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图铁碳相图第四节铁碳相图与铁碳合金

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6.3铁碳相图

6.3铁碳相图

高，这种现象称为氢脆。
含有较多氢的钢，在加热热轧时溶入，冷却时溶解度降 低，析出的氢结合成氢分子，使钢的塑性大大降低，脆性大
大升高，加上热轧时产生的内应力，当它们的综合作用力大
于钢的时，在钢中就会产生许多微细裂纹如头发丝一样，也 称发裂，这种组织缺陷称为白点。
8.氧的影响
氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过 程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧 过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在 700℃时为0.008%，在500℃时在铁素体中的溶解度
破坏了铁素体基体之间的连接
作用所造成。
含碳量对碳钢机械性能的影响
对工艺性能的影响 适合锻造：C%<2.11%，可得到单相组织。 适合铸造：C%～4.3%，流动性好。 适合冷塑变：C%<0.25%，变形阻力小。
适合热处理：0.0218-2.11%，有固态相变。
思考题
1.如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁?
冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳
体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。 GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或 者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同 素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其 转变温度有变化）。
T℃
1538A
L A L+A E
时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高，
塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。 为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加 入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物， 以减小氮所造成的时效敏感性。
7.氢的影响
氢在钢中的存在也是有害元素，它是由潮湿的炼钢原料 和炉气而进入钢中的。 氢在钢中的溶解度甚微，但严重的影响钢的性能，氢溶 入铁中形成间隙固溶体，使钢的塑性大大降低，脆性大大升

铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)

铁碳相图和铁碳合金(白底+简化)

2020/11/4
12
铁素体的显微组织
铁素体的显微组织与纯铁相同，用4%硝 酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明 亮的多边形等轴晶粒。
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奥氏体的组织
奥氏体的组织与铁素体相似，但晶界较为 平直，且常有孪晶存在。
2020/11/4
14
（3）Fe3C(渗碳体） cementite
2020/11/4
4
（1）纯铁pure iron（多型性）
2020/11/4
➢ 纯铁熔点1538℃，温度变化 时会发生同素异构转变。
➢ 在912℃以下为体心立方 ， 称α铁(α-Fe)；
➢ 低温的铁具有铁磁性，在 770℃ 以 上 铁 磁 性 趋 于 消 失 。
➢ 912℃—1394℃ 之 间 为 面 心 立方，称为γ铁(γ-Fe)；
称为铸铁 ➢含碳量小于0.0218％的铁碳合金则称为工
业纯铁
2020/11/4
25
根据组织特征可将铁碳合金分为以下七种
①工业纯铁(<0.0218％C)； ②共析钢，0.77％C； ③亚共析钢(0.0218％—0.77％C)； ④过共析钢(0.77％-2.11％C)； ⑤共晶铸铁(4.30%C)； ⑥亚共晶铸铁(2.11%-4.30％C)； ⑦过共晶铸铁(4.30％—6.69％C)。
G 912
2020/11/4
0
α与γ同素异构转变点(A3)
17
2、 Fe-Fe3C相图分析
特征点
符号 H J K N P S Q
2020/11/4
温度/℃ 1495 1495 727 1394 727 727 室温
含碳量/% 含义
0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度

第1章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织PPT课件

第1章 铁碳相图和铁碳合金缓冷后的组织PPT课件
效依据：预测热处理后零件的组织和性能； 确定临界冷速；选择淬火介质。
精选PPT课件
26
3、共析钢CCT曲线与TTT曲线的对比
图2.11 共析钢过冷奥氏体CCT曲
线与TTT曲线的精比选P较PT课件
27
第四节 珠光体转变
珠光体转变：共析钢奥氏体化后，过冷到 A1至“鼻尖”之间区域等温停留时，将发 生共析转变，形成珠光体组织。
二、片状珠光体的形成过程
1、分片形成机理
图2.11 片状珠光体的形成示意图
精选PPT课件
30
图2.11 片状珠光体形成时C原子的扩散示意图
精选PPT课件
31
2、分支形成机理
与片状珠光体的形成机理相似，只是在分枝形 成机理中珠光体区域的铁素体和渗碳体具有相同 的取向，渗碳体的晶核形成后，向前长大过程中 不断分枝，而铁素体协调的在渗碳体枝间形成， 从而形成渗碳体和铁素体的两相混合组织。
图2.3 共析钢精奥选氏PP体T课等件 温形成动力学曲线和
10
等温形成图示意图
图2.4 共析钢奥氏体等温形成图
精选PPT课件
11
奥氏体等温形成动力学的影响因素： 1. 温度 2. 原始组织 3. 合金元素
精选PPT课件
12
三、奥氏体晶粒大小及其影响因素
晶粒大小及其表示方法:采用与标准金相图片 相比较的方法，来确定晶粒度的级别，晶粒度 的级别N和放大100倍时每平方英寸 （6.45cm2)视野中的平均晶粒数n的关系为：
33
四、亚(过)共析钢的珠光体转变
伪共析组织：非共析成分的合金在冷却过 程中却获得类似共析成分的组织。
离异共析：共析组织中与先共析相相同的 相依附先共析相成长，另一相孤立的分布 在先共析相之间，失去共晶组织的特征。

第4讲铁碳合金基本组织及铁碳合金相图分析

第4讲铁碳合金基本组织及铁碳合金相图分析

第4讲铁碳合⾦基本组织及铁碳合⾦相图分析第三章铁碳合⾦第⼀节基本组织⼀、铁碳合⾦的基本组织1、铁素体（F）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体。

由于α-Fe晶粒的间隙⼩，溶解碳量极微，其最⼤溶碳量只有0.0218%（727℃）所以是⼏乎不含碳的纯铁。

=180～230Mpa性能：σbHB=50～80δ=30～50%φ=70～80%ak=156～196J·cm-2显微镜下观察，铁素体呈灰⾊并有明显⼤⼩不⼀的颗粒形状。

Array C）2、渗碳体（Fe3渗碳体是铁与碳形成的稳定化合物。

含碳量为6.69%性能：HB=800，硬度很⾼，脆性极⼤，是钢中的强化相。

显微镜下观察，渗碳体呈银⽩⾊光泽。

渗碳体在⼀定条件下可以分解出⽯墨，3、奥⽒体（A）奥⽒体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体。

γ-Fe的溶碳能⼒较⾼，最⼤为2.11%（1148℃）。

由于γ-Fe⼀般存在于727～1394℃之间，所以奥⽒体也只出现在⾼温区域内。

显微镜观察，奥⽒体呈现外形不规则的颗粒状结构，并有明显的界限。

性能：δ=40～50%，具有良好的塑性和低的变形抗⼒。

是绝⼤多数钢种在⾼温进⾏压⼒加⼯所需的组织。

4、珠光体（P）珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体。

珠光体的平均含碳量为0.77%，在727℃以下温度范围内存在。

显微镜观察，珠光体呈层⽚状特征，表⾯具有珍珠光泽，因此得名。

=750Mpa性能：σbHB=160～180较⾼δ=20～25%φ=30～40%适中5、莱⽒体（Ld）莱⽒体是由奥⽒体和渗碳体组成的共晶体。

铁碳合⾦中含碳量为4.3%的液体冷却到1148℃时发⽣共晶转变，⽣成⾼温莱⽒体。

合⾦继续冷却到727℃时，其中的奥⽒体转变为珠光体，故室温时由珠光体和渗碳体组成，叫低温莱⽒体。

统称莱⽒体。

第⼆节铁碳合⾦相图分析各主要线的意义：相图中的线是把具有相同转变性质的各个成分合⾦的开始点和终了点，分别⽤光滑曲线连接起来得到的，代表了铁碳合⾦内部组织发⽣转变的界限。

第四章 铁碳合金相图

第四章 铁碳合金相图

表4.3 铁碳合金的分类
第四节铁碳合金的成分、组织、性能间的关系 一、含碳量与平衡组织间的关系
随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生了很 大变化。（渗碳体分布在P内——网状分布在A晶界上——形成莱氏 体时，渗碳体则成了基体 。）
二、含碳量与力学性能间的关系
（ 1 ）硬度 WC 增加，硬度增加；
奥氏体的晶胞示意图
奥氏体的显微组织
三、渗碳体
渗碳体（Fe3C）



铁与碳形成的间隙化合物，含碳 量6.69%； 室温相——常作为钢的第二弥散 强化相； 渗碳体具有高硬度、高脆性、低 强度和低塑性； 一次渗碳体 Fe3CI：从液相直接 结晶出来。 二次渗碳体 Fe3CII：从 A 中析出。 三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及其组织
一、合金Ⅰ（共析钢）
结晶过程
共析结晶过程
1点以上 L； 1~2点 L+A； 2~3点 A； 3点 共析转变AS
727℃
(FP+Fe3C) ≡ P
QFe3 C
（片层状分布）共析铁素体 共析渗碳体 珠光体团
3~4点 F+ Fe3CIII+ Fe3C ≡ P
0.77 0.0218 11.2% 6.69 0.0218
第一节 铁碳合金的基本相
同素异晶转变——是指金属在结晶成固态以
后继续冷却的过程中晶格类型随温度下降而 发生变化的现象，也称同素异构转变。
Fe的冷却曲线及相应的晶体结构
L-Fe 液相
1538℃
δ-Fe 体心
1394℃
γ-Fe 面心
912℃ α-Fe 体心
同素异构转变（重结晶）的特点

3.铁碳合金和铁碳相图资料

3.铁碳合金和铁碳相图资料

发生共晶反应的成分范围： Wc ：2.11 %—6.69%
(合金成分线与ECF线相交) 产物： γE和Fe3C两相混合物，称为莱氏体。用Le表示。（Fe3C为
基体；γE呈粒状或卵状分布在基体上）
莱氏体是塑性很差也很硬的组织。 共晶点C ：(4.3,1148)
3）共析转变 （水平线PSK,亦称A1线） 727º C gs aP Fe3C +
HV=950~1050
δ=0
二、 Fe-Fe3C相图的相
1.液相 L
2.δ 相（高温铁素体）：碳溶于δ -Fe的间隙固溶体。
在1495℃时的最大溶碳量为0.09%。（bcc） 3.α 相（F，铁素体）：碳溶于α -Fe的间隙固溶体。 在727℃时的最大溶碳量为0.0218%。（bcc） 性能：软而韧
室温组织: 先共析F + P
亚共析钢显微组织示意图
室温组织为珠光体及铁素体,珠光体呈黑色块状, 铁素体呈连续白色网状在珠光体周围

亚共析钢结晶过程:L
L+A
A
F+A
F+P
求室温中相 组织的含量
室温各相的相对量：（在α + Fe3C两相区室温用杠杆定律） Fe3C%≈0.45/6.69=6.7%
温度低于此线时，
碳以Fe3C形式从A中析出，
析出的次生Fe3C 又称二次渗碳体， 记为Fe3CII 。
固溶度线
PQ 碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化线
（温度 ，最大溶解度 ） (0.0008%—0.0218%)
温度低于727℃时，
碳以Fe3C形式从F中析出，
析出的Fe3C 又称三次渗碳体， 记为Fe3CIII 。
4.Fe-Fe3C相图中的转变

4 铁碳合金相图

4 铁碳合金相图

一、共析钢
1 C 2
•珠光体中铁素体与渗碳体的
相对量可用杠杆定律求得。
w FP SK 6.69 0.77 100%
PK 6.69 0.0218 88.8%
PS 0.77 - 0.0218
3
w Fe 3 C
PK 6.69 0.0218 11 .2 % (1 - w FP ) 100%
σb
750~900MPa
δ
20%~25%
αk
24~32J/㎝2
第四章 铁碳合金相图
硬度
180~280HBS
共晶转变与共析转变比较
相同点： • 在恒温下，由一相转变成两相混合物
不同点：
• 共晶转变——从液相发生转变；共晶体-莱氏体Ld；
• 共析转变——从固相发生转变；共析体-珠光体P；
• 由于原子在固态下扩散困难，故共析体比共晶体 更细密。
第四章 铁碳合金相图
二、下半部分图形-固态的相变
2.图中各线的分析
• PQ-碳在铁素体中固溶线，碳在铁素体中的最大溶解度是P 点，随着温度降低溶解度减小。从727℃到室温，铁素体中
溶碳量从wC=0.0218%减小到wC=0.0008%。
第四章 铁碳合金相图
三次渗碳体（Fe3CⅢ）——由727℃冷却到室温的过程中，过 剩的碳将以渗碳体形式从铁素体中析出，称为三次渗碳体。 一次渗碳体（Fe3CⅠ）——自液态合金中直接析出的渗碳体。 二次渗碳体（Fe3CⅡ）——自奥氏体中析出的渗碳体。
第四章 铁碳合金相图
三、渗碳体
σb
30MPa
δ
0%
αk
0J/㎝2
硬度
800HBW
• 渗碳体是指晶体点阵为正交点阵，化学式近似于Fe3C的一种 具有复杂晶格的间隙化合物，用符号Fe3C表示。 • 其含碳量为wc=6.69%，熔点为1227℃，不发生同素异构转变， 有磁性转变，在230℃以下具有弱磁性，230℃以上失去铁磁 性。 • 渗碳体中碳原子可被氮等小尺寸原子置换，而铁原子则可被 其他金属原子置换。这种以渗碳体为溶剂的固溶体称为合金 渗碳体。 • Fe3C在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或块 状。在碳钢中起强化相，其形态与分布对钢的性能有很大影 响。在一定条件下会分解成石墨状的自由碳。

铁碳相图和铁碳合金

铁碳相图和铁碳合金

钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应用最广的金属材料，虽然它们的种类很多，成分不一，但是它们的基本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素。

因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。

Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。

所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。

由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。

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5.6-1）。

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。

这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。

【说明】图5.6-1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。

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5.6-2。

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。

二元相图+02(铁碳相图)

二元相图+02(铁碳相图)
分子式：Fe3C，含碳6.69%， 晶体结构：正交晶系的复杂晶体结构。 性能：硬度高、脆性大，塑性几乎为零。 组织形态：层片状、粒状、球状、网状、
片状、基体。是钢中主要强化相 Fe3C是一个亚稳相：Fe3C→3Fe+C（石墨）
渗碳体结构示意图
2.Fe-Fe3C相图分析
图 铁碳相图
2.Fe-Fe3C相图分析
S 0.77
Q
Fe
图形；特征点；液/固相线
E 1148℃ C
2.11
4.3
727℃
D F
K 6.69
Fe3C
⑴特征点(14个） 表 铁碳相图中的特征点
符号 温度/℃ 含碳量/% 含义
A 1538
0
纯铁的熔点
B 1495
0.53 包晶转变时液态合金的成分
C 1148
0.43 共晶点
D 1227 E 1148
②奥氏体 （ austenite ）:
奥氏体：碳在 -Fe中的间隙固溶体 符号：A或 晶体结构：面心立方（FCC）晶格。 溶解度：溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11% 组织：为不规则多面体晶粒， 晶界较直。 性能：强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行。具 有顺磁性。
③渗碳体 符号：Fe3C 或 cem
① 铁素体（ ferrite ） ： 铁素体：碳在α-Fe中的间隙固溶体，符号：F 或 晶体结构：体心立方（BCC）。 溶解度：很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。 组织：多边形晶粒 性能：与纯铁相似，塑性和韧性很好，但其强度很低，770℃ 以下均具有铁磁性。 高温铁素体：碳在δ-Fe中的间隙固溶体，符号：δ
2.11%
4.3%
727℃ K

2第四节 铁碳合金相图

2第四节 铁碳合金相图
常温组织
AC
名称 亚共析钢
(C<0.77%)
转变过程 L L+A
AE
F+P P P + Fe3C
A
A3
A+F
A1
P+F
共析钢
(C=0.77%)
过共析钢
(0.77%< C<2.11%)
2
Fe-C合金状态图
状态图的分析


组织分析
常温组织
AC
名称 亚共析钢
(C<0.77%)
转变过程 L L L
AC
F+P P P + Fe3C
2
Fe-C合金状态图
室温时，含碳量低于0．0218％的合金全部为铁 素体（忽略三次渗碳体）、随着合碳量的增加，铁 素体的含量呈线性减少，到6．69％C时降为零。与 此同时，渗碳体的含量则由零直线增加至100％。 含碳量的变化不仅引起铁素体和渗碳体相对量的 变化，而且由于引起不同性质的结晶过程，使其出 现不同的组织形态，发生不同的相互结合，因此造 成不同的组织变化。
2
Fe-C合金状态图
（2）组织形态的变化：同一种组织组成物或组 成相，由于生成条件的不同，虽然本质相同，但 形态差别却很大，对性能的影响也大不一样。 1）铁素体。 固溶体转变生成的单相铁素体为块状（等轴晶 粒状）；共折体中的铁素体则由于同渗碳体相互 制约，主要呈交替片状。
2
Fe-C合金状态图
2）渗碳体。 它的形态最复杂，钢铁组织的复杂化主要是它所造成 的。 一次渗碳体是从液体中直接析出，呈长条状； 二次渗碳体是从奥氏体中析出的，沿晶界呈网状； 三次渗碳体是从铁素体中析出的，沿晶界呈小片或粒 状； 共晶渗碳体是同奥氏体相关形成的，在莱氏体中为连 续的基体； 共析渗碳体是同铁素体交互形成的，呈交替片状。

第4章铁碳合金相图

第4章铁碳合金相图

四 含碳量对铁碳合金组织 和力学性能的影响
对组织的影响： 对组织的影响： • 含碳量为0.77%时，组织为珠光体； 含碳量为0.77%时 组织为珠光体； 0.77% • 亚共析钢组织为铁素体+珠光体； 亚共析钢组织为铁素体+珠光体； • 过共析钢组织为铁素体+渗碳体 过共析钢组织为铁素体+
100%
P F+P
室温 0.008
L’d
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+L’d
Fe3CⅠ+L’d
0
0.2 0.4
0.6
0.8 1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
6.69
接下来需要掌 握的一个内容是： 握的一个内容是： 杠杆定律的应用
亚共析钢和过共析钢 室温时，相的相对量： 室温时，相的相对量： 1、室温时的相： 、室温时的相： 铁素体+Fe F铁素体+Fe3C渗碳体 2、相对量 、
L’d Fe3CⅠ+L’d
室温 0.008
Fe
0
0.2 0.4
0.6
0.8 1.0
1.5
2.0
3.0
4.0
5.0
6.69
Fe3C
A 1538 ℃ 纯铁熔点 A N C E G S P Q K F H B J
相图中的点… 相图中的点
D
B 1495 ℃ 0.53 包晶反应 成分 包晶反应L成分 H 1495 ℃ 0.09 包晶反应 成分 包晶反应L成分 J 1495 ℃ 0.17％ 包晶点 ％ N 1394 ℃ 纯铁 δ←→γ E 1148 ℃ 2.11% 碳在γ中 碳在 中 最大溶解度 C 1148 ℃ 4.3% 共晶点 D 1227℃ 6.69 Fe3C熔点 ℃ 熔点 F 1148℃ 6.69共晶中 相成分 ℃ 共晶中S相成分 共晶中 G 912℃ 0%C γ-Fe → α -Fe ℃ P 727℃ 0.0218% ℃ 碳在α中最大溶解度 碳在 中最大溶解度 S 727℃ 0.77% ℃ 共析点γ （ 共析点 →（α + Fe3C) K 727℃ 6.69% Fe3C ℃ Q 600℃ 0.01% ℃

第四章 铁碳相图

第四章 铁碳相图

综上所述：为了保证工业使用的铁碳合金具有足 够的强度的同时，并具有一定的塑韧性，铁碳合 金的含碳量一般不超过1.3%
三. 对工艺性能的影响 1、切削加工性能
低碳钢中铁素体较多，塑性、韧性好，容易粘刀，而且切屑 不易折断，因此，切削加工性能不好。 高碳钢中渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削加工性 能也不好。 中碳钢硬度和塑性比较适中，切削加工性较好。 一般，钢的硬度为250HB时，具有合适的加工性能。
Fe3CⅡ
Fe3CⅢ Fe3C共析 Fe3C共析
ES
PQ S C
γ
α γ L
网状分布于晶界
薄片状 层片状 基体
标注组织的铁碳相图
§4 含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响 一. 对平衡组织的影响

随着含碳量增加，铁碳合的组织变化如下： F+Fe3CⅢ（工业纯铁）→F+P（亚共析钢） → P（共析钢） → P+Fe3CⅡ（过共析钢）
§3 典型合金的结晶过程：
工业纯铁 ＜0.0218%C 亚共析钢 0.0218-0.77%C 铁碳合金 钢
共析钢 0.77%C
过共析钢 0.77－2.11%C 亚共晶生铁 2.11-4.3%C
白口生铁
共晶生铁 4.3%C 过共晶生铁 4.3－6.69%C
平衡结晶过程：
1） 工业纯铁：0.01%C
纯铁的性能：
工业纯铁含铁 99.8-99.9%，0.1-0.2%的杂质，主要 为碳. 机械性能：
抗拉强度176-274MN/m2 ，屈服强度98-166MN/m2 , 延伸率30-50%，断面收缩率: 70-80%，冲击韧性: 160-200J/cm2，硬度:50-80HB 室温下,强度低,塑韧性好,很少用作结构材料

第一章 铁碳相图

第一章 铁碳相图

第五节 合金在缓冷过程中的固态转变和室温组织
二、钢在缓冷时的固态转变和组织
1. 共析钢的固态转变
A1温度以下，奥氏体发生共析分解，转变后的产物为 珠光体（α+Fe3C）。 珠光体的形态：片层状渗碳体分布在铁素体基体上。 室温下珠光体中渗碳体和铁素体的相对量为：
渗碳体 0.77－0.001 1 ＝ 铁素体 6.69 0.77 8
第五节 合金在缓冷过程中的固态转变和室温组织
工业纯铁
<0.0218wt%C
铁素体，或
铁素体+三次渗碳体
第五节 合金在缓冷过程中的固态转变和室温组织
亚共析钢 0.0218-0.77wt%C 先共析铁素体+珠光体 共析钢 0.77wt%C 珠光体 过共析钢 0.77-2.11wt%C 先共析二次渗碳体+珠光体
第四节 铁碳合金的凝固
二、铸铁（含碳量>2.11%的铁碳合金）的结晶过程
第四节 铁碳合金的凝固
二、铸铁（含碳量>2.11%的铁碳合金）的结晶过程
亚共晶合金结晶时，在共晶 反应前先形成奥氏体； 过共晶合金结晶时，在共晶 反应前先形成渗碳体—一次渗 碳体。
第四节 铁碳合金的凝固
二、铸铁（含碳量>2.11%的铁碳合金）的结晶过程
α Fe γ Fe
超过1394℃，纯铁将再次转变为体心立方点阵
γ Fe δ Fe
A4转变
在1538℃以上，纯铁由固态转变为液态。
第一节 纯 铁
第二节 铁的碳化物
碳化物 Θ 碳化物
ε 碳化物 χ 碳化物
化学式 Fe3C （渗碳体）
ε -Fe2-3C Fe2.2C or Fe5C2
晶系或对称性 正交

4铁碳合金相图

4铁碳合金相图
莱氏体冷却到727℃时，奥氏体将转变为珠光体， 所以室温下莱氏体由珠光体和渗碳体组成，称为变 态莱氏体，用符号“Ld΄”表示。 莱氏体中由于有大量渗碳体存在，其性能与渗碳体 相似，即硬度高、塑性差。
工程材料及其热处理-2 8


3、单相的基本组织
在铁碳合金中,各个独立存在的相,也可以看成是单 相的基本组织。例如：铁素体组织，渗碳体组织。
4
3、渗碳体
Fe和C形成的间隙化合物。
具有固定的熔点1227℃，固定的化学成分，碳的
质量分数ωc=6.69%， 分子式Fe3C。 Fe3C在铁碳合金中是一种独立的相。性能特点硬而 脆， 相对固溶体，Fe3C属于强化相。渗碳体的数量、 形态、分布对钢的性能影响很大。
工程材料及其热处理-2
5
说明： 高温相：A 室温相主要是：F、Fe3C
3、相区
工程材料及其热处理-2 17
三、铁-渗碳体相图中各点、线含义的小结
根据上述分析结果，把铁-渗碳体相图中主要特 性点和线分别列表归纳总结。见表4-1和表4-2。
工程材料及其热处理-2
18
四、铁碳合金的分类 按含碳量不同，铁碳合金分为：工业纯铁、钢 和铸铁三大类。
工程材料及其热处理-2
19
工程材料及其热处理-2
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2、图中各线的分析
ACD线—液相相
线—固相线
ECF线为共晶线，液相合金冷却到共晶线时， 将发生共晶转变。 ES线为C在A中的溶解度曲线。最大溶解度是E 点，随着温度下降，溶解度减小，直到S点为最小 溶解度点。 3、相区
工程材料及其热处理-2 14
二、下半部分图 形——固态下的结 晶
工程材料及其热处理-2
工程材料及其热处理-2

2.5 铁碳合金和铁碳相图

2.5 铁碳合金和铁碳相图

强
度 含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• Ｃ％↑, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度高。组织越细密,
则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随Ｃ％
↑而增大。 • 共析成分之上, 由于强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度 的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度 迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到
C点为共晶点 1148 ℃时, C点成分的L发 生共晶反应, 生成E点成分的γ和Fe3C（莱 氏体）。
S点为共析点 727 ℃时, S点成分的γ发生共 析反应, 生成P点成分的α和Fe3C（P）。
返回
Fe-Fe3C相图
返回
Fe-Fe3C相图
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
P+Fe3CⅡ
P+Fe3CⅡ+Ld’
Ld’
Fe3C+Ld’
硬
度 含碳量对铁碳合金力学性能的影响
硬度主要决定于组织中组成相或组织组成物的硬度和 质量分数, 随碳含量的增加, 由于硬度高的Fe3C增多, 硬度 低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度
约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。
亚共析钢的平衡结晶过程
注意事项
先析铁素体（α相）在随后的冷却过程中会析出Fe3CⅢ，但量很少可忽略
亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体+珠光体P
利用杠杆定律计算先析铁素体与珠光体的质量分数，计算铁素体（先析铁 素体+P光体中的铁素体）与渗碳体的质量分数
过共析钢的平衡结晶过程
单相液体的冷却 L相→ γ相

铁碳合金和铁碳相图+-+JJfinal+draft

铁碳合金和铁碳相图+-+JJfinal+draft

相图中主要线的含义

ABCD线—液相线 是不同成分铁碳合金 开始结晶的温度线。 JECF线—固相线 各种成分的合金均处在 固体状态。结晶温度终止线。 ECF水平线—共晶线 含碳量为4.3%的液 态合金冷却到此线时，在1148 ℃由液态合 金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物， 此反应称为共晶反应。 PSK水平线—共析线（A1线） 含碳量为 0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727 ℃同 时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反 应称为共析反应。 GS线—（A3线） 是冷却时奥氏体转变为铁 素体的开始线。
匀晶反应： L→ γ相
共晶反应：剩余L→Ld（γ+Fe3C）
先共晶γ相不断析出Fe3CⅡ，共晶γ相
析出Fe3CⅡ不可见
共析反应： Ld（γ+Fe3C） → Ld’（P+Fe3C） 先共晶γ相 → P 室温组织： Ld’（P+Fe3C） + P
亚共晶白口铁的室温组织
过共晶白口铁的平衡结晶过程
单相液体的冷却
返回
包晶反应：L+δ＝γ
共晶反应：L＝Ld( FeC3+ γ ) 共析反应： γ＝P (FeC3+ α)
返回
工业纯铁
碳素钢
白口铸铁
9.2 Fe-Fe3C相图
过共析钢 亚共析钢 共析钢
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
共晶白口铁
铁碳合金相图中主要特性点的含义
特性点的 符号 A C D E G P S Q
温度t/ ℃ 1538 1148 1227 1148 912 727 727 室温
含碳量 wc% 0 4.3 6.69 2.11 0 0.02 0.77 0.0008
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 -Te γ -Te同素异晶转变点 碳在铁素体中的最大溶解度 共析点 碳在铁素体中的溶解度

第04章 铁碳合金

第04章 铁碳合金

１、 重要的点 C点为共晶点
共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混 和物, 称莱氏体, 以符号 Le表示。 共晶转变线ECF：1148摄氏度，C%=4.3%。
L4.3 体），
A2.11+Fe3C（共晶渗碳
Le4.3 高温莱氏体 Le，Ld
S点为共析点 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共 析混合物, 称珠光体, 以符号P表示。
第一节
铁碳合金系相图
一、Fe-Fe3C相图的组元和基本相 1.组元
纯铁熔点为1538℃，具有同素异构转 变，δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--a -Fe(bcc) (同素异构转变) 。 性能特点是强度低、硬度低、塑性好。 抗拉强度 σb 180 MPa～230 Mpa 延伸率 δ 30%～50%
A的硬度较低，但塑性、韧性好，适于压力加工。
渗碳体 （Fe3C）：
的一类重要的基本相。
它既可作为组元，也是钢中
Fe3C是亚稳定相，这对铸铁组织有重要意义，且有些合金元 素Mn、Cn可置换Fe原子，对合金钢有意义。
高 温 铁 素 体
奥氏体
铁 素 体
渗 碳 体
钢中的基本相
。
二、铁碳相图分析
点的符号 A B C D E F G H K P S 温度℃ 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 727 727 727 含碳量% 0.00 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0.00 0.09 6.69 0.0218 0.77 说明 纯铁的熔点 包晶反应时液态合金的浓度 共晶点，LcA+Fe3C 渗碳体熔点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 -Fe-Fe 同素异构转变点 碳在-Fe 中的最大溶解度 渗碳体 碳在-Fe 中的最大溶解度 共析点

图 铁碳相图 第四节 铁碳相图和铁碳合金

图 铁碳相图 第四节 铁碳相图和铁碳合金

4.4.3 合金铸件的组织与缺陷
铸件从宏观组织来看，可分为激冷晶区、柱状晶区和等 轴晶区。 铸件主要的宏观缺陷有缩孔、缩松、气泡、裂纹、偏析 等。
1.铸锭（件）的三晶区
铸件凝固后宏观组织具有 三个性质、晶体形态不同的 三个区域： 激冷区 柱状晶区 等轴晶区
图 铸锭组织的形成
2.偏析
合金凝固时，随着结晶过程的进行，在液、固相中的溶 质要发生重新分布。在非平衡凝固条件下，凝固速度比较快， 溶质原子来不及重新分布，使得先后结晶的固相中成份不均 匀，这种现象称为偏析。根据产生偏析的范围不同，可分为 宏观偏析和微观偏析。 宏观偏析是大范围的成分不均匀的现象，又称远程偏析。 微观偏析是晶粒尺度范围的成分不均匀现象，又称短程 偏析。
图 渗碳体结构示意图
渗碳体
• 渗碳体(Fe3C)：是铁和碳的化合物，含碳量为6.69％。熔 点为1227C，硬度很高(约为HB800)，脆性大，塑性很 低。在一定温度下能分解为石墨状的游离碳。
➢ 一次渗碳体：从液态合金中结晶析出的共晶深碳体。其 形态呈粗大较规则的板片状。
➢ 二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体称之为二此渗碳 体，一般在奥氏体晶界呈网状分布。
图 Fe-S相图
5.磷的影响
磷在钢中的存在一般属于 有害元素。 在1049℃时，磷在Fe中的 最大溶解度可达2.55%，在室 温时溶解度仍在1%左右，因 此磷具有较高的固溶强化作 用，使钢的强度、硬度显著 提高，但也使钢的塑性，韧 性剧烈降低，特别是使钢的 脆性转折温度急剧升高，这 种现象称为冷脆。
（6）过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁的凝固过程示意图
过共晶白口铸铁的光学显微组织照片
按组织分区的铁碳合金相图
A
A

第四章铁碳相图

第四章铁碳相图

包晶相图
三相区 P D C（包晶线），D点称为包晶点
包晶转变式： L（液相） + α（固相） → β(固相）
共晶相图
A
Ⅰ
C E D B
F
G
⑴当合金缓慢冷却共晶点时：LE →α C+ β
D
共析相图
共析转变式： γs αp+FeC3
在一定温度下，有一种固态转变为两种固 态的混合物。共析转变产物为珠光体，符号P 表示。共析转变水平线称为共析线或共析温度， 常用A1表示。
图4-1 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
•
纯铁在凝固后的冷却过程中，经过同素 异构转变后，晶粒得到了细化。 • 固态下同素异晶转变与液态一样，也是 形核与长大，为了区别于液态结晶，将这 种固态下的相变结晶过程称为重结晶。 • 意义：它是钢的合金化和热处理的基础。
图4-2 纯铁结晶后的组织 a）初生的δ-Fe晶粒 b）γ-Fe晶粒 c）室温组织——α-Fe晶粒
（二）铁素体与奥氏体
铁素体是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，为 体心立方晶格，常用符号F或α表示。 奥氏体是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，为 面心立方晶格，常用符号A或γ表示。 铁素体和奥氏体是铁碳相图中两个十分重 要的基本相。 两者溶碳能力差别很大，铁素体最大溶碳 量在727℃仅为0.0218%，在室温下就更低了，在 0.008%以下。而奥氏体在1148℃为2.11%。
组 织（6）变态莱氏体(Ld′)：P＋Fe C 3
二、包 晶 转 变（水平线HJB）
在1495℃的恒温下，wC=0.53%的液相与wC=0.09% 的δ铁素体发生包晶反应，形成wC=0.17%的奥氏体。 进行包晶反应时，奥氏体沿δ相与液相的界面生 核，并向δ相和液相两个方向长大。包晶反应终了时， δ相与液相同时耗尽，变为单相奥氏体。含碳量wC在 0.09%～0.17%之间的合金，由于δ铁素体的量较多， 当包晶反应结束后，液相耗尽，仍残留一部分δ铁素 体。这部分δ相在随后的冷却过程中，通过同素异构 转变而变成奥氏体。含碳量wC在0.17%～0.53%之间的 合金，由于反应前的δ相较少，液相较多，所以在包 晶反应结束后，仍残留一定量的液相，这部分液相在 随后冷却过程中结晶成奥氏体。
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图 共晶白口铸铁平衡组织
恒温转变线PSK
S 7270 C P Fe3C
珠光体是铁素体和渗碳 体两相的混合物，是共析 反应的产物，用符号“P” 表示。 珠光体是一种双相组织。 一般情况下，两相呈层片 状分布，强度较高、硬度 适中、有一定塑性。
图 铁碳相图
S 7270 C P Fe3C
图 铁碳相图
恒温转变线ECF
LC 11480 C E Fe3C
莱氏体（又称高温莱 氏体）共晶反应的产物， 用符号“Ld”表示。 变态莱氏体（又称低温 莱氏体）是由珠光体、二 次渗碳体和共晶渗碳体组 成，用符号“Ld΄”表示。
图 铁碳相图
LC 11480 C E Fe3C
ABC D
AHJ ECF
含
义
铁碳合金的液相线
铁碳合金的固相线
HJB
LB+ δ →AJ
ECF
LC→AE+Fe3C共晶转变线
GS 奥氏体转变为铁素体的开始线
ES
碳在奥氏体中的溶解度线
PSK As→ Fp+Fe3C 共析转变线
PQ
碳在铁素体中的溶解度线
图 铁碳相图
恒温转变线HJB
LB H 14950 C J
-Fe(<912 C ) 铁的同素异形体：
-Fe(BCC) -Fe(FCC) -Fe(BCC)
（2）铁的固溶体
铁素体 碳原子溶解在-Fe(低温相)和-Fe(高温相)中形成的固
溶体，为bcc结构。Fe原子位于点阵的结点上，而碳原子固 溶到晶格的八面体间隙中。相的强度、硬度较低，但塑性 和韧性较好。一般用F或表示。 奥氏体
1.碳的影响
在C%<1%时，随含碳量的 增加钢的强度、硬度增加，但 塑性、韧性降低； 当C%>1%后，随含碳量的 增加，钢的硬度增加，但强度、 塑性、韧性降低，这是因为 Fe3CⅡ成连续网状分布，进一步 破坏了铁素体基体之间的连接 作用所造成。
含碳量对碳钢机械性能的影响
思考题
1.如何用简单的方法鉴别低碳钢和铸铁? 2.钢铆钉为什么一般用低碳钢制成? 3.为什么钢适宜用于压力成形,而铸铁适宜用于铸造成形? 4.大家唱的“比铁还硬,比钢还强”能不能改成“比钢还硬,
4.硫的影响
硫在钢中是有害的杂质。 液态时Fe、S能够互溶，固态时 Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点 为1190℃的化合物FeS。形成的共 晶体（r-Fe+FeS）以离异共晶形式 分布在r-Fe晶界处。 若将含有硫化铁共晶体的钢加 热到轧制、锻造温度时，共晶体熔 化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶 界开裂，这种现象称为钢的“热脆” 或“红脆”。
碳原子溶解在-Fe中形成的固溶体为fcc结构。Fe原子 位于点阵的结点上，而碳原子固溶到晶格的八面体间隙中。 一般用A或 表示。
（3）渗碳体
渗碳体wc=6.69%，熔点为 1227℃，渗碳体不发生同素 异晶转变；230℃以下时有弱 铁磁性，硬度很高 （950~1050HV），而塑性和 韧性几乎为零。
比铁还强”?
2.锰的影响
锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合 力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。 另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成MnS，起 到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。 钢中的含锰量一般为0.25~0.80%，它一部分溶入铁素体 起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体 形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，使钢具有较高的强度； 另一部分锰与硫形成MnS，与氧形成MnO，这些非金属 夹杂物大部分进入炉渣。
图 Fe-S相图
5.磷的影响
磷在钢中的存在一般属于 有害元素。 在1049℃时，磷在Fe中的 最大溶解度可达2.55%，在室 温时溶解度仍在1%左右，因 此磷具有较高的固溶强化作 用，使钢的强度、硬度显著 提高，但也使钢的塑性，韧 性剧烈降低，特别是使钢的 脆性转折温度急剧升高，这 种现象称为冷脆。
溶解度 J 1495 0.17 包晶点 K 1148 6.69 Fe3C的成分
N 1394 0 γ与δ同素异构转 变点(A4)
P 727 0.021 碳在α-Fe中的最 8 大溶解度
S 727 0.77 共析点 Q 室温 0.000 室温下碳在α-Fe
8 中的溶解度
图 铁碳相图
铁碳相图中的特征线
特性 线
第四节 铁碳相图和铁碳合金
图 铁碳相图
铁碳相图
铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用 以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁碳合金中的碳有两种存在形式：渗碳体Fe3C和石墨。 现在，我们首先仅研究铁到渗碳体的部分。这不仅简化了我 们对铁-碳二元系的认识难度，而且由于实际使用的金属合 金其含碳量一般不超过5%，所以先来重点研究Fe-Fe3C相 图也是必要的 。
（6）过共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁的凝固过程示意图
过共晶白口铸铁的光学显微组织照片
按组织分区的铁碳合金相图
A
A
PA
F + A + Fe3CII A
P
P
L
Ld
L
L
L'd
Fe3CI + L
L +A
Ld
Ld
+ Fe3CII A
L'd
L'd
P
计算含碳量为3.0%的铁碳合金在室温下组织组成物的质量百 分比。
图 共析钢的室温组织
ES、PQ、GS线
ES线是碳在奥氏体中的溶解度 曲线。含碳量大于0.77%的合金， 从1148℃冷到727℃的过程中，将 自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳 体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 PQ线是碳在铁素体中的溶解度 曲线。铁碳合金由727℃冷却到室 温的过程中，铁素体中会有渗碳体 析出，这种渗碳体称为三次渗碳体 (Fe3CIII)。 GS线是冷却过程中，奥氏体向 铁素体转变的开始线；或者说是加 热过程中，铁素体向奥氏体转变的 终了线（具有同素异晶转变的纯金 属，其固溶体也具有同素异晶转变， 但其转变温度有变化）。
共析钢凝固过程示意图
（2）亚共析钢
亚共析钢凝固过程示意图
20、45和60钢的室温组织
（3）过共析钢
过共析钢凝固过程示意图
过共析钢光学显微组织照片
（4）共晶白口铸铁
共晶白口铸铁的凝固过程示意图
图 共晶白口铸铁的光学显微组织照片
（5）亚共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁的凝固过程示意图
亚共晶白口铸铁的光学显微组织照片
图 Fe-P相图
6.氮的影响
图 Fe-N相图
氮在钢中的存在一般认为是有害元素。 N在γ中的最大溶解度在650℃为2.8%N，在α中的最大 溶解度在590℃约为0.1%N,而在室温时的溶解度很小低于 0.001%N，因此将钢由高温快速冷却后，可得到溶氮过饱和 的铁素体。这种溶氮过饱和的铁素体是不稳定的，在室温长 时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高， 塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。 为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加 入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物， 以减小氮所造成的时效敏感性。
8.氧的影响
氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过 程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧
过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在
700℃时为0.008%，在500℃时在铁素体中的溶解度 <0.001%。 氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在钢 中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe203、Fe304、MnO、 SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响主要取决于这 些氧化物的性能，数量、大小和分布等。
2.11
3.0
L
A
0.77 2.11
Ld
Fe3CII
P
Ld
%

3.0 2.11 100% 4.30 2.11

40.6%
P% 6.69 2.11 (1 40.6%) 46% 6.69 0.77
4.30 6.69
碳和杂质元素对碳钢组织和性能的影响
含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系
4.4.3 合金铸件的组织与缺陷
铸件从宏观组织来看，可分为激冷晶区、柱状晶区和等 轴晶区。 铸件主要的宏观缺陷有缩孔、缩松、气泡、裂纹、偏析 等。
1.铸锭（件）的三晶区
铸件凝固后宏观组织具有 三个性质、晶体形态不同的 三个区域： 激冷区 柱状晶区 等轴晶区
图 铸锭组织的形成
1.铁碳合金中的组元及相
铁碳相图的组元为纯铁和碳。 铁碳相图中的相有碳在铁中形成的固溶体铁素体（F）、 奥氏体（A）、高温铁素体（δ）和铁与碳形成的间隙化合 物渗碳体（F变
纯铁在从液相冷却到 固相过程中会发生以下 相变：
L -Fe (1538~1394C) -Fe(1394~912 C)
一次渗碳体：从液态合金中结晶析出的共晶深碳体。其 形态呈粗大较规则的板片状。
二次渗碳体：从奥氏体中析出的渗碳体称之为二此渗碳 体，一般在奥氏体晶界呈网状分布。
三次渗碳体：从-Fe中析出的渗碳体，沿奥氏体晶界分 布，呈片状。
（2）铁的固溶体
铁素体 （F）
晶格类型 最大含碳量
性质
体心立方 0.0218% 室温下铁素体的性 能与纯铁相似。
C 1148 0.43 共晶点
D 1227 6.69 Fe3C的熔点 E 1148 2.11 碳在 γ-Fe中
的最大溶解 度
F 1148 6.69 Fe3C的成分 G 912 0 α与γ同素异
构转变点(A3)
图 铁碳相图
铁碳相图中的特征点（续）
符 温度 含碳 含义 号 /℃ 量/% H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大