第二章碳钢第3节Fe-Fe3C相图第1讲相图的基本概念1.相图的概念表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或者组织与温度、成分间关系的图形
，又称状态图或平衡图。2.相图的分类二元相图（两个组元配成的合金体系）三元相图（三个组元配成的合金体系）3. 二元相图的建立方
法 实验方法——热分析法、金相分析法等计算方法依据相变发生时物理参量发生突变热分析法合金在凝固时要释放出结晶潜热，因而导致
它的冷却曲线在相变时会发生变化，利用这个我们来确定相变点。用热分析法测定Cu-Ni相图用热分析法测定Cu-Ni相图4.
杠杆定律匀晶转变——直接从液相中结晶出固溶体的转变合金总质量1t℃时，液相的质量 ML固相的质量 Mα1? ML ?
M?1x? MLxLM?x?杠杆定理证明ML x? ?xM? x?xLx? ?xL?100%?10
0%??MOMOx? ?xL应用条件：平衡两相区rrML/Mα=rb/ra杠杆定律的力学比喻第二章碳钢第3节Fe-Fe
3C相图第2讲常见的Fe-Fe3C相图Fe-Fe3C相图纵坐标:温度横坐标:含碳量Fe-Fe3C相图碳在铁中有两种存在方式：
固溶体→铁素体（图中α相，δ相）、奥氏体（图中γ相）化合物→渗碳体（图中Fe3C相）、硬而脆根据Fe-Fe3C相图对
铁碳合金的分类2.116.69铸铁工业纯铁(wC<0.0218%)钢(2.11%2.11%)根据Fe-Fe3C相图对铁碳合金的分类钢的分类wC=0.77%→共析钢0.0218%析钢0.77%合金的分类铸铁的分类wC=4.3%→共晶白口铸铁2.11%%→过共晶白口铸铁6.694.3铸铁(2.11%共析钢工业纯铁过共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%)过共析钢铁碳合金性能随含碳量的变化规律随含碳量的增加，材料
的硬度直线上升，但是塑性和韧性都在下降成份——组织——性能学习Fe-Fe3C相图内容提要点(points)线(lines)区
(areas)典型合金的结晶过程分析运用杠杆定律计算材料中相的相对含量和组织组成物的相对含量。Fe-Fe3C相图中的点Fe-Fe
3C相图Fe-Fe3C相图中的点Fe-Fe3C相图中的点-1熔点(Meltingpoint)A纯铁的熔点1538℃D渗碳体
的熔点1227℃Fe-Fe3C相图中的点-2同素异构转变点(Polymorphictransformationpoint)
NN(0,1394) δ-Fe?γ-FeG(0，912)γ-Fe?α-Fe标注说明N (0,1394)
N点的名称0 碳含量1394温度℃Fe-Fe3C相图中的点-3最大溶解度点(themaximumsolubilityo
fcarboniniron)H碳在δ-Fe中的最大溶解度点(0.09,1495)HE碳在γ-Fe中的最大溶解度点(2
.11,1148)P碳在α-Fe中的最大溶解度点(0.0218,727)Q碳在α-Fe中室温时最大溶解度点(0.000
8,室温)Fe-Fe3C相图中的点-4三相共存点(Coexistpointofthreephases)J包晶点(0
.17,1495)液相奥氏体δ相（铁素体）三相共存的点JC共晶点(4.3,1148)液相奥氏体渗碳体三相共存的点S共析
点(0.77,727)铁素体奥氏体渗碳体三相共存的点Fe-Fe3C相图中的点-5其它(Others)B(0.53,
1495)包晶反应时液相的成分点F(6.69,1148)渗碳体相K(6.69,727)渗碳体相Fe-Fe3C相图中的线F
e-Fe3C相图Fe-Fe3C相图中的线-1液相线和固相线LiquidlineandSolidline液相线:ABC
D结晶时液相的成分(分界线)，在其上体系为液相固相线：AHJECF结晶时固相的成分(分界线)，其下为固相Fe-Fe3C
相图中的线-2恒温转变线(Horizontalisothermline)包晶转变共晶转变共析转变Fe-Fe3C相图中的线
-3固溶度线(Solvusline)ES:碳在奥氏体中的最大溶解度随温度的变化曲线(温度?，最大溶解度?）（0.77%—2
.11%）PQ：碳在铁素体中的最大溶解度随温度的变化曲线(温度?，最大溶解度?）(0.0008%—0.0218%)Fe-
Fe3C相图中的线-3固溶度线(Solvusline)二次渗碳体Fe3CII三次渗碳体Fe3CIIIFe-Fe3C相图中的线
-4同素异构转变线NH（开始线）NJ （结束线）δ-铁素体和奥氏体同素异构转变线HNJGS（开始线）GP（结束线）
奥氏体和α-铁素体同素异构转变线Fe-Fe3C相图中的区域1单相区SinglePhaseAreaδ-铁素体液相区奥氏体
α-铁素体Fe-Fe3C相图中的区域-2双相区(two-phaseregions)Fe-Fe3C相图中的区域3三相共存区(
three-phaseregions,coexistpoint)J（包晶点）（δ＋γ＋L）J液相区C（共晶点）（γ＋
L＋Fe3C）奥氏体α-铁素体S（共析点）（γ＋α＋Fe3C）Fe-Fe3C相图中，两相区和单相区的关系两个单相区之间夹着
一个两相区两个相是由相邻单相区的相所组成第二章碳钢第3节Fe-Fe3C相图第3讲铁-渗碳体相图中的典型转变过程分析相图的方
法成分线过所研究合金的成分点作一条垂直于横坐标的直线图中①-⑦就是七个成分线相图中的典型(非恒温)转变1匀晶转变例1由液相直
接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变wc：0～0.53%合金的成分线和AB线相交L?δ:由液相中直接结晶出δ相Fe
-Fe3C相图局部放大图1匀晶转变例2wc：0.53~4.3%合金的成分线和BC线相交L?γ:由液相中直接结晶出γ相
1匀晶转变例3wc：4.3~6.69%合金的成分线和CD线相交L?Fe3C:由液相中直接结晶出Fe3C相渗碳体为粗
大片状组织称为一次渗碳体Fe3CI相图中的典型(非恒温)转变2同素异构转变（多形性转变）δ-铁素体相和奥氏体相之间发生同素异
构转变NH（开始线）NJ （结束线）奥氏体相和α-铁素体相之间发生同素异构转变GS（开始线）GP（结束线）2同素异构转
变合金的成分wc：<0.09%依次发生匀晶相变L→δ同素异构转变δ→γFe-Fe3C相图局部放大图2同素异构转变合金的
成分wc：<0.0218%同素异构转变γ→αFe-Fe3C相图局部放大图相图中的典型(非恒温)转变3析出转变从一个固相中析出
另一个固相的转变随温度降低，碳在铁中的溶解度也会降低碳含量>溶解度? 析出渗碳体3析出转变–例1合金的成分线和ES线相交γ
?Fe3C:由γ析出Fe3C相此种渗碳体称为二次渗碳体Fe3CII3析出转变–例2合金的成分线和PQ线相交α
?Fe3C:由α析出Fe3C相此种渗碳体称为三次渗碳体Fe3CIIIFe-Fe3C相图局部放大图析出温度:二次渗碳
体>三次渗碳体二次渗碳体:多以网络状形式析出在晶界表面，损害材料的强度、塑性和韧性三次渗碳体:以细小的片状形式出现，对材料性
能影响不大相图中的恒温转变恒温转变：指在恒定温度下进行的相转变过程包晶转变 共晶转变 共析转变恒温转变之一 包晶转变包晶转变：由一
定成分的液相和一定成分的固相在一定的温度下生成另一个一定成分新固相地反应wc：0.17%J点合金的成分B冷却时依次发生匀晶相变 L
→δ液相线AB以下时液相线AB→HBδ相的成分→沿固相线AH变化液相成分→沿液相线AB变化Fe-Fe3C相图局部放大图
恒温转变之一 包晶转变包晶转变：由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应包晶转变温度1495℃BJ点（0.1
7，1495）称为包晶点发生包晶转变时，δ相和液相对比例δ相/液相=JB/HJFe-Fe3C相图局部放大图发生包晶转变
的成分范围0.09%<0.53δ相和液相的相对量小于JB/HJ→δ相消耗完，→剩余的液相→γ＋L合金成分位于HJB以内（0.09~0.
53）在包晶转变温度下都会发生包晶转变恒温转变之二 共晶转变共晶转变：由一定成分的液相在恒定温度下同时转变成两个一定成分的固相的
转变ECF线称为共晶转变线C点称为共晶点 (4.3,1148)共晶产物是两相混合物，称为共晶体E点成份共晶产物:A与
渗碳体的机械混合物，称莱氏体Ledeburite (Ld)发生共晶转变的成分范围（2.11先结晶出γ相，这种由液相直接结晶出的γ，称为初生相或者一次相共晶温度（1148℃）时，初生γ的成分达到E点，剩余液相成分达到C
点剩余液相→发生共晶转变→Ld相所有产物→初生γ相+Ld相发生共晶转变的成分范围（4.3冷却时，首先结晶出一次渗碳体共晶温度（1148℃）时，剩余液相成分达到C点→发生共晶转变→Ld相所有产物→一次渗碳体+Ld相恒
温转变之三 共析转变共析转变：指在恒温下由一个固定成分的固相同时生成两个固定成分的新固相的转变P点S点 K点共析产物为铁素体与渗碳
体的机械混合物，称珠光体Pearlite用P表示发生共析转变的成分范围（0.0218都有珠光体第二章碳钢第3节Fe-Fe3C相图第4讲典型铁碳合金结晶过程分析1典型铁碳合金结晶过程分析方法和步骤1. 在相图的
横坐标上找出给定的成分点，过该点作成分线2. 在成分线与相图的各条线的交点上作标记（一般用1、2、3、4等表示）3. 根据每条线
表示的转变，写出每两个点之间或者重要点上发生的转变(由液相分析至室温)4. 分析室温下该成分线所在的相区，组织组成物，以及相对含
量1234A典型铁碳合金的结晶过程分析-1wc＝0.77%的铁碳合金的结晶过程B1HJN2EG3PSQAwc＝0.77%的铁碳合金
的结晶过程分析B1HJ1之上：合金成分为0.77的液相1交点：液相开始发生匀晶转变 L→γ1~2之间：L逐渐减少 γ逐渐增加
2交点：液相全部转变为γ（单相γ，0.77）2~3之间：单相γ，0.77N2E727°γ0.773交点：单相γ，0.77(α0
.0218+Fe3C)G3共析产物为铁素体与渗碳体的机械混合物，称珠光体3点之下：珠光体P中的铁素体α内多余的碳就会以Fe3
C的形式析出三次渗碳体Fe3CIIIFe3CIII含量很少，所以可以忽略不计室温组织：珠光体P室温相：α+Fe3CPSQwc＝
0.77%的铁碳合金结晶过程示意图wc＝0.77%的铁碳合金室温组织P金相照片0.77%钢在室温下平衡组织是由共析转变形成的P构
成，称为：共析钢通过杠杆定律计算室温下各相含量已知：合金的总质量为1，含碳量为0.77%。室温下由α相和Fe3C两相组成，其中α
相中含碳量为0.0008%,Fe3C中含碳量为6.69%.求：合金室温下α相的质量分数Mα和Fe3C质量分数MFe
C3Fe3Cα CA(0.0008)B(6.69)0.776.69?0.77Mα=6.69?0.0008×10
0%α相的质量分数0.77?0.0008Fe3C相的质量分数×100%MFe3C=6.69?0.0008支点是两个相
的平均质量分数（合金的成分点）端点分别是两个相的成分点A1典型铁碳合金的结晶过程分析-2wc＝0.4%的铁碳合金的结晶过程BH2
JN3E4GPS5QA1wc＝0.40%的铁碳合金的结晶过程分析1交点：液相开始发生匀晶转变 L→δ1~2之间：L逐渐减少 δ
逐渐增加2交点：包括两相 L(0.53%)+δ(0.09%)BH2JN31495°δ0.09+L0.53 γ0
.17包晶转变E→液相没有消耗完L(剩余的)+γ(包晶转变产物)2~3之间：L逐渐减少 γ逐渐增加3交点：单
相γ，0.40， 一直延续到4点至上4交点：开始γ→ α， 一直延续到5点至上5交点：存在γ(0.77%)+
α(0.0218%)4GPS5其中的γ发生共析转变γ0.77727°(α0.0218+Fe3C)P(共析转变产物
)+F(5点剩余的α)5点之后： α析出少量三次渗碳体(忽略不计)Qwc＝0.40%的铁碳合金的室温组织室温组织：
珠光体P+铁素体F室温相：：α+Fe3C5以下亚共析钢（40钢）的结晶过程示意图wc＝0.40%的铁碳合金通过杠杆定
律计算室温下各相含量6.69%0.0008%0.40%wc＝0.40%的铁碳合金通过杠杆定律计算室温下各组织含量室温组织：
珠光体P +铁素体F亚共析钢（40钢）的室温组织金相照片727°γ0.77珠光体P(α0.0218+Fe3C)珠光体P
的质量分数=727℃ γ的质量分数wc＝0.40%的铁碳合金通过杠杆定律计算室温下各组织含量727°C下，发生共析转变之前
，体系中的奥氏体(γ)和铁素体相（α）可以用杠杆定律计算γSαpCA(0.0218)B(0.77)0.4室温下：珠光
体的质量分数等价于727°C下奥氏体相质量分数；铁素体相(F）的质量分数等价于727°C下铁素体相的质量分数。0.4?
0.0218 wF=1?wP≈49.5%wP=0.77?0.0218×100%≈50.5%亚共析钢的室温组织
金相照片40钢20钢60钢随着含碳量增加，亮白色的铁素体相逐渐减少，灰色的珠光体相逐渐增加A典型铁碳合金的结晶过程分析-3wc＝
1.2%的铁碳合金的结晶过程B1HJN2E3GPS4QAwc＝1.2%的铁碳合金的结晶过程1交点：液相开始发生匀晶转变 L→γ1
~2之间：L逐渐减少 γ逐渐增加2交点：L全部转变为γ(1.2%)B1HJN22~3之间：单相γ(1.2%)E
33交点：γ开始析出Fe3CII3~4交点：Fe3CII析出量增加，γ逐渐减少4交点：存在γ(0.77%)+Fe
3CII(6.69%)其中的γ发生共析转变P(共析转变产物)+Fe3CII(4点剩余)GPS4Qwc＝1.2%的铁碳合
金的结晶过程室温组织：P+Fe3CⅡ室温相：α+Fe3C4以下过共析钢（T12钢）的结晶过程示意图过共析钢(Ｔ12钢）的室
温组织P+Fe3CⅡa)硝酸酒精浸蚀 b)苦味酸钠浸蚀二次渗碳体是以网络状分布在晶界上会对材料的性能带来不好的影响自学内容
wc＝1.2%的铁碳合金的结晶过程通过杠杆定律计算室温下各相含量室温相：α+Fe3C通过杠杆定律计算室温下各组织含量室温组织：
P+Fe3CⅡ第二章碳钢第3节Fe-Fe3C相图第5讲典型铁碳合金结晶过程分析2第二章碳钢第3节Fe-Fe3C相图第
6讲碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响αFe3CIL′d工业纯铁(C<0.0218%)过共晶白口铸铁(4.3-6.69)L′d
Castironsteel4.30.772.11α共晶白口铸铁(4.3%)亚共晶白口铸铁(2.11-4.3)PP共析钢(0.77
%)亚共析钢(0.0218-0.77)过共析钢(0.77-2.11)L′dFe3CII碳对铁碳合金平衡组织和力学性能的影响1 铁碳
合金按碳的质量分数和平衡组织的分类wC<0.0218%亚共析钢（wC<0.77%）组织：铁素体和少量三次渗碳体组织：铁素体和珠
光体工业纯铁共析钢（wC＝0.77%）过共析钢（wC>0.77%)组织：珠光体组织：珠光体和二次渗碳体钢亚共晶白口铸铁(w
C>2.11%)组织：珠光体＋二次渗碳体＋莱氏体共晶白口铸铁过共晶白口铸铁(wC＝4.3%)(wC>4.3%)组织：莱氏体组
织：一次渗碳体＋莱氏体白口铸铁2 碳对合金平衡组织的影响（Fe3C的形态)F+Fe3CIIIF+PPFe3C位于晶界，细小的薄片Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）含碳量逐渐增加Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）还有一部分P＋Fe3CIIFeC沿晶界分布呈连续网状3Fe3C呈层片状与铁素体片混合（相间）Fe3C作为莱氏体的基体P＋Fe3CII＋L′dFe3C作为莱氏体的基体L′dFe3C为粗大长片状Fe3C作为莱氏体的基体L′d+Fe3CI3 含碳量对力学性能的影响铁素体(F)：软而韧渗碳体(Fe3C):硬而脆（1）含碳量增加，硬度增加（2）含碳量增加，塑性韧性降低（3）含碳量增加，强度先增后降（0.9%最高）4 Fe—Fe3C相图的应用1）为选材提供成分依据。塑性、韧性好：低碳钢（0.1-0.25%C)强度、塑韧性好：中碳钢（0.25-0.6%C)硬度高、耐磨性好：高碳钢（0.6-1.3%C)2）为制定热加工工艺提供依据。(1)制定热处理工艺的依据铸造锻造焊接(2)为制定热加工工艺提供依据，包括铸造、锻造、焊接、热处理） |
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