典型铁碳合金结晶过程分析

《工程材料与成形工艺》课程单元教学设计
单元教学设计
1 共析钢的结晶过程分析
如图示，过w c=0.77%的点作一条垂直于横轴的垂线（合金线）Ⅰ，与相图分别交于1、2、3（S）点温度，以这三点温度为界，分析其冷却
过程。

1点以上全部为液相(L)，当缓冷至与AC线相交的1点温度时，开始从液相中结晶出奥氏体(A)，奥氏体的量随温度下降而增多，其成分沿
AE线变化，剩余液相逐渐减少，其成分沿AC线变化。

冷至2点温度时，液相全部结晶为与原合金成分相同的奥氏体。

2～3点(即S点)温度范围
内为单一奥氏体。

冷至3点(727℃)时，发生共析转变，从奥氏体中同时
析出铁素体和渗碳体，构成交替重叠的层片状两相组织，称为珠光体。

其组织转变过程为：L→L+A→A→F+ Fe3C（P）
2 亚共析钢结晶过程分析（以w c=0.45％为例）
w c=0.45％的亚共析钢作合金线，与相图分别交于1、2、3、4点过
温度。

47.8%
( WγE = 1-47.8% = 52.2% )
第四节 含碳量对铁碳合 金平衡组织和性能的影响
一、含碳量对平衡组织的影响
随C含量 ，铁碳合金组织变化：
α+Fe3C α+P P P+Fe3CⅡ+Ld’ Ld’
P+Fe3CⅡ Ld’+Fe3CⅠ
C% ，Fe3C
Fe3C的形态及分布：随C
L'd
共晶白口铸铁的室温组织
亚共晶白口铁 2.11%<C%<4.3%
t1 t2
t3
L
L 初
L 共晶+Fe3C即Ld
共晶 转变
初Fe3CⅡ 共晶Fe3CⅡ
共+Fe3C即P 初+Fe3C即P
室温组织 ：
共析 转变
P +Fe3CⅡ+L'd(P+Fe3C+ Fe3CⅡ)
组织：P+ Fe3CⅡ +L’d （L’d →P+Fe3CⅡ +Fe3C ）
共 和析 平钢 衡的 结冷 晶却 过曲 程线
组织：P 组织特征：Fe3C片状分布于F基体上，呈 贝壳状 性能：良好的综合力学性能（具有强度较高 和一定的塑、韧性）
共析钢的室温平衡组织 1000 ×
亚 和共 平析 衡钢 结的 晶冷 过却 程曲
线
亚共析钢 （0.0218% < Wc <0.77%）
L’d
Fe3CІ
过共晶白口铸铁室温组织
三、杠杆定律的应用
1、0.4%C钢
K
组织组成物：α+P
S 0.4 0.77 0.4
Wα
PS

主要线
二条平行线（ECF、PSK）表示恒温反应： ECF：1148 ℃发生共晶反应 Lc --- AE + Fe3C PSK: 727 ℃发生共析反应 As ----- FP + Fe3C
ES线（Acm线）:C在A中的固溶线。 1148 ℃：C在A中最大溶解度2.11% 727 ℃: C在A中最大溶解度0.77%
在钢中与其他组织共存时，可呈片状、网状或粒 状。 Fe3C的形状、大小、分布和数量对钢的性 能有极大的影响。
Fe3C在一定条件下可分解成铁和石墨。
（4）珠光体 P
含碳量为0.77%的A同时析出F和Fe3C的机械 混合物。（共析反应）
P是软的F片和硬的Fe3C片相间的机械混合物。 性能介于两者之间：δ=20～25%，σb =600～800MPa，HBS=170～230
（2）固溶体是单相，它具有与溶剂金属相同的晶 格。其基本性能也同溶剂。
（3）根据溶解的方式不同，固溶体可分为：
① 置换固溶体（下页图）
一部分溶剂晶格结点上的原子被溶质原子所代替。 在溶剂和溶质原子直径差别不大时易形成。晶格会 发生畸变，塑性变形阻力增加，强度和硬度升高， 这种溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象， 叫固溶强化。——提高合金机械性能的一个途径。
目的： ① 细化晶粒（可提高σ、δ、ak） ② 降低硬度（便于切削加工） ③ 消除内应力（以及加工硬化）、（可防变形和
开裂）
1、完全退火
将亚共折钢加热到AC3以上30-50℃，保温 后缓冷。
加热得细晶粒的A，冷却后得细晶粒F＋P。 目的：
①细化晶粒；②降低硬度；③消除内应力。
2、球化退火
重要特性点 P19 B1-4
特性点 A C D E F G

Ld 室温组织： ，无相对量问题。
室温相组成：α+Fe3C，两相相对量为：
Fe C
3
2K 6.69% 4.3% 100% 100%; PK 6.69% 0.0218 % 1
渗碳体包括三部分：共晶渗碳体、 二次渗碳体和共析渗碳体
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下一内容
PK
100 % 88 .7%, Fe3C 1 11 .3%
在显微图4.6（b）中黑色线条可视为渗碳体，白色部分为 铁素体。
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二．典型铁碳合金的结晶过程
2. 亚共析钢（以含碳量0.55%的亚共析钢为例） 过成分点作垂线，和相图上的液相线、固相线、GS线、共析线分别交1、 2、3、5点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
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二．典型铁碳合金的结晶过程
5.亚共晶白口铸铁 以含碳量为3.0%的合金为例。过成分点作垂线，和液相线、共晶线、 共析线交于1、2、3点。 平衡结晶过程组织变化的表达式：
先 先 先 L3.0 L 先 E LC 1148 E Ld （ 先 Fe3C） Ld （ S Fe3C） Ld
L0.55 L 0.55
先

先 P
S
727
先 P
P
先
P
图中，白色为先 共析铁素体，黑 色为珠光体
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二．典型铁碳合金的结晶过程
室温组织组成物：α先+P。两组织相对量用杠杆定律 （连接线PS？）

727 （P Fe3C） L/d

共析钢在室温时的组织是珠光体，合金的 组织按下列顺序变化：
2．亚共析钢
亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组 成合金的组织按下列顺序变化：
3．过共析钢
室温下为珠光体 和网状二次渗碳 体组织。钢中含 碳量越多，二次 渗碳体也越多。
4．白口铸铁
• 亚共晶白口铸铁 • 共晶白口铸铁 • 过共晶白口铸铁
亚共析钢亚共析钢的室温组织由珠光体和铁素体组成合金的组织按下列顺序变化
典型铁碳合金结晶过程分析
一、铁碳合金的分类
纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合铁 碳合金。 铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。
二、典型铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢
三、铁碳合金的成份、组织与性能的关系
随含碳量的不同，其组织顺序： F→F+P→P→P+ Fe3 C→P+ Fe3 C+ L'd →L'd →L'd+ Fe3 CⅠ
含碳量越高，钢的强度、硬度越高，而塑性、韧性 越低，这在钢经过热处理后表现尤为明显。

珠光体
室温下，珠光体中两
相的相对重量百分比

1
2
是多少？
4L Q QL
3
6 .6 9 0 .7 7 8 8 .5 % 6 .6 9 0 .0 0 0 8
Q4
9
Q Fe3C 1 0 0 % 8 8 .5 % 1 1 .5 %
共析钢的结晶过程
总结：钢的结晶过程
1、共析钢的结晶过程 L → L+A → A → P 相组成物：F，Fe3C 2、亚共析钢的结晶过程 L→L+A → A → A+F → P+F 相组成物：F，Fe3C 3、过共析钢的结晶过程 L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII 相组成物：F，Fe3C
相图中有很广阔的奥氏体 区，面心立方晶格的高温 奥氏体有优良的塑性和较 好的强度，塑性变形抗力 很低，是热锻、热轧极好 的组织，轧、锻温度一般 选在图中影线部分。
（4)在焊接方面的应用
含碳量越低的钢焊接性越 好，含碳量增加时，随着 焊件壁厚的增加，需要预 热和焊后回火处理。
直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 强度是一个对组织形态很敏感的性能。
高温组织为单相A ⒈ 含碳量对室温平衡组织的影响
11%C)高温组织为单相A ⑵ 两相区: L+A、L+Fe3C、A+Fe3C、A+F、F+Fe3C
即ECF(L+A+ Fe3C)、PSK(A+F+ Fe3C)两条水平线
L+ Fe3C
共析转变的产物是 F与
Fe3C的机械混合物，称 作珠光体，用P表示。
珠光体

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。

金的机械性能和物理性能。
再结晶过程中，合金中的碳含量、 温度和外力作用等因素都会影响
最终的组织形态和性能。
03
铁碳相图的结晶特性
结晶温度
结晶温度
01
结晶过程开始时所需的最低温度。
影响因素
02
铁碳相图中的结晶温度受到多种因素的影响，如碳含量、合金
成分、压力等。
变化规律
03
随着碳含量的增加，结晶温度逐渐升高。
04
铁碳相图的应用
在钢铁工业中的应用
钢铁材料的研发
铁碳相图是钢铁材料研发的重要依据，通过分析相图中不同成分的相变点，可以确定不同成分钢种的凝固点和结 晶过程，从而优化钢铁材料的性能。
钢铁生产过程的控制
在钢铁生产过程中，铁碳相图可用于指导熔炼、连铸和轧制等工艺过程。通过控制温度和成分，确保产品达到所 需的组织和性能要求。
究
目前对铁碳相图的研究已经从二 元合金体系扩展到多元合金体系， 如钢、不锈钢等，这将有助于更 全面地了解多元合金的相变规律。
相图计算方法的改
进
随着计算机技术的发展，计算相 图的方法也在不断改进，通过模 拟和预测合金的相变行为，可以 更快速地预测合金的性能。
铁碳相图的未来展望
探索新型钢铁材料
随着环保意识的提高和能源消耗的增加，新型钢铁材料的需求 越来越大，铁碳相图的研究将有助于开发出具有优异性能的新
热处理过程监控
通过实时监测热处理过程中的温度和相变点，可以控制热处理过程，确保材料 达到预期的性能指标。
05
铁碳相图的发展趋势 和未来展望
铁碳相图的发展趋势
相图精度提高
随着实验技术的不断进步，铁碳 相图的测定精度越来越高，能够 更准确地描述铁碳合金在不同温 度和成分下的相变行为。

② 亚共析钢
③ 过共析钢
3）白口铸铁
2.11％ < WC ≤ 6.69％
按室温组织不同，又可分为以下三种： ① 共晶白口铸铁 WC = 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 ② 亚共晶白口铸铁 2.11％ < WC < 4.3％ 室温组织：低温莱氏体 + 珠光体 + 二次渗碳体 ③过共晶白口铸铁 4.3％ < WC ≤ 6.69％ 室温组织：低温莱氏体 + 一次渗碳体。
渗碳体是强化相，其形状有条状、网状、
片状、粒状等，它的形状、大小和分布对 钢的性能起重要作用。
四、珠光体

珠光体（P）

定义：F与 Fe3C 所形成的机械混合物
（平均含碳量：0.77%）

性能组织：介于F 和 Fe3C之间具有良好的综合力学性能
层片状
颗粒状
五、莱氏体

莱氏体（Ld）

定义：A与 Fe3C 所形成的机械混合物
727
共晶相图
共析相图
0.0218
0.77
2.11
4.3
Fe — Fe3C状态图
第一节 铁碳合金的基本相
一、铁素体

铁素体（F 或α）：碳溶于α-Fe中所形成的间隙固溶体

晶格结构：体心立方晶格


最大溶解度：0.0218%（727℃）
性能组织：强度低、硬度低而塑性好。
二、奥氏体
奥氏体（A

2、制定铸、锻、热处理工艺的重要依据
1）铸造方面： 浇注温度一般在液相线以上50～100°C 铸造生产中，共晶成分附近的铸铁应用最多在此范围的钢， 其结晶温度范围小，铸造性能好
2）锻造方面： 锻造时，将其温度加热到A体区域， 能获得良好的塑性，易于锻造成形 白口铸铁中有大量硬而脆的渗碳体， 故不能锻造

强化作用.
σb :770MPa
δ: 20-35%
硬度: 180HB
ak: 3×105-
4×105J/m2
3. 亚 共 析 钢 的 结 晶 过 程
4. 过 共 析 钢 的 结 晶 过 程
(a) 0.01%C 铁素体 500倍
(b) 0.45%C 铁素体+珠光体
500倍
(c) 0.77%C 珠光体 500倍
P%=A%-Fe3C%=(59.4-13.4)%=46% 相组成物：F、Fe3C
相组成物相对量：
F%=(6.69-3)/6.69×100%=55.2%
Fe3C%=3/6.69 ×100%=44.8%
F+Fe3C
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(五).Fe-Fe3C相图中铁碳合金的分类
(1) 工业纯铁 [ w(C)≤0.0218%]
(2) 钢
[0.0218%< w(C)≤2.11%]
亚共析钢
0.0218%<w(C)<0.77%
共析钢
w(C) = 0.77%
过共析钢
0.77%<w(C)≤2.11%
(3) 白口铸铁 [2.11%<w(C)<6.69%]
硬度≈80×w(F)+800×w(Fe3C) (HB) 拉伸强度(σb)≈230×w(F)+770×(P) (MPa) 伸长率(δ )≈50×w(F)+20×w(P) (%)

三条水平线
§2 典型铁碳合金结晶过程分析

一、铁碳合金按其含碳量及室温组织分类 ①纯铁 :wc <0.0218%

②钢

亚共析钢: wc= 0.0218~0.77%
共析钢: wc= 0.77% 过共析钢: wc= 0.77~2.11% 亚共晶白口铁: wc= 2.11~4.3% 共晶白口铁: wc= 4.3%
2.为制定热加工工艺提供依据
对铸造：确定铸造温度；根据相图上液相线和固相线间距离估计
铸造性能的好坏.
对于锻造：确定锻造温度。 对焊接：根据相图来分析碳钢焊缝组织，并用适当热处理方法来
减轻或消除组织不均匀性。
对热处理：相图更为重要，这在下面一章中详细介绍。
§3 碳 钢


一、钢中常存杂质元素对钢的性能的影响


4.含碳1.2%的过共析钢（合金④）
5.含碳4.3%的共晶白口铁(合金⑤） 6.含碳3.0%的亚共晶白口铁(合金⑥）

7.含碳5.0%的过共晶白口铁（合金⑦）
1.含碳0.01%的工业纯铁
图4-3 工业纯铁结晶过程
2. 0.77%共析钢结晶过程
图4-5 共析钢结晶过程示意图
3.亚共析钢结晶过程


二、碳钢的分类、编号和用途


1.碳钢的分类
(1)按含碳量分类 低碳钢:wc=0.01~0.25% 中碳钢:wc= 0.25~0.6% 高碳钢:wc= 0.6~1.3% (2)按质量分类 普通碳素钢:ws≤0.055% wp≤0.045% 优质碳素钢:ws、wp ≤0.035~0.040% 高级优质碳素钢:ws ≤0.02~0.03%；wp ≤ 0.03~0.035% (3)按用途分类 碳素结构钢:用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件 等，及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。 碳素工具钢:用于制造各种刀具、量具、模具等，一般为高碳钢。

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a-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a-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F或“a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Y-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”“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 C，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3、铁素体a奥氏体Y渗碳体Fe3C ;3. 相图中有三条水平线：HJB水平线（1495 C）：包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体。

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。

含碳量为0.45%的铁碳合金的结晶过程
含碳量为0.45%的铁碳合金在结晶过程中，首先会发生液相结晶，然后是固相结晶。

具体
的结晶过程如下：
1. 液相结晶：铁碳合金在高温下（约1538摄氏度）首先熔化为液体。

在这个过程中，碳原子会均匀地分布在铁液中，形成液相。

2. 凝固结晶：随着冷却，液相开始逐渐凝固。

在凝固过程中，碳原子会逐渐以固溶的形式存在于铁晶体中。

当温度降至约1495摄氏度时，铁碳合金开始形成固相。

3. 固相结晶：在固相结晶过程中，铁碳合金会形成不同的相区，如铁素体、奥氏体和渗碳体等。

这些相区的形成取决于冷却速度、碳含量和合金元素的影响。

在含碳量为
0.45%的铁碳合金中，主要形成的是铁素体和渗碳体。

4. 相变：在结晶过程中，铁碳合金可能会发生相变，如从液相直接转变为固相（熔融结晶）或从固相转变为液相（融解结晶）。

这些相变过程伴随着体积的变化，可能会引起合金的收缩或膨胀。

5. 晶体长大：随着冷却的继续，铁碳合金中的晶体将继续长大，直到达到最终的尺寸和形状。

在这个过程中，碳原子会在晶体内重新分布，形成不同的晶体结构。

6. 时效硬化：在结晶过程结束后，铁碳合金可能会经历时效硬化过程。

在这个过程中，碳原子会进一步扩散，与铁晶体中的空位结合，从而提高合金的硬度和强度。

总之，含碳量为0.45%的铁碳合金的结晶过程包括液相结晶、固相结晶、相变、晶体长大
和时效硬化等阶段。

这些过程受到冷却速度、碳含量和合金元素等多种因素的影响，最终决定了合金的性能和用途。

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α+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0.53%，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。

二、典型铁碳合金的平衡结晶过程及பைடு நூலகம்织
2.碳钢的结晶过程分析
1）共析钢（T8钢） 含碳量为0.77% 1点以上 L 1～2 L＋A 2～3 A 3～3’点 A→P 3点以下 P(F+Fe3C)
Ｐ中各相含量
共析钢组织金相图
2）亚共析钢(45钢） 含碳量在 0.02%~0.77%之间 1点以上 L 1～2 L＋A 2～3 A 3～4 A+F 4～4’ A→P 4’点以下 P+F
力学性能；
高碳钢具有高的硬度。
为了保证钢具有足够的强度和一定的塑性、韧性，工业上所 用碳钢的含碳量 一般都不超过 1.3％。
纯铁含碳量很低，由单相α构成，塑性好，硬度和强度都很 低。 亚共析钢的组织有不同数量的α和P组成。随着含碳量的增 加，组织中P的数量相应增加，钢的硬度、强度上升，而塑性 下降。 共析钢的缓冷组织由片层状的P构成。由于Fe3C是一个强化 相，以细片状分散分布在软韧的α基体上，起到了强化作用， 使P具有较高的强度和硬度，但塑性较差。 过共析钢缓冷后的组织由P和Fe3CⅡ所组成。随着含碳量的 增加，Fe3CⅡ的数量逐渐增加。当含碳量不超过1.0%时，由 于晶界上析出的Fe3CⅡ一般还没有连成网状，故对性能影响不 大。当含碳量超过1.0%后，因数量的增加并呈连续网状分布 ，故使钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也随之降低。
亚共晶白口铁组织金相图
(3)过共晶生铁结晶过程分析(4.3%<wc<6.69%)
1点以上 L 1~2 L+Fe3CⅠ 2~2’ Fe3CⅠ+Ld 2~3 Fe3CⅠ+Ld （A+Fe3CⅡ+Fe3C) 3~3’ Fe3CⅠ+ Ld’ （P+Fe3CⅡ+Ld’) 3~4 Fe3CⅠ+ Ld’

典型铁碳合金的结晶过程
典型的铁碳合金的结晶过程包括以下几个步骤：
1. 熔化：将合适比例的铁和碳原料进行熔化，通常在高温高压的条件下进行。

熔化后的合金为液态状态。

2. 过冷：将熔融的铁碳合金缓慢冷却，使其温度降至接近其冰点以下。

在过冷过程中，合金会逐渐失去热量，形成过冷液体。

3. 形核：过冷液体中的某些原子开始聚集形成细小的结晶核。

这个过程叫做形核，形成的结晶核通常呈固态。

4. 长大：在形核的基础上，其它的原子会逐渐沉积到结晶核上，导致结晶核与周围液体逐渐分离。

随着时间的推移，结晶核也会逐渐生长。

5. 赋形：当结晶核生长到一定程度时，会与周围的结晶核相互连结，形成完整的晶粒。

晶粒的形状和尺寸取决于铁碳合金的成分和冷却条件。

以上过程中，形核和长大是结晶过程的关键步骤。

形核速率和长大速率受到多种因素的影响，如温度、合金成分、冷却速率等。

通过控制这些因素，可以调控铁碳合金的晶粒尺寸和分布，从而改变合金的力学性能和微观组织特征。