铁碳相图归纳

铁碳相图知识化合物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。

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3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。

图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格渗碳体(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），熔点为1227℃。

铁碳相图详解今天⼩编整理汇总了关于铁碳相图的知识点，⽅便⼤家对铁碳相图的复习~~~相图中的点线区的意义平衡结晶过程及组织分类: (按有⽆共晶转变)碳钢 (Wc<>铸铁 (Wc>2.11%)⼯业纯铁 (Wc<>七种类型: (根据组织, 按含碳量分类)1. ⼯业纯铁 (Wc<>2. 共析钢 (Wc=0.77%)3. 亚共析钢 (Wc=0.0218-0.77%)4. 过共析钢 (Wc=0.77-2.11%)5. 共晶⽩⼝铁 (Wc=4.3%)6. 亚共晶⽩⼝铁(Wc=2.11-4.3%)7. 过共晶⽩⼝铁(Wc= 4.3-6.69%)Wc=0.01%的⼯业纯铁L→ L+δ→δ→δ+γ(奥⽒体)→γ→γ +a (铁素体) → a→ a+Fe3CⅢ(三次渗碳体区)共析钢L→ L+γ(奥⽒体)→γ→（共析反应）→α(铁素体)+Fe3C(共析渗碳体)→α+Fe3C+Fe3CⅢ(三次渗碳体区)省略Fe3CⅢ, 最终组织: α+Fe3C (既: P (珠光体))P (珠光体): 铁素体(a)+渗碳体(Fe3C)共析反应: 727℃γ0.77→α0.0218+ Fe3C (P珠光体)W α 0.0218 =(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88%W Fe3C =1-88%=12%亚共析钢(Wc=0.40%)L→ L+δ→包晶反应→ L +γ(奥⽒体)→γ→γ +α(铁素体)→共析反应→α+P(珠光体)→α+P+Fe3CⅢ(三次渗碳体)省略Fe3CⅢ, 最终组织: α(铁素体)+ P (珠光体)包晶反应: L+ δ→γ(奥⽒体)共析反应后的α与P含量：WP=5P/SPW α=S5/SP过共析钢(Wc=1.2%)L→ L+γ(奥⽒体)→γ→γ +Fe3CⅡ(⼆次渗碳体)→ P(珠光体)+Fe3CⅡ (⼆次渗碳体)共析反应后的Fe3CⅡ与P含量：WP=4V/SVW Fe3CⅡ =4S/SV共晶⽩⼝铁(Wc=4.3%)L→共晶反应→γ(奥⽒体)+Fe3C(共晶渗碳体)→共析反应→ P(珠光体)+Fe3C(共晶渗碳体)+ Fe3CⅡ (⼆次渗碳体)L→ Ld(莱⽒体)→ Ld’(低温莱⽒体或变态莱⽒体)共晶反应： L→γ(奥⽒体)+Fe3C(共晶渗碳体)共析反应：γ(奥⽒体) → P(珠光体)P(珠光体)：α(铁素体)+ Fe3C(渗碳体)Ld(莱⽒体)：γ(共晶奥⽒体)+Fe3C(共晶渗碳体)Ld’(低温莱⽒体或变态莱⽒体): P(珠光体)+Fe3C(共晶渗碳体)+ Fe3CⅡ (⼆次渗碳体)亚共晶⽩⼝铁(Wc=3.0%)L→ L+γ(初晶奥⽒体)→共晶反应→γ(初晶奥⽒体) + Ld(莱⽒体) →γ (初晶奥⽒体) + Ld(莱⽒体) + Fe3CⅡ (⼆次渗碳体)→共析反应→ P(珠光体)+Ld’(低温莱⽒体）+Fe3CⅡ (⼆次渗碳体)共晶反应后,该铸铁中组织组成物中，初晶奥⽒体含量：W γ =（4.3-3.0)/(4.3-2.11)=59.4%莱⽒体含量: W Ld=(3.0-2.11)/(4.3-2.11)=40.6%过共晶⽩⼝铁(Wc=5.0%)L→ L+Fe3CⅠ(⼀次渗碳体)→共晶反应→ Ld(莱⽒体) + Fe3CⅠ(⼀次渗碳体)→共析反应→ Ld’(低温莱⽒体）+ Fe3CⅠ(⼀次渗碳体)易混淆的概念重结晶：在固态下的相变结晶过程。

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Fe3CIII。

7点以下，随温度下降，Fe3CIII量不断增加，室温下Fe3CIII的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢCFeQ。

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+Fe3CIII，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3CIII。

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0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。

铁碳合金相图1、纯铁的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。

钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。

但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。

金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。

图a 面心立方晶体 图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。

液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。

继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。

在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。

正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。

图1 纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。

但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。

另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。

如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。

纯铁的磁性转变温度为770℃。

磁性转变不是相变，晶格不发生转变。

770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。

2、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。

在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。

（1）液相 用”L”表示。

是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。

（2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。

Fe-C相图详解图1 Fe-Fe3C合金相图1、相图中的基本相及其符号表示（1）液相（L）：铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。

（2）高温铁素体（δ）：碳固溶在δ-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；因存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，在1394℃以上存在；在1495℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.09%。

（3）铁素体（α/F）：碳固溶在α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；由于晶格间隙很小，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%，因此其性能几乎和纯铁相同，强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。

（4）奥氏体（γ/A）：碳固溶在γ-Fe中形成的间隙固溶体, 呈面心立方晶格结构，是钢铁的一种层片状的显微组织；由于八面体间隙较大，因此可以容纳更多的碳；奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。

（5）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物；渗碳体的含碳量为ωc=6.67%，熔点为1227℃；其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大；在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对合金的性能有直接影响：一次渗碳体（Fe3C I）：液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体，为块状。

共晶渗碳体（Fe3C共晶）：莱氏体中的渗碳体，呈骨骼/树枝状。

二次渗碳体（Fe3C II）：由奥氏体中析出的渗碳体，为网状。

共析渗碳体（Fe3C共析）：珠光体中的渗碳体，呈片状。

三次渗碳体（Fe3C III）：从铁素体晶界上析出，沿铁素体晶界呈断续片状/短棒状分布。

（6）珠光体（P）：铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物；力学性能介于两者之间。

（7）莱氏体（Ld/Ld’）：常温下是珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物；当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示；在低于727℃时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏。

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= Fγ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= Aδ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。

归纳和总结铁碳相图中铁碳相图归纳和总结铁碳相图是研究铁和碳合金体系中不同组成下的相变行为的重要工具。

它呈现了铁和碳之间的相互作用，揭示了不同温度和组成条件下的相变规律。

本文将对铁碳相图中的主要组成部分进行归纳和总结，以帮助读者更好地了解铁碳合金的性质和应用。

一、铁碳相图的基本结构铁碳相图由铁为主轴、碳为副轴构成。

在相图的横轴上表示碳的含量，纵轴表示温度范围。

铁碳相图可分为几个重要的组成部分：1. 铁的相态区域：铁的相态区域主要由铁的纯介质相组成，包括α铁、γ铁和δ铁。

其中，α铁为低温下的铁相，具有体心立方晶格结构；γ铁为高温下的铁相，具有面心立方晶格结构；δ铁为高温高压下的铁相，具有体心立方晶格结构。

2. 铁碳共晶区：共晶区是铁碳相图中的一个重要组成部分，通常表示为L+Fe3C。

在共晶区域内，铁和碳以共晶的形式存在，即液态的共晶组织同时凝固为铁和Fe3C两种相。

3. 铁碳共饱和区：共饱和区是铁碳相图中的另一个重要组成部分，通常表示为(α+γ)+L。

在共饱和区域内，铁和碳以共饱和的形式存在，即α铁和γ铁混合存在。

二、铁碳相图的重要相区1. γ铁相区：γ铁相区主要包括γ固溶体和γ+Fe3C共晶组织。

γ固溶体具有面心立方结构，是高温下的铁相。

2. α铁相区：α铁相区主要包括α固溶体和α+Fe3C共晶组织。

α固溶体具有体心立方结构，是低温下的铁相。

3. Fe3C相区：Fe3C相区主要包括Fe3C碳化物相。

Fe3C也被称为水滑石相，具有正交晶格结构。

三、铁碳相图的相变规律1. 铁的熔化：铁的熔化温度随碳含量的增加而降低。

在铁碳相图中，随着碳含量的增加，共晶温度逐渐下降。

2. 碳的溶解性：在γ铁相区，碳的溶解度随温度的升高而增加。

在α铁相区，碳的溶解度随温度的降低而减小。

3. 相变温度：铁碳相图中的共晶温度为1147℃，共饱和温度为727℃。

这些相变温度是铁碳合金的重要参考数据，在工程设计和制造过程中具有重要意义。