材科基考点强化(第10讲 铁碳相图) (1)

铁碳合金第一节 铁碳合金基本知识一、纯铁的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金属，如铁、锰、钴等，结晶后随着温度或压力的变化，晶格会有所不同，金属这种在固态下晶格类型随温度（或压力）变化的特性为同素异构转变。

如图3-1所示。

纯铁的同素异构转变可概括如下：1538C 1394912()Fe C C Fe Fe Fe δγα︒︒︒−−−→−−−→−−−→---←−−−←−−−←−−−液态 α-Fe 和δ-Fe 都是体心立方晶格，γ-Fe 为面心立方晶格。

纯铁具有同素异构转变的特征，是钢铁材料能够通过热处理改善性能的重要依据。

纯铁在发生同素异构转变时，由于晶格结构变化，体积也随之改变，这是加工过程中产生内应力的主要原因。

二、铁碳合金的基本组织在铁碳合金中，由于铁和碳的交互作用，可形成下列五种基本组织：1、铁素体（F ）铁素体是碳溶解在α-Fe 中形成的间隙固溶体，它仍保持α-Fe 的体心立方晶格结构。

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。

铁素体由于溶量小，力学性能与纯铁相似，即塑性和冲击韧度较好，而强度、硬度较低。

2180280MPa HBS=5080 =3050% 128160J/cmb KU a σδ==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。

2、奥氏体（A ）奥氏体是碳溶解在γ-Fe 中形成的间隙固溶体。

它保持γ-Fe 的面心立方晶格结构。

因其晶格间隙较大，所以溶碳能力比铁素体强，在727℃时溶碳量为0.77%，1148℃时溶碳量达到2.11%。

奥氏体的强度、硬度较低，但具有良好的塑性，是绝大多数钢高温进行压力加工的理想组织。

400MPa;HBS=160200;=4050%b σδ≈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。

4-1 铁碳合金的组元一、纯铁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：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原子间的孔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结构的八面体孔隙。

奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。

30-50%70-80%160-200J/cm250-80延伸率δ断面收缩率ψ冲击值布氏硬度HB 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）。

同素异晶转变伴随有热效应产生，因此在纯铁的冷去曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。

铁的同素异晶转变如下：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。

拉伸强度σb屈服强度σ0.218×107-28×107N/m 210×107-17×107N/m 2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。

600700800900
F 温度/
℃Fe-Fe 3C 合金相图
Fe K
D
1、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 或α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。

2、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 或γ表示。

3、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Fe 3C ，渗碳体既是组元，又是基本相。

4、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。

5、莱氏体：用符号Ld 表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。

特性点符号 温度/℃ ωc （%）含义
A 1538 0熔点：纯铁的熔点
C 1148 4.3共晶点：发生共晶转变L4.3→Ld(A2.11%+Fe3C 共晶)
D 1227 6.69熔点：渗碳体的熔点
E 1148 2.11碳在γ-Fe 中的最大溶解度点
G 912 0同素异构转变点
S 727 0.77共析点：发生共析转变A0.77%→p(F0.0218%+Fe3C 共析)P 727 0.0218碳在α-Fe 中的最大溶解度点
Q 室温 0.0008室温下碳在α-Fe 中的最大溶解度。

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。

【钢热处理知识】史上最详尽铁碳相图图文讲解喜欢就果断分享吧！铁碳合金，是以铁和碳为组元的二元合金。

铁基材料中应用最多的一类——碳钢和铸铁，就是一种工业铁碳合金材料。

搞机械的，最应该掌握的材料就是铁碳合金材料。

铁碳相图一、Fe-Fe3C相图的组元1．Fe组元δ -Fe(bcc) --1394℃--γ-Fe(fcc)--912℃--- a -Fe(bcc) (同素异构转变)强度低、硬度低、韧性、塑性好2．Fe3C （ Cem， Cm）熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。

二、Fe-Fe3C相图中的相1．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ -Fe中——δ相）3．α相铁素体F （C固溶到α-Fe中——α相）强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体（C固溶到γ-Fe中——γ相）强度低，易塑性变形5．Fe3C三、相图分析1．三条水平线和三个重要点（1）包晶转变线HJB：1495摄氏度，C%=0.09-0.53%LB+δH------AJ 即L0.53+ δ0.09------- A0.17（2）共晶转变线ECF,1148摄氏度，C%=2.11---6.69%L4.3---- A2.11+Fe3C（共晶渗碳体）——Le4.3 高温莱氏体Le，Ld（3）共析转变线PSK，727摄氏度，C%=0.0218---6.69%As----FP+Fe3C（共析渗碳体）A0.77---- F0.0218+Fe3C——P（珠光体）珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间Le---- P+Fe3CII+Fe3C共晶------低温莱氏体Le’2．液固相线液相线ACD固相线AECF3．溶解度线ES线碳在A中的固溶线，1148摄氏度，2.11%——727摄氏度,0.77%,Fe3CIIPQ线碳在F中的固溶线，727摄氏度,0.0218%——0.0008%室温，Fe3CIII4．GS线5. 特征点6.特征线表四、基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类1．工业纯铁，C%<=0.0218%2．钢0.0218%<C%<= 2.11%亚共析钢 0.0218%<C%<0.77%共析钢 0.77%过共析钢 0.77%<C%<= 2.11% 3．白口铸铁2.11%<C%<6.69%亚共晶白口铸铁 2.11%<C%<4.3%共晶白口铸铁 4.3%过共晶白口铸铁 4.3 %<C%<6.69%在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。

考点1：基础知识
例（解释名词）：珠光体。

考点2：铁碳相图综合
例1：画出Fe-Fe3C相图；
例2：分析碳含量w C=1.1%的铁碳合金从液相平衡凝固到室温时的转变过程，画出组织转变示意图，并计算出室温时各组织的相对含量。

例3：根据如图所示的铁碳平衡相图，回答以下问题：（1）写出在1495℃、1154℃、1148℃、738℃和727℃发生的三相平衡反应的反应式；（2）画出含碳量w C=1.2%的过共析钢在室温下的平衡组织，并计算二次渗碳体的百分数；（3）含碳量w C=3.5%的亚共晶白口铸铁在从液相平衡冷却到室温时会发生什么三相平衡反应和两相平衡反应（可用热分析曲线表示）？室温下该成分的铸铁中有没有二次渗碳体？如有的话，计算其百分数。

例4：如图所示为铁碳相图和一个含3.5%C的铁碳合金缓冷凝固组织。

说明或示意画出此合金由液相缓冷到共析温度以下的组织变化过程，并说明图（b）的最终组织；计算图（b）中箭头所指的树枝状组织的重量百分量；再分别计算共析转变后合金中铁素体和全部的珠光体组织重量百分量（Fe3C 含6.69%C）。

例4：如图（a）所示为铁碳相图，图（b）、（c）、（d）分别为三个不同成分（设为0.45%C、3.4%C、4.7%C）的铁碳合金缓冷凝固组织（包括随后的固态相变、硝酸酒精浸蚀）。

说明它们各是哪个成分
的合金，为什么？
（2）分析图（d）组织的凝固过程，并计算该合金中白色长条状组织的重量相对量（Fe3C含6.69%C）。

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，液相并没有全部结晶，所以在AEC区域中的成分就是奥氏体—液相。

很有意思的如果碳含量达不到析出渗碳体的碳含量要求的话，液相是不会析出渗碳体，那么从图中可以看出，要从液相中析出渗碳体的的碳含量要求是必须大于或等于3.4%，即为图中的点C，而这个点也有意义的，它就是共晶点。