材 料 的 凝 固
第三章
金属材料及热处理
第三章 材料的凝固
凝固组织与其控制
纯金属的结晶
合金的结晶
铁碳合金相图
基本概念
凝固与结晶
凝 固：指物质从液态经冷却转变为固态的过程；
凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体
结 晶：通过凝固形成晶体物质的过程
金属的凝固过程
玻璃的凝固过程
结晶过程
非晶体凝固过程
金属从液态过渡为固体晶态的转变一次结晶
金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的
过程
二次结晶
性能发生突变
逐渐变化
影响凝固状态的因素
1. 熔融液体的粘度
粘度表征液体
中发生相对运
动的阻力
粘度越大，表
示液体越粘稠
液体层间的内摩擦力
越大，相对运动也越
困难
原子无法迁移排成晶体形成无规则的原子排列
金属材料熔体的粘度值极小，熔点附近原子的迁移能
力极强，绝大多数能凝固为晶体。
2. 熔融液体的冷却速度
冷却速度越大
阻止金属材料
中原子的迁移
非晶态的金属材料
第一节 纯金属的结晶
三、 同素异构转变
二、纯金属的结晶过程
一、 结晶的热力学条件
一、 结晶的热力学条件
热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统
自由能降低的方向进行
液 态
固 态
T0
温度升高 自由能下降
同一物质的液体和晶体在不同
温度下自由能的变化
T0 理论结晶温度
低于T0
高于T0
物质处于晶体状态稳定
物质处于液体稳定
液 态
固 态
T0
液体与晶体的
自由能-温度曲线
纯金属的冷却曲线
T0
冷却曲线：测定液体金属冷却时温度和时间的变化关
系作出的曲线
纯金属的冷却曲线
T0
理论结晶温度（熔点）
结晶时的过冷现象
金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象
实际结晶温度
T
T
T0
过冷度△T T0－ T
注：对于某种金属来说，过冷度不
是恒定值，它的大小与冷却速度有
关，冷却速度越大，过冷度也越大，
则金属的实际结晶温度越低。
由于在结晶
时释放出结
晶潜热
过冷是结晶
的必要条件
结晶的结构条件
形成晶核
固态金属 原子作长程有序规则排列
金属结晶的实质:由短程有序的排列的
液态金属转变成具有长程有序排列的固
态金属
在一定条件下短程有序排列的
原子团有可能成为结晶的核心
液态金属冷却到T0以下 经过一段时间
晶核
固态金属原子排列
液态金属原子排列
孕育
期
液态金属 原子作短程有序规则排列
二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程
结晶过程
晶核不断形成
晶核不断长大
液体冷却到
T0温度以下
出现新的晶核
液 体
经过一段时间
(称为孕育期)
晶 核
各个方向生长
不断生核
不断长大
液体完全消失
一些尺寸极小、
原子规则排列
的小晶体
1. 结晶的基本过程
晶 体
每一个晶核 一个小晶粒 多晶体结构
11）晶核的形成方式）晶核的形成方式
晶核的形晶核的形
成方式成方式
自发成核
非自发成核
2. 结晶后晶粒的大小
晶核可以由近程有序结构液体中
规则排列的原子团形成
由液体中的固态杂质微粒作晶核
注：在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时
存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍
2) 2) 晶核的长大方式晶核的长大方式
晶核的长大方式
树枝状长大
均匀长大
主要方式
过冷度很小时
实际金属结晶
时冷却速度较
大
晶核树枝状长大示意图
33）晶粒大小）晶粒大小
表示晶粒大小的一种尺寸 晶粒度
晶粒就是由一个晶核长大的晶体
晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或
以晶粒的平均直径来表示
标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。
钢的晶粒度示意图（100 X
）
2级1级
8级7级6级5级
4级3级
3.晶粒大小对材料性能的影响
晶粒越细，常温下的力学性能越好
晶粒直径晶粒直径 抗拉强度抗拉强度 屈服强度屈服强度 伸长率伸长率
180MPa180MPa 38MPa38MPa %%
278MPa278MPa 116MPa116MPa 50%50%
对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为
在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的
阻力大为减弱而致
多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能
决定晶粒度的因素
晶粒的大小
长大的速度
形核率
单位时间单位体积内形成晶核的数目形核率（N）
晶核的长大速度（G） 单位时间晶体生长的线长度
形核率与长大速度的比值N/G越大 晶粒越细
晶粒度-N,G-过冷度关系曲线
控制晶粒尺寸的方法
1. 控制过冷度
过冷度增大 N／G值增加
晶粒细小
降低浇铸温度
因此小型和薄壁铸件比
大型铸件组织细
增大冷却速度
增加过冷度
2. 变质处理 （孕育处理）
在液态金属中加入能
成为外生核的物质
促进形核 细化晶粒
变质剂（孕育剂)
注：不是加入任何物质都能起变质作用的，不同的
金属液体要加入不同的物质
铸造工业中利用此法，可生产出高强度的孕育铸铁
提高形
核率
3. 振动、搅拌等方法
在结晶时，采用机械振
动、超声波处理等方法
能促进形核
打碎正在生长的树状晶
新的晶核晶粒细化 碎晶块
由于外部
输入了能
量
三、 同素异构转变
同素异构转变: 物质在固态下其晶格类型随温度的变化
而发生转变的现象
同素异晶体: 同素异构转变所得到的不同晶格的晶体
同素异构转变同样也要遵循形核、长大的规律，但它是一
个固态下的相变过程，即为固态相变
在金属中，锡、铁、锰、钴、钛等都存
在着同素异构转变
1. 基本概念
温
度
℃
时间
1538℃
1394℃
912℃
-Fe
γ-Fe
α-Fe
纯铁的同素异构转变
2. 铁的同素异构转变
液态铁结晶后是
体心立方晶格
-Fe
在1394℃以下转变
成面心立方晶格
γ-Fe
冷却至912℃时又转
变成体心立方晶格
α-Fe-Fe γ-Fe
α-Fe
1394℃ 912℃
正是纯铁具有这种同素异晶转变，
因而才能对钢和铸铁进行各种热处
理，以改变其组织和性能
3. 固态转变的特点
固态转变又称为二次结晶或重结晶，它有与结晶不同的特点：
1、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，
如晶界、晶内缺陷等
2、由于固态下扩散困难，因而固态转变的过冷倾向大
固态相变组织通常要比结晶组织细
3、固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大
的内应力，使材料发生变形或开裂
第二节 合金的结晶
2. 二元相图的基本类型与分析
1. 二元相图的建立
基本知识
合金的结晶特点：
1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温
度范围内完成，而纯金属在恒温下完成；
2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化
学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。
合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成
的一系列不同成分的合金的总称
合 金：是两种或两种以上的金属元素，或金属元素与
非金属元素组成的具有金属特性的物质
组元：组成合金的最简单、最基本且能独立存在的物质；
在大多数的情况下就是组成元素。按所含组元的数目，合
金分为二元合金、三元合金及多元合金
相：是指合金中化学成分、晶体结构和原子聚集状态皆相同，
并以界面互相分开的各均匀组成部分
组织：指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含
合金中不同形状、大小、数量和分布的相，又称显微组织。
相 图：反映在平衡条件下各成分合金的结晶过程以及
相和组织存在范围与变化规律的简明示意图
状态图：相图可以反映材料在不同条件下的状态
平衡图：相图是通过材料在极其缓冷的条件下所测得
的试验数据建立的，反映各相平衡状态的关系
相 图
状态图
平衡图
缓慢冷
却条件
下
1. 二元相图的建立
Cu—Ni二元合金系为例，说
明二元相图的建立过程
1）配制出不
同成分的合金
测出它们的
冷却曲线
找出各曲线
上的临界点
温
度
℃
时间
100%Cu
20%Ni
80%Ni
60%Ni
40%Ni
100%Ni
Cu-Ni合金的冷却曲线
结晶的开始
温度和终了
温度
2）在温度-成分坐标
系中过合金成分
点作成分垂线
将临界点标在成分线上
将成分垂线上相同意义
的点连接起来，标上相
应的数字和字母
Cu-Ni合金的二元相图
温
度
时间
L
α
Cu Ni20% 80%60%40%
Ni%
100%Cu
20%Ni
80%Ni
60%Ni
40%Ni
100%Ni
Cu-Ni合金的冷却曲线
Cu-Ni合金相图
液相线：结
晶开始点的
连线
固相线：结
晶终了点的
连线
在温度-成分坐标
系中过合金成分
点作成分垂线
将临界点标
在成分线上
将成分垂线上相同意义的点连接
起来，标上相应的数字和字母
L+α
温
度
2. 二元相图的基本类型与分析
相图与合金性能之间的关系
二元匀晶相图
二元共晶相图
二元包晶相图
形成稳定化合物的二元合晶相图
具有共析反应的二元合晶相图
二元相图的分析步骤
二
元
相
图
的
基
本
类
型
二元匀晶相图
定 义：两组元在液态和固态下均无限互溶，且只发生
匀晶反应的相图
匀晶反应：从液相中直接结晶出固溶体的反应
二元匀晶相图是最简单的二元相图，Cu-Ni;Cu-Au;Au-
Ag;W-Mo等合金都具有这类相图
L
α
A
B
Cu NiNi%
Cu-Ni合金相图
液相线
固相线
液相区
固相区
L+α
两相区
铜的熔点
镍的熔点
1）相图分析
L
αA
B
Cu NiNi%
Cu-Ni合金相图 合金平衡结晶过程
α
α
L
L
L
L
α
α
时间
L+α
Ⅰ
t1
t2
t3
t4
温
度
l1
l2
l
3
α1
α4
α3
α2
l
4
2）合金的结晶过程
温
度
分 析
1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两
相的成分变化线
2.匀晶转变是变温转变，在结晶过程中，液、固
两相的成分随温度而变化
3）杠杆定律
确定两平衡相的成分
L
α
A
B
Cu Ni
Ni%
L+α
t1
x1 x x2
a
b
o
确定两平衡相的相对
重量
L
α
A
B
Cu Ni
Ni%
L+α
x1 x x2
t1
a
b
o
确定两平衡相的成分
设合金成分为x
过x作成分垂线
在垂线上相当于t1的
点做水平线
其与液、固相线的交点a，b
所对应的成分x1、 x2分别为
液相、固相的成分
L
α
A
B
Cu Ni
Ni%
L+α
x1 x x2
t1
a
b
o
确定两平衡相的相对重量
设成分为x的合金的重量为1
固相相对重量为Qα，
其成分为x2，则：
液相的相对重量为QL，
其成分为x1
QL+Qα =1
QL* x1 + Qα* x2 =x
确定两平衡相的相对重量
QL+Qα =1
QL * x1 + Qα * x2 =x
QL=
Qα=
x2- x
x2- x1
x- x1
x2- x1
L
α
A
B
Cu Ni
Ni%
L+α
x1 x x2
t1
a
b
o
QL=
Qα=
QL Qα
注：杠杆定律只适用于两相区
支点是
合金的
成分
端点是所求
两平衡相的
成分
4）枝晶偏析 也称晶内偏析
在一个晶粒中，造成先结晶晶轴(枝干)的成分和后
结晶晶轴(分枝)成分的差异
定 义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀
的现象
成 因：
实际冷却速度较快
致使扩散过程落后于结晶过程
影响
因素
冷却速度
给定成分合金的液相线
与固相线的垂直距离
距离越大
偏析相对越严重
速度越大
偏析相对越严重
对合金性
能的影响
加工性能
力学性能
耐腐蚀性能
解决方法
将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间
保温来消除枝晶偏析，称为扩散退火
可使原子充
分扩散，使
成分均匀
二元共晶相图
定义：组成二元合金的两组元，在液态能无限互
溶，但在固态只能有限互溶且发生共晶反应
时，其所构成的相图
Pb-Sb，A1-Si，Pb-Sn，Ag-Cu等
二元合金均为这类的相图
1）相图分析
AEB
液相线
固相线
ACEDB
A点
Pb的熔点
Sn的熔点
B点
相图中的点和线
Pb Sn10 9080706050403020
A
G
B
C D
E
F
L
L+α
α
α+β
L+β
327℃
温
度
℃
Sn%
β
CF线
Sn在Pb中的溶解度曲线
DG线
Pb在Sn中的溶解度曲线
E点
共晶点
CED线
共晶线
Pb Sn10 9080706050403020
A
G
B
C D
E
F
L
L+α
α
α+β
L+β
327℃
温
度
℃
Sn%
β
1）相图分析 相图中的相区
液相区 液相线以上 合金全部处于液相L
相区
相是Sn溶于Pb中的固溶体
相是Pb溶于Sn中的固溶体
两相
共存
区
单相区 相区
固相区
L+
L+
+
位于每两个单相区之间
1）相图分析 共晶反应
水平线CED 共晶反应线
浓度为E的L相同时结晶出浓度为C的α相和浓度为D的β相
共晶体
在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两
个成分和结构都不相同的新固相的转变过程
共晶反应
共晶反应的产物，即两相的机械混合物
共晶温度 发生共晶反应的温度
共晶合金
LE αc βD+
183℃
(183℃)
具有共晶成分的合金
共晶反应是
在恒温下进
行的
共晶体
共晶反应共晶温度共晶合金液体
冷 却
注: 发生共晶反应时， L、α、β三个相平衡共
存，它们的成分固定，但各自的重量在不断变化
水平线CED是一个三相区
2）典型合金的结晶过程
含Sn量小于C点成分合金的结晶过程（以合金Ⅰ为例）
L
L
α
α
L
βⅡβⅡ
α αα
α
1
2
3
4
温
度
时间
合金Ⅰ
冷却1点 开始结晶
出α相
1点到2点
匀晶反应
单相α固溶体
2点到3点
固溶体冷却
组织无变化
3点以下
α固溶体被
Sn过饱和
出现βⅡ
α + βⅡ
二次相 从已有固相中析出的新固相，记作βⅡ
冷却过程中两固相的重量变化
α相 β相沿CF线变化 沿DG线变化
室温下的βⅡ相对重量
Q βⅡ=
F4
FG
×100%
α + βⅡ
合金Ⅰ室温下的组织
成分大于D点合金的结晶过程与合金相似，其室温组
织为β+αⅡ
二次析出 形成二次相的过程
共晶合金的结晶过程（以合金Ⅱ为例）
LE αc βD+
183℃
该合金冷却到E点 共晶反应
温度继续下降
共晶反应结束
α相
β相
沿CF线变化
沿DG线变化
βⅡ
αⅡ
析出
析出
合金Ⅱ室温下的组织 α+β
二次相不
易分辨
L
α+β α+β
α+β
L
L
α+β
1
2
1’
共晶反应刚结束时两相的相对重量百分比
Qα=
ED
CD
×100
%
Q βⅡ=100%- Qα=%
=
×100
%
=%
亚共晶合金的结晶过程（以合金Ⅲ为例）
L
L
α L
(α+β) α
βⅡ
L
α
L
温
度
时间
3
1
2
2’
(α+β)
α
βⅡ
(α+β)
α
合金液体 匀晶转变
一次α相
一次α的成分沿AC线变化到C点
液相的成分沿AE线变化到E点
βⅡ
析出
LE αc βD+
183℃
L
L
α L
(α+β) α
βⅡ
L
α
L
温
度
时间
3
1
2
2’
(α+β)
α
βⅡ
(α+β)
α
[匀晶反应＋共晶
反应＋二次析出]
合金Ⅲ室温下的组织
βⅡα + (α+β) +
亚共晶合金的结晶过程
过共晶合金的结晶过程（以合金Ⅳ为例）
结晶过程与亚共晶合金相似
不同的是
二次相α
合金Ⅳ室温下的组织 β (α+β) αⅡ+ +
一次相β
3）组织组成物在相图上的标注
组织组成物 组成合金显微组织的独立成分
相与相的差别主要在结构和成分上
组织组成物之间的差别主要在形态上
组织和相
的区别
二元包晶相图
定义：当两组元在液态时无限互溶，在固态时
形成有限固溶体而且发生包晶反应时，其
所构成的相图
常用的Fe-C，Cu-Zn，Cu-Sn等合金相图中，均
包括这种类型的相图
二元包晶相图
1）相图分析
三个局部的匀晶相图
一条水平线组成
2）包晶反应
定义：包晶水平线上发生的反应是由一种液相和一种固
相相互作用生成另一种固相的转变过程
LB ＋ δH γJ
成分为
B(％
C)的液相
LB
成分为
H(％C)
的初晶δH
成分为
J(％
C)的γJ固
溶体
2）包晶反应 具体过程
γ
L
δ δ
γ
L
反应产物γ形核、成长
新相γ
对内不断“吃掉” δ相，向内扩张
直到液相和固相任一方或
双方消耗完了为止，反应
才告结束
由于是一相包着另一相进行反应，故称为包晶反应
液相L
固相δ
交界面上
形成一层相外壳
三相共存
对外不断消耗液相，向液内长大
3）典型合金的结晶过程
合金Ⅰ在温度缓
冷到2点时，反应
前的液相L和固
相δ数量比为：
反应后两相全部耗尽，
形成单一的新相γ
[匀晶反应＋包晶反应]
L/δ= HJ/JB
结晶过程
温
度
℃
结晶过程：
合金Ⅱ在温度缓冷到2
点时，反应前的液相L
和固相δ数量比为：
L / δ= H2 / 2B
参加包晶反应的相量过剩，
所以反应后形成δ+γ两相
进入HNJ匀晶区，随温度的
下降，3点以下形成单相γ
[匀晶反应＋包晶反应+匀晶反应]
结晶过程：
合金Ⅲ在温度缓冷到2
点时，反应前的液相L
和固相δ数量比为：
L /δ= H2 / 2B
参加包晶反应的L相量过剩，
所以反应后形成L+γ两相
进入JBCE匀晶区，随温度的
下降，3点以下形成单相γ
[匀晶反应＋包晶反应+匀晶反应
]
具有共析反应的二元合金相图
水平线上的共析反应，自固
相中同时析出β1和β2 两种新
相，即
c
β1d β2e+
水平线dce称为共析线
反应产物称为共析体
共析反应：在一定温度下，
由一定成分的固相同时析出
两个成分和结构完全不同的
新固相的反应
共析反应是在固态下进行的
反应中的原子扩散比较困难
易于达到较大的过冷度
生核率高
与共晶组织相比，共
析组织要细得多
共析反应的特点
二元相图的分析步骤
1. 先分清图中包括哪些基本类型的相图
2. 相区的确定
两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两
相区的相由两个相邻单相区的相组成
相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1
单相区的确定
相图中液相线以上为液相区
相图中每一条水平线必定与3个单相区接触
三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三
个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成
常见三相等温水平线上的反应
3.分析典型合金的结晶过程
做出典型合金冷却曲线示意图，二元合金冷却曲线的特
征是
在单相区和两相区冷却曲线为一斜线；
由一个相区过渡到另一个相区时，冷却曲线上出现拐点,发
生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶
分析合金结晶过程
画出组织转变示意图
计算各相、各组织组成物相对重量比：在单相区，合金由单相组
成，相的成分、重量即合金的成分、重量；在两相区，两相的成分
随温度下降沿各自的相线变化，各相、各组成物的相对重量可由杠
杆定律；在三相区，三个相的成分固定，相对重量不断变化，杠杆
定律不适用。
相图与合金性能之间的关系
1.相图与合金力学性能、物理性能之间的关系
组织为机械混合物的合金，其
性能与合金成分呈直线关系
组织为固溶体的
合金，随溶质元
素含量的增加，
合金的强度和硬
度也增加，产生
固溶强化，如果
是无限互溶的合
金，则在溶质含
量为50%附近强度
和硬度最高，性
能与合金成分之
间呈曲线关系
2.相图与铸造性能之间的关系
单相固溶体的合金，
浇铸时合金流动性差
浇铸时不能充满铸型
凝固后形成许多分散的缩孔
此类合金不宜
制作铸件
共晶成分的合金或接
近共晶成分的合金，
流动性好
不易产生分散
的缩孔
在凝固的过程中出现的集中缩孔的现象
采取设置冒口的方法，并控制这种缩孔于
冒口处，待铸件成型后，再将冒口切除
此类合金的塑性较好，具有良好的压力
加工性能
第三节 铁碳合金相图
铁碳合金相图的分析
铁碳合金的组元和相
典型铁碳合金的平衡结晶过程
含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
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%～%的铁碳合金
铸 铁:含碳量大于%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（%）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Fe-Fe3C
铁碳合金的组元和相
1.纯铁
纯铁指的是室温下的-Fe
注：纯铁的同素异构转变是一
个相变过程，有着很重要的实
际意义，正是因为有了这种转
变，才有可能使钢铁通过热处
理及合金化的途径实现组织性
能的多种变化
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
石墨具有简单的六方晶格
碳在铁碳合金中的存在形式有三种
C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体
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
石墨耐高温，可导电，
有一定的润滑性，但
其强度、硬度、塑性
和韧性极低
C溶于Fe的不同晶格
中形成固溶体
铁素体
C溶于-Fe中所形成的间
隙固溶体，体心立方晶格
符号“F”或“”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
奥氏体
C溶于γ-Fe中所形成的间
隙固溶体，面心立方晶格
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 具有复杂的晶体结构
渗碳体的含碳量为％
渗碳体以“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-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
包晶相图
由三个相图组成
共析相图
共晶相图
五个基本相：五个
单相区
液相L
高温铁素体 δ
铁素体
奥氏体 γ
渗碳体 Fe3C
相图的分析相图的分析
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
+δ←→γ
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 ←→γ + Fe3C
莱氏体组织特征为蜂窝
状，性能硬而脆
三条水平线
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
γ ←→F + Fe3C
共析线又称为A1线
珠光体的组织特点是两
相呈片层相间分布
图中的特性点
A点：纯铁的熔点
C点：共晶点
D点: Fe3C的熔点
G点：
J点：包晶点
N点：
S点：共析点
E点： -Fe中的最大溶碳量
-Fe-Fe的同素异构转变点
-Fe -Fe的同素异构转变点
图中的特性线
ABCD－液相线
AHJECF－固相线
GS、GP为 固溶
体转变线
HN、JN为 固溶体
转变线
GS线又称为A3线
JN线又称为A4线
六条重要的固态转变线
六条重要的固态转变线
二次渗碳体通常沿奥氏体
晶界呈网状分布
随着温度下降，C的溶解
度下降
当含碳量超过%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
ES线为碳在 -Fe中的固溶线
PQ线为碳在-Fe中的
固溶线
标记为Fe3CⅢ
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
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
注：各种不同的渗碳
体分属于不同的组织
组成物，区别在于形
态和分布不同。但属
于同一个相
典型铁碳合金相图的结晶过程
一、铁碳合金的分类
1. 工业纯铁（<%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（%%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
(1) 亚共析钢（%%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
(2) 共析钢（%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
(3) 过共析钢（%C-- %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（ % -- %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
具有较低的熔点，流动性好，便于铸造成形
含有一定数量的莱氏体，硬度高、脆性大，故不能承受锻
造、轧制等压力加工，也不宜切削加工
特
点
分
类
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
4、灰铸铁（ % C）
指室温下的平衡组织具有铁素体、珠光体，或是两者皆有的基体，且基
体上分布着不同形态石墨的铁碳合金，其断口呈暗灰色，
冷却至室
温的莱氏
体
二、纯铁、钢、白口铸铁的平衡结晶过程
γ
Fe3CⅢ
δ
γ
L
δ
Fe
A
B
G
P
H J
N
Q
7
1
2
3
4
5
6
①
（1）纯铁的平衡结晶过程
7
1
2
3
4
5
6
L
δ
γ
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
γ
Fe3CⅢ
δ
γ
L
δ
Fe
A
B
G
P
H J
N
Q
7
1
2
3
4
5
6
①
7
1
2
3
4
5
6
L
δ
γ
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
室温组织 F十Fe3CⅢ
工业纯铁的显微组织
γ
L
Fe
A
B
E
G
P S
H J
N
Q
（）
1
2
3
②
3’
1
2
3
γ
L
γ
P
P
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
γ ←→F + Fe3C
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
（2）共析钢的平衡结晶过程
γ
L
3’
1
2
3
γ
L
γ
P
P
共析钢结晶过程的基本反应
匀晶反应十共析反应
室温组织
100%的珠光体P
共析钢的显微组织(400×)
珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织。
白色的F基体上分布着黑色条纹状的Fe3C，
呈黑白相间的层状形貌
P
γ
γ
L
δ
Fe
A
B
G
P
H J
N
Q
1
2
3
4
5
③
1
2
2′
3
4
5
5′
γ
γ
L
γ
P
1—2点 匀晶反应形成δ铁素体
2—2′点 发生包晶反应
+δ←→γ
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
γ ←→F + Fe3C
5′点以后
从铁素体中析出少量
的三次渗碳体
（3）亚共析钢的平衡结晶过程
L
L
δ
P
γ
γ
L
δ
L
δ
1
2
2’
3
4
5
5’
γ
L
γ
L
γ
P
亚共析钢结晶过程的基本反应
匀晶反应+包晶反应+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P
亚共析钢的显微组织(400×)
白色组织为铁素
体，黑色组织为
珠光体
P
Fe3CⅡ
γ
P Fe3CⅡ
γ
Fe3CⅡ
Fe
A
B
E
G
P S
H J
N
Q
（）
（）
1
2
3
4
④
4’
1
2
3
4
L
L
γ
γ
1—3点
匀晶反应形成奥氏体
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
γ ←→F + Fe3C
4点以后
二次渗碳体不再变
化，珠光体的变化
同共析钢
（4）过共析钢的平衡结晶过程
P
Fe3CⅡ
γ
P
Fe3CⅡ
γ
Fe3CⅡ
4’
1
2
3
4
L
L
γ
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
室温的组织 珠光体P+ 网状二次渗碳体Fe3C
过共析钢的显微组织(400×)
白色或黑色的Fe3C
呈细网状分布在层
片状的P周围
（5）共晶白口铸铁的平衡结晶过程
2’
1 1’
2
L
Le
L
Le
Fe3C
γ
Fe3C
P
γ
P
Le′
Fe3C
1—1′点 发生共晶反应
L ←→γ + 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
（）
B
C
D
E F
S K
Fe3C
1148℃
（） （）
1
2
⑤
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。
2’
1 1′
2
L
Le
L
Le
Fe3C
γ
Fe3C
P
γ
P
Le’
Fe3C
共晶白口铸铁的室温组织
Le′（珠光体+共晶渗碳体）
共晶白口铸铁的显微组织
共晶反应十二次析出反应+共析反应
共晶白口铸铁结晶过程
珠光体呈黑色的斑
点状或条块状，渗
碳体呈白色
γ
P
Fe3CⅡ
Fe3C
L
γ
CE
S
1148℃
（） （）
1
2
3
⑥
3’
1
2 2′
3
L
Le
γ
Fe3CⅡ
Le’
P
Fe3CⅡ
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
（6）亚共晶白口铸铁的平衡结晶过程
γ
P
Fe3CⅡ
Fe3C
L
γ
3’
1
2 2’
3
L
Le
γ
Fe3CⅡ
Le’
P
Fe3CⅡ
亚共晶白口铸铁的室温组织
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
P+ Fe3CⅡ + Le’(P+ Fe3C + Fe3CⅡ )
亚共晶白口铸铁的显微组织
黑色粗块为珠光体，白色为二次渗碳体，其余为低温莱氏体
γ
Fe3C
P
Fe3CⅠFe3CⅠ
L
L
Le
Fe3CⅠ
CE
S
（）
1
2
3
⑦
3’
1
2
3
2’
L
Le
Fe3CⅠ
Fe3CⅠ
Le’
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
（7）过共晶白口铸铁的平衡结晶过程
γ
Fe3C
P
Fe3CⅠ
L
Le
Fe3CⅠ
3’
1
2
3
2’
过共晶白口铸铁结晶过程
L
Le
Fe3CⅠ
Fe3CⅠ
Le’
匀晶反应+共晶反应十二次析出反应+共析反应
室温组织
Fe3CⅠ和Le’(P+ Fe3C+ Fe3CⅡ）
粗大的白色条片
为一次渗碳体，
其余的为低温莱
氏体
过共晶白口铸铁的显微组织（400×）
（8）组织组成物在铁碳合金相图上的标注
铁碳合金相图的分析
1.含碳量对铁碳合金室温平衡组织的影响
随着合金中室温组织的变化，其组织组成物及相组
成物的相对量皆发生变化，如下图所示
2.含碳量对力学性能影响
渗碳体硬而脆
铁素体强度、硬度低，塑性好
基本相
的性能
亚共析钢
钢的强度、硬度升高，塑性和韧性下降含碳量增加 珠光体增加
含碳量为%时，组织为100%的珠光体
共析钢
过共析钢
含碳量增加
二次渗碳体在奥氏体
晶界上形成网状
强度下降，硬度直线上升
白口铸铁
合金太脆 很少使用组织中出现以渗碳体为基的莱氏体
HBS
αk
ψ
σb
δ
珠光体的性能介于
两者之间，既有较
高的硬度和强度和
良好的塑性
3.含碳量对工艺性能的影响
切削加工性
含碳量过低
含碳量过高
不易断屑 难以得到好的加工质量
对刀具磨损严重 不利于切削硬度太大
中碳钢的切削加工性能比较好
可锻性 低碳钢比高碳钢为好
奥氏体塑性好、强度低，易于塑性变形，热压力加工都加热到奥氏体相区
铸造性 靠近共晶成分的合金铸造性能好
焊接性能
钢的塑性越好，焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢易于焊接
碳对铁碳合金力学性能和工艺性能的影响，实际上反映了铁碳
合金相图与各项性能的关系。因此运用其相图就可根据工件的
具体条件进行合理选材和制定有关热加工的某些工艺。
作 业（）
1.已知银的原子半径为，求其晶格常数
2.已知α-Fe的晶格常数为，试计算晶体中
(110)，（111）的晶面间距
3.何谓合金的组织组成物及相组成物？指出WSn=30%
的Pb-Sn合金在183℃下全部结晶完毕后的组织组成物
及相组成物，并利用杠杆定律计算它们的质量百分数
