～Ｔ２：Ｌ→γＴ２～Ｔ３：γ727℃：γ0.77→（α0.0218＋Ｆｅ３Ｃ）或γ→Ｐ室温组织：片层状珠光体Ｐ过共析钢的平衡结晶过程及其组织④线Ｔ１～Ｔ２：Ｌ→γＴ２～Ｔ３：γＴ３～Ｔ４：γ→Ｆｅ３ＣⅢＴ４或727℃：γ0.77→Ｐ727℃以下：α→Ｆｅ３ＣⅢ，但析出量很少，可以忽略室温组织：Ｐ＋Ｆｅ３ＣⅡ二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状分布亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程及其组织⑤线⑧⑨Ｔ１～Ｔ２：Ｌ→γＴ２：Ｌ４．３→（γ２．１１＋Ｆｅ３Ｃ）莱士体或Ｌ→ＬｄＴ２～Ｔ３：γ２．１１→Ｆｅ３ＣⅡＴ３或７２７℃：γ０．７７→Ｐ室温组织：Ｐ＋Ｆｅ３ＣⅡ＋Ｌｄ′（低温莱士体）大块黑色部分是珠光体，二次渗碳体与共晶渗碳体连成一片，难以分辨。

共晶白口铸铁的平衡结晶过程及其组织⑥线1148℃：Ｌ4.3→（γ2.11＋Ｆｅ３Ｃ）或Ｌ→Ｌｄ1148℃－７２７℃：γ２．１１→Ｆｅ３ＣⅡ727℃：γ０．７７→Ｐ室温组织：Ｌｄ′＝（Ｐ＋Ｆｅ３ＣⅡ＋Ｆｅ３Ｃ）二次渗碳体依附在共晶渗碳体上析出并长大，难以分辨。

过共晶白口铸铁的平衡结晶过程及其组织⑦线Ｔ１～Ｔ２：Ｌ→Ｆｅ３ＣＴ２：Ｌ４．３→（γ２．１１＋Ｆｅ３Ｃ）或Ｌ→ＬｄＴ２～Ｔ３：γ２．１１→Ｆｅ３ＣⅡＴ３或727℃：γ０．７７→Ｐ室温组织：Ｆｅ３Ｃ＋Ｌｄ’一次渗碳体分布在共晶渗碳体上相关计算二次渗碳体最大处为W 2.11处，为（2.11-0.77）/（6.69-0.77）×100% 三次渗碳体的最大处为W 0.0218处，为0.0218/6.69×100%随含碳量的增加，铁碳合金的室温组织发生了变化。

解析铁碳相图中的点与线铁碳合金的基本相与Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图铁素体：碳溶解于α－Ｆｅ中的间隙固溶体，体心立方结构，塑性好，呈铁磁性，表示为Ｆ或α。

奥氏体：碳溶解于γ－Ｆｅ中的间隙固溶体，面心立方结构，塑性好，呈顺磁性，表示为Ａ或γ。

渗碳体（Ｆｅ３Ｃ）：铁与碳形成的间隙化合物，正交晶系．含碳量6.69％，硬而脆，230℃以下具有一定铁磁性各温度下的同素异构转变1538℃：Ｌ→δ－Ｆｅ（bcc结构）1394℃：δ－Ｆｅ→γ－Ｆｅ（fcc结构）912℃：γ－Ｆｅ→α－Ｆｅ（bcc结构）其实还存在两个特殊温度线，即1148℃共晶线，此线共晶点处由液相生成两种固相，另外一条是727℃共析线，此线共析点处由一个固相生成两个不同的固相Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图分析包晶转变（水平线HJB）：δ0.09＋Ｌ0.53＝γ0.17（1495℃）共晶转变（水平线ECF）：Ｌ4.3＝γ2.11＋Ｆｅ３Ｃ（1148℃）反应产物称为莱氏体，以Ｌｄ表示。

凡是含碳量在2.11％－6.69％范围内的合金，都要发生共晶转变。

共析转变（水平线ＰＳＫ）：γ0.77＝α0.0218＋Ｆｅ3Ｃ（727℃）反应产物称为珠光体，以Ｐ表示。

凡是含碳量在0.0218％－2.11％范围内的合金，都要发生共析转变.几个重要的点A（0%，1538℃）B（0.51%，1495℃）C（4.3%，1148℃）E（2.11%，1148℃）G（0%，912℃）H（0.09%，1495℃）J（0.17%，1495℃）N（0%，1394℃）P（0.0218%，727℃）三条重要的线ＧＳ线：ＧＳ线又称为Ａ3线，它是冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线。

ＥＳ线：ＥＳ线是碳在奥氏体中的溶解度曲线，当温度低于此曲线时，从奥氏体中析出二次渗碳体，用Ｆｅ3ＣⅡ表示，因此该曲线又称二次渗碳体的开始析出线。

ＥＳ线也叫Ａcm 线。

ＰＱ线：ＰＱ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。

当温度低于此曲线时，就要从铁素体中析出三次渗碳体，用Ｆｅ3ＣⅢ表示，因此该曲线又称三次渗碳体的开始析出线。

Fe-C 相图分析一. Fe-C 双重相图铁碳合金是铁与碳组成的合金，在合金中当碳含量超过固溶体的溶解限度后，剩余的碳以两种存在方式：渗碳体Fe 3C 或石墨。

在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe 3C 系进行转变。

但在极为缓慢冷却或加入促进石墨化的元素的条件下碳才以石墨的形式存在，因此Fe-石墨系是更稳定的状态。

按照这样情况，铁碳相图常表示为Fe-Fe 3C 和Fe-石墨双重相图，如图6.1所示。

Fe 3C T /0CD 'K 'δC wt.%图6.1 Fe-C 双重相图图中实线部分为Fe-Fe 3C 相图，虚线表示Fe-C 相图，实线与虚线重合的部分以实线表示。

尽管Fe-Fe 3C 相图是一个亚稳相图，但一般情况下铁碳合金中的相变化遵循Fe-Fe 3C 相图，所以通常也将其称为平衡相图，在Fe-Fe 3C 相图中的相或反应生成的各种组织都分别称为平衡相或平衡组织。

二. Fe-Fe3C相图分析1.相区五个单相区：ABCD（液相线）—液相区（L） AHNA—δ相区NJESGN—奥氏体区（γ或A） GPQG—铁素体区（α或F）DFK—渗碳体区（Fe3C或Cm）ABCD为固相线，AHJECF为液相线。

七个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+α、γ+Fe3C、α+ Fe3C五条水平线：HJB—包晶转变线、ECF—共晶转变线、PSK—共析转变线770℃（MO）虚线—铁素体的磁性转变线（又称为A2线）230℃虚线—渗碳体的磁性转变线2. 三个恒温转变（1）包晶转变（1495℃HJB水平线）：凡成分贯穿HJB恒温线的铁碳合金（w(C)＝0.09-0.53%），冷却到1495℃，w(C)＝0.53%的液相与w(C)＝0.09%的δ相发生包晶反应，生成w(C)＝0.17%的γ相即奥氏体A。

包晶反应式记为1495CB H JLδγ︒+→，其中的下标字母表示该相的成分点。

（2）共晶转变（1148℃ECF水平线）：反应式为11483CC EL Fe Cγ︒↔+，w(C)＝2.11-6.69%的合金冷却时，在1148℃都发生共晶转变。

第六节二元相图的分析方法•二元相图中的几何规律①相邻相区的相数差1（点接触除外）－相区接触法则；②三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点。

③若两个三相区中有2个相同的相，则两水平线之间必是由这两相组成的两相区。

④单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。

L1.4Al+L99.7 L99.24Al+Pb549℃: Cu+L β547℃: β+L γ544℃: L γ+δ397℃: δ+L ε314℃: L ε +Cd第六节二元相图的分析方法•相图分析步骤①以稳定的化合物分割相图；②确定各点、线、区的意义；③分析具体合金的结晶过程及其组织变化。

注：虚线、点划线的意义－尚未准确确定的数据、磁学转变线、有序－无序转变线。

第六节二元相图的分析方法•分析室温组织时，从距室温最近的单相区开始。

例•紧跟成分变化线不迷路：单相区成分不变，两相区中两相成分分别沿该两相区左右两条边界线变化三相区三个相成分不变，分别为水平线上三个点对应成分•共晶、共析转变产物可作为一个组织组成物，其形貌及相对量不再改变（组成相有可能发生变化）。

86第六节二元相图的分析方法第六节二元相图的分析方法第六节二元相图的分析方法较快冷却条件下：(1)具有匀晶转变的系统发生显微偏析；(2)具有共晶转变的系统，成分位于共晶反应线端点以外的会形成少量共晶；非共晶成分会形成全部共晶（伪共晶）；共晶甚至过共晶（或亚共晶）成分会形成亚共晶（或过共晶）。

(3)具有共析转变的系统，类似(2)形成非平衡共析体。

(4)具有包晶转变的系统，包晶成分的会出现不完全包晶，固体相剩余。

非平衡组织：第六节二元相图的分析方法4.6.2.1相图中的相•铁素体：α或F，高温铁素体δ，bcc•奥氏体：γ或A，fcc•渗碳体：Fe3C，正交晶系α＋ ＋Ｆｅ３Ｃ第六节二元相图的分析方法4.6.2.2相图中的点和线•特性点第六节二元相图的分析方法4.6.2.2相图中的点和线•等温转变线包晶线HJB：1495℃L+δ γ共晶线ECF：1148 ℃L γ+Fe3C莱氏体Ld共析线PSK: 727 ℃γ α+Fe3C珠光体Pα＋ ＋Ｆｅ３Ｃ第六节二元相图的分析方法第六节二元相图的分析方法4.6.2.2相图中的点和线•三条特性曲线GS线：A3线，先共析铁素体开始析出线A FES线：A cm线，碳在A 中的溶解度曲线A Fe3CⅡPQ线：碳在F中的溶解度曲线F Fe3C Ⅲ第六节二元相图的分析方法4.6.2.2相图中的点和线点：16个。