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第二讲 铁碳相图与应用180326

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铁碳相图的应用

铁碳相图的应用

母相奥氏体的碳含量较高时，奥氏体的屈服强 度也较高，导致切变阻力增大，难以按切变机制 实现点阵改组。
② MS 线发生曲折
有部分贝氏体相变时， 贝氏体铁素体先析出， 提高了A中的碳含量，MS ↓，向下曲折。
有部分珠光体相变时，渗碳体是领先相，使A 的C%↓，MS ↑，向上曲折。
③ CCT曲线位于C曲线的右下方 连续冷却转变时转变温度较低，孕育期较长。
亚共析钢的TTT曲线
温度
(℃)
800
F
700
A
600
500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
M + A残
-100 0
1
10
102
103
A3 A1 P+F S+F T B
104 时间(s)
对过共析钢在发生P转变之前有先共析渗碳体析出，因此 过共析钢的过冷A等温转变曲线在左上角有一条先共析渗 碳体析出线，且随含碳量增加向左上方移动，直至消失。
（2）冷却速度对转变产物的影响
当V>Vc 时， A过→M 当V<Vc’时，A过→P 当Vc<V<Vc’时，A过→M+P 实际中由于CCT曲线测量难，可用TTT曲线代替
CCT曲线作定性分析，判断获得M的难易程度。
注意：VC’和VC为临界冷却速度 上临界冷却速度 VC — 下临界冷却速度 VC’ —
❖由于加热冷却速度直接影响转 变温度，因此一般手册中的数 据是以30-50℃/h的速度加热或 冷却时测得的。
钢坯加热
二．钢的奥氏体化过程
分为四步
包括晶格改组和Fe、C原子的扩散过程，遵循 形核、长大规律
优先在相界 （F、Fe3C）形核
Why?
铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)资料

铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)资料

2018/12/21 53
1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
金属凝固后晶粒较为粗大（宏观可见）
三个晶区：激冷区、柱状晶区、等轴晶区
2018/12/21 54
1、 铸锭(件)的三晶区 (结晶不均匀性 )
①激冷区：紧邻型壁的一个 外壳层，它由无规则排列的 细小等轴晶组成； ②柱状晶区：它由垂直于型 壁，彼此平行的柱状晶组成； ③等轴晶区：它处于铸锭(件) 的中心区域，由等轴晶粒组 成。
2018/12/21 22
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 3 ） GP 线：碳在 铁 素 体 (α) 中 的 固 溶度线 在 α+γ 两相区，温 度变化时，铁素体 中的含碳量沿这条 线变化。
2018/12/21 23
Fe-Fe3C相图中四条重要的固态转变线
（ 4 ） PQ 线 ： 碳 在 铁 素 体 (α) 中的固溶度线 ( 共析 温度以下) 在 727℃时，铁素体含碳 量为 0.0218 ％，在 600℃ 时仅为 0.008 ％，因此温 度下降时铁素体中将析 出渗碳体，称为三次渗 碳体记作Fe3CIII。 图中 (770℃) 线表示铁素 体的磁性转变温度 ( 居里 温度)，常称A2温度。 230℃水平虚线表示渗碳 体的磁性转变温度 24
由于凝固过程中所发生的包括液-固相变的一 系列物理化学变化，造成了铸件(铸锭)在宏观 范围内的不均匀。（不均匀性分为三类）
2018/12/21 52
三、 合金铸件的组织与缺陷
不均匀性分为三类（根据形态）： 物理不均匀性，包括缩孔、疏松、气泡、 裂纹等； 结晶不均匀性，指初生树枝状晶的大小、 形状、位向和分布； 化学不均匀性，包括树枝状偏析(晶内偏 析)和区域偏析。
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)

铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)

以Fe3C为基, 性能硬而脆。 塑性很差
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
铁碳合金相图及应用

铁碳合金相图及应用


相图的应用——热锻、热轧工艺方面的 应用
钢处于奥氏体状态时 强度较低, 塑性较好, 因 此锻造或轧制选在单相奥 氏体区进行。一般始锻、 始轧温度控制在固相线以 下100℃～200℃范围内。 一般始锻温度为1150℃～ 1250℃, 终锻温度为 750℃～850℃。
相图的应用——在热处理工艺方面的应用
硬度 50HB～80HB
2．共析钢 C%=0.77%
2．共析钢 C%=0.77%
相组成物：F和Fe3C 相相对量：F%= 组织组成物 ：P
Fe3C%=
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
L → L+A → A → A+F → A+P+F → P+F
相相对量：F%=
Fe3C%=
组织组成物：F பைடு நூலகம் Fe3CIII
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、 塑性好。主要机械性能如下：
抗拉强度极限 σb 180MPa～230MPa
抗拉屈服极限 σ0.2 100MPa～170MPa 延伸率 δ 30%～50% 断面收缩率 ψ 70%～80% 冲击韧性 ak 1.6×106J/m2～2×106 J/m2
三、渗碳体 Fe3C相，由Fe与C组成一种复杂结构的间隙化合 物,渗碳体的熔点高，性能：硬而脆，塑性、韧性几乎为 零。按不同生成条件形状有：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。
第二节 Fe-Fe3C相图分析
一、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。
本章结束
3．亚共析钢 0.0218%＜C%＜0.77%
铁碳相图及其应用

铁碳相图及其应用

铁碳相图及其应用一、铁碳相图的发展史：早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫就注意到只有把钢加热到某一温度”T”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。

奥斯蒙认为这表明铁有同素异形体，即α铁、β铁和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,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。

1904年又发现了δ铁。

1899年罗伯茨－奥斯汀制定了第一张铁碳相图；而洛兹本更首先在合金系统中应用吉布斯相律,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改。

目前采用的铁碳平衡相图如图1所示：图1—铁碳平衡相图二、铁碳平衡图释义：纯铁有两种同素异构体,在912℃以下为体心立方的α－Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe;在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构,即δ－Fe。

当碳溶于α－Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于γ-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。

Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。

但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700℃，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱)，石墨虽然在铸铁(2～4％C)中大量存在,但在一般钢(0.03～1.5％C)中却较难形成这种稳定相。

Fe－Fe3C平衡图有重要的意义并得到广泛的应用。

图1中的实线绘出亚稳的 Fe-Fe3C 系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；平衡图中绝大多数线是根据实验测得的数据绘制的；有些线，如Fe3C的液相线，石墨在奥氏体中溶解度等是由热力学计算得出的。

Fe-Fe3C平衡图由包晶、共晶、共析三个基本反应组成。

铁碳相图原理及应用

铁碳相图原理及应用


4. 珠光体( P )
珠光体( P ):铁素体和渗碳体的机械混合 物(F+Fe3C) ① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成 ② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解 得到

5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C ) ① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到 ② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.

1、铁素体（α-Fe）






铁素体（ F ）：C 溶在 α—Fe中的一种间隙固 溶体 ① 晶体结构：体心立方晶格 ② 溶碳能力：较小，常温下0.008%以下，在 727℃时溶碳能力达到最大0.0218%。 ③ 组织形态：多边形等轴晶粒 ④ 机械性能：与纯 Fe 性能相似，属软韧相， 强度和 硬度不高，塑性、韧性好。 ⑤ 表示方法：一般用 F 表示，也有用α—Fe、 α 、φ等

典型合金平衡结晶过程和组织
1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
工业纯铁的平衡凝固过程及组织 组织 F+（Fe3C）III

1.工业纯铁(0.01%C,合金①)
2.共析钢(0.77%C,合金②)
共析转变 转变产物为珠光体 ,转变过程 L → L+A → A → P ( Fe3C +F )

1.2.2相图中的点、线、区及其意义
Fe-Fe3C相图中各点的成分、温度及其特性综合


铁碳合金相图（超清楚版）

铁碳合金相图（超清楚版）

600700800900
F 温度/
℃Fe-Fe 3C 合金相图
Fe K
D
1、铁素体：碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F 或α表示。

碳在α-Fe 中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。

2、奥氏体： 碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A 或γ表示。

3、渗碳体： 渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe 3C ，渗碳体既是组元，又是基本相。

4、珠光体：用符号P 表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械机械混合物。

5、莱氏体：用符号Ld 表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。

特性点符号 温度/℃ ωc （%）含义
A 1538 0熔点：纯铁的熔点
C 1148 4.3共晶点：发生共晶转变L4.3→Ld(A2.11%+Fe3C 共晶)
D 1227 6.69熔点：渗碳体的熔点
E 1148 2.11碳在γ-Fe 中的最大溶解度点
G 912 0同素异构转变点
S 727 0.77共析点：发生共析转变A0.77%→p(F0.0218%+Fe3C 共析)P 727 0.0218碳在α-Fe 中的最大溶解度点
Q 室温 0.0008室温下碳在α-Fe 中的最大溶解度。

讲座3-2铁碳相图的应用C曲线-资料

讲座3-2铁碳相图的应用C曲线-资料

奥氏体晶粒随温度的升高而稳定快速长大→本质粗晶钢；
奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质 细晶钢。
本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢
奥氏体晶粒长大趋势与特征
思考题： 1）如何测定钢的晶体粒度？ 2）如何测定钢本质晶粒度？
3．奥氏体晶粒度的控制
影响奥氏体晶粒度的因素
a. 加热工艺 加热温度，保温时间
问题：各种组织的形成机制、类型与特性分析？
4．亚（过）共析钢的等温冷却转变曲线 （简单说明）
• In the simple case of a eutectoid plain carbon steel, the curve is roughly C-shaped with the pearlite reaction occurring down to the nose of the curve and a little beyond. At lower temperatures bainite and martensite are formed.
• The diagrams become more complex for hypo- and hyper-eutectoid alloys(亚/过共析钢)as the ferrite or cementite reactions have also to be represented by additional lines.
1．含碳量的影响
共析钢，C曲线最靠右边，过冷A稳定性最高。
亚/过共析钢，其过冷A都不稳定，其中：
1）对亚共析钢，钢中C%↑，A中C%↑，其C曲线 右移，过冷A趋于稳定; 2）对过共析钢，一般在ACcm以上A化，钢中C%↑， 未溶Fe3C↑→有利于形核→其C曲线左移，过冷A 更不稳定.
铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)

铁碳相图(有各特征点、线顺序演示画法)


铁碳合金的性能特点
工业纯铁具有较高的磁导率和良好的冷加工性能， 但强度和硬度较低。
钢具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时具有良 好的塑性和韧性。
白口铸铁具有较高的硬度和耐磨性，但韧性较差。
02 铁碳相图的特征点
CHAPTER
共晶点
总结词
共晶点是铁碳相图中的一个关键点，表 示铁和碳在液态时完全共溶，形成奥氏 体。
控制热处理过程中的相变过程
通过铁碳相图，可以预测和控制热处理过程中铁 碳合金的相变过程和组织转变，以获得所需的组 织和性能。
提高热处理效率和降低能耗
根据铁碳相图，可以优化热处理工艺，提高热处 理效率和降低能耗，节约能源和资源。
谢谢
THANKS
渗碳体的析出点
总结词
渗碳体的析出点是铁碳相图中的另一个特征点，表示渗碳体在不同温度下从液态或奥氏 体中析出的过程。
详细描述
在渗碳体的析出点，渗碳体开始从液态或奥氏体中析出。这个过程是在一定的温度范围 内进行的，温度越高，析出越快。渗碳体的析出对钢铁的性能有重要影响，如硬度、强
度和韧性等。因此，了解渗碳体的析出点对于钢铁材料的研究和生产具有重要意义。
铁碳相图演示
目录
CONTENTS
• 铁碳相图简介 • 铁碳相图简介 • 铁碳相图的特征点 • 铁碳相图的特征线 • 铁碳相图的演示画法 • 铁碳相图的应用
01 铁碳相图简介
CHAPTER
铁碳合金的分类
根据碳含量，铁碳合金可以分为工业 纯铁、钢和白口铸铁三类。
工业纯铁的碳含量最低，一般在 0.02%以下；钢的碳含量在0.02%2.0%之间；白口铸铁的碳含量在2.0% 以上。
表示铁碳合金开始从液态转变为固态的温度 。
第2章 铁碳相图及其合金

第2章 铁碳相图及其合金


20%~25%
30~40J/cm²
二、相图中点、线和相区的意义
•铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。
特性点 A C D B G S
2013-10-8
温度（℃） 1538 1148 ~1227 1148 912 727
含碳量（％） 0 4.3 6.69 2.11 0 0.77
特性点含义 纯铁的熔点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在奥氏体中的最大溶解度 α-Fe γ-Fe的同素异构转变点 共析点
• 温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共 析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe3C的共 析组织，即珠光体P。
2013-10-8
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电厂金属材料
• 珠光体是在727℃恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变 化。只是铁素体的含量碳量从0.025降至几乎为零，碳则以微量三次 渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。 •共析钢的结晶过程如图2—4所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与 渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过 程用反应式表示为：
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电厂金属材料
2013-10-8
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电厂金属材料
铁碳合金下图中各主要线的意义是：
AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃ 时必然发生共晶反映，形成莱氏体。 •ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中 的最大溶解度是在1148℃时，可溶解碳2.11%，布在727℃时，由于碳在奥氏体中的 溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次 渗碳体（Fe3CII）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。 GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称A3线. GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线. PSK为共析线,简称A1线.合金含碳量在PSK线投影范围（0.02%~6.69%）内时，奥氏体在 727℃时必然发生共析反应，形成珠光体。
铁碳相图ppt课件

铁碳相图ppt课件

Fe3C
Fe3C + α
Fe3CⅡ P
Fe3CⅡ Fe3C共析 α共析 P
组织构成图
F＋Fe3CⅢ Ld′
P
F
F先+P
解释工业纯铁、钢、白口铸铁组织上的主要差别
L+δ
A
δ
HN
1495℃ JB
T G
γ
α+γ
P
0.S77
α 0.0218
铁碳相图
2L.1E1+γ
L L +Fe3C D
4.3 C
1148℃ F
L→γ
γ1.0 →γ0.77 +Fe3CⅡ
γ
P +Fe3CⅡ
Fe3CⅡ
P
合金⑤ 共晶白口铁
1148℃发生共晶转变 1148 LC γE+ Fe3C
萊氏体 —— Ld
727
室温组织：
变态萊氏体—Ld′(P+ Fe3C ＋Fe3CⅡ)
合金⑥ 亚共晶白口铁
组织构成： P + Ld′
1148
0.77
解度曲线 K GS: 先共析α 6.69 相析出线
0.0008Q
Fe
C%
Fe3C
L+δ
J点―包晶点
A 1495℃
δ
B
L
HN J
L+γ
L +Fe3C D
1495℃ 0.17% C
T
γ
2.1 1E
4.3 C
1148℃ F
C点―共晶点
G α+γ 0.77 PS
α 0.0218
γ +Fe3C
A1 727 ℃
亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB≈80×w(F) % + 800×w(Fe3C) %

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铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。

搞机械的，最应该掌握的材料就是铁碳合金材料。

铁碳相图一、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%,Fe3CIIPQ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.特征线表四、基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类1．工业纯铁，C%<=0.0218%2．钢0.0218%<C%<= 2.11%亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%共析钢 0.77%过共析钢 0.77%<C%<= 2.11% 3．白口铸铁2.11%<C%<6.69%亚共晶白口铸铁 2.11%<C%<4.3%共晶白口铸铁 4.3%过共晶白口铸铁 4.3 %<C%<6.69%在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。

铁碳相图原理及应用

① 由一片铁素体,一片渗碳体相间呈片层 状形成
② 其性能介于 Fe 和 Fe3C之间 ③ 由成分为0.77%的A缓冷至727℃分解
得到
5.莱氏体(ld)
莱氏体(ld):奥氏体和渗碳体的机械混合物( A+ Fe3C )
① 由成分为 4.3% 的铁碳合金,在1148℃时从液 相结晶得到
② 727℃ 以上的莱氏体称高温莱氏体,用ld表示 727℃ 以下的莱氏体称低温莱氏体,用 ld´表示 ③ 性能接近于渗碳体,硬度 ＞700HB,塑性很差.
ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线,当温度低于此曲线时，要从A中析出
次生渗碳体Fe3CⅡ，所以这条线又是次生渗碳体开始析出线
ECF线 物，莱共氏晶体线。，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合
PSK线 A1线(共析线)，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
7.过共晶白口铸铁 (C%=5.0%为例,合金⑦)
1.2.4按组织分区的铁碳合金相图
1.2.5碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
根据铁碳合金平衡状态图和对各种铁碳 合金平衡组织的分析可知，不同含C量的 铁碳合金室温平衡组织都是由F和Fe3C这 两个基本相组成。但含C量不同，铁碳合 金中这两相的相对数量、形状和分布情 况不同，因而各种成分的铁碳合金呈现 出不同的组织形态，从而导致它们之间 在性能上的差异。
C%=0.77%的合金为共析钢,组织为P。 0.77%＜C%＜2.11%的为过共析钢，其组
织为P＋CmII。 2.11%＜C%＜4.3%的合金为亚共晶铸铁，
组织为P＋CmII+Ld'。 C%=4.3%的合金为共晶铸铁，其组织为

铁碳相图的分析及应用

铁碳相图的分析及应用铁碳相图是描述铁和碳混合体系中不同组织和组分相变关系的图表。

在该图中，横轴表示碳含量，纵轴表示温度。

铁碳相图可以分为三个区域：铁铁素体区、铁奥氏体区和铁珠光体区。

铁铁素体区是指碳含量低于2.11%的区域。

在这一区域内，铁的晶体结构主要是针状的铁素体。

随着碳含量的增加，铁的晶体结构会逐渐变为面心立方结构的奥氏体。

铁奥氏体区是指碳含量在2.11%至6.7%之间的区域。

在这一区域内，铁的晶体结构主要是面心立方结构的奥氏体。

随着碳含量的增加，奥氏体中的碳溶解度也会增加。

铁珠光体区是指碳含量大于6.7%的区域。

在这一区域内，铁的晶体结构主要是珠光体。

随着碳含量的增加，铁的硬度和脆性都会增加。

铁碳相图在冶金学和材料科学中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 理解和预测材料的相变行为：铁铁素体区、铁奥氏体区和铁珠光体区的存在和相变关系，可以帮助科学家和工程师理解和预测材料在不同温度和碳含量下的相变行为。

比如，通过铁碳相图可以确定钢材的相变温度和相变组织，从而指导钢材的热处理工艺。

2. 材料强度和韧性的控制：铁碳相图可以指导材料的合金化和热处理工艺，从而控制材料的强度和韧性。

以钢材为例，通过在铁铁素体区添加合适的合金元素，可以提高钢材的强度和硬度；通过在铁奥氏体区进行适当的热处理，可以提高钢材的韧性和塑性。

3. 材料组织和性能的调控：铁碳相图可以帮助科学家和工程师预测不同温度和碳含量下材料的组织和性能，并通过调控温度、合金元素和热处理工艺等手段来实现所需的材料性能。

比如，在航空航天领域，通过对铁碳相图的研究和应用，可以开发出高温和高强度的铁基合金材料，以满足航空发动机等高温工作环境的需求。

4. 材料失效分析和改进：铁碳相图可以帮助科学家和工程师分析材料失效的原因，并提出改进措施。

比如，通过分析钢材中的碳含量和组织变化，可以了解钢材的强度和韧性是否满足设计要求，并根据需要进行相应的材料改进。

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相图的局限性： 相图是描述体系平衡状态的，不能说明达到平衡过程的动力学，不能 知道转变后的组织，也不能判断体系中可能出现的亚稳相。 由于固态材料往往难达到整体稳定的平衡，实际测得的相图多数都或 多或少地偏离真正平衡，甚至有些相实际上是亚稳相。
2、 铁碳相图简介
铁碳合金相图是研究铁碳合金的 重要工具。它是研究铁碳合金的 化学成分、组织和性能之间关系 的理论基础。
性能介于铁素体和渗碳体之间
，强度较高，硬度适中，有一 定的塑性。
莱氏体（Ledeburite—Ld或Ld'）
莱氏体是由奥氏体和渗 碳体组成的处于热力学平衡 状态的机械混合物。系在
1148℃恒温下发生共晶转变
的产物，平均碳含量为4.3%
。
(3) 固溶碳的作用：固溶强化、缩小α、扩大γ、固溶于γ使C曲线右移、提 高淬透性、降低MS点 固溶强化效果与固溶度有关，碳在奥氏体的固溶度远远大于铁素体。
Fe 转变为面心立方晶格的γ-Fe，通常把
δ-Fe→γ-Fe的转变称为 A4 转变，转变的 平衡临界点称为 A4 点。当温度继续冷却至 912℃时，面心立方晶格的 γ-Fe 又转变为 体心立方晶格的 α -Fe，把 γ -Fe→ αFe 的转变称为A3 转变，转变的平衡临界点 称为 A3 点。912℃以下，铁的晶体结构不
钢铁材料属于铁碳合金。碳素钢、工程铸铁是铁碳合金；低合金钢、合
金钢等实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。
在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，随 着碳的质量分数增加，合金的性能逐渐变脆，当碳的质量分数大于5%之 后，合金将失去使用价值。所以，在铁碳合金中，一般只研究碳质量分 数5%左右的合金。
的晶体结构。其硬度很高，塑性
和韧性很差，δ、Ak值接近于零 ，脆性很大。图中平直的白色条
状物即为铁碳合金凝固时的一次
渗碳体。
珠光体（Pearlite—P）
珠光体是由铁素体和渗碳 体组成的处于热力学平衡状态 的机械混合物。系奥氏体冷却
时，在727 ℃恒温下发生共析
转变的产物。显微组织为铁素 体与渗碳体片层状交替排列。
content between 0.001% and 2.1% by weight, depending on the grade:
Ultra-low carbon steel:≤0.004％
Extral-low carbon steel:
0.01～0.02％
Mild and low carbon steel: Low carbon steel contains approximately 0.05–
（2）碳和渗碳体
碳的原子序数为 6，原子量为 12.01，原子半径 0.077nm，20℃时的 密度为 2.25g/cm3。自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合 金中碳不会以金刚石形态存在。石墨的空间点阵属于六方晶系，具有简单 六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为 0.142nm，层间距为 0.340nm， 碳原子在六方层中具有很强的共价键，层与层之间则结合较弱，因此石墨 很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有 3HB-5HB，而塑性几乎接近于 零。铁碳合金中的石墨常用符号 G 或 C 表示。
间的距离为0.335nm。基面间的碳原子靠极
性键即范德瓦尔力结合，结合能为 16.7kJ/mol，这个方向上的强度不到20Mpa 。 所以石墨很容易逐层撕开。
减震
灰口铸铁减振能力为钢的5-10倍
石墨的导热系数是钢的两倍，因此石墨的存在提高了铸铁的导 热性。蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状，具有很好的热疲劳性能
Ferrite (BCC) Austenite (FCC)
再发生变化。因此，铁具有三种同素异晶状
态，即δ-Fe、γ-Fe 和α-Fe。
(a)初生的 δFe 晶粒
(b)重结晶后的 γ-Fe 晶粒
(c)A3 转变后的 α-Fe 晶粒
α-Fe 在 770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁 磁性状态。通常把这种磁性转变称为 A2 转变，把磁性转变温度称为铁的居里 点。在发生磁性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。
The compound formed with 6.67 wt% C (25 atomic %). It is very hard (harder than Martensite) and brittle.
根据渗碳体析出的时间，分为不同种类 ，渗碳体作用效果与其形貌、分布和数量 有关。
渗碳体系铁与碳形成的化合 物，碳含量为6.69％，具有复杂
ferrite / ferrite / austenite
Carbon is the most common alloying element for steel
Steel is an alloy that consists mostly of iron and has a carbon
蠕虫状石墨
铁素体
金刚石 最硬材料
石墨 固态润滑剂
碳纳米管 新材料
石墨烯 新材料
2) 碳化物 (carbide)的作用：强化、提高硬度和耐磨性、明显降低塑性和 韧性。
渗碳体 Cementite (Fe3C)是钢中最常见 的碳化物，由一个C原子和三个Fe原子组 成的化合物，其显微硬度为Hv1000~1100 。属正交晶系。
碳在γ奥氏体中最大固溶度为2.11％； 碳在δ铁素体中最大固溶度为0.09％； 碳在α铁素体中最大固溶度为0.0218％，室温下的固溶度0.0008％
碳在钢中作用 (Actions of carbon in steel)
钢铁材料是一种铁碳合金，碳在钢铁材料中起十分重要的作用 ，其作用与存在形式有关。 碳在钢铁中的存在形式有：3种
自由态：石墨(graphic) 化合态：碳化物 (carbide) 固溶态：形成多种固溶体 solid solution
铁碳相图与应用
赵爱民 教授 博导 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心 高效轧制国家工程研究中心 工程技术研究院
汇报提纲
1、相图概述 2、铁碳相图简介 3、Fe-Fe3C 相图的组元
4、Fe-Fe3C 相图分析
5、 铁碳合金的平衡结晶过程分析
1、 相图概述
相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们
研究物质相变的过程及产物的有利工具。在生产中，相图可以作为制定金
属材料熔炼、铸造、锻造、轧制和热处理等工艺规程的重要依据。
结晶：一切物质从液态转变为固态的过程称为凝固，凝固后形成晶体，则
称为结晶。金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，决定了 工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的 使用性能。
金属的纯度越高，结晶时的过冷度越大； 冷却速度越大，则金属开始结晶温度越低，过冷度也越大。
L G ΔT S
金属结晶必须在一
定的过冷度下进行，
过冷是金属结晶的必 要条件。
Tn
T0
T
近程有序
远程有序
结构起伏
树枝晶的各次晶轴都具有相同的固定方向，每一个树枝晶都是一个单晶体 。多晶体金属的每一个晶粒一般都是由一个晶核以树枝晶的方式长成的。在枝 晶成长过程中，由于液体的流动、晶轴本身重力的作用及彼此之间的碰撞以及 杂质元素的作用，会使某些晶轴发生偏移或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、
早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫就注意到只有把钢加热到某一温度 铁碳平衡图以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。 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。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Ar1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，Ar3下降而与Ar2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与 Ar1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1900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。
蠕虫状石墨
铁素体
(a)
(b)
(c)
Microstructure for cast irons. Magnification: 100X. (a) Ferritic gray iron with graphite flakes. (b) Ferritic Ductile iron (nodular iron), with graphite in nodular form. (c) Ferritic malleable iron; this cast iron solidified as white cast iron, with the carbon present as cementite, and was heat treated to graphitize the carbon. Source: ASM International.
1—电炉 2—坩埚
3—熔融金属 4—热电偶热端
5—热电偶 6—保护管 7—热电偶冷端 8—检流计
冷却曲线上出现的水平阶段，是液体正在结晶的阶段，这时的温度就 是纯金属的实际结晶温度(T1)。过冷度：
ΔT=T0-T1
式中 T0——理论结晶温度； T1——金属实际结晶温度； Δ T——过冷度。