铁碳相图简介

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δ，铁素体相α，奥氏体相γ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+γ、L+ Fe3C、δ+γ、γ+ Fe3C 、γ+α和α+ 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。

Fe- Fe3C

HJB水平线（1495︒C）为包晶线，与该线成分（0.09%~0.53%C）对应的合金在该线温度下将发生包晶转变：L0.53+ δ0.09→γ0.17（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（2.11%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共晶转变：L4.3→γ2.11 + 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（0.0218%~6.69%C）对应的合金在该线温度下将发生共析转变：γ0.77→α0.0218 + 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A1线。

此外，Fe- Fe3C相图中还有六条固态转变线：

GS、GP为γ⇄α固溶体转变线，HN、JN为δ⇄γ固溶体转变线，例如，GS线是冷却时铁素体从奥氏体中析出开始、加热时铁素体向奥氏体转变终了的温度线。GS线又称为A3线，JN线又称为A4线。

ES线为碳在γ-Fe中的固溶线。在1148︒C，碳的溶解度最大，为2.11%，随温度降低，溶解度下降，到727︒C 时溶解度只有0.77%。所以含碳量超过0.77%的铁碳合金自1148︒C 冷至727︒C 时，会从奥氏体中析出渗碳体，称为二次渗碳体，标记为Fe3C II。二次渗碳体通常沿奥氏体晶界呈网状分布。ES线又称为A cm线。

PQ线为碳在α-Fe中的固溶线。在727︒C，碳的溶解度最大，为0.0218%，随温度降低，溶解度下降，到室温时溶解度仅为0.0008%。所以铁碳合金自727︒C向室温冷却的过程中，将从铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体，标记为Fe3C III。因其析出量极少，在含碳量较高的合金中不予以考虑，但是对于工业纯铁和低碳钢，因其以不连续网状或片状分布于铁素体晶界，会降低塑性，所以对于Fe3C III的数量和分布还是要加以控制。

综上所述可见，铁碳合金中的渗碳体根据形成条件不同可分为一次渗碳体Fe3CⅠ（由液相直接析出的渗碳体）、二次渗碳体Fe3CⅡ、三次渗碳体Fe3CⅢ、共晶渗碳体和共析渗碳体五种。它们分属于不同的组织组成物，区别仅在于形态和分布不同，但都同属于一个相。由于它们的形态和分布不同，所以对铁碳合金性能的影响也不相同。

另外，Fe- Fe3C相图中还有两条物理性能转变线：MO线（770︒C ）是铁素体磁性转变温度。在770︒C以上，铁素体为顺磁性物质，在770︒C以下，铁素体转变为铁磁性物质。此线又称为A2线；UV线（230︒C）是渗碳体磁性转变温度，又称为A0线。

2011.05.27

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。

铁碳相图

二元相图分析实例 铁碳系是一个很重要的合金系，它是碳钢、低合金钢及铸铁的基础。在研究和使用钢铁材料时，铁碳相图是一个重要的工具。 1、相图中的相 铁碳相图主要部分是Fe-Fe 3C 相图，如图1。相图中有以下几个固相（高温下均为液相L ）。 （1）铁素体，即碳在α-Fe 中形成的间隙固熔体，通常用符号α或F 表示。碳原子熔于α-Fe 的八面体间隙，最大固熔体（质量分数）只有0.0218%。 在δ-Fe 中的间隙固熔体也称为铁素体，或称为高温铁素体，通常用符号δ表示。δ的最大固熔度（质量分数）为0.09%。 （2）奥氏体，即碳熔入γ-Fe 中形成的间隙固熔体，通常用符号γ或A 表示。碳原子熔于γ-Fe 的八面体间隙，最大固熔体（质量分数）为2.11%。铁素体与奥氏体的力学性能相近，都是软而韧。另外，奥氏体是顺磁相而铁素体是铁磁相，但在居里点770℃以上仍是顺磁相，如图中MO 所示，科研上经常应用这一物理特性来研究钢中的各种相变。 （3）渗碳体，即Fe 3C ，是一种间隙化合物，其熔点1227*，在230*以下具有铁磁性，通常用Ao 表示这个临界点。渗碳体的性能为硬而脆，HB800，塑性很差，延伸率接近于零。 1.1相图中的重要的点和线 Fe-Fe 3C 相图比较复杂，但围绕三条水平线可将相图分解成3个基本相图，在了解一些重要的点和线的意义后分析起来就容易多了。 图2 Fe-Fe3C 相图 3 C Fe +Fe Fe C 33C α+Fe γ+Fe C 3° ° α δ α+γ|Δ δ+γγ γ L ° ° ° ° Fe （1）3个主要转变 1）包晶转变 如果所示，Fe-Fe 3C 相图上HJB 线为三相平衡包晶转变线，其

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。

铁碳合金相图详细讲解

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

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。

铁碳相图详解

Fe-C相图详解 图1 Fe-Fe3C合金相图 1、相图中的基本相及其符号表示 （1）液相（L）：铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。 （2）高温铁素体（δ）：碳固溶在δ-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；因存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，在1394℃以上存在；在1495℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.09%。 （3）铁素体（α/F）：碳固溶在α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；由于晶格间隙很小，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%，因此其性能几乎和纯铁相同，强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。 （4）奥氏体（γ/A）：碳固溶在γ-Fe中形成的间隙固溶体, 呈面心立方晶格结构，是钢铁的一种层片状的显微组织；由于八面体间隙较大，因此可以容纳更多的碳；奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。 （5）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物；渗碳体的含碳量为ωc=6.67%，熔点为1227℃；其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大； 在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对合金的性能有直接影响：一次渗碳体（Fe3C I）：液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体，为块状。 共晶渗碳体（Fe3C共晶）：莱氏体中的渗碳体，呈骨骼/树枝状。 二次渗碳体（Fe3C II）：由奥氏体中析出的渗碳体，为网状。

共析渗碳体（Fe3C共析）：珠光体中的渗碳体，呈片状。 三次渗碳体（Fe3C III）：从铁素体晶界上析出，沿铁素体晶界呈断续片状/短棒状分布。（6）珠光体（P）：铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物；力学性能介于两者之间。（7）莱氏体（Ld/Ld’）：常温下是珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物；当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示；在低于727℃时，莱氏 体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏。 2、相图中的特性点及其数值、物理意义 3 （注：部分相图中Q温度为600℃，ωC=0.0057%，代表600℃时碳在α-Fe中的溶解度） 3、相图中相变曲线的物理含义 （1）恒温（1495℃）转变线HJB：包晶线。 0.09%≤ωC≤0.53%的铁碳合金（即ωC值落在H点和B点横坐标间的铁碳合金)在 1495℃发生包晶转变（L B+δH?A J），产生奥氏体。 （2）恒温（1148℃）转变线ECF：共晶线。 2.11%≤ωC≤6.69%的铁碳合金（即ωC值落在E点和F点横坐标间的铁碳合金)在 1148℃发生共晶转变（L C?A E+Fe3C），产生莱氏体。 （3）恒温（727℃）转变线PSK：共析线。 0.0218%≤ωC≤6.69%的铁碳合金（即ωC值落在P点和K点横坐标间的铁碳合金) 在727℃发生共析转变（A S?F P+Fe3C），产生珠光体。 （4）ES（A cm线）：碳在奥氏体中的溶解曲线。 ωC≥0.77%的铁碳合金在由1148℃缓冷至727℃时沿奥氏体晶界析出二次渗碳体。（5）PQ：碳在铁素体中的溶解度曲线。 ωC≥0.0008%的铁碳合金,在由727℃缓冷至室温时沿着铁素体晶界析出三次渗碳体。（6）GS（A3线）：奥氏体与铁素体之间的转变曲线；此线以上全部为奥氏体。 4、相图中分界曲线的物理含义

铁碳相图

Iron-Carbon Phase Diagram αγδεΨ 1.铁素体：Ferrite ---F 存在图中GPQ下方，它是碳溶于α-Fe中的固溶体，碳的溶解量很小，在723℃时达到最大值，其质量分数为0.0218%，常温时的质量分数为:0.006%。 特性：强度和硬度较低，塑性和韧性好。 另：碳溶于δ-Fe形成的固溶体，叫δ固溶体，以δ表示，也是铁素体。 2.奥氏体：Austenite --A 存在于图GSEJN区域，它是碳溶于γ-Fe中的固溶体。碳的溶解量随温度的升高而增多，至1148℃时达到最大值，质量分数为：2.11%。 特性：硬度为170~220HBS，伸长率为40%~50%，即硬度较低塑性较高。 3. 渗碳体：Cementite --Fe3C 由垂线DN表示，是含碳质量分数为6.67%的铁碳化合物。 特点：硬度高800HBS，脆性大，塑性极低。 4. 珠光体：Pearlite---P A1线；在铁素体上分布着硬脆的渗碳体，形成的组织为珠光体。Ferrite+Cementite=Pearlite 特点：抗拉强度：δ=750MPa，布氏硬度：240HBS，断面收缩率：Ψ=12%~15%；因而珠光体是一种高硬度、强度和韧性的组织。 依据渗碳体的存在形式，可分为片状珠光体和粒状珠光体，含碳量相同的钢材，粒状珠光体比片状珠光体硬度强度低一些，在相同硬度情况下，粒状珠光体的屈服强度、塑性、韧性都比片状珠光体优越。

5. 贝氏体：Bainite 当奥氏体过冷到550℃左右至马氏体点（Ms）温度范围时，其转变成的组织成为贝氏体。可分为上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体是过冷奥氏体大约在550~350℃温度范围转变成的，下贝氏体是过冷奥氏体在350℃左右至马氏体点（Ms）之间的温度范围内转变成的。 上贝氏体强度大，脆性大；下贝氏体强度和韧性都比较高。 6. 马氏体：Martensite 当奥氏体以大于临界冷却速度冷却，并过冷到Ms点以下时，可转变为马氏体。 特点：高强度，脆性大。 液相L线：温度高于ABCD线部分，所有铁碳合金均处于熔化状态。 A 线：MN线，230℃，为渗碳体磁性转变线，高于此温度其磁性消失。 A 1 线：PS线，727℃，为共析转变线，冷却到此温度，奥氏体同时转变为铁素体和渗碳体，组成珠光体；而加热到此温度时，珠光体转变为奥氏体。共析成分含碳量的质量分数为0.8%，S为共析点。 A 2 线：GSP内短水平虚线，770℃，为铁素体磁性转变温度线，高于此温度，铁素体磁性消失。 A 3线：GS线，727~910℃，为铁素体和奥氏体的转变温度线，加热到A 1 线时铁素 体开始转变为奥氏体，加热到A 3线时，铁素体全部转化为奥氏体，冷却到A 3 线时， 奥氏体开始析出铁素体。 A cm 线, ES线，727~1148℃，为碳在奥氏体中的溶解度曲线。加热到此线以上，钢中的渗碳体完全熔解于奥氏体中；奥氏体冷却到此线以下，就要析出过饱和的碳，形成渗碳体。 共晶线, EF线，1148℃，液相铁碳合金冷却到此温度线时，同时转换为奥氏体和渗 5）低合金钢－合金量<5% 6）中合金钢－合金量5%~10% 7）高合金钢－合金量>10% 1. 塑性伸长率：δ=[(L1-L0)/L0]X100% 或Ψ=[(A0-A1)/A0]X100% 2. 强度：ζs=F s/A0 ζb=F b/A0 弹性：Elasticity, 塑性：Plasticity, 强度：Intensity，硬度：Hardness，冲击韧性：Impact Toughness

铁碳相图归纳

第四章 纯铁：α-Fe 在770℃（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。 工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好 C在钢铁中存在的三种形式： 溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶体）－钢 以游离石墨存在于钢铁中－铸铁。 与铁成金属间化合物如Fe3C, Fe2C, FeC）－金属间化合物 石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。 实线为 Fe－Fe3C 相图虚线为 Fe－C 相图 α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。α= F γ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。γ= A δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。

Fe3C相铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为 Cm(Cementite)。 石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。 L相碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。 的冷却过程中组织还会发生变化。 Ld(Ledeburite) 的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite)

（1） ABCD ―液相线（2） AHJECF ―固相线 （3） HJB ―包晶反应线 (1495 C) L B+δH←→A J （4） ECF ―共晶反应线 (1148 C) L C←→ A E+Fe3C I (称为莱氏体) （5） PSK ―共析反应线 (727 C)As←→Fp+Fe3C (称为珠光体) （6） A CM线（ES线）―从奥氏体析出Fe3CⅡ的临界温度线 （7） A3线（GS线）―从奥氏体转变为铁素体线 五个单相区：液相区 L 高温固溶体δ；γ相（奥氏体，A) ；α相（铁素体，F) Fe3C相（渗碳体，Cm） 七个双相区：L＋δ， L＋γ， L＋ Fe3C，δ＋γ，γ＋ Fe3C，α＋γ；α＋Fe3C 三个三相区：HJB线 L＋δ＋γ；ECK线 L ＋γ＋ Fe3C；PSK线γ＋α＋Fe3C 工业纯铁 (C%<0.02%) 碳钢 ( C%= 0.02% 2.11 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共析钢：C<0.77 wt% 共析钢： C=0.77 wt% 过共析钢：C>0.77 wt% 白口铸铁 (生铁）（C%= 2.11 6.69 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共晶白口铸铁 C<4.3 wt% 共晶白口铸铁 C=4.3 wt% 过共晶白口铸铁 C>4.3 wt% 灰口铸铁（C%= 2.11 6.69 wt %） 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F 相：α (F) 共析钢(C%≈0.77%)：组织：P 相：α(F)＋Fe3C 亚共析钢(C%=0.02 0.77%)：组织：F＋P 相：α (F)＋Fe3C 组织转变： L→L+A→A→F+A→F+P 过共析钢(C%=0.77 2.11%)：组织：P＋Fe3C II相；α (F) ＋Fe3C 组织转变：L→L＋A →A→A＋Fe3C II→P＋Fe3C II 共晶白口铁(C%≈4.3%)：组织：L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变 L → Ld（A+Fe3C I)→A+Fe3C II+Fe3C I → (P + Fe3C I（Fe3CⅡ)） 亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)：组织：P＋Fe3C II＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变L→L＋A→A＋Ld→A＋Fe3C II＋Ld→P＋Fe3C II＋L’d 过共晶白口铁(C%=4.3 ~ 6.69%)：组织：Fe3C I＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变 L→L+Fe3C I→Fe3C I+Ld→Fe3C I+L’d

铁碳相图

4.铁碳合金相图 主要研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质，了解铁碳合金的成分、组织与性能的关系。 （1）Fe-Fe3C相图 Fe与C可形成一系列化合物，实际应用含C不超过5%，所以只研究Fe-Fe3C 部分。Fe-Fe3C相图由包晶、共晶、共析三个基本的相图组成。符号国际通用，不能任意写。各点成分、温度要记住。 见图2-30 图2-30 Fe-Fe3C相图 （2）组元 1）、纯铁：熔点1538℃，具有同素异构转变，使其能合金化和热处理。 α-Fe 912℃γ-Fe 1394℃δ-Fe 性能：强度低、塑性好。HB50～80, δ=30～50% 2）、渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69%，熔点1227℃。 性能：硬而脆，塑性≈0 HB800 δ≈0。 （3）基本相 1）、液相（L）：Fe、C的液溶体。 2）、δ相：C溶于δ-Fe中的间隙固溶体，存在于高温，又称δ铁C max%=0.09%。3）、γ相：C溶于γ-Fe中的间隙固溶体，称奥氏体。用γ或A表示。C max%=2.11%。4）、α相：C溶于α-Fe中的间隙固溶体，称铁素体。用α或F表示。C max%=0.0218%。5）、Fe3C相：它是Fe与C形成的间隙化合物，也叫渗碳体，含碳量为6.69%。按其来源可分为：Fe3CⅠ：从L 中直接结晶出的Fe3C。 Fe3CⅡ：从A 中沿晶界析出的Fe3C。 Fe3CⅢ：从F 中沿晶界析出的Fe3C。

Fe3C共晶：共晶反应得到的Fe3C。 Fe3C共析：共析反应得到的Fe3C。 他们的本质是一样的，只是形状不同。 （4）Fe-Fe3C相图分析 1）点：A Fe的熔点：1538℃ B Fe3C熔点：1227℃ J 包晶点； C 共晶点；S 共析点。 E 钢与铁的分界点，含碳量为2.11%。≤2.11%的铁碳合金为钢，>2.11% 的铁碳合金为铁。 2）区：五个单相区：L δ α γ Fe3C 七个双相区：L+δ L+γ L+ Fe3C δ+γ α+γ γ+ Fe3C α+ Fe3C 3）线：⑤ABCD 液相线 ⑤AHJECF 固相线 ⑤三条水平线 HJB包晶转变线，在1495℃的恒温下，发生包晶转变： L B+δH1495℃γJ 凡含碳量在0.09～0.53%之间的合金，均发生包晶转变。 ECF共晶转变线，在1148℃恒温下，发生共晶转变： L C1148℃γE + Fe3C L d表示。凡含碳量在2.11～6.69%之间的合金，均发生共晶转变。 PSK共析转变线，在727℃恒温下，发生共析转变： γS 727℃αP + Fe3C 共析转变的产物称称为珠光体，用P表示，此线常用A1表示。 凡含碳量>0.0218%的合金均发生共析转变。 ⑤三条析出线 CD线：是C在L中的固溶度曲线，当T低于此线时从L中析出Fe3C，此线为一次渗碳体的开始析出线。 ES线：是C在A中的固溶度曲线，当T低于此线时，要从A中析出Fe3C，此线又是二次渗碳体的开始析出线，也叫Acm线。 PQ线：是C在F中的固溶度曲线，随T↓从F中析出Fe3C，此线为三次渗碳体的开始析出线。 ⑤GS线又称A3线，是A与F相互转变T随含碳量的变化曲线。 （5）铁碳合金分类 1）、工业纯铁：C≤0.0218%的Fe、C合金。 2）、碳钢：0.0218% < C ≤ 2.11% 的Fe、C合金。 共析钢0.77% 亚共析钢0.0218～0.77% 过共析钢0.77～2.11% 3）、白口铸铁：2.11% < C ≤ 6.69%的Fe、C合金。 亚共晶白口铁 2.11～4.3% 共晶白口铁 4.3% 过共晶白口铁 4.3～6.69% （6）典型合金的结晶过程分析及组织 见图2-31 典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析

铁碳合金相图详解

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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

铁碳相图详解

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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。

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分类: (按有无共晶转变分类) ▶工业纯铁 (Wc<0.0218%) ▶碳钢(Wc<2.11%) ▶铸铁(Wc>2.11%) 分为七种类型: (根据组织，按含碳量分类) 1、工业纯铁 (Wc<0.0218%) 2、亚共析钢 (Wc=0.0218-0.77%) 3、共析钢 (Wc=0.77%) 4、过共析钢 (Wc=0.77-2.11%) 5、亚共晶白口铸铁(Wc=2.11-4.3%) 6、共晶白口铸铁 (Wc=4.3%) 7、过共晶白口铸铁(Wc= 4.3-6.69%) 工业纯铁(Wc=0.01%) L→L+δ→δ→δ+γ(奥氏体)→γ→γ+a (铁素体) →a→a+Fe3CⅢ(三次渗碳体区) 亚共析钢(Wc=0.40%) L→L+δ→包晶反应→L +γ(奥氏体)→γ→γ+α(铁素体)→共析反应→α（铁素体）+P(珠光体)→α+ P+Fe3CⅢ(三次渗碳体)

省略Fe3CⅢ（三次渗碳体）, 最终组织: α(铁素体)+ P (珠光体) 包晶反应: L+ δ→γ(奥氏体) 共析反应后的α（铁素体）与P（珠光体）含量： WP=5P/SP Wα=S5/SP 共析钢(Wc=0.77%) L→L+γ(奥氏体)→γ→（共析反应）→α(铁素体)+Fe3C(共析渗碳体)→α+Fe3C+Fe3CⅢ(三次渗碳体区)省略Fe3CⅢ, 最终组织: α+Fe3C (即: P (珠光体)) P (珠光体): 铁素体(a)+渗碳体(Fe3C) 共析反应: 727℃γ0.77→α0.0218+ Fe3C (P珠光体) W α0.0218 =(6.69-0.77)/(6.69-0.218)=88% W Fe3C =1-88%=12% 过共析钢(Wc=1.2%)

铁碳合金相图

铁碳合金相图 从某种意义上讲，铁碳合金相图是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。 一、铁碳合金中的基本相 铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe 3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 1,铁素体(ferrite) 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格; 虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性. 铁碳合金中的基本相 铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低. δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS. 铁碳合金中的基本相

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,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围. 铁碳合金中的基本相 2,奥氏体(Austenite ) 奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格; 虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%. 铁碳合金中的基本相 在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%. 另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件. 铁碳合金中的基本相 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. 铁碳合金中的基本相 3,渗碳体(Cementite) 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃, 质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色. 铁碳合金中的基本相 渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响. 铁碳合金中的基本相 总结: 在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于 高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体 中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的. 铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C. _由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图. 二、铁碳合金相图分析 1铁碳相图分析

铁碳相图知识(打印)

铁碳相图知识 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。 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。 图4 碳在γ－Fe晶格中的位置图5 渗碳体的晶格 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），熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。

铁碳相图

铁碳合金相图 钢铁应该是机械行业使用最广泛的合金,先来看看纯铁，纯铁中铁的质量百分比在99.8-99. 9，在1538℃结晶为δ-fe，晶格为体心立方（还记得体心立方的晶格是啥样吧），在1394℃是晶体结构发生转变，变为γ-fe，晶格为面心立方，在912℃时再次发生转变，变为α-fe，晶格为体心立方，这是铁的三种同素异晶状态。这种固态下的同素异晶转变称之为重结晶，它与钢的合金化与热处理有密切关系。 那么铁碳合金又是怎么回事呢？碳可以溶于γ-fe和α-fe中，以间歇原子的形势存在。在1394℃时，碳溶于γ-fe，称为奥氏体，这时碳一般存在于面心立方的8面体空隙中，在912℃时，碳溶于α-fe，称为铁素体，碳存在于体心立方的8面体空隙中。其实碳也能溶于δ-fe，0.09%，太少了。 说了这么多，纯铁的塑性和韧性很好，但是强度太低了，所以工业上一般都是用的铁碳合金。碳可以溶于铁中，但是溶量有限，于是剩下的碳以两种形式存在，一种形式是与铁的间歇化合物fe3c，称为渗碳体，一种是石墨。 ok，我们来看看fe-fe3c合金相图（本来已开始想写一篇相图的blog，但是感觉没有什么好写的）。

由图我们可以看到碳的含量最高可以到6.69%，处于ABCD连线以上的部分为液相区，AHJEC F连线以下为固相区，HJB线这一段发生了包晶转变，包晶转变是指在结晶过程中，已成为固相的部分被液相部分包围从而转变成另一种固相部分，液相的B和δ相的H转变为γ相的J,我们可以看到，这条线非常的短，说明发生转变的区域碳的含量范围很窄为0.09%-0.53%。ECF线发生了共晶转变，共晶转变是指某液相在结晶时同时转变为两种固相，液相C转变为γ相E和fe3c,γ-fe和fe3c的机械混合物称为莱氏体，这条线就比较长了，说明发生转变的碳的范围比较宽，为2.11%-6.69%。PSK线发成的是共析转变，共析转变是指由一种固相转变为两种固相的变化，γ-fe转变为α-fe和fe3c，α-fe和fe3c的机械混合物称为珠光体，可以看到发生这个转变的碳的含量范围是相当的宽了，超过0.0218%的碳含量的合金都要发生这个转变。GS线，这条线说明了碳含量的不同γ中开始析出α的温度是怎样变化的，我们可以看到，随着碳的含量从0-0.77%不断升高，转变开始的温度在不断降低。ES线，碳在γ中的溶解度线，当某浓度的碳在低于相应的这个温度时，开始析出fe3c，我们可以看到随着碳的含量在0.77-2.11不断升高时，开始析出fe3c的温度在不断升高。PQ线，碳在α中的溶解度线，道理同ES线，当碳的含量在0-0.0218不断升高时，析出fe3c的温度不断升高。 通常按照会不会发生共晶转变来区分碳钢和铸铁，由相图我们可以看到，碳含量小于2.1 1时不发生共析转变，那么碳含量小于2.11的合金称为碳钢，大于的称为铸铁。根据相图，我们把铁碳合金按照碳含量划分为7种类型：<0.0218工业纯铁，0.77共析钢，0.0218-0. 77亚共析钢，0.77-2.11过共析钢，4.30共晶白口铸铁，2.11-4.30亚共晶白口铸铁，4.3 0-6.69过共晶白口铸铁。 当含碳量为小于0.0218%时为工业纯铁，由相图我们可以得知，在金属液冷却到室温时，合金为α和三次渗碳体. 当含碳量为0.77%时为共析钢，在金属液冷却到室温时，合金的成分是珠光体，珠光体是α和fe3c的机械混合物，还记得吗？什么和工业纯铁的成分一样？噢，不，工业纯铁的成分是α和三次渗碳体，三次渗碳体是由于碳在α中的浓度饱和，从α中析出的fe3c，而珠光体中的则是α和fe3c的机械混合物，是通过γ的共析转变得到的，什么是机械混合物？他们的浓度比例是一定的！ 当碳含量在0.0218-0.77%之间时，为亚共析钢，在金属液冷却到室温时，合金的组织是珠光体+α，并且亚共析钢中的含碳量越高，室温组织中的珠光体越多。 过共析钢的含碳量在0.77-2.11%，在金属液冷却到室温时，合金的组织为珠光体+二次渗碳体，并且含碳量越高，得到的二次渗碳体量越大。 含碳量为4.30%时，为共晶白口铸铁，合金的室温组织比较复杂一点，因为在冷却到1148℃时，发生共晶转变得到莱氏体（γ和fe3c的机械混合物），在这个温度以下后由于浓度饱和γ中析出二次渗碳体，在冷却到727℃时，γ发生共析转变得到珠光体，那么实际上得到的就是珠光体+二次渗碳体+莱氏体中剩下的fe3c，这种室温组织保留了高温共晶转变产物莱