第三章-铁碳合金相图

二 相图中点的含义
1A点 纯铁的熔点;温度 1538℃,Wc=0
2G点 纯铁的同素异晶转变点; 冷却到912℃时,发生 γF→α-Fe
3Q点 600℃时,碳在αFe中的 溶度,Wc=0 0057%
二 相图中点的含义
4D点 渗碳体熔点,温度 1227℃,Wc=6 69%
5C点 共晶点;温度1148℃，Wc=4 3% 成分为C的液相，冷却到此 温度时，发生共晶反应 Lc→A+Fe3C
一 铁碳合金的分类：
按含碳量的不同;铁 碳合金的室温组织可 分为工业纯钛 钢和 白口铸铁; 其中，把 含碳量小雨0 0218% 的铁碳合金称为纯铁； 把含碳量大于 0.0218%而小于2.11% 的铁碳合金称为钢； 把含碳量大于2.11% 的铁碳合金称为铸铁。
纯铁 钢和铸铁的含碳量：
⑴ 工业纯铁组织为单相铁素体 (<0 0218% C)
一次渗碳体+ 低温莱氏体
性能特 强度 硬 C↑,强度 硬度逐 强度较高,硬度 硬度较高,塑性差,
点平衡 度低、 渐提高,有较好的 适中,具有一定 随着网状二次渗碳
状态 塑性好 塑性和韧性
的塑性和韧性 体增加,强度降低
硬度高;脆性大，几乎没有塑性
1 亚共析钢的组织的变化顺序：
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：
课堂练习：
1 共析钢冷却到S点时;会发生共析转变，从奥氏体中
同时析出
铁和素（体
）渗的碳混体 合物，称为（
） ; 珠光体
2、过共晶白口铸铁的室温组织是（一次渗碳体 ）加（ ）。低温莱氏体
3、共晶白口铸铁的含碳量为（ 4 3 ）%
一 填空题
1、常见的金属晶体类型有 晶格、（ ）晶格和（ ）晶格三种; 2、金属的整个结晶过程包括（ ）、（ ）两个基本过程组成 。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同;固溶体分为（ ）和 （ ）两种。 4、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有（ ）和（ ）,属 于金属化合物的有（ ），属于混合物的有（ ）和莱氏体。 5、原子呈无序堆积状态的物体叫（ ）；原子呈有序、有规则排 列的物体叫（ ）。一般固态金属都属于（ ）。 6、常温下金属的塑性变形方式主要有（ ）和（ ）两种。 7、变形一般分为（ ）变形和（ ）变形两种，不能随载荷的去除 而消失的变形称为（ ）变形。 8、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的（ ）及（ ）。

ωc>0.9% →σ↓
硬度：ωc↑→Fe3C ↑→HB↑
塑性、韧性： ωc↑→Fe3C ↑ →塑性↓、韧性↓
3.3 对工艺性能的影响
主要表现在对切削加工性、可锻性、 22/24 铸造性和焊接性能的影响。
2020/5/12
2020/5/12
切削加工性：指金属经切削加工形成工件的难易程度。低碳钢切削加 工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，切削加工性也差。中碳 钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性好。
（Acm） GS A F(A3）
PQ F Fe3CⅢ
ACM A3
A1
600
15/24
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共晶转变： ECF 共晶线
1148°C
C 共晶点
ωC =4.3%
LC Ld(A+Fe3C) 室温下： Ld Ld´ 低温莱氏体Ld´ (P+ Fe3CⅡ+Fe3C)
共析转变： PSK 共析线 S 共析点
莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示，它是碳的质 量分数为4.3％的铁碳合金液体在1148℃发生共晶转变的产物。在 727℃以下，莱氏体中的奥氏体将转变为珠光体，由珠光体与渗碳体组 成的机械混合物，称为低温莱氏体，用符号Ld′表示。 8/24 莱氏体的硬度很高，塑性、韧性极差。
2020/5/12
晶界上（如Fe3CⅢ）,变为分布在 F的基体内（如P），进而分布在
原A的晶界上（如Fe3CⅡ），最后 形成Ld′时，Fe3C已作为基体出 现。碳的质量分数不同，铁碳合
金的组织和性能也不同。
21/24
3.2 对力学性能的影响
强度：ωc<0.77% ωc↑→P↑ F↓
σ↑
0.77 % <ωc<0.9% 强度增加缓慢

第 二 节 铁碳合金状态图
铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元看待。
含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆， 已无实用价值。
实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
Fe
Fe3C Fe2C
FeC
C
C%(at%) →
一、Fe - Fe3C 相图的建立
4. 铁碳合金分类
（1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
（2） 碳钢 共析钢 0.77% C 过共析钢 >0.77% C 亚共晶白口铸铁<4.3% C
（3） 白口铸铁 共晶白口铸铁 4.3% C 过共晶白口铸铁 >4.3% C
三、典型铁碳合金的结晶过程
1 1)共析钢的结晶过程
1 3)过共析钢的结晶过程
T12钢组织
室温组织：P+Fe3CⅡ
1
补充：工业纯铁的结晶过程
4）共晶白口铁结晶过程
室温组织为： Ld‘ （ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
5）亚共晶白口铁的结晶过程 室温组织为P+Fe3CⅡ+Ld’。
1
6）过共晶白口铁的结
晶过程
室温组织为：Fe3CⅠ +Ld‘ Ld‘（ P+ Fe3C共晶+ Fe3CⅡ ）
1
第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响
一 、含碳量对碳钢室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：
钢铁 分类
工
钢
业
共析钢
纯
铁 亚共析钢 过共析钢
白口 铸 铁
共晶白口铸铁

上一级
二、Fe-Fe3C合金的结晶过程及组织转变
1 2
1 2
1 2
3
3
3
上一级
1.合金Ⅰ（共析钢）
1点→2点 与匀晶相图完全相同。
2点为奥氏体
2点→3点 组织不变
3点
F
S ( F Fe 3 C )
SK PK 6.69 0.77 6.69 0.0218 100% 88.8%
金属的可焊性是以焊接接头的可靠性和出现焊缝裂纹的
倾向性为其技术判断指标。 钢中含碳量越高，其可焊性越差，故焊接用钢主要是低 碳钢和低碳合金钢。
上一级
（三） 切削加工性 金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易 程度。 钢的硬度在160～230HB时，切削加工性最好。
上一级
四、Fe-Fe3C相图的应用
第三章 铁碳合金相图 第一节 典型合金的结晶及其组织
一、铁—渗碳体相图中铁碳合金的分类 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金相 图分为三大类：工业纯铁、碳钢、白口铸铁。 1．工业纯铁 成分P点以左（Wc<0.0218%），即含碳量小于0.0218％ 的铁碳合金，其室温组织为铁素体和三次渗碳体。
上一级
2、碳钢 成分为P点与E点间（Wc=0.0218～2.11%）的Fe-C合 金。其特点是高温固态组织为塑性很好的γ，因而可进 行热加工。 根据含碳量不同又可分为三类： （1） 共 析 钢——含碳量=0.77% （2） 亚共析钢——含碳量<0.77%
（3） 过共析钢——含碳量>0.77%
上一级
上一级
3．合金Ⅲ（过共析钢）
1点→3点间的结晶过程与共析钢相同。
3点 开始析出二次渗碳体。 3点→4点 不断析出二次渗碳体。 4点 发生共析转变而形成珠光体。

2、有益元素 Mn、Si
锰Mn:随脱氧剂加入。大部分溶于铁素 体中，具有固溶强化效果，少部分形成 合金渗碳体；锰与硫化合成MnS，减轻了 硫的有害作用。碳钢中<0.8%，合金钢中
1.0%- 1.2%。
硅Si:随脱氧剂加入,有较强的固溶强 化作用；可增加钢液流动性。碳钢中 <0.4%
工程材料及热加工基础课件
3、非金属夹杂物的影响
① N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中 以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N 固定，消除时效倾向。
② O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，
易成为疲劳裂纹源。 ③ H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时， 降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。
工程材料及热加工基础课件
第五节
碳素钢
碳素钢是指ωc≤2.11%，并含有少量Mn、Si、S、P等杂质元素的铁碳合金。
一、常存杂质元素对碳钢性能的影响（ Mn、Si、S、P）
1、有害元素 S、P 硫S：炼钢时由生铁和燃料带入。在F中的溶解度极小，在钢的晶界处形成低 熔点（985）共晶体FeS→压力加工时熔化→导致钢沿晶界开裂—“热脆”。 钢中要限硫含量：≤0.05% 。 利用：Mn与S形成MnS(1620℃）, 粒状分布在晶内，以利于断屑，改 善切削加工性能。
A+F F P
( F+ Fe3C ) P
Q 0.0218%C Fe
P+F
4.3%C
6.69%C Fe3C
工程材料及热加工基础课件 1、 Fe-Fe3C 相图中的特性点

珠光体（P）
Pearlite
HBS＝170～230 （纯铁HBS＝50～80）
工程材料及热加工
莱氏体 奥氏体（珠光体）与渗碳体的机械混合物
含碳量:4.3% 共晶反应式:
L 4 .3 % C (A+Fe3C)
1148 C
性能：硬度高，塑性、韧性差
莱氏体(L)
Ledeburite
工程材料及热加工
珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。
工程材料及热加工

合金液体在 1-2点间转变 为。到S点 发生共析转 变：
S⇄P+Fe3C, 全部转变
为珠光体。
工程材料及热加工
4)过共析钢结晶动态示意图 液相
奥氏体
析 出
奥氏体+二次渗碳体
共析 转变
珠光体+二次渗碳体
从奥氏体中析出的Fe3C称二次渗碳体, 用Fe3CⅡ表示
组成物标注区别 主要在+ Fe3C和

+Fe3C两个相区. + Fe3C相区中有
四个组织组成物
区， +Fe3C 相区
+ Fe3C
+ Fe3C
中有七个组织组
成物区。
工程材料及热加工

A
H
L+
温N A+ 度
A
J
B
L
D
L+A
E S
P A+ Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ
C A+ Fe3C
工程材料及热加工
第三章 铁碳合金相图
第一节 铁碳合金的组元及基本相 第二节 Fe-Fe3C相图 第三节 含碳量对碳钢组织与性能的影响

则 QL + Q =1
QL x1 + Q x2 =1×x
解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x对 重量百分比为：


第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变



一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线

金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。

曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。

曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.

2、过冷与过冷度
xx2 ob QL x1 x 2 ab x1 x ao Q x1 x 2 ab
两相的重量比为：
QL xx2 ob ( ) 或QL x1 x Q xx2 Q x1 x ao

上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠 杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于 该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的 端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶

三、结晶晶粒的大小及控制 晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度取决于 形核率和长大速度G的相对大小。 若形核率越大，而长大速度越小，单位 体积中晶核的数目越多，每个晶核来不 及长大，从而得到的晶粒越细小。 细晶强化：常温下，晶粒越小，金属的 强度、硬度越高，塑性和韧性越好。

铁碳相图的应用
相图可指导我们对钢材的合理选用，对指导铸锻焊 和热处理工艺有直接意义。 1. 铸造方面 可根据相图上液相线确定铸件的合理浇 注温度。一般选在液相线以上 50-150℃，共晶成 分铸铁铸造性能好。 2. 锻压方面 从相图可以知道把钢加热到A3和Acm线 之上都会变成单相奥氏体。奥氏体钢塑性好，强 度较低，适用于变形量大的热变形加工。 3. 焊接方面 可根据铁碳相图分析碳钢的焊接组织， 并通过适当的热处理减轻或消除组织不均匀和焊 接应力。 4. 热处理方面 相图中的A1，A3和Acm三条相变线是 确定热处理工艺加热温度的依据。
2、碳的质量分数对平衡状态下碳钢机械性能的影响
1、硬度随含碳量 的增加而增加 2、强度随含碳量 的增加而增加， 到0.9%左右达到 最大，而后下降。 3、塑性、韧性随 含碳量的增加而 下降。
名称
组织
性能
铁素体 F/α相 奥氏体 A/γ相 珠光体 P 渗碳体 Fe3C
莱氏体 Ld 变态莱氏 体L’d
室温下各种相的相对含量，同理可求。
小结：标注组织的铁碳相图
小结：标注组织的铁碳相图
Ld
Ld
Ld
Ld′
Ld′
Ld′
F、F+P、P、P+Fe3CⅡ、P+ Fe3CⅡ+ Ld′、Ld′、Ld′+ Fe3CⅠ、Fe3C
铁碳合金的成分-组织-性能关系
三、铁碳合金的成分-组织-性能关系
1、碳的质量分数对平衡组织的影响
6.69 - 5 L'd % 100 % 70.7% 6.69 - 4.3 5 4.3 Fe3C(%) 100 % 29.3% 6.69 - 4.3
6.69 - 5 F% 100 % 25.3% 6.69 - 0.0218 5 0.0218 Fe3C(%) 100 % 74.7% 6.69 - 0.0218

A金属 bcc 高 100% 90% 80% …….. 20% 10% 0%
B金属 bcc 低 0% 10% 20% ……. 80% 90% 100%
不同成分以及经过不同加工处理的合金具有不同的性能。 这种现象就是由其不同的相结构和组织引起的。
合金中相的晶体结构称为相结构 在显微镜下观察到的具有某种形态或形 貌特征的组成部分总称为组织。
Fe3（ C、N）或 Fe3（ C、B）
Fe3C→3Fe+G（石墨）
机电学院 NWPU
4、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%）。其显微组织珠光体强度较高，塑性、韧性和硬 度介于渗碳体和铁素体之间。
性能：Rm≈750MPa HBS=180 A≈20%～25%
室温组织：P+Fe3C（网状）
过共析钢的结晶过程
过共析钢组织金相图
过共析钢应用举例
T12 钢 碳含量 1.2％
返回
5.共晶白口铁 ( Wc = 4.3% )
室温组织:
（P + Fe3CII + （低温）莱氏体 Le′ ）,
莱氏体 Le′的性能：硬而脆
共晶白口铁组织金相图
(６)亚共晶白口铁 (2.11%<Wc % <4.3 % )结晶过程
合金中的各种相是组成合金的基本单元； 合金组织是合金中各种相的综合体。
不同含碳量的显微组织
二.合金的相结构
根据构成合金的各组元之间相互作用的不同，固态
合金的相可分为固溶体和金属化合物两大类。
1）固溶体
固溶体是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形
成的均匀相。
固溶体
置换固溶体

共析钢的平衡结晶过程
注意事项
共析反应生成的珠光体在冷却过程中，其中的铁素体 产生三次析出，生成Fe3CⅢ，但与共析的Fe3C连在一 起，难以分辨。
共析钢的室温平衡组织：P
P：铁素体（F）和渗碳体的两相 混合物，两相的相对质量是多少？
杠杆定律
计算二元相图中 平衡状态下 两平衡相的相对质量分数。 杠杆的支点是两相合金的成分点，端点分别是两个相的成 分点。
亚共析钢的平衡结晶过程
L相+ δ相→ γ相，并且L相有剩余
γ单相的冷却
γ相→ α相，但γ相有剩余 共析反应：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相
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
化不大且值很低, 趋于Fe3C的强度(约20 MPa～30 MPa)。
塑
性
含碳量对铁碳合金力学性能的影响
• 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变 形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就
降到近于零值了。
返回
3.5 钢中的杂质元素
A(0.0008)
C 0.77
Fe3C
B(6.69)
相的质量分数
6.69 0.77 M 100 % 88.5% 6.69 0.0008
M Fe 3C 0.77 0.0008 100 % 11.5% 6.69 0.0008

图3.27 加热温度对晶粒尺寸的影响 l一本质粗晶粒钢；2一本质细晶粒钢
基本概念 1. 过冷奥氏体等温转变图 2. 过冷奥氏体连续冷却转变图(CCT图) 珠光体类型组织 3. 过冷奥氏体的转变产物及性能 马氏体类型组织 贝氏体类型组织




钢在奥氏体化后的冷却 过程决定了冷却后钢的 组织类型和性能。 钢在奥氏体化后的冷却 方式通常分为两种：一 种是连续冷却；另一种 是等温处理 。 过冷奥氏体的转变可分 为三种基本类型，即珠 光体型转变(扩散型转 变)、贝氏体型转变(过 渡型或半扩散型转变)和 马氏体型转变(无扩散型 转变)。
2)亚共析钢(Ⅱ)

鉴于铁素体中的含碳量很少，通常用下式来估算亚共 析钢的含碳量： wC 0.8% QP (珠光体相对量)
图3.11 亚共析钢显微组织
3)过共析钢 ( Ⅲ )
~ 2' '~ 3 A 1~2 A Fe3C 2 A0.8% Fe3C P(F0.02% Fe3C) 2 P Fe3C (网状）
钢中马氏体一般有两种形态：
a)板条马氏体
b)片状马氏体 图3.33 马氏体显微组织
马氏体的力学性能特点是高硬度。


高碳马氏体具有高硬度，但塑性、韧性很低，脆性大， 而且马氏体片越粗大脆性也越大。 低碳马氏体具有较高的强度和韧性
图--- 碳钢含碳量与马氏体硬度的关系

贝氏体是由含碳过饱和的铁素体与渗碳体(或碳化物)组 成的两相混合物。 贝氏体一般分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)两种


共析转变产物称为珠光体，用P表示。
a)
b) 图3.4 Mn（Ni）、Cr（Mo）对铁碳合金相图的影响

§3－3 铁碳合金相图
一、铁碳合金相图的组成 二、Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及 各区域
内的组织
三、铁碳合金的分类
四、典型铁碳合金结晶过程分析
五、铁碳合金的成分、组织与性能的关系
六、Fe－Fe3C相图的应用
一、铁碳合金相图的组成
铁碳合金相图——表示在缓慢冷却（或缓慢加 热）的条件下，不同成分的铁碳合金的状态或组织 随温度变化的图形。
亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁
五、铁碳合金的成份、组织与F→F+P→P→P+ Fe3 C→P+ Fe3 C+ Ld
→Ld→Ld+ 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。
六、Fe－Fe3C相图的应用
四、典型铁碳合金结晶过程分析
1．共析钢 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

在铁碳合金中，铁和碳 可以形成一系列的化合物， 如Fe3C 、Fe2C 、FeC 等。
Fe－ C相图的组成
简化后的Fe－Fe3C相图
二、Fe－Fe3C相图中特性点、线的含义及各 区域内的组织
1．主要特性点
主要特性点
2．主要特性线
主要特性线
三、铁碳合金的分类
纯铁——含碳量小于0.0218%的铁碳合金。 钢——含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁 碳合金。 铸铁——含碳量大于2.11%的铁碳合金。

⑴ 五个单相区：
L、、、、Fe3C ⑵ 七个两相区: L+、
L+、L+Fe3C、 +、 +Fe3C、+ 、 +Fe3C
• ⑶ 三个三相区：即HJB (L++)、ECF(L++ Fe3C)、 PSK(++ Fe3C)三条水平线
2021/1/18
4. 铁碳合金分类
• （1） 工业纯铁 <0.0218% C 亚共析钢 <0.77% C
• 亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度 升高，塑性、韧性下降。
0.77%C时，组织为100% P, 钢的性能即P的性能。
＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界 连续网状，强度下降, 但 硬度仍上升。
＞2.11%C，组织中有以
Fe3C为基的Ld’,合金太脆.
1
2021/1/18
• 三、 含碳量对工艺性能的影响
2021/1/18
2)亚共析钢的 结晶过程
L→L+A →A→A+F先共析 AS(0.77% C) →P 室温组织为：P+F
2021/1/18
20钢组织
40钢组织
2021/1/18
• 亚共析钢室温下的组织 为F+P。
• 在0.0218~0.77%C 范围 内珠光体的量随含碳量 增加而增加。
60钢组织
2021/1/18
bcc
fcc
bcc
二、铁碳合金中的基本相
铁碳合金中的组元：Fe、C
L相：液态下无限互溶、成分均匀
Fe和C
固溶体相：C溶于Fe中形成 F、A等
金属化合物相：Fe与C化合形成Fe3C