相图的局限性： 相图是描述体系平衡状态的，不能说明达到平衡过程的动力学，不能 知道转变后的组织，也不能判断体系中可能出现的亚稳相。 由于固态材料往往难达到整体稳定的平衡，实际测得的相图多数都或 多或少地偏离真正平衡，甚至有些相实际上是亚稳相。
2、 铁碳相图简介
铁碳合金相图是研究铁碳合金的 重要工具。它是研究铁碳合金的 化学成分、组织和性能之间关系 的理论基础。
性能介于铁素体和渗碳体之间
，强度较高，硬度适中，有一 定的塑性。
莱氏体（Ledeburite—Ld或Ld'）
莱氏体是由奥氏体和渗 碳体组成的处于热力学平衡 状态的机械混合物。系在
1148℃恒温下发生共晶转变
的产物，平均碳含量为4.3%
。
(3) 固溶碳的作用：固溶强化、缩小α、扩大γ、固溶于γ使C曲线右移、提 高淬透性、降低MS点 固溶强化效果与固溶度有关，碳在奥氏体的固溶度远远大于铁素体。
Fe 转变为面心立方晶格的γ-Fe，通常把
δ-Fe→γ-Fe的转变称为 A4 转变，转变的 平衡临界点称为 A4 点。当温度继续冷却至 912℃时，面心立方晶格的 γ-Fe 又转变为 体心立方晶格的 α -Fe，把 γ -Fe→ αFe 的转变称为A3 转变，转变的平衡临界点 称为 A3 点。912℃以下，铁的晶体结构不
钢铁材料属于铁碳合金。碳素钢、工程铸铁是铁碳合金；低合金钢、合
金钢等实际上是有意加入合金元素的铁碳合金。
在铁碳合金中，铁与碳可以形成Fe3C、Fe2C、FeC等一系列化合物，随 着碳的质量分数增加，合金的性能逐渐变脆，当碳的质量分数大于5%之 后，合金将失去使用价值。所以，在铁碳合金中，一般只研究碳质量分 数5%左右的合金。
的晶体结构。其硬度很高，塑性
和韧性很差，δ、Ak值接近于零 ，脆性很大。图中平直的白色条
状物即为铁碳合金凝固时的一次
渗碳体。
珠光体（Pearlite—P）
珠光体是由铁素体和渗碳 体组成的处于热力学平衡状态 的机械混合物。系奥氏体冷却
时，在727 ℃恒温下发生共析
转变的产物。显微组织为铁素 体与渗碳体片层状交替排列。
content between 0.001% and 2.1% by weight, depending on the grade:
Ultra-low carbon steel:≤0.004％
Extral-low carbon steel:
0.01～0.02％
Mild and low carbon steel: Low carbon steel contains approximately 0.05–
（2）碳和渗碳体
碳的原子序数为 6，原子量为 12.01，原子半径 0.077nm，20℃时的 密度为 2.25g/cm3。自然界中，碳以石墨和金刚石两种形态存在。铁碳合 金中碳不会以金刚石形态存在。石墨的空间点阵属于六方晶系，具有简单 六方晶体结构，六方层中邻近原子间距为 0.142nm，层间距为 0.340nm， 碳原子在六方层中具有很强的共价键，层与层之间则结合较弱，因此石墨 很容易沿着这些层滑动。其硬度很低，只有 3HB-5HB，而塑性几乎接近于 零。铁碳合金中的石墨常用符号 G 或 C 表示。
间的距离为0.335nm。基面间的碳原子靠极
性键即范德瓦尔力结合，结合能为 16.7kJ/mol，这个方向上的强度不到20Mpa 。 所以石墨很容易逐层撕开。
减震
灰口铸铁减振能力为钢的5-10倍
石墨的导热系数是钢的两倍，因此石墨的存在提高了铸铁的导 热性。蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状，具有很好的热疲劳性能
Ferrite (BCC) Austenite (FCC)
再发生变化。因此，铁具有三种同素异晶状
态，即δ-Fe、γ-Fe 和α-Fe。
(a)初生的 δFe 晶粒
(b)重结晶后的 γ-Fe 晶粒
(c)A3 转变后的 α-Fe 晶粒
α-Fe 在 770℃还将发生磁性转变，即由高温的顺磁性状态转变为低温的铁 磁性状态。通常把这种磁性转变称为 A2 转变，把磁性转变温度称为铁的居里 点。在发生磁性转变时，铁的晶格类型不变，所以磁性转变不属于相变。
The compound formed with 6.67 wt% C (25 atomic %). It is very hard (harder than Martensite) and brittle.
根据渗碳体析出的时间，分为不同种类 ，渗碳体作用效果与其形貌、分布和数量 有关。
渗碳体系铁与碳形成的化合 物，碳含量为6.69％，具有复杂
ferrite / ferrite / austenite
Carbon is the most common alloying element for steel
Steel is an alloy that consists mostly of iron and has a carbon
蠕虫状石墨
铁素体
金刚石 最硬材料
石墨 固态润滑剂
碳纳米管 新材料
石墨烯 新材料
2) 碳化物 (carbide)的作用：强化、提高硬度和耐磨性、明显降低塑性和 韧性。
渗碳体 Cementite (Fe3C)是钢中最常见 的碳化物，由一个C原子和三个Fe原子组 成的化合物，其显微硬度为Hv1000~1100 。属正交晶系。
碳在γ奥氏体中最大固溶度为2.11％； 碳在δ铁素体中最大固溶度为0.09％； 碳在α铁素体中最大固溶度为0.0218％，室温下的固溶度0.0008％
碳在钢中作用 (Actions of carbon in steel)
钢铁材料是一种铁碳合金，碳在钢铁材料中起十分重要的作用 ，其作用与存在形式有关。 碳在钢铁中的存在形式有：3种
自由态：石墨(graphic) 化合态：碳化物 (carbide) 固溶态：形成多种固溶体 solid solution
铁碳相图与应用
赵爱民 教授 博导 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心 高效轧制国家工程研究中心 工程技术研究院
汇报提纲
1、相图概述 2、铁碳相图简介 3、Fe-Fe3C 相图的组元
4、Fe-Fe3C 相图分析
5、 铁碳合金的平衡结晶过程分析
1、 相图概述
相图是描述系统的状态、温度、压力及成分之间关系的一种图解，是人们
研究物质相变的过程及产物的有利工具。在生产中，相图可以作为制定金
属材料熔炼、铸造、锻造、轧制和热处理等工艺规程的重要依据。
结晶：一切物质从液态转变为固态的过程称为凝固，凝固后形成晶体，则
称为结晶。金属的结晶是铸锭、铸件及焊接件生产中的重要过程，决定了 工件的组织和性能，并直接影响随后的锻压和热处理等工艺性能及零件的 使用性能。
金属的纯度越高，结晶时的过冷度越大； 冷却速度越大，则金属开始结晶温度越低，过冷度也越大。
L G ΔT S
金属结晶必须在一
定的过冷度下进行，
过冷是金属结晶的必 要条件。
Tn
T0
T
近程有序
远程有序
结构起伏
树枝晶的各次晶轴都具有相同的固定方向，每一个树枝晶都是一个单晶体 。多晶体金属的每一个晶粒一般都是由一个晶核以树枝晶的方式长成的。在枝 晶成长过程中，由于液体的流动、晶轴本身重力的作用及彼此之间的碰撞以及 杂质元素的作用，会使某些晶轴发生偏移或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、
早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫就注意到只有把钢加热到某一温度 铁碳平衡图以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。 1887-1892年奥斯蒙（F.Osmond）等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。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Ar1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，Ar3下降而与Ar2相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与 Ar1合为一点。1904年又发现A4至熔点间为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1900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。
蠕虫状石墨
铁素体
(a)
(b)
(c)
Microstructure for cast irons. Magnification: 100X. (a) Ferritic gray iron with graphite flakes. (b) Ferritic Ductile iron (nodular iron), with graphite in nodular form. (c) Ferritic malleable iron; this cast iron solidified as white cast iron, with the carbon present as cementite, and was heat treated to graphitize the carbon. Source: ASM International.
1—电炉 2—坩埚
3—熔融金属 4—热电偶热端
5—热电偶 6—保护管 7—热电偶冷端 8—检流计
冷却曲线上出现的水平阶段，是液体正在结晶的阶段，这时的温度就 是纯金属的实际结晶温度(T1)。过冷度：
ΔT=T0-T1
式中 T0——理论结晶温度； T1——金属实际结晶温度； Δ T——过冷度。