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第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104

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Fe-Fe3C相图

Fe-Fe3C相图

•铁碳合金在不同温度和含碳量下的平衡组织结构；•钢在热处理时，确定加热温度的一个重要依据。

1.组元2.相区3.重要线段4.重要的点5.组织结构转变1.纯铁2.Fe3C（渗碳体）渗碳体1.复杂正交晶格的金属化合物2.硬而脆液相L奥氏体 或AFe 3CA+Fe 3CF +Fe 3CA+LL+ Fe 3C高温铁素体液相L高温铁素体δ液相L奥氏体γ或A高温铁素体δ铁素体α或F液相L奥氏体γ或AFe 3C高温铁素体δ铁素体α或FLAFe 3CA+Fe 3CF +Fe 3CA+LL+ Fe 3Cα+γL+δδ+ γLAFe 3CA+Fe 3CF +Fe 3CA+LL+ Fe 3Ca bo合金状态处于o 点位置时，包含A+L 两相；A 相成分为a 点对应的成分，液相成分对应于b 点对应的成分；A 相所占比例为ob/ab ，液相比例为oa/ab 。

δF液相L奥氏体γ或AFe 3Cγ+Fe 3Cα+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEGSP QKNJHδF液相L奥氏体γ或AFe 3Cγ+Fe 3Cα+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3C A B C D FEGSP QKNJH HJB,1495 ℃,包晶反应C含量范围:0.09-0.53%δ0.09% + L 0.53% → A 0.17%δF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEGSP QK NJH ECF,1148 ℃,共晶反应C含量范围:2.11-6.69%L 4.3% → A 2.11% + Fe 3CδF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe3C A B CD FEGSP QKNJH PSK,727 ℃,共析反应C含量范围:0.02-6.69%A 0.77% → F 0.02% + Fe 3C (A 1线)δF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEGSP QKNJH 液相线ABCDδα液相L奥氏体γ或AFe 3Cγ+Fe 3Cα+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEG SP QKNJH 固相线 AHJECFδα液相L 奥氏体γ或AFe 3Cγ+Fe 3Cα+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3C A B CD FEG SP QKNJH ES线,奥氏体的溶解度曲线E点2.11%C (A cm )δα液相L奥氏体γ或AFe 3Cγ+Fe 3C α+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3C A B C D FEG SP QKNJH PQ线,铁素体的溶解度曲线P点0.02%CQ点0.01%Cδα液相L奥氏体γ或AFe 3Cγ+Fe 3Cα+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEG SP QKNJH GS线,奥氏体析出铁素体线A 3线δα液相LAFe 3Cγ+Fe 3Cα+Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEG SP QKNJH A 1A 3A cmδF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFEGSP QKNJHδF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3C γ+LL+ Fe 3CA B DFEGQKNJH E 点:2.11%C,碳钢和铸铁的分界点δF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B DFGPQKNJH P点:0.02%C,碳钢和工业纯铁的分界点δF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B CDFGQK NJH C点:4.3%C,共晶点δF液相LAFe 3Cγ+Fe 3CF +Fe 3Cγ+LL+ Fe 3CA B DFGSQKNJH S点:0.77%C,共析点δα液相L奥氏体γ或A Fe 3Cγ+Fe 3C α+Fe 3Cγ+L L+ Fe 3C A BC DF EGSP QKNJ H工业纯铁:C<0.02%）亚共析钢:0.02%<C<0.77% 共析钢:C=0.77% 过共析钢:0.77%<C<2.11%亚共晶白口生铁:2.11%<C<4.3% 共晶白口生铁:C=4.3% 过共晶白口生铁:C>4.3%。

第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104

第五章 相平衡和相图-Fe-FeC3相图131104

材料科学基础 第四节 Fe-C相图
三、 Fe- 石墨相图
1. 相图中的线和区 CD——从液相结晶出一次石墨GI； ES ——从奥氏体中析出二次石墨GII； PQ ——从铁素体中析出三次石墨GIII； ECF——共晶反应线，LC E + G PSK ——共析反应线， S P + G 2. Fe- 石墨结晶平衡组织
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
二、 Fe- Fe3C
第五章 相平衡与相图
1. 组元和相
（1）Fe为同素异构体，在常压下从高温到低温，具有3个晶态： -Fe ， -Fe， -Fe
（2）碳有两种晶态：
金刚石：金刚石结构；石墨：六方结构 （3）在Fe-Fe3C系中有4种晶体相：
• 铁素体（ 或F）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（体心立方结构）；
第五章 相平衡与相图
• 0.09% <C < 0.17 % ： L L+
• C = 0.17 %：L L+
• 0.17 % < C < 0.53 % ：L L+ L • C > 0.53 %： L
• （固溶体同素异晶转变） 脱溶分解（ +Fe3CIII）
脱溶分解（ +Fe3CII）
+Fe3C）
共析转变（

• 室温平衡组织： Fe3CII + P +Ld （ Fe3CII + P + Fe3C共晶）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
（7）过共晶白口铁， 4.30%<C<6.69%； • L Fe3CI 共晶转变 L（ + Fe3C）Ld

Fe-Fe3C合金相图

Fe-Fe3C合金相图
Fe-Fe3C合金相图
Fe-Fe3C合金相图
Fe-Fe3C合金相图描述
Fe-Fe3C合金相图的特性点
特性点
温度(℃)
碳含量(%)
说明
A
1538
0
纯铁熔点
B
1495
0.53
在包晶转变温度下的液相含碳量
C
1148
4.30
共晶点
D
1227
6.69
渗碳体熔点
E
1148
2.11
碳在γ-Fe中的最大溶解度
F
1148
ECF
LC←→γE+Fe-Fe3C共晶转变线，L+γ+Fe-Fe3C三相平衡区
PSK
LS←→αP+Fe-Fe3C共晶转变线，L+γ+Fe-Fe3C三相平衡区
铁碳合金热处理常用临界温度代号
符号
说明
A1
发生平衡相变γ←→α+Fe3的温度
A3
在平衡条件下亚共析钢γ+α两相平衡的上限温Fe3两相平衡的上限温度
6.69
共晶转变线与渗碳体成分线的交点
G
912
0
α-Fe←→γ-Fe同素异构转变点(A3)
H
1495
0.09
碳在δ-Fe中的最大溶解度
J
1495
0.17
包晶点
K
727
6.69
共折转变线与渗碳体成分线的交点
M
770
0
α-Fe磁性转变点(A2)
N
1394
0
γ-Fe←→δ-Fe同素异构转变点(A4)
O
770
Ac1
钢加热时开始形成奥氏体的温度

第五章铁碳合金相图

第五章铁碳合金相图
2.1.3 δ铁素体：碳溶于δ－Fe中的间隙 固溶体。bcc结构。
第五章铁碳合金相图
2.2渗碳体：它是铁与碳形成的间隙化合 物，含碳量为6.69%,一般用Fe3C或Cm表 示,它的晶体结构较复杂，属正交晶系；
2.2.1渗碳体的性能：硬度很高约为 HB800，但其塑性极差，几乎为0。 •在室温平衡状态下，铁碳合金中的碳基 本上是以Fe3C的形式存在。
第五章铁碳合金相图
2.3、共析转变（水平线PSK）：
E 7 2C 7PF3C e
即在727℃的恒温下，由成分为S点 （ WC=0.77% ）的奥氏体转变为成分为P点 (WC=0.0218% )的铁素体和渗碳体的混合物。 此种转变产物即为珠光体，用P表示。 凡是含碳量大于0.0218%的铁碳合金都会发生 共析转变。 其中，PSK线称为共析线，也叫A1线；
变也叫做A3转变。 （α-Fe 为bcc结 构）
第五章铁碳合金相图
4 、α-Fe在770℃将发生磁性转变，由高 温的顺磁状态转变为低温的铁磁状态， 这种转变叫做A2转变，转变温度称为铁 的居里点，发生磁性转变时，铁的晶格 类型不变。 综上所述： 铁有三种同素异晶状态： δ-Fe、 γ-Fe、 α-Fe
第五章铁碳合金相图
3.3、PQ线：是碳在铁素体中的溶解度曲线。从该 曲线上看，碳在铁素体中的最大溶解度是 0.0218%(在727℃实现的),在室温时仅为0.008%。
当铁素体从727℃冷却下来时，要从铁素体中析出 渗碳体，叫做Fe3CⅢ。
注意： Fe3CⅠ、 Fe3CⅡ、 Fe3CⅢ仅在来源与分布上 有所不同，并无本质区别，其含碳量、晶体结构和 本身的性质均相同。
第五章铁碳合金相图
3、三条重要的特性曲线： 3.1、GS线：又称为A3线，它是在冷却过程中由 奥氏体中析出铁素体的开始线。 •（GS线是由G点（A3点）演变而来的，随着含 碳量的增加，奥氏体向铁素体转变的温度逐渐下 降，从而由A3点演变为A3线）。

第五章铁碳相图

第五章铁碳相图
（1）铁素体：α铁中溶入一种或多
种溶质元素构成的固溶体。都是体心
立方间隙固溶体。用F或α表示。 （2）晶体结构：体心立方。最大溶 碳量为0.0218%，（室温 0.008%C，
727℃ 0.0218%C）。
（3）组织为多边形晶粒，性能与 纯铁相近
2、奥氏体（ A )
（1）奥氏体：γ铁中溶入碳或其它元素形成的固溶体，用A 或 γ相表示。 γ-Fe（C）固溶体 （2）晶体结构：面心立方。组织为 不规则多面体晶粒，晶界较直。最 大溶碳量 2.11% 。（溶解度： 727℃ 0.77%C，1148℃ 2.11%C）
⒉ 含碳量对力学性能的影响 <0.77%C时,随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬 度升高，塑性、韧性下降。 这是由于随着含碳量的 增加，钢中渗碳体量增多， 铁素体量减小所造成

0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，随着含碳量的增加，钢的强度开始明显 下降，但硬度仍在增高，塑性和韧性继续下降。 因为二次渗碳体沿晶界已 形成较完整的网，因此钢 的强度开始明显下降，但 硬度仍在增高，塑性和韧 性继续下降。 为了保证工业用钢的强度和 塑性，钢的含碳量一般不超 过1.3%。 ＞2.11%C，组织中有以 Fe3C为基的Le’,合金太脆.
奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 高温莱氏体为Ld ，由 (A2.11+Fe3C) 组成 室温平衡组织为Ld′，
由黑色条状或粒状P和
白色Fe3C基体组成， 而组成相还是F和Fe3C。
二、铁碳合金相图的分析
二、铁碳合金相图的分析
1. Fe-Fe3 C相图的组元
● Fe —— α –Fe、δ -Fe (bcc) 和γ -Fe (fcc) 强度、硬度低，韧性、塑性好。 ● Fe3 C —— 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 分Fe3 CⅠ 、 Fe3 CⅡ 、 Fe3 CⅢ 。

Fe-Fe3C相图分析ppt课件

Fe-Fe3C相图分析ppt课件

wL'd 1wFe3CI 71%
Q
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1 C 2 3
4
D F
K K’
24
白口铸铁的相及组织
• 白口铸铁的室温相为
α+Fe3C
• 亚共晶白口铁的金相组织
P + Fe3CⅡ + L’d
共晶白口铁的金相组织 L’d =P + Fe3CⅡ + Fe3C(共晶）
• 过共晶白口铁的金相组织
Fe C + L’d 3 I
复习
Fe-Fe3C相图 点 线 相区
工业纯铁的结晶过程分析
相 组织组成物
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1
A
δH
B JNΒιβλιοθήκη γGα PS
Q
L
C E
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D F
K
2
工业纯铁
室温相：Ｆ+Fe3C 室温组织：Ｆ+Fe3CⅢ 组织特点： 在缓慢冷却条件下，Fe3CⅢ以断续
沿Ｆ晶界析出。
精选版课件ppt
3
钢的结晶 过程分析
1）力学性能与物理性能
温
Ｌ
度
强度
能性
成分
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电导率
成分 37
2)工艺性能
铸造
压力加工
焊接性
切削加工性能
热处理
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38
温度
温度
A
B
A
B
流动性
流动性
缩孔体积
A
B
A
B
分散
分散
缩孔体积
集中
集中
A
精选版课件ppt
39

第五章：铁碳合金相图PPT课件

第五章：铁碳合金相图PPT课件

0.77-0.02
0.45-0.02
0.02
0.77
0.45
6.69
P=
100% = 57% P = 1 – WF = 57%
0.77-0.02
相组成物: F ; Fe3C
6.69-0.45
F=
100% = 94% Fe3C = 1 - WF = 6%
6.69-0.02
第四节 碳的质量分数对铁碳 合金组织、性能的影响
-
1
第一节 Fe - C相图的基础知识
1.铁与碳可以形成 Fe3C、Fe2C、FeC 等一系列化合物。
2.稳定的化合物可以作为一个独的组 元。
3.Fe – C 二元相图。
-
2
Fe – C 二元相图
温 度
Fe Fe3C Fe2C FeC (6.69%C)
-
C
3
Mg – Si 合金相图
第二节 形成Fe - Fe3C 相图组元 和基本组织的结构与性能
一.组元 * 铁 ( ferrite ) * 渗碳体 ( Cementite )
-
5
二.基本组织
1.铁素体 ( F )
( Ferrite ) 碳溶于
α–Fe中形成 的间隙固溶 体。
-
6
铁素体组织金相图
-
7
2.奥氏体 ( A ) --- Austenite
碳溶于 γ-Fe中形成 的间隙固溶 体。
-
64
3.碳素工具钢
T 12 A
高级优质
Wc = 12%0
碳素工具钢
-
65
4.铸造碳钢
ZG 200 - 400 σb ≥ 400MPa σs≥ 200MPa

Fe-Fe3C相图

Fe-Fe3C相图

铁碳平衡图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（见相图：基础书28页）。

①在1495℃（HJB线）发生包晶反应,LB+δH匊AJ。

此时液相LB(0.53％C)，δ铁素体δH(0.09％C)，奥氏体AJ(0.17％C)三相共存。

冷凝时反应的结果形成奥氏体。

②在1148℃(ECF线)发生共晶反应,LC匊AE+Fe3C。

此时液相LC(4.30％C)，奥氏体AE（2.11％C）。

渗碳体(6.69％C)三相共存。

冷凝时反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的机械混合物，通称为莱氏体。

③在727℃(PSK线)发生共析反应,AS匊FP+Fe3C,此时奥氏体As(0.77％C)，铁素体FP(0.0218％C)，渗碳体(6.69％C)三相共存。

冷却时反应的结果形成铁素体与渗碳体的混合物，通称珠光体。

共析反应温度常标为A1温度。

材料科学基础I 5-7 Fe-Fe3C相图

材料科学基础I 5-7 Fe-Fe3C相图

碳溶解于γ-Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用A表 中形成的固溶体称为奥氏体 碳溶解于 中形成的固溶体称为奥氏体 ， 表 具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳： 示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳： 1148°C时最多可以溶解 时最多可以溶解2.11%的碳，到727°C时含碳量降到 的碳， ° 时最多可以溶解 的碳 ° 时含碳量降到 0.77%。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心（见左 。碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心（ ）。奥氏体的硬度 奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性 延伸率 为40% ~ 较低， 延伸率δ为 图）。奥氏体的硬度 较低 塑性(延伸率 50%) 高。奥氏体的显微组织见右图。 奥氏体的显微组织见右图
三相区——3个: 个 三相区 包晶线(L+δ+γ) ——水平线 水平线HJB 包晶线 水平线 共晶线( 水平线ECF 共晶线 L+γ+Fe3C) ——水平线 水平线 共析线(γ+ + 水平线PSK 共析线 +α+ Fe3C) ——水平线 水平线
2、Fe-Fe3C相图中各点的特性 、 相图中各点的特性
共析转变发生 ℃（水平线PSK），反应式为： 共析转变发生727℃ ），反应式为： 发生 反应式为
727° C γ 0.77 ←→ α 0.0218 + Fe 3C
共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体， 共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体， 珠光体 表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至 的铁碳合金， 用字母P表示。含碳量大于 的铁碳合金 冷却至727℃ ℃ 其中的奥氏体必将发生共析转变。 时，其中的奥氏体必将发生共析转变。

相平衡和相图-Fe-FeC3相图

相平衡和相图-Fe-FeC3相图
脱溶分解（ +Fe3CII） 共析转变（ +Fe3C）
• 室温平衡组织： Fe3CII + P（+Fe3C）
.
材料科学基础
第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
(a)
(b)
图7.21 含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织 500×
硝酸酒精浸蚀，白色网状相为. 二次渗碳体，暗黑色为珠光体
+Fe3C （共析转变）
• 室温平衡组织： P（+Fe3C），100%珠光体，层片状混合物。
.
材料科学基础
第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
（3）亚共析钢（0.0218%<C<0.77%） • 0.09% > C ：L • 0.09% <C < 0.17 % ： L L+ • C = 0.17 %：L L+ • 0.17 % < C < 0.53 % ：L L+ L • C > 0.53 %： L • （固溶体同素异晶转变） 脱溶分解（ +Fe3CIII）
共析转变（ +Fe3C） • 室温平衡组织： +Fe3CIII + P（+Fe3C）
.
材料科学基础
第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.20亚共析钢的室温组织 .200×
材料科学基础
第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
（4）过共析钢，0.77%<C<2.11%； • L （匀晶转变）
• 在727 ℃时，碳在铁素体中的最大含碳量达到0.0218％ C 。
• 铁素体从727℃冷却时也会析出极少量的渗碳体，以三次渗碳体 Fe3CIII称之，以区别上述两种情况相平衡与相图

Fe-Fe3C相图-高清版

Fe-Fe3C相图-高清版

4
过共晶白口铁的室温组织
含碳量对平衡状态碳钢机械性能的影响
镇 静 钢
沸 腾 钢
钢锭组织示意图
作业： 作业： 1、解释二元共晶转变与二元包晶转变的异同。 2、在C-D二元系中，D组元的熔点比C组元的熔点高， C在D中 没有固溶度。该合金系存在下述恒温反应：
根据以上数据，绘出概略的二元相图。
5 6
7
8
工业纯铁的室温组织
1 2
3
4
共析钢的室温组织
1
2
3
4 5
6
Wc=0.20% 亚共析钢的室温组织
Wc=0.40%
1 2
3 4
5
硝酸酒精浸蚀
苦味酸浸蚀
过共析钢的室温组织
1
L+Fe3C
2
3
共晶白口铁的室温组织
1 2
L+F
1 2
L+Fe3C
3
Fe-Fe3C 相图
本章要求
1、熟练掌握铁碳合 、熟练掌握铁碳合 相图、 金相图、组元及基 本相； 本相； 2、铁碳合金的平衡 、 结晶过程及得到的 组织； 组织； 3、含碳量对铁碳合 金组织与性能的影 响。
L+Fe3C
A N
G
纯铁的冷却曲线
Fe-Fe3C相图（局部）
Fe-Fe3C 相图
1 3 2 4

Fe-Fe3C相图 ppt课件

Fe-Fe3C相图 ppt课件
（5）渗碳体（cementite） 前面已讨论过
（6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以游离态石墨
（graphite） (hcp)稳定相存在。所以石墨 在于Fe—C合金铸铁中也是一个基本相。
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15
3. Fe—Fe3C相图分析
如图为Fe—Fe3C相图 全貌。根据分析围绕三条 水平线可把Fe—Fe3C相 图分解为三个部分考虑： 左上角的包晶部分，右边 的共晶部分，左下角的共 析部分。
180-230
渗碳体 800
0
30
珠光体 180
20％-35％
770
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31
Wc对铁碳合金工艺性能的影响
●切削加工性： ●可锻性：金属经受压力加工改变形状但不产生裂 纹的性能。
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32
铁碳相图的应用
在生产中具有很大的实际意义，主要应用在钢铁材料的选 用和加工工艺的制订两个方面。 （1）在选材方面 （2）在铸造工艺方面 （3）在热锻热轧工艺方面 （4）在热处理工艺方面
▪ Upper head ▪ Core shell ▪ Lower head
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42
我国锻造生产的历史，现状及发展趋势
▪ 历史 ▪ 现状 ▪ 趋势
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43
锻造生产方法的分类
▪ 按所用工具不同，锻造可以分为自由锻和模 锻两大类
▪ 按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。
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44
第二、锻造用原材料
分析点、线、区特别 是重要的点、三条水平恒 温转变线 、重要的相界 线
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16
（1）Fe—Fe3C相图的点
Fe—Fe3C 相 图 相 图 中的各特性点所对应 的温度、成分和意义 如下表：
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• 铁素体从727℃冷却时也会析出极少量的渗碳体，以三次渗碳体 Fe3CIII称之，以区别上述两种情况产生的渗碳体。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
4. 铁碳合金的分类
第五章 相平衡与相图
铁碳合金通常可按含碳量及其室温平衡组织分为三大类：
（1）工业纯铁，C<0.0218% （2）碳钢，0.0218%<C<2.11%
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
三、 Fe- 石墨相图
1. 相图中的线和区 CD——从液相结晶出一次石墨GI； ES ——从奥氏体中析出二次石墨GII； PQ ——从铁素体中析出三次石墨GIII； ECF——共晶反应线，LC E + G PSK ——共析反应线， S P + G 2. Fe- 石墨结晶平衡组织
第五章 相平衡与相图
• 完全按Fe- 石墨相图结晶的的所有铸铁的平衡组织都是由铁素体和 片状石墨组成。
• 随含碳量增加，石墨数量增加，铁素体数量减少。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
2. 铁碳合金的石墨化
第五章 相平衡与相图
铁碳合金中形成石墨的过程称为石墨化，分为两个阶段： （1） 液态石墨化：
• 从液体中直接形成一次石墨和共晶石墨；
• 一次渗碳体和共晶渗碳体的高温分解。 （2）固态石墨化：
• 从奥氏体中形成的二次石墨和共析石墨；
• 二次渗碳体和共析渗碳体的分解。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
3. 铸铁的类型和组织
第五章 相平衡与相图
根据石墨化程度，铸铁可分为
（1）白口铸铁 • 完全按Fe- Fe3C相图结晶的铸铁的平衡组织由铁素体和渗碳体组成。其 断口呈现白色，故称为白口铸铁。 （2）灰口铸铁 • 第一阶段的石墨化可以充分进行，第二阶段的石墨化充分或部分，铸铁 组织由基体组织和石墨组成。其断口呈现深灰色，故称为灰口铸铁。
第五章 相平衡与相图

（固溶体同素异晶转变）

（固溶体同素异晶转变）

+3CIII （脱溶分解）
• 室温平衡组织：+Fe3CIII，铁素体
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.18 工业纯铁的显微组织 300×
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
（2）共析钢（C=0.77%） • L （匀晶转变）
第五章 相平衡与相图

+Fe3C （共析转变）
• 室温平衡组织： P（+Fe3C），100%珠光体，层片状混合物。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
（3）亚共析钢（0.0218%<C<0.77%） • 0.09% > C ：L
脱溶分解（ +Fe3CII）
+Fe3C）
共析转变（

• 室温平衡组织： Fe3CII + P +Ld （ Fe3CII + P + Fe3C共晶）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
（7）过共晶白口铁， 4.30%<C<6.69%； • L Fe3CI 共晶转变 L（ + Fe3C）Ld
第五章 相平衡与相图
脱溶分解（ +Fe3CII）
共析转变（ +Fe3C） • 室温平衡组织： Fe3CI +Ld （ Fe3CII + P + Fe3C共晶）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.24 过共晶白口铸铁冷却到室温后的组织 250× （白色条片是一次渗碳体，其余为莱氏体）
第五章 相平衡与相图
共析转变（ +Fe3C）
• 室温平衡组织： Fe3CII + P（+Fe3C）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.21 含碳1.2%的过共析钢缓冷后的组织 500× 硝酸酒精浸蚀，白色网状相为二次渗碳体，暗黑色为珠光体
(a)
(b)
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
（3）碳对对Fe-C合金组织的影响 • 完全按Fe- Fe3C相图结晶的的铸铁平衡组织都是由铁素体和渗碳 体组成。但不同含碳量的合金中，铁素体和渗碳体的数量和组织 形态不同。
• 随含碳量增加，渗碳体的数量增加，铁素体数量减少。
• 随含碳量增加，合金组织的变化： + P P P + CmII P + CmII + Ld Ld + CmI （4）碳对Fe-C合金性能的影响 • 在碳钢中，珠光体数量越多，强度越高。 • 在铸铁中有共晶莱氏体，塑性，强度和韧性均比钢差。 • 共晶铸铁的铸造性最好。
第五章 相平衡与相图
• 0.09% <C < 0.17 % ： L L+
• C = 0.17 %：L L+
• 0.17 % < C < 0.53 % ：L L+ L • C > 0.53 %： L
• （固溶体同素异晶转变） 脱溶分解（ +Fe3CIII）
• 高温铁素体（） ：碳原子溶于 -Fe形成的固溶体（体心立方结构）； • 奥氏体（或A） ：碳原子溶于 -Fe形成的固溶体（面心立方结构） ；
• 渗碳体（Cm）：碳与铁形成复杂结构的化合物Fe3C（正交点阵）。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
2. 水平线
第五章 相平衡与相图
（1）HJB—在1495℃发生的包晶转变：LB＋H→ J ， 转变产物是奥氏体（A）； （2）ECF—在1148℃发生的共晶转变：Lc→E+Fe3C，
第五章 相平衡与相图
（2）孕育灰口铸铁，石墨为细片状，（加入孕育剂，孕育处理）。
（3）球墨铸铁，石墨为球状，（加入球化剂，球化处理）。
4. 石墨和基体组织对铸铁性能的影响
• 石墨为粗片状细片状球状，力学性能提高。
• 珠光体数量增加，强度提高，塑性降低。
• 结晶条件不同，第二阶段的石墨化程度不同，基体组织分别为铁素体、 珠光体、铁素体+珠光体。
（3） 麻口铸铁 • 第一阶段的石墨化未充分进行，铸铁组织中包括石墨和共晶渗碳体或一 次渗碳体，称为麻口铸铁。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
根据石墨的形状，铸铁可分为： （1）普通灰口铸铁，石墨为粗片状。
（5）共晶白口铁，C=4.30%； • 共晶转变 L（ + Fe3C）Ld 脱溶分解（ +Fe3CII）
第五章 相平衡与相图
共析转变（ +Fe3C） • 室温平衡组织： 室温莱氏体 Ld （ Fe3CII + P）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
钢
亚共晶铸铁 铸铁 共晶铸铁 过共晶铸铁
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
6. 碳对Fe-C合金组织性能的影响 （1）室温下各种组织的形态 • 铁素体：等轴铁素体 • 珠光体：共析铁素体和共析渗碳体为层片状。 • 一次渗碳体：长条状 • 二次渗碳体：网状 • 三次渗碳体：颗粒状 • 室温莱氏体：共晶渗碳体为连续的基体。 （2）室温下两个组成相的性能 • 铁素体：塑性和韧性高，强度和硬度较低。 • 渗碳体：塑性和韧性低，硬而脆。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
二、 Fe- Fe3C
第五章 相平衡与相图
1. 组元和相
（1）Fe为同素异构体，在常压下从高温到低温，具有3个晶态： -Fe ， -Fe， -Fe
（2）碳有两种晶态：
金刚石：金刚石结构；石墨：六方结构 （3）在Fe-Fe3C系中有4种晶体相：
• 铁素体（ 或F）：碳原子溶于-Fe形成的固溶体（体心立方结构）；
• 共析钢，C=0.77%；
• 亚共析钢，0.0218%<C<0.77%； • 过共析钢，0.77%<C<2.11%；
（3）铸铁， 2.11%<C<6.69%
• 共晶白口铁，C=4.30%； • 亚共晶白口铁，2.11%<C<4.30%；
• 过共晶白口铁，4.30%<C<6.69%；
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
• 碳钢和铸铁是按共晶转变来区分的，无共晶转变，即无莱氏体的 合金称为碳钢。既无共析转变也无共晶转变的合金称为工业纯铁。 • 碳钢和铸铁的理论分界碳含量为2.11%。
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
5. 平衡凝固过程
（1）工业纯铁（C<0.0218%） • L （匀晶转变）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
总类 铁 分类名称 工业纯铁 亚共析钢 共析钢 过共析钢 碳浓度( % ) <0.0218 0.02180.77 0.77 0.77-2.11 2.11-4.30 4.30 4.30-6.69
第五章 相平衡与相图
室温平衡组织
铁素体 (F) 铁素体＋三次渗碳体(F)+ CmIII 先共析铁素体＋珠光体 (F)+P 珠光体，P 先共析二次渗碳体＋珠光体 P+CmII 珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体 P+CmII+Ld 莱氏体Ld 一次渗碳体＋莱氏体 CmII+Ld
共析转变（ +Fe3C） • 室温平衡组织： +Fe3CIII + P（+Fe3C）
材料科学基础 第四节 Fe-C相图
第五章 相平衡与相图
图7.20亚共析钢的室温组织 200×