铁碳合金相图及结晶组织变化

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α-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α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”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γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”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℃，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δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体Fe3C；

3.相图中有三条水平线：

HJB水平线（1495℃）：包晶线，发生包晶反应，反应产物为奥氏体。

L0.53+δ0.09←→γ0.17

ECF水平线（1148℃）：共晶线，发生共晶反应，反应产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用“Le”表示。

L 4.3←→γ2.11+ Fe3C

PSK水平线（727℃）：共析线，发生共析反应，反应产物为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用“P”表示。共析线又称为A1线

γ0.77←→F0.0218+ Fe3C

4.图中的特性点

A点：纯铁的熔点

C点：共晶点

D点: Fe3C的熔点

E点：γ-Fe中的最大溶碳量

G点：α-Fe→γ-Fe的同素异构转变点

J点：包晶点

N点：γ-Fe→α-Fe的同素异构转变点

S点：共析点

5.图中的特性线

ABCD－液相线

AHJECF－固相线

GS、GP为α-Fe固溶体转变线

HN、JN为奥氏体A固溶体转变线

ES线为碳在奥氏体A中的固溶线，随着温度下降，C的溶解度下降，当含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148℃冷却到727℃时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3CⅡ。ES线又称为Acm线。

PQ线为碳在α-Fe中的固溶线，随着温度下降，C的溶解度下降，铁碳合金自727℃向室温冷却时，会从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体。标记为Fe3CⅢ，但因为析出量极少，在含碳量高的合金中不予以考虑。

CD线是从液体中结晶出渗碳体的开始温度线，从液体中结晶出的渗碳体称为一次渗碳体，标记为Fe3CⅠ。

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

典型铁碳合金的平衡结晶过程

一、铁碳合金的分类

1.工业纯铁（<0.0218%C）

室温下的平衡组织几乎全部为铁素体的铁碳合金，工业上很少使用

2.钢（0.0218%--2.11%C）

高温组织为单相奥氏体，易于变形。根据室温组织的不同分为三类

亚共析钢（0.0218%--0.77%C）：指室温下的平衡组织为铁素体与珠光体的铁碳合金，有熟铁之称；

共析钢（0.77%C）：指室温下的平衡组织为珠光体的铁碳合金，即碳素工具钢中的T8钢；

过共析钢（0.77%C-- 2.11%C）：指室温下的平衡组织为珠光体与二次渗碳体的铁碳合金。

3.白口铸铁（2.11% -- 6.69%C）

指液态结晶时都有共晶反应且室温下的平衡组织中皆含有变态莱氏体的一类铁碳合金，其断口白亮而得名，俗称生铁。亚共晶白口铸铁

共晶白口铸铁

过共晶白口铸铁

二、结合下图，分析7种典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化

1. 工业纯铁的结晶过程（图中合金①）

1—2点：匀晶反应形成δ铁素体

2—3点：不发生组织转变

3—4点：开始从δ铁素体中析出奥氏体，4点后全部转化为奥氏体

4—5点：不发生组织转变

5—6点：开始从奥氏体中析出铁素体，6点后全部转化为铁素体

6—7点：不发生组织转变

7点以后:开始从铁素体中析出三次渗碳体

工业纯铁结晶过程的基本反应：匀晶反应十固溶体转变反应＋二次析出反应

工业纯铁的室温组织：F十Fe3CⅢ纯铁的结晶过程中的组织变化过程

2. 共析钢的结晶过程（图中合金②）

1—2点：匀晶反应形成奥氏体

2—3点：不发生组织转变

3点以后：发生共析转变，反应结束后全部转化为珠光体

3′点后继续冷却：从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体

共析钢结晶过程的基本反应：匀晶反应十共析反应

共析钢室温组织：100%的珠光体P

共析钢结晶过程中的组织变化

3. 亚共析钢的结晶过程（图中合金③）

1—2点：匀晶反应形成δ铁素体

2—2′点：发生包晶反应

L0.53+δ0.09←→γ0.17

2′—3点：剩余的液相发生通过匀晶转变为奥氏体

3—4点：不发生组织转变

4—5点：从奥氏体中析出铁素体

5—5′点：发生共析反应

γ0.77←→F 0.0218+ Fe3C

5′点以后：从铁素体中析出少量的三次渗碳体

亚共析钢结晶过程的基本反应：匀晶反应+包晶反应+匀晶反应+固溶体转变反应+共析反应亚共析钢的室温组织：铁素体F+珠光体

4. 过共析钢的平衡结晶过程（图中合金④）

1—2点：匀晶反应形成奥氏体

2—3点：不发生组织转变

3—4点：从奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布4—4′点：剩余的奥氏体发生共析反应γ0.77←→F0.0218+ Fe3C 4点以后：二次渗碳体不再变化，珠光体的变化同共析钢

过共析钢结晶过程的基本反应：匀晶反应十二次析出反应+共析反应过共析钢室温的组织：

珠光体P+ 网状二次渗碳体Fe3C

5. 共晶白口铸铁的平衡结晶过程（图中合金⑤）

1—1′点：发生共晶反应L4.3←→γ2.11+ Fe3C

全部转化为莱氏体，是共晶奥氏体和共晶渗碳体的机械混合物

1—2点：析出二次渗碳体

2—2′点：发生共析反应，转变为珠光体。珠光体与共晶渗碳体组成的组织为低温莱氏体。

共晶白口铸铁结晶过程：共晶反应十二次析出反应+共析反应

共晶白口铸铁的室温组织：Le′（珠光体+共晶渗碳体）

6. 亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程（图中合金⑥）

1—2点：匀晶反应形成奥氏体

2—2′点：发生共晶反应转变为莱氏体

2—3点：从奥氏体中析出二次渗碳体

3—3′点：发生共析反应转变为珠光体

亚共晶白口铸铁结晶过程：匀晶反应+ 共晶反应十二次析出反应+共析反应亚共晶白口铸铁的室温组织：P+ Fe3CⅡ+ Le’(P+ Fe3C + Fe3CⅡ)

7. 过共晶白口铸铁的平衡结晶过程（图中合金⑦）

1—2点：匀晶反应结晶出一次渗碳体Fe3CⅠ

2—2′点：余下的液相发生共晶反应，转变为莱氏体

继续冷却：一次渗碳体的重量不发生变化，莱氏体的变化同共晶合金

过共晶白口铸铁结晶过程：匀晶反应+共晶反应十二次析出反应+共析反应过共晶白口铸铁室温组织：Fe3CⅠ和Le’(P+ Fe3C+ Fe3CⅡ）

三、组织组成物在相图上的标注

典型铁碳合金的结晶过程

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。

铁碳合金相图

铁碳合金的结晶 一.铁碳相图☆提示：重点内容 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, 此时相图的组元为Fe 和Fe 3 C。 Fe-Fe 3 C相图

Fe-Fe C相图中各点的温度、碳含量及含义 3 1. 铁碳合金的组元 (1)Fe 铁是过渡族元素, 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。（见2-1-2） ？纯铁是如何结晶的

工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下： 抗拉强度极限σ b 180MPa～230MPa 抗拉屈服极限σ 0.2 100MPa～170MPa 延伸率δ 30%～50% 断面收缩率ψ 70%～80% 冲击韧性 a k 1.6×106J/m2～2×106 J/m2 硬度 50HB～80HB (2) Fe 3C Fe 3 C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为渗 碳体, 用Cm表示。

渗碳体的机械性能特点是硬而脆, 大致性能如下： 2. 铁碳合金中的相 Fe-Fe 3 C相图中存在五种相。 ①液相L 液相L是铁与碳的液溶体。 ②δ相δ相又称高温铁素体, 是碳在δ-Fe中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格, 在1394℃以上存在, 在1495℃时溶碳量最大, 为0.09%。 ③α相α相也称铁素体, 用符号F或α表示, 是碳在α-Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%, 600℃时为 0.0057%, 在727℃时溶碳量最大, 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与工业纯铁大致相同。 ④γ相相常称奥氏体, 用符号A或γ表示, 是碳在γ-Fe中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大, 在1148℃时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。 ⑤Fe 3C相 Fe 3 C相是一个化合物相, 其晶体结构和性能已于前述, 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。 3. 相图中重要的点和线

第六章 铁碳合金状态相图的分析及平衡组织观察

第六章铁碳合金状态相图分析及组织观察 一、概述 铁碳合金状态图是研究铁碳合金的组织与性能关系的重要工具。了解和掌握铁碳合金状态图对于制定钢铁材料的各种工艺有很重要的指导意义。下面分别讨论纯Fe；共析钢；亚共析钢；过共析钢；共晶白口铁；亚共晶白口铁；过共晶白口铁等几个典型合金的结晶过程，以深入了解铁碳合金相合肥组织的形成规律及其组织特征。 1、含0.01％C合金的结晶过程及组织特征 含碳0.01％的合金为工业纯铁，其结晶过程如下（参照图1中的合金①）。液态金属在1～2点温度区间按匀晶转变结晶出单相δ固溶体。δ固溶体冷却导 3点时，开始发生固溶体的同素异构转变 A δ→ 。由于δ相晶界上的能量转高， 因此，奥氏体的晶核优先在δ相的晶界上形成，然后长大。这一转变在4点结束，合金全部转变为单相奥氏体。奥氏体冷却到5～6之间又发生同素异构转变 γα →，转变为铁素体。铁素体也同样是在奥氏体晶界上优先形核，然后长大。铁素体冷到7点时，碳在铁素体中的溶解度达到饱和。冷到7点以下，将从铁素体中析出过剩的渗碳体。这种渗碳体一般沿铁素体晶界析出，称为三次渗碳体。因此，工业纯铁室温下的组织为铁素体和三次渗碳体所组成。 铁碳平衡状态图 2、共析合金的结晶过程及组织特征 当温度在1点以上时，合金全部为液态。当合金降温至1点，并稍微过冷，

开始从液体中析出奥氏体。继续降温从液体汇总析出奥氏体，液相的浓度沿BC 线变化，奥氏体的浓度沿JE 线变化。两相相对重量的比值可由杠杆定律求出： QL aO QA Ob ＝ 奥氏体初次晶在液态金属中自由长大，一般呈树枝状。降温至2点结晶终了，变成了单相的奥氏体组织。在2－3点温度区间，为单相奥氏体，相的浓度等于合金的成分，没有成分和组织的变化。在3点共析成分的奥氏体发生共析转变，形成的转变产物为珠光体。 平衡条件下所得的珠光体组织是一层铁素体和一层渗碳体交替排列的机械混合物。用3％硝酸酒精溶液浸蚀后，窄的条纹为渗碳体，宽的白色条纹危房铁素体，这是因为浸蚀时，铁素体被均匀浸蚀，而渗碳体叫铁素体硬，不易被浸蚀，故凸出于铁素体之外。铁素体与渗碳体交界处，由于电化学作用，浸蚀剧烈，因而凸凹不平。当高倍观察时，渗碳体被分辨，可看到渗碳体片的真实形态。如显微镜的放大倍率低时，珠光体的渗碳体与铁素体不易分辨，珠光体则呈黑色或灰色。 珠光体的另一形态是渗碳体呈球状分布在白色的铁素体基础上。这种珠光体组织形态是钢经球化退火后的产物。 3、亚共析合金的结晶过程及组织特征 参看图1的合金③，在1点温度以上的合金为液体。降温到1点，开始从液相中析出δ固溶体。在1－2点区间为L ＋δ。冷到2点时，δ固溶体的含碳量为0.09％，液相的含碳量为0.53％。此时液相L 和δ固溶体发生包晶转变：0.530.17L A δ→0.09＋。由于合金的含碳量大于0.17％，所以包晶转变终了以后，仍有过剩的液相。这些液相在冷却到3点时，合金全部结晶完了，变成了单相奥氏体。合金冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，随着温度的降低，从奥氏体中不断析出铁素体。奥氏体的浓度沿GS 线变化，铁素体的浓度沿GP 线变化。当温度达到5点时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77％，发生共析转变成珠光体。在5点以下，先共析铁素体汇总将析出三次渗碳体，但其数量很少，一般可忽略。该合金的室温组织为铁素体和珠光体所组成，白色部分为铁素体，黑色部分为珠光体。用较高的放大倍率进行观察时，黑色区域就能分辨出为很细的片层珠光体。 所有亚共析合金，冷却到室温后均匀铁素体和珠光体组织。合金的含碳量越高，室温下的珠光体量越多。因此，亚共析钢在显微分析中，常以珠光体与铁素体的相对量来估算亚共析钢的含碳量。 4、过共析合金的结晶过程及组织特征 参看图1中合金④，并以此为例，说明过共析钢的结晶过程及组织特征。 1点温度以上为液相。合金冷至1点，开始从液相中析出奥氏体，知道2点凝固完毕，合金为单相奥氏体组织。2－3区间为单相奥氏体区，合金组织没变化。合金降温到3点，开始从奥氏体中析出过剩渗碳体，渗碳体多在奥氏体晶界处形核并长大，沿着奥氏体晶界析出的渗碳体称做二次渗碳体。在金相显微镜下观察多呈网状，故称为网状渗碳体。在3－4区间，随着温度的降低，二次渗碳体的数量增多，奥氏体的含碳量逐渐减少，奥氏体的含碳量沿着FS 线变化。 当温度降至机4点时，合金中的奥氏体发生共析转变，即奥氏体转变为珠光体。4点以下至室温，合金组织无显著变化。

铁碳合金相图分析

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 基本相定义力学性能溶碳量 铁素体 F碳在α-Fe中的 间隙固溶体强度,硬度低,塑性, 韧性好 最大% 奥氏体 A碳在γ-Fe中的 间隙固溶体 硬度低,塑性好最大% 渗碳体Fe3C Fe与C的金属化 合物 硬而脆 800HBW,δ↑=αk=0 %

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℃ → + 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℃ → + 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%.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%.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<%C 钢——亚共析钢、共析钢%C、过共析钢 白口铸铁——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁 L → L+A → A → PF+Fe3C L → L+A → A → A+F →P+F L → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ

铁碳合金相图分析

第四章铁碳合金相图 教学目的及其要求 通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。 主要内容 1．铁碳合金的相组成 2．铁碳合金相图及其应用 3．碳钢的分类、编号及应用 学时安排 讲课4学时 教学重点 1．铁碳合金相图及应用 2．典型合金的结晶过程分析 教学难点 铁碳合金相图的分析和应用。 教学过程 第一节纯铁、铁碳合金中的相 一、铁碳合金的组元 铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。 由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。 碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。 二、铁碳合金中的基本相 相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。 铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。 1．铁素体

碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。 2．奥氏体 碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。 3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。 渗碳体对合金性能的影响： （1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。 （2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关： 以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。 二、两相机械混合物 珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。 组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。 显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。 第二节铁碳合金相图 一、相图中的点（14个） 1．组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 2．同素异构转变点：N（0, 1394）δ-Fe ?γ-Fe；G（0, 912）γ-Fe?α-Fe 3．碳在铁中最大溶解度点： P（0.0218，727），碳在α-Fe中的最大溶解度 E（2.11，1148），碳在γ-Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495)，碳在δ-Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe中的溶解度

铁碳合金相图

铁碳合金相图 用以温度为纵坐标，以碳含量为横坐标的图解方法，表示在接近平衡或亚稳状态下，以铁碳为单元组成的合金，在不同温度下相与相之间关系的图称为铁碳平衡图，也称为铁碳相图。它是研究铁碳合金的基础，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据，对了解我们厂内金属材料，尤其认识、理解锅炉管材有重要的意义，对后续想做好锅炉四管运行和维护也都是重要的基础。 一、基本概念 1）我们日常接触的“铁、钢”等其实都是合金，含铁、碳、硫、硅等等，要认识了解所熟知的“铁、钢”就必须先认识他们中最基础的两种元素，纯铁和碳。纯铁在1394℃以上以体心立方结构（δ-Fe）稳定存在，温度下降，在912～1394℃范围内发生同素异构转变，以面心立方晶格的γ-Fe稳定存在，在912℃以下又重新回复到体心立方晶格的α-Fe，说体心立方体、面心立方体都离不开另一个主角碳，就是碳在以铁元素构成的立方体中在其体心或者面心。 2）碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。 3）碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。 4）铁碳合金相图的基本组成相是铁素体、奥氏体和渗碳体，这里引出这三个体，具体理解如下。 1、铁素体 碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体，如图1所示。由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时碳的固溶度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，其显微组织图如图2所示。在铁碳相图中铁素体用符号F或α表示。

铁碳合金相图及结晶组织变化

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α-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α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”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γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”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℃，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δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体Fe3C；

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。

铁碳合金相图详解

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 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。 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

课题二金属的晶体结构铁碳合金组织和相图

课题二金属的晶体结构铁碳合金组织和相图金属材料的基本知识钢铁材料铸铁(含碳量大于2.11%的铁碳合金)根据含碳量的不同分为钢(含碳量小于2.11%的铁碳合金)炼铁钢铁材料的生产方式炼钢钢材生产型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等钢材种类 板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管(又称有缝钢管)线材：直径为6~9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性 能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。 一金属的晶体结构与结晶1.1晶体及其特点固态物质分类 根据内部原子堆积的情况 晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等晶体和非晶体的根本区别 晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。 晶体的特点 晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。 晶体具有各向异性。

纯铁晶粒的内部结构示意图 1.2金属的三种常见晶体结构体心立方晶格 面心立方晶格密排六方晶格 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 BCC结构 FCC结构 CPH结构 1.3金属实际的晶体结构单晶体在理想情况下，晶体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体的原子是按一定几何规律做周期性排列而成，这种晶体称为单晶体 多晶体 单晶体 多晶体 外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的原子处于过渡的不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 晶核形成

铁碳合金相图一

铁碳合金相图一 铁碳合金相图（一） 铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。它是研究铁碳合金的成分、温度和组织结构之间关系的图形。铁碳合金相图是人类经过长期实践并进行大量科学实验总结出来的。 一、铁碳合金相图的建立 1.纯铁 同素异构转变：同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变。（以纯铁的冷却曲线，讲解该过程。） 2.铁碳合金状态图的建立 （1）配制不同成分的铁碳合金，用热分析法测定各合金的冷却曲线。 （2）从各冷却曲线上找出临界点，并将各临界点分别画到成分－温度坐标中。 （3）将意义相同的临界点连接起来。 二、铁碳合金状态图分析 图1 简化的Fe-Fe3C状态图

ω，即纯铁；右端点图中纵坐标为温度，横坐标为碳的质量分数。左端原点0 = c ω，即Fe3C。横坐标上任何一点，均代表一种成分的铁碳合金。 = 69 % .6 c 1、铁碳全合金的基本组织 a）液相。铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称液相，用符号L表示。 b)铁素体。碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体。用符号F 表示。碳在α-Fe 中的溶解度很低，因此，铁素体的机械性能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。 c)奥氏体。碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A 表示。（塑性较高、硬度较小，适合锻造） d ）渗碳体：渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C ，渗碳体既是组元，又是基本相。其硬度很高，塑性韧性几乎为零。 e ）珠光体：用符号P 表示，它是铁素体与渗碳体薄层片相间的机械机械混合物。介于F 与Fe3C 之间。 f ）莱氏体：用符号Ld 表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。硬度很高，塑性，韧性很差 2、主要特性点 表1 Fe-Fe 3C 状态图中的主要特性点

铁碳合金相图详解（相图分析及应用）

铁碳合金相图详解（相图分析及应用） 2021-09-09 铁碳合金相图是研究钢、生铁（铸铁）的基本工具。钢的含碳量小于2.11%，生铁（铸铁）的含碳量为2.11%～6.69%，大于6.69%的铁碳合金工业上没有使用价值。因此，目前铁碳合金相图的含碳量不是0～100%的完整的图形，而只研究0～6.69% C的部分，即Fe作为一个组元，含碳量6.69%的Fe3 C作为另一组元的Fe-Fe3 C二元合金相图。Fe-Fe3 C相图的左上角部分为包晶相图，生产中使用意义不大，为便于研究分析，将其进行简化，便得到简化后的Fe-Fe3 C相图，如图1.3.1所示。 3.2.1 Fe-Fe3 C相图分析 Fe-Fe3 C相图与其他二元合金相图一样，纵坐标表示温度，横坐标表示合金的成分，含碳量为0～6.69%，其中包含共晶和共析两种典型反应。 Fe-Fe3 C相图中各特性点的含义见表1.3.1，Fe-Fe3 C相图中特性线见表1.3.2。应当指出，相图中各特性点的符号是国际通用的，不能随便更换。 图1.3.1 简化后的Fe-Fe3 C相图 表1.3.1 Fe-Fe3 C相图中的主要特性点 表1.3.2 简化的Fe-Fe3 C相图中的特性线 根据特性点和特性线的分析，简化Fe-Fe3 C相图主要有4个单相区：L，A，F，Fe3 C；5个双相区：L+ A，A+ F，L+ Fe3 C，A+ Fe3 C，F+ Fe3 C。 3.2.2 典型铁碳合金结晶过程分析 （1）铁碳合金分类 根据含碳量和室温组织特点，铁碳合金可分为3类： ①工业纯铁w C≤0.021 8%，组织为F。 ②钢0.021 8%≤w C≤2.11%，特点是高温固态组织为奥氏体，

铁碳相图详解

合用标准文案 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 ，剖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地址 ㈠工业纯铁（图 3-26 中合金①）的结晶过程 合金液体在 1~2 点之间经过匀晶反响转变为δ铁素体。连续降温时，在2~3 点之间，不发生组织转变。温度降低到 3 点今后，开始从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加，到达 4 点今后，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 C。7 点以下，随温度下降， Fe C 量不断增加，室温下Fe C 的最大 3 III 3 III 3 III Q Fe3CⅢ0.0008 100%0.31% 量为：。图 3-27 为工业纯铁的冷却曲线及组织转变表示图。工业纯铁的室温组织为+Fe C ，如图 3-28 所示，图中个别部位的双晶界内是Fe C 。 3 III 3 III