铁碳相图[1]

第四章 铁碳合金相图

碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。

在铁碳合金中，根据结晶条件不同，组元碳可具有碳化物Fe 3C （渗碳体）和石墨两种形式，渗碳体在热力学上是一个亚稳定相（meta-stable phase ），而石墨是稳定的相。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe 3C 系进行转变，本章我们讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe 3C 相图。

4-1 铁碳合金的组元

一、纯铁

纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图7.1所示。

纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变（allotropic transformation ）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下：

（体心立方）

（面心立方）

（体心立方）

Fe Fe Fe C

C O O ?????αγδ9121394

温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe ；温度在912~1394℃间的铁为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为δ-Fe 。

工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，其机械性能大致如下：

时间

温度（℃）

图7.1 纯铁的冷却曲线及晶体结构的变化

拉伸强度σb18×107~28×107N/m2

屈服强度σ0.2 10×107~17×107N/m2

延伸率δ 30~50%

断面收缩率ψ70~80%

冲击值160~200J/cm2

布氏硬度HB 50~80

二、碳在铁中的固溶体

碳的原子半径较小，在α-Fe和γ-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。

碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。

碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。

三、铁碳化合物

当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化物Fe3C的形式存在。

Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。

4-2 Fe-Fe3C相图分析

Fe-Fe3C相图如图7.2所示。

图中ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成：

(1) 在HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变：

J H B L γδ?→?+

转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09~0.53%的铁碳合金中。

(2) 在ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变：

C Fe L E C 3+?→?γ

转变产物是γ和Fe 3C 的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite ），用符号Ld

或Le 表示。含碳2.11~6.69%的铁碳合金都发生此转变。

(3) 在PSK 水平线（727℃）发生共析转变：

C Fe P 3+?→?αγ

转变产物是α和Fe 3C 的机械混合物，称为珠光体（pearlite ），用符号P 表

示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A 1温度。

图7.2 Fe-Fe 3C 相图

此外，Fe-Fe 3C 相图中还有三条重要的固态转变线：

(1) GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为A 3温度。 (2) ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm 温度。低于此温度时，γ中将析出Fe 3C ，称为二次渗碳体Fe 3C II ，以区别于从液体中经CD 线结晶出的一次渗碳体Fe 3C I 。

(3) PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出Fe 3C ，称为三次渗碳体Fe 3C III 。

表7.1中还列出了相图中各特性点的温度、碳含量及其含义。

表7.1 Fe-Fe 3C 相图中各特性点的温度、碳含量及其含义

符号

温度（℃） 碳含量（wt%）

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 4.30 共晶点C Fe L E C 3+?→?

γ D 1227 6.69 Fe 3C 的熔点

E 1148 2.11 碳在γ-Fe 中的最大溶解度

F 1148 6.69 Fe 3C 的成分

G 912 0

Fe Fe ???γα同素异晶转变点（A 3）

H 1495 0.09 碳在δ-Fe 中的最大溶解度

J 1495 0.17 包晶点J H B L γδ?→?

+ K 727 6.69 Fe 3C 的成分 N 1394 0

Fe Fe ???δγ同素异晶转变点（A 4）

P 727 0.0218

碳在α-Fe 中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点（A 1）C Fe P 3+?→?

αγ Q

600 (室温)

0.0057

0.0008

600℃（或室温）时碳在α-Fe 中的溶解度

4-3 典型铁碳合金的平衡凝固

通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁（cast iron ），按Fe-Fe 3C 系结晶的铸铁，称为白口铸铁（white cast iron ）。

根据组织特征，可参照Fe-Fe 3C 相图（图7.3）将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：

(1) 工业纯铁（pure iron ） <0.0218%C (2) 共析钢（eutectoid steel ） 0.77%C (3) 亚共析钢（hypoeutectoid steel ） 0.0218~0.77%C (4) 过共析钢（hypereutectoid steel ） 0.77~2.11%C (5) 共晶白口铸铁（eutectic white cast iron ） 4.30%C

(6) 亚共晶白口铸铁 （hypoeutectic white cast iron ） 2.11~4.30%C (7) 过共晶白口铸铁 （hypereutectic white cast iron ） 4.30~6.69%C

下面分别对每种类型的合金平衡凝固时的转变过程和室温组织进行分析。

一、工业纯铁

图7.4为工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

图7.3 典型铁碳合金在Fe-Fe 3C 相图中的位置

合金溶液在1~2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至3点时，开始发生固溶体的同素异构转变γδ→。这一转变在4点结束，合金为单相γ。冷至5~6点之间又发生同素异构转变αγ→，6点以下全部为α。冷却至7点时，碳在α中的溶解度达到饱和，在7点以下，将从α中析出三次渗碳体Fe 3C III 。因此工业纯铁的室温组织为α+Fe 3C III ，如图7.5所示。

图7.4

工业纯铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

图7.5 工业纯铁的室温平衡组织 250×

二、共析钢

图7.6为共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

合金溶液在1~2点温度区间结晶出γ固溶体，在2点凝固完毕，合金为单相γ。冷至3点（727℃）时，在恒温下发生共析转变：

C Fe P 3+?→?αγ

转变产物为珠光体，即P ，是α和Fe 3C 的层片状细密混合物，如图7.7所

示。P 中的Fe 3C 称为共析渗碳体。因此共析钢的室温组织为P ，如图7.7所示。 P 中的α和Fe 3C 的相对量可用杠杆定律求得：

%

12%881(%)%

88%10069

.677

.069.6(%)3=?=≈×?=

C Fe α

图7.6

共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

三、亚共析钢

图7.8为亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

合金溶液在1~2点温度区间结晶出δ固溶体。冷却至2点（1495℃）时，δ固溶体的含碳量为0.09%，液相的含碳量为0.53%，此时液相和δ相发生包晶转变：

J H B L γδ?→?+

由于图7.8中的合金碳含量大于0.17%，所以包晶转变终了以后，还有过剩的液

相存在。在2’~3点之间，液相中继续结晶出γ，所有γ固溶体的成分均沿JE 线变化。冷却至3点时，合金全部由γ组成。冷至4点时，开始从γ中析出α，α的含碳量沿GP 线变化，而剩余γ的含碳量沿GS 线变化。当冷却至5点（727℃）时，剩余γ的含碳量达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。在5’

点以下，先共析铁素体中将析出三次渗碳体Fe 3C III ，

但因其数量少，一般可忽略。

图7.8 亚共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

因此亚共析钢的室温组织为P+α,如图7.9所示。由图(a)(b)(c)可见，亚共析钢的碳含量越高，室温组织中的P 含量越多。

四、过共析钢

(a)0.20%C 410× (b)0.45%C 400× (c)0.60%C 300×

图7.9 亚共析钢的室温平衡组织

图7.10为过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

合金溶液在1~2点温度区间结晶出γ固溶体，在2点凝固完毕，合金为单相γ。冷至3点开始从γ中析出二次渗碳体Fe 3C II ，直到4点为止。这种先共析

Fe 3C 多沿γ晶界呈网状分布，

量较多时还在晶内呈针状分布。温度降到4点（727℃）时，剩余γ的含碳量达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。

因此过共析钢的室温组织为P+Fe 3C II ，如图7.11所示。

图7.10 过共析钢的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

图7.11 过共析钢的室温平衡组织 500×

过共析钢的碳含量越高，室温组织中的Fe 3C II 含量越多。

五、共晶白口铸铁

图7.12为共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

合金溶液冷却至1点（1148℃）时，在恒温下发生共晶转变：

C Fe L E C 3+?→?γ

图7.12

共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

图7.13 共晶白口铸铁的室温平衡组织 100×

转变产物为γ和Fe 3C 的机械混合物，即莱氏体Ld ，其形态为短棒状的γ分布在Fe 3C 基体上。冷至1点以下，共晶γ中不断析出二次渗碳体Fe 3C II ，它通常依附于共晶Fe 3C 上而不能分辨。温度降到2点（727℃）时，共晶γ的含碳量达到0.77%，在恒温下发生共析转变形成珠光体。最后得到的组织由P 分布在共晶Fe 3C 上所组成，如图7.13所示。这种室温下的组织保留了高温下共晶转变产物Ld 的形态特征，但组成相γ已发生了转变，因此称为变态莱氏体，用符号Ld’表示。

因此共晶白口铸铁的室温组织为Ld’，如图7.13所示。

六、亚共晶白口铸铁

图7.14为亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

合金溶液在1~2点温度区间结晶出γ固溶体，此时液相成分沿BC 线变化，而γ固溶体的成分沿JE 线变化。冷却至2点（1148℃）时，剩余液相的成分达到共晶成分，在恒温下发生共晶转变，形成Ld 。在2点以下，初晶γ和共晶γ

中都析出二次渗碳体Fe 3C II 。

随着Fe 3C II 的析出，γ固溶体的成分沿ES 线降低。温度降到3点（727℃）时，所有γ都发生共析转变成为珠光体。

因此亚共晶白口铸铁的室温组织为Ld’+P+Fe 3C II ，如图7.15所示。

图7.14 亚共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

七、过共晶白口铸铁

图7.16为过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图。

过共晶白口铸铁平衡凝固时，初晶相是Fe 3C ，其余的转变同共晶合金。过

共晶白口铸铁的室温组织为Ld’+Fe 3C I ，如图7.15所示，初晶Fe 3C I 呈板片状。

图7.15 亚共晶白口铸铁的室温平衡组织100

×

图7.16 过共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡凝固过程示意图

4-4 含碳量对铁碳合金的组织与性能的影响

一般说来，铁碳合金的成分决定其组织，而组织（包括数量、形态和分布等）又决定了铁碳合金的性能。

一、含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响

根据上一节的结晶过程分析并运用杠杆定律计算的结果，可把铁碳合金的成分与组织的关系总结如图7.18。

图7.17 过共晶白口铸铁的室温平衡组织 100×

图7.18 铁碳合金的成分与相组成物及组织组成物之间的关系

由图7.18可见，随含碳量的增加，合金室温组织变化如下：

当含碳量增高时，组织中不仅Fe3C的数量增加，而且Fe3C的存在形式也在变化，由分布在α的基体内（如P）,变为分布在γ的晶界上（Fe3C II），最后当形成Ld时，Fe3C已作为基体出现。可见，不同含碳量的铁碳合金具有不同的组织，而这也正是决定它们具有不同性能的原因。

二、含碳量对铁碳合金机械性能的影响

由前面的分析可见，铁碳合金的室温平衡组织均由α和Fe3C两相组成，其中α是软韧的相，而Fe3C是硬脆相。它们的机械性能大致如下：

α：

拉伸强度σb100~240MN/m2

屈服强度σ0.2 100~180MN/m2

延伸率δ 30~50%

断面收缩率ψ70~80%

布氏硬度HB 50~80

Fe3C：

布氏硬度HB 800

延伸率δ0

因此，Fe3C是个强化相。如果合金的基体是α，则若Fe3C的量越多，分布越均匀，材料的强度就越高。但是当这种硬脆的Fe3C相分布在晶界，特别是作为基体时，材料的塑性和韧性就将大大下降。这也正是高碳钢和白口铁脆性高的原因。

图7.19表示了含碳量对碳钢的机械性能的影响。

值

击

冲

图7.19 碳钢的机械性能与含碳量的关系

由图7.19可见，含碳量很低的纯铁，由于是由单相α构成，因此其性能就是α的性能，即塑性好，硬度和强度都很低。

亚共析钢的组织是由不同数量的α与P组成的。随着含碳量的增加，组织中P的数量相应地增加，钢的硬度、强度直线上升，而塑性指标（δ、ψ、冲击值）相应降低。

共析钢的缓冷组织是由片层状的P构成。由于Fe3C是一个强化相，它以细片状分散地分布于软韧的α基体上，起到了强化作用，因而使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Fe3C II所组成。随着含碳量的增加，Fe3C II 的数量逐渐增加。当含碳量不超过1.0%时，由于在晶界上析出的Fe3C II一般还不连成网状，故对性能影响不大。当含碳量大于1.0%以后，因Fe3C II数量的增多并呈连续网状分布，故使钢具有很大的脆性，塑性很低，强度也随之降低。

铁碳相图详解

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Fe3C III。7点以下，随温度下降，Fe3C III量不断增加，室温下Fe3C III的最大 量为： % 31 .0 % 100 0008 .0 69 .6 0008 .0 0218 .0 3 = ? - - = Ⅲ C 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+Fe3C III，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3C III。

铁碳合金相图全面分析

铁碳平衡图 （The Iron-Carbon Diagrams） 连聪贤 本章阐述了铁碳合金的基本组织，铁碳合金状态图，碳钢的分类、编号和用途。要求牢固掌握铁碳合金的基本组织(铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体)的定义、结构、形成条件和性能特点。牢固掌握简化的铁碳合金状态图；熟练分析不同成分的铁碳合金的结晶过程；掌握铁碳合金状态图各相区的组织及性能，以及铁碳合金状态图的实际应用。掌握碳钢中常存元素对碳钢性能的影响；基本掌握碳钢的分类、编号、性能和用途。 铁碳合金基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体的定义、表示符号、晶体结构、显微组织特征、形成条件及性能特点。铁碳合金状态图的构成、状态图中特性点、线的含义。典型合金的结晶过程分析及其组织，室温下不同区域的组织组成相。碳含量对铁碳合金组织和性能的影响。铁碳合金状态图的实际应用。锰、硅、硫、磷等常存杂质元素对钢性能的影响。碳铁的分类、编号、性能和用途。 铁碳合金状态图是金属热处理的基础。必须配合铁碳合金平衡组织的金相观察实验，结合课堂授课，作重点分析铁碳合金的基本组织及其室温下不同成分铁碳合金的组织特征。练习绘制铁碳合金状态 四、课程纲要 （一）铁碳合金的构成元素及基本相

1. 合金的构成元素与名词解释 （1）金属特性：具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特 性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶 体）。 （2）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。 （3）相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分，物理上均质且可区分的部分。 （4）固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态 金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。（5）固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。 （6）化合物：合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。 （7）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。

铁碳相图

§5.6 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。 图5.6-1 铁碳双重相图 【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%。【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。 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5.6-2）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5.6-3,图5.6-4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。 图5.6-3奥氏体的显微组织图5.6-4碳在γ－Fe晶格中的位置渗碳体 (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5.6-5），

材料科学基础 铁碳相图补充作业题答案

铁碳相图补充作业题答案 1. 铁碳合金按Fe —Fe 3C 相图成分区域分成七类，分别是什么？ 2. 分析以上七种成分合金平衡结晶过程与最终组织，并计算： （1） 工业纯铁中三次渗碳体的最大含量。 分析：在工业纯铁中，随C 含量的增加，三次渗碳体的含量也越多，当C%=0.0218% （即P 点成分的工业纯铁中）时，Fe 3C Ⅲ量达到最大值。 W Fe3C Ⅲ=008 .069.6008,00218. 0--×100%=0.33% （2） 共析钢中，α和Fe 3C 的相对含量。（Fe 3C Ⅲ量很少，一般忽略不计） W α=%100218 .069.677.069.6?--=%10069.677.069.6?-=88% W Fe3C =1－88%=12% （3）45钢（含C ：0.45%）中，组织组成物和相组成物的相对含量。 分析：45钢组织组成物为：铁素体（先共析）+ 珠光体 相组成物为：铁素体（α）+ 渗碳体（Fe 3C ） 由于Fe 3C Ⅲ量很少，可以忽略不计，只考虑727℃共析转变完成之后即可。 组织组成物：?? ???=-==?==?=----%57%431Wp %57%100%43%1000218.077.00218.045.00218.077.045.077.0或αWp W 相组成物： ?????=-==?==?=----% 7%931W %7%100%93%100C 3Fe 0218.69.60218.045.030218.069.645.069.6或αo C Fe W W 注：共析钢中，室温组织为α+ P W C %↑， W P ↑，可近似根据亚共析钢的平衡组织来估算钢的含C 量。 W P =%100%1008.077.0218.077.0028.0?==?--C C C ∴ 钢的含C 量 C=0.8W P （忽略α、P 密度的差别）W P ：珠光体所占的面积百分比。 (4)T10钢（1%C ）中，Fe3C Ⅱ和珠光体的相对量 W Fe3C Ⅱ=%100 77.069.677.00.1?--=4% W P =1—4%=96% 注：在过共析钢中，W C ↑， Fe3C Ⅱ↑ 当 W C =2.11% Fe 3C Ⅱ达到最大值 W Fe3C Ⅱ最大=%6.22%100 77.069,677.011.2=?-- (5)共晶白口铸铁中，Fe 3C 共晶与γ共在共晶温度下的相对量。共析温度下P 与Fe 3C 的相对量。 ?????=-==?=--%48%521W %52%100C 3Fe 11.269.63.469.6共共γW

详解铁碳相图

详解铁碳相图 （注：在解读上面铁碳相图之前，我们要明白纯铁在不同的温度下会发生同素异晶转变，这个对于我们解读上面相图很有用。） 1：ACD线： ACD线上面完全是液相，没有固相产生。在温度1538℃时候，此时的液态铁的晶格类型为δ-Fe,如果此时的碳溶解在δ-Fe的晶格间隙中，那么就会产生一种新的相，即为铁素体相，为了区别碳溶解在α-Fe中的铁素体相，分别给它们前面加上一个δ或者α，即如果是碳溶解到晶格类型为δ-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为δ-铁素体或直接写δ，如果是溶解到晶格类型为α-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为α-铁素体或α或F。 伴随着温度的下降，组元----温度----成分三者是这个铁碳相图的核心理念。要看懂这个相图，弄明白组元----温度----成分关系，就能读懂这个相图。 从图中你可以看见，即便同一个温度，不同的碳含量，它的成分是不一样的，这就是为什么要提到组元----温度----成分这三者关系的原因。而铁碳相图会一直要用到这三者的关系来加以理解。 重点：铁素体就是碳溶解到δ-Fe和α-Fe的晶格间隙而形成的一种间隙固溶体相。 2：AEC区域和CDF区域 AEC和CDF区域有液相也有固相，但是，它们的成分是不一样的，AEC区域为什么是奥氏体+液相呢？为什么CDF区域是渗碳体+液相呢？首先，AEC区域之所以是奥氏体+液相，那是因为在1500℃---1148℃时候δ-Fe会转变成γ-Fe(转变温度为1394℃)，也就是说，当温度从1394℃再次冷却到1148℃的时候，这时候δ-Fe已经转变成了γ-Fe，此时的碳就会溶解到γ-Fe晶格中形成一种新的间隙固溶体相，即为奥氏体，由于受到温度原因，液相并没

第五章_铁碳相图习题参考答案

第五章铁碳相图习题参考答案 一、解释下列名词 答：1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。共析Fe3C：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。 二、填空题 1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等两个。 2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。 3、Fe－Fe3C 相图有三条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。 5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ占11.81%。 6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的塑、韧性，因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。 三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？ 答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。 2、铁素体（F），奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点？ 答：铁素体结构为体心立方晶格。由于碳在α-Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（A）结构为面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。渗碳体（Fe3C）具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨

铁碳平衡相图实用性分析

定义 铁碳平衡相图，又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，铁碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件和亚稳条件下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。 实用性分析 铁碳平衡相图是铁碳合金在平衡状态时的组织组成图，而不是获得非平衡的马氏体、贝氏体等组织的转变图。铁碳相图的临界温度参数仅仅局限在碳钢和铸铁，非合金钢和合金铸铁。合金钢和合金铸铁的平衡状态图由于添加了其它合金元素，与铁碳平衡状态图相差还是很大的。即使对于碳钢，直接在铁碳平衡图上读取成分----温度之间的对应关系参数值，也是不够精确的。实际上是借助于钢的加热温度临界参数手册而不是从相图上直接获得，那样得到的数值要精确和直观，对应关系明确。 铁碳平衡相图是加热和冷却过程中的速度是及其缓慢的结果，而且又局限于铁碳合金钢种，这个理论状态，是不可能在实际生产中大量运用，实际淬火等热处理加热冷却过程中组织转变都是在一定加热速度和冷却速度下进行的，不是完全达到平衡状态。 所以说铁碳平衡相图仅仅是研究热处理、学习热处理的必备基础知识和出发点，而不是直接在热处理工艺过程中运用的相图。 铁碳相图的用途究竟是什么？（转自汪庆华文章） 在很多资料中说明铁碳平衡相图在热处理中是十分重要的知识，是制定钢铁材料加热工艺的依据，而且指出：尤其是热处理工必须熟练掌握铁碳平衡相图。但是在实际生产运用中，例如：淬火、回火过程中，铁碳相图的直接应用是十分有限的，直接实用的是各种钢材的CCT、TTT、以及各种钢材的淬透性参数（曲线）、临界加热参数、临界冷却速度参数曲线，回火硬度曲线等。 铁碳相图是铁碳合金在平衡状态时的组织组成图，而不是获得非平衡的马氏体、贝氏体等组织的转变图。铁碳相图的临界温度参数仅仅局限在碳钢和铸铁，非合金钢和合金铸铁。合金钢和合金铸铁的平衡状态图由于添加了其它合金元素，与铁碳平衡状态图相差还是很大的。即使对于碳钢，直接在铁碳平衡图上读取成分----温度之间的对应关系参数值，也是不够精确的。实际上是借助于钢的加热温度临界参数手册而不是从相图上直接获得，那样得到的数值要精确和直观，对应关系明确。 另外，铁碳平衡相图是加热和冷却过程中的速度是及其缓慢的结果，而且又局限于铁碳合金钢种，这个理论状态，是不可能在实际生产中大量运用，实际淬火等热处理加热冷却过程中组织转变都是在一定加热速度和冷却速度下进行的，不是完全达到平衡状态。所以，铁碳平衡相图仅仅是研究热处理、学习热处理的必备基础知识和出发点，而不是直接在热处理工艺过程中运用的相图。

铁碳相图分析

二、铁碳合金相图的分析 Fe-Fe3C相图如图3-25所示。可以看出，Fe-Fe3C相图由三个基本相图（包晶相图、共晶相图和共析相图）组成。相图中有五个基本相：液相L，高温铁素体相?，铁素体相?，奥氏体相?和渗碳体相Fe3C。这五个基本相构成五个单相区（其中Fe3C为一条垂线），并由此形成七个两相区：L+δ、L+?、L+ Fe3C、δ+?、?+ Fe3C 、?+?和?+ Fe3C。 图3-25 以相组成物标注的铁碳合金相图 在Fe-Fe3C相图中，ABCD为液相线，AHJECF为固相线。相图中各特征点的温度、成分及其含义如表3-2所示。 点的符号温度/℃含碳量/% 说明 A 1538 0 纯铁熔点 B 1495 包晶反应时液相的成分 C 1148 共晶点L C ??E+ Fe3C D 1227 渗碳体的熔点 E 1148 碳在?-Fe中的最大溶解度 F 1148 渗碳体 G 912 0 ?-Fe ??-Fe同素异构转变点 H 1495 碳在?-Fe中的最大溶解度 J 1495 包晶点L B+?H ??J K 727 渗碳体 N 1394 0 ?-Fe??-Fe同素异构转变点 P 727 碳在?-Fe中的最大溶解度 S 727 共析点?S ??P+ Fe3C Q 室温室温下碳在?-Fe中的溶解度Fe- Fe3C HJB水平线（1495?C）为包晶线，与该线成分（%~%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：+ ???（式中各相的下角标为相应的含碳量），转变产物为奥氏体。 ECF水平线（1148?C）为共晶线，与该线成分（%~%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：?? + Fe3C。转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号“Le”表示。莱氏体的组织特点为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。 PSK水平线（727?C）为共析线，与该线成分（%~%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：??? + Fe3C。转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用符号“P”表示。珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。共析线又称为

铁碳平衡相图

铁碳平衡相图 又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。 简史早期利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的在 1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）温度视加热或冷却 (分别以A c和A r表示)过程而异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即A r1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，A r3下降而与A r2 1合为一点。1904年又发现A4至熔点相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与A r 间为δ铁。以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。

铁碳合金相图(习题)

铁碳合金相图 一、选择题 1. 铁素体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 2.奥氏体是碳溶解在（）中所形成的间隙固溶体。 A．α-Fe B．γ-Fe C．δ-Fe D．β-Fe 3.渗碳体是一种（）。 A．稳定化合物 B．不稳定化合物 C．介稳定化合物 D．易转变化合物 4.在Fe-Fe3C相图中，钢与铁的分界点的含碳量为（）。 A．2％ B．2.06％ C．2.11％ D．2.2％ 5.莱氏体是一种（）。 A．固溶体B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 6.在Fe-Fe3C相图中，ES线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 7.在Fe-Fe3C相图中，GS线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 8. 在Fe-Fe3C相图中，共析线也称为（）。 A．A1线 B．ECF线 C．Acm线 D．PSK线 9.珠光体是一种（）。 A．固溶体 B．金属化合物 C．机械混合物 D．单相组织金属 10.在铁－碳合金中，当含碳量超过（）以后，钢的硬度虽然在继续增加，但强度却在明显下降。 A．0.8％ B．0.9％ C．1.0％ D．1.1％

11.通常铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，其晶粒区从表面到中心的排列顺序为（）。 A．细晶粒区－柱状晶粒区－等轴晶粒区 B．细晶粒区－等轴晶粒区－柱状晶粒区 C．等轴晶粒区－细晶粒区－柱状晶粒区 D．等轴晶粒区－柱状晶粒区－细晶粒区 12.在Fe-Fe3C相图中，PSK线也称为（）。 A．共晶线 B．共析线 C．A3线 D．Acm线 13.Fe-Fe3C相图中，共析线的温度为（）。 A．724℃ B．725℃ C．726℃ D．727℃ 14.在铁碳合金中，共析钢的含碳量为（）。 A．0.67％ B．0.77％ C．0.8％ D．0.87％ 二、填空题 1. 珠光体是（铁素体）和（二次渗碳体）混合在一起形成的机械混合物。 2. 碳溶解在（α-F e）中所形成的（固溶体）称为铁素体。 3. 在Fe-Fe3C相图中，共晶点的含碳量为（ 4.3% ），共析点的含碳量为（0.77% ）。 4. 低温莱氏体是（珠光体）和（二次渗碳体，一次渗碳体）组成的机械混合物。 5. 高温莱氏体是（奥氏体）和（共晶渗碳体）组成的机械混合物。 6. 铸锭可由三个不同外形的晶粒区所组成，即（细晶粒区），（柱状晶粒区）和心部等轴晶粒区。 7. 在Fe-Fe3C相图中，共晶转变温度是（1148 ），共析转变温度是（ 727 ）。 三、改正题(红色字体为改正后答案) 1. 在Fe-Fe3C相图中,GS斜线表示由奥氏体析出二次渗碳体的开始线，称为A3线。ES;A cm 2. 在铁碳合金相图中，PSK线是一条水平线（727℃），该线叫共晶线。共析线 3. 过共析钢缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体和二次渗碳体组成。珠光体 4. 珠光体是由奥氏体和渗碳体所形成的机械混合物，其平均含碳量为0.77%。铁素体 5. 亚共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由铁素体，二次渗碳体和莱氏体组成。珠光体 6. 在亚共析钢平衡组织中，随含碳量的增加，则珠光体量增加，而二次渗碳体量在减少。铁素体 7. 过共晶白口铁缓冷到室温时，其平衡组织由珠光体和莱氏体组成。渗碳体 8. 在铁碳合金相图中，钢的部分随含碳量的增加，内部组织发生变化，则其塑性和韧性指标随之提高。降低

铁碳合金相图详解

第三章 铁碳合金相图 非合金钢[（GB ／T 13304-91），将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类]和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金。了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料。本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题。 铁与碳可以形成一系列化合物：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3的含碳量为6.69％，铁碳合金含碳量超过6.69％，脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是Fe -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 3.l.l 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为 2/m kg 3107.87?。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变） ，即： δ-Fe （体心） γ-Fe （面心） α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。 可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。 3.1.2 基本相 Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相： ⑴高温铁素体 碳溶于δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃时溶碳量最大，约为0.0218％，但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计。力学性能与工业纯铁相当。 ⑶奥氏体 碳溶于γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 3.2 Fe -C Fe 3相图 3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义 Fe -C Fe 3相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示。

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一、解释下列名词 1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。共析Fe3C ：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢：含碳量大于%，小于%的铁碳合金白口铸铁：含碳量大于%的铁碳合金。 二、填空题 1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等两个。 2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。 3、Fe－Fe3C 相图有三条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤%，室温平衡组织为F+ Fe3CⅢ。 5、共晶白口铁的含碳量为%，室温平衡组织P占%，Fe3C共晶占%，Fe3CⅡ占%。 6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的塑、韧性，因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。 三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？ 答：因为γ-Fe和α- Fe原子排列的紧密程度不同，γ-Fe的致密度为74%，α- Fe的致密度为68%，因此一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时体积将发生膨胀。 2、铁素体（F），奥氏体（A），渗碳体（Fe3C），珠光体（P），莱氏体（Ld）的结构、组织形态、性能等各有何特点？ 答：铁素体结构为体心立方晶格。由于碳在α-Fe中的溶解度`很小，它的性能与纯铁相近。塑性、韧性好，强度、硬度低。它在钢中一般呈块状或片状。 奥氏体（A）结构为面心立方晶格。因其晶格间隙尺寸较大，故碳在γ-Fe中的溶解度较大。有很好的塑性。 渗碳体（Fe3C）具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零。在钢中以片状存在或网络状存在于晶界。在莱氏体中为连续的基体，有时呈鱼骨状。 珠光体（P）为铁素体和渗碳体组成的机械混合物。铁素体和渗碳体呈层片状。珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。 莱氏体（Ld）为奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。在莱氏体中，渗碳体是连续分布的相，奥氏体呈颗粒状分布在渗碳体基体上。由于渗碳体很脆，所以莱氏体是塑性很差的组织。 3、Fe-Fe3C合金相图有何作用？在生产实践中有何指导意义？又有何局限性？ 答：⑴碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。铁碳合金相图是研究铁碳合金的重要工具，了解与掌握铁碳合金相图，对于钢铁材料的研究和使用，各种热加工工艺的制订以及工艺废品原因的分析等方面都有重要指导意义。 ⑵为选材提供成分依据：铁碳相图描述了铁碳合金的组织随含碳量的变化规律，合金的性能决定于合金的组织，这样根据零件的性能要求来选择不同成分的铁碳合金；

铁碳相图和铁碳合金

铁碳相图和铁碳合金

铁碳相图和铁碳合金(一) 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。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图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。

铁碳相图自己分析

▲铁碳相图 [此图中的所有字母、重要温度点、区间产物、含碳量都要会默写，考试不给图，还要会画每个区间冷却组织组成物，冷步曲线。] ①亚共析钢(Wc=4.0%) 计算Wc=4.0%的铁碳合金，按亚稳态冷却到室温后组织中的珠光体，二次渗碳体和莱氏体的相对量，并计算组织组成物珠光体中渗碳体与铁素体及莱氏体中的二次渗碳体，共晶渗碳体和共析渗碳体的量。 [分解过程如下，考研题比这个简单一些] （1）奥氏体γ或A: 4.3 4.0100%=13.7%4.3 2.11 -?- 高温Ld: 1-13.7%=86.3% 奥氏体中二次渗碳体Fe 3C Ⅱ：2.11-0.7713.7%=3.10%6.69-0.77 ? 珠光体P ：13.7%-3.10%=10.6% （2）珠光体中α和3Fe C 共析：

0.0218α：10.6%-1.21%=9.39% 3Fe C 共析：0.77-0.021810.6%=1.21%6.69-0.0218 ? 莱氏体：86.3% 3Fe C 共晶： 4.3-2.11%=41.3%6.69-2.86.311? γ：%-41.3%86.3=45% Fe 3C Ⅱ：2.11-0.77%=10.1%6.69-045.77 ? P ：45%-10.1%=34.9% 3Fe C 共析： 0.77-0.0218%=3.98%6.69-0.034.9? ②过共析钢（Wc=5.0%） 3Fe C 1：100%=29%6.69-4.3 ? ① 4.3L ：1-29%=71% [考试题目只会选取其中一点考，所以此题掌握铁碳相图求解就OK 了] 1、某单晶体受到一均匀切应力τ的作用，其滑移面上有一柏氏矢量b 的位错，如图所示（一般要先假定位错环的方向，按ABCD 顺时针或者逆时针。） （1）分析该位错环中各段位错的类型。 （2）求出各段所受的力的大小及方向。 （3）请指出刃型位错半原子面的位置。 （4）在切应力τ的作用下，该位错环将如何运动其运动结果如何 （1）A 纯正刃型位错，C 纯正刃型位错，B 左螺型位错，D 右螺型位错， 其余为混合位错（这个别丢写）。 （2）A 处半原子面在滑移面的上方，C 处半原子面在滑移面的下方 30.021834.334.3-2.11%=34% 6.69-2.110.0218-0Fe C 25.43%=0.076%%-%=% 6.69-Fe C 025.43%-0.076%=25.354%071L P %-%=%:71%-34%.77-0.0218%=3.2%6.69-0.0218=37%Fe C ααγ????????共晶Ⅲ共析:⑤④③：37：：28.63 3.225.43：28.68.3728.363②：3 2.11-0.7737%=8.37%6.69-0.77Fe C ?????????????????????????????? ??Ⅱ：

第五章--铁碳相图习题参考答案

第五章--铁碳相图习题参考答案

第五章铁碳相图 习题参考答案 一、解释下列名词 答：1、铁素体：碳溶入α－Fe中形成的间隙固溶体。 奥氏体：碳溶入γ－Fe中形成的间隙固溶体。 渗碳体：铁与碳形成的具有复杂晶体结构的金属化合物。 珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 莱氏体：由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。 2、Fe3CⅠ：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。 Fe3CⅡ：从A中析出的Fe3C称为二次渗碳体。 Fe3CⅢ：从铁素体中析出的Fe3C称为三次渗碳体。 共析Fe3C：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。 共晶Fe3C：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体。 3、钢：含碳量大于0.00218%，小于2.11%的铁碳合金。 白口铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。二、填空题

1、常温平衡状态下，铁碳合金基本相有铁素体（F）、渗碳体（Fe3C）等两个。 2、Fe－Fe3C相图有4个单相区，各相区的相分别是液相（L）、δ相、铁素体（F）、奥氏体（A）。 3、Fe－Fe3C 相图有三条水平线，即HJB、ECF和PSK线，它们代表的反应分别是包晶反应、共晶反应和共析反应。 4、工业纯铁的含碳量为≤0.0218%，室温平衡组 。 织为F+ Fe3C Ⅲ 5、共晶白口铁的含碳量为4.3%，室温平衡组织P占40.37%，Fe3C共晶占47.82%，Fe3CⅡ占11.81%。 6、一钢试样，在室温平衡组织中，珠光体占60%，铁素体占40%，该钢的含碳量为0.4707。 7、钢的组织特点是高温组织为奥氏体（A），具有良好的塑、韧性，因而适于热加工成形。 8、白口铸铁的特点是液态结晶都有共晶转变，室温平衡组织中都有莱氏体，因而适于通过铸造成形。 三、简答题 1、为什么γ-Fe 和α- Fe 的比容不同？一块质量一定的铁发生（γ-Fe →α-Fe ）转变时，其体积如何变化？

铁碳合金相图分析报告

第四章铁碳合金 第一节铁碳合金的相结构与性能 一、纯铁的同素异晶转变 δ-Fe→γ-Fe→α-Fe 体心面心体心 同素异晶转变——固态下，一种元素的晶体结构 随温度发生变化的现象。 特点： ? 是形核与长大的过程（重结晶） ? 将导致体积变化（产生内应力） ? 通过热处理改变其组织、结构→ 性能 二、铁碳合金的基本相 第二节铁碳合金相图 一、相图分析 两组元：Fe、Fe3C 上半部分图形（二元共晶相图） 共晶转变： 1148℃727℃ L4.3 → A2.11+ Fe3C → P + Fe3C莱氏体Ld Ld′ 2、下半部分图形（共析相图） 两个基本相：F、Fe3C 共析转变： 727℃ A0.77→ F0.0218 + Fe3C 珠光体P 二、典型合金结晶过程 分类：

三条重要的特性曲线 ① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终了线. ② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线. ③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值0.0218%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于0.001%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ. 工业纯铁（<0.0218%C） 钢（0.0218-2.11%C）——亚共析钢、共析钢（0.77%C）、过共析钢 白口铸铁（2.11-6.69%C）——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁 L → L+A → A → P(F+Fe3C) L → L+A → A → A+F → P+F L → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→ P+ Fe3CⅡ 4、共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) → Ld(A+Fe3C+ Fe3CⅡ) → Ld′(P+Fe3C+ Fe3CⅡ) 5、亚共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + A → Ld+A+ Fe3CⅡ→ Ld′+P+ Fe3CⅡ 6、过共晶白口铸铁L → Ld(A+Fe3C) + Fe3C → Ld + Fe3C→ Ld′+ Fe3C

第三章铁碳相图(含答案)

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答案：有无共晶转变、有无共析转变 2、碳溶解在________中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号________表示；奥氏体 的力学性能是________和________不高，但具有良好的________。 答案：γ-Fe、A、强度、硬度、塑性 3、渗碳体是铁和碳的化合物，常用________表示；渗碳体的含碳量为6．69％，具有复杂的晶格，它的________很高，脆性很大，而________和________几乎等于零。 c、硬度、塑性、韧性 答案：Fe 3 c相图，它由三个典型的二元合金相图组合而成，即________、________和4、统观Fe-Fe

3 ________。 答案：匀晶（型）相图、共晶（型）相图、包晶（型）相图 5、铁碳合金在固态下的基本相有________、________和________三种。 答案：铁素体（F）、奥氏体(A)、渗碳体(Fe3c) 6、在钢中，由于铁与碳的相互作用，可以形成四种基本组织，即________、________、 ________和________。 答案：铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体（Fe3c）、珠光体（p） 7、Fe-Fe c相图中，根据e点（含碳量为________）可将铁碳合金分为

铁碳合金相图分析应用

铁碳合金相图在实际生产中应用之我见 摘要：铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，实际应用中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。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe 3C、Fe 2 C、 FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe 3C部分，通常称其为 Fe-Fe 3 C相图,相图中的 组元只有Fe和Fe 3 C。 关键词：相图分析结晶应用 一、铁碳合金基本相 1、铁素体δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度： C%=0.0218%）。 2、奥氏体γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相）强度低，易塑性变形 3、渗碳体 Fe 3 C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物,渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 二、Fe-Fe 3 C相图分析 1、相图中的点、线、面 三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A （2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A （2.11%C）+Fe 3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe 3 C三 相共存。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。

（3）共析转变线PSK，S点为共析点。合金（在平衡结晶过程中冷）却到727℃时, S点成分 的A发生共析反应：A →F（0.0218%C）+Fe 3 C（6.69%C、共析渗碳体）—P（珠光体）。共析 反应在恒温下进行, 反应过程中, A、F、Fe 3 C三相共存。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。珠光体的强度较高, 塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间, 其机械性能如下：抗拉强度极限σb≈770MPa 冲击韧性ak≈3×105J/m2～4×105J/m2 延伸率δ≈20%～35% 硬度：180HB 液固相线：液相线ABCD 固相线AECF 2、Fe-C合金平衡结晶过程 工业纯铁（C%≤0.0218%）：铁熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。 L →L+A →A →A+F →F →F+Fe 3C III 相组成物：F+Fe 3 C (C%>0.0008%)或 F（C%<0.0008%） 相相对量：F%= Fe 3 C%= 组织组成物：F和Fe 3C III 工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。共析钢（C%=0.77%）： 相组成物：F和Fe 3 C 相相对量：F%= Fe 3 C%= 组织组成物：P L →L+A →A →A+P →P 亚共析钢（0.0218%＜C%＜0.77%）： L →L+A →A →A+F →A+P+F →P+F