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铁碳合⾦相图及结晶组织变化铁碳合⾦相图及结晶组织变化铁碳合⾦的组元和相⼀、基本概念铁碳合⾦：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合⾦碳钢：含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合⾦铸铁：含碳量⼤于2.11%的铁碳合⾦铁碳合⾦相图：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。
注：由于含碳量⼤于Fe3C的含碳量（6.69%）时，合⾦太脆，⽆实⽤价值，因此所讨论的铁碳合⾦相图实际上是F e-Fe3C⼆、组元1.纯铁纯铁指的是室温下的α-Fe，强度、硬度低，塑性、韧性好。
2.碳碳是⾮⾦属元素，⾃然界存在的游离的碳有⾦刚⽯和⽯墨，它们是同素异构体。
3.碳在铁碳合⾦中的存在形式有三种：C与Fe形成⾦属化合物，即渗碳体；C以游离态的⽯墨存在于合⾦中。
C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体；A. 铁素体：C溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体，体⼼⽴⽅晶格，⽤符号“F”或“α”表⽰，铁素体是⼀种强度和硬度低，⽽塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可稳定存在。
B. 奥⽒体：C溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体，⾯⼼⽴⽅晶格，⽤符号“A”或“γ”表⽰，奥⽒体强度低、塑性好，钢材的热加⼯都在奥⽒体相区进⾏，奥⽒体在⾼温下可稳定存在。
C. C与Fe形成⾦属化合物：即渗碳体Fe3C，Fe与C组成的⾦属化合物，Fe与C组成的⾦属化合物，含碳量为6. 69％。
以“Fe3C”或“Cm”符号表⽰，渗碳体的熔点为1227℃，硬度很⾼(HB＝800)⽽脆，塑性⼏乎等于零。
渗碳体在钢和铸铁中，⼀般呈⽚状、⽹状或球状存在。
它的形状和分布对钢的性能影响很⼤，是铁碳合⾦的重要强化相。
碳在a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或⽯墨的形式存在。
铁碳合⾦相图的分析1.铁碳合⾦相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图；2.相图中有五个单相区：液相L、⾼温铁素体δ、铁素体α、奥⽒体γ、渗碳体Fe3C；3.相图中有三条⽔平线：HJB⽔平线（1495℃）：包晶线，发⽣包晶反应，反应产物为奥⽒体。
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。
第二章碳钢C相图第3节Fe-Fe3第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2典型铁碳合金的结晶过程分析-4共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%共晶白口铸铁w c ＝4.3%铁碳合金的结晶过程CD EFK124.30%1交点：液相开始发生共晶转变1~2之间：共晶奥氏体中会出现二次渗碳体2交点：γ发生共析转变→P (珠光体)共晶渗碳体不发生变化2 以下：组织低温莱氏体（L′d ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)共晶转变生成莱氏体（Ld ）奥氏体为共晶奥氏体，渗碳体为共晶渗碳体w c＝4.3%的铁碳合金结晶过程示意图低温莱氏体金相照片（黑斑区为珠光体，白色为渗碳体）室温组织：（L′d ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝4.3%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w α=6.69−4.36.69−0.0008×100%≈？w Fe 3C =1−w α≈？%100='d L w典型铁碳合金的结晶过程分析-5亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金的结晶过程CD EFK1233.0%3以下2交点：存在两相L +γ2~3：奥氏体中会出现二次渗碳体3交点：γ发生共析转变→P (珠光体)二次渗碳体+ Ld 不发生变化3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C II + P ）L 4.31148∘C(γ2.11+Fe 3C)1交点：液相开始发生匀晶转变L →γ其中的室温组织：（L'd + P + Fe 3C Ⅱ）室温相：α+ Fe 3Cw c ＝3.0%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各组织含量通过杠杆定律计算室温下各相含量自学内容w Fe 3C =1−w α≈？w α= 6.69−3.06.69−0.0008×100%≈?w L ′d=3.0−2.114.3−2.11×100%≈？w P = 4.3−3.04.3−2.11×6.69−2.116.69−0.77×100%≈？w Fe 3C II =1−w L ′d −w P ≈?结晶过程示意图亚共晶白口铸铁的金相照片亚共晶白口铸铁w c ＝3%铁碳合金3以下典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K123典型铁碳合金的结晶过程分析-6过共晶白口铸铁w c ＝5.3%铁碳合金的结晶过程CDEF K1231~2：一次渗碳体形成的温度高，故其形貌为粗大的片状结构2交点：共晶转变3交点：γ发生共析转变3 以下：组织低温莱氏体（L′d + Fe 3C I ）1交点：液相开始发生匀晶转变L →Fe 3C I过共晶白口铸铁w c＝5.3%铁碳合金L'd＋Fe3CⅠ过共晶白口铸铁的室温组织典型铁碳合金的结晶过程分析-7工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q1234567工业纯铁w c <0.01%铁碳合金的结晶过程A GH J NP Q12345671~2：L 减少δ增加1以上：液相1交点：匀晶转变L →δ2点：单相δ （0.01%）2~3：单相δ （0.01%）3点开始：δ →γ3~4：δ减少γ增加4~5：单相γ（0.01%）5点开始：γ→α5~6：γ减少α增加6点，6~7：单相α （0.01%）7点：α析出Fe 3C ⅡI工业纯铁w c<0.01%铁碳合金室温下的相：F+Fe3C 室温组织: F + Fe3CⅢ工业纯铁室温组织金相照片。
一、共析钢的结晶过程图中Ⅰ表示共析钢（Wc＝0.77％），合金在1点以上为液体（L），当缓冷至稍低于1点温度时，开始从液体中结晶出奥氏体（A），A的数量随温度的下降而增多。
温度降到2点时，液体全部结晶为奥氏体。
2～S点之间，合金是单一奥氏体相。
继续缓冷至S点时，奥氏体发生共析转变，转变成珠光体（P）。
727℃以下，P基本上不发生变化。
故室温下共析钢的组织为P。
共析钢的结晶过程如下图。
二、亚共析钢的结晶过程图3－6中合金Ⅱ表示亚共析钢。
合金在1点以上为液体。
缓冷至稍低于1点，开始从液体中结晶出奥氏体，冷却到2点结晶终了。
在2～3点区间，合金为单一的奥氏体组织，当冷却到与GS线相交的3点时，开始从奥氏体中析出时，就会将多余的碳原子转移到奥氏体中，引起未转变的奥氏体的含碳量增加。
沿着GS线变化。
当温度降至4点（727℃）时，剩余奥氏体含碳量增加到了Wc＝0.77％，具备了共析转变的条件，转变为珠光体。
原铁素体不变保留了在基体中。
4点以下不再发生组织变化。
故亚共析钢的室温组织为铁素体＋珠光体。
亚共析钢的结晶过程如图3－8所示。
三、过共析钢的结晶过程图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
缓冷至3点时，奥氏体中开始沿晶界析出渗碳体（即二次渗碳体）。
随着温度不断降低，由奥氏体中析出的二次渗碳愈来愈多，而奥氏体中的含碳量不断减少，并沿着ES线变化。
3～4点之间的组织为奥氏体＋二次渗碳体。
降至4点（727℃）时，奥氏体的成分达到了共析成分，于是这部分奥氏体发生共析反应，转变为珠光体。
在4点以下，合金的组织不再发生变化。
故室温组织为珠光体＋二次渗碳体。
过共析钢结晶过程如图3－9。
图3-6中合金Ⅲ表示过共析钢。
合金在1点以上为液体，当缓冷至稍低于1点后，开始从液体中结晶出奥氏体，直至2点结晶终了。
在2～3点之间是含碳时为合金Ⅲ奥氏组织。
铁—碳平衡图的基本知识提要：铸铁的合金与熔炼与铁—碳合金相图关系密切，它是铸铁合金与熔炼的理论基础。
将合金与熔炼中发生的现象与铁—碳合金相图联系分析，可知其然并知其所以然。
从基础的理论上去分析实际问题，避免在指导与解决生产中技术问题中犯基本的错误。
铸造看似简单，实则相当复杂，大量事实证明，铸造工程师即有丰富的生产经验又有厚实的理论基础，在解决像迷阵一样的铸造缺陷中，往往思路清晰，判断准确，措施有力。
一、看懂铁—碳合金相图1、铁—碳合金相图的4个概念（1）合金相图：表示合金状态与温度、成分之间关系的图形称为合金相图，是研究合金结晶过程中组织形成与变化规律的工具。
（2）铁—碳合金相图：在极缓慢冷却条件下，不同成分的铁碳合金在不同温度下形成各类组织的图形。
（3）铁—碳双重相图：铸铁中的碳能以石墨或渗碳体两种独立相存在，因此铁—碳合金相图存在两重性，即Fe—C（石墨）相图与Fe—Fe3C相图。
（4）稳定系与亚稳定型铁碳相图：在一定的条件下，Fe—Fe3C系相图可以向Fe—C（石墨）转化，故称Fe—C（石墨）为稳定系相图（用虚线表示），Fe—Fe3C为亚稳定系相图（用实线表示），如图1所示。
C%图1 Fe—C（石墨）、Fe—Fe3C双重相图1)铸铁的性能是由铸铁中的组织决定的要保证铸铁的性能，就必须控制组织，合金相图就是研究合金组织是如何形成的，在形成的过程中，它的变化规律是怎样的，铸造工程师必须了解这些规律，才能有效地控制组织，达到满足铸铁性能的目的。
这就是我们为什么要研究铁碳合金相图的目的，其中对（2）（3）（4）概念的理解尤为重要。
2)铁-碳合金相图概念阐明了三点：在极缓慢的冷却条件下、在不同的成分下、在不同的温度下形成的各类组织。
铁—碳相图是在极缓慢冷却下形成的，实际生产中冷却速度远大于合金相图中的冷却速度铸型材料不同，导致冷却速度各异，所形成的组织大相径庭。
因此我们必须研究冷却速度对铸铁组织的影响。
