第二章 合金的结构和相图
2.1 合金中的相结构
2.2 固溶体
2.3 金属化合物及其性能
2.4 二元合金相图的建立
2.5 铁碳合金
? 纯金属在生活和生产中的应用十分广泛。
主要的应用都是利用了纯金属的导电性、
导热性、化学稳定性等性能
? 但由于纯金属种类有限，而且几乎所有的
纯金属的强度、硬度、耐磨性等力学物理
性能都比较差，不能满足人们对材料多样
性的需要
? 通过合金化过程，可以显著地改变金属材
料的结构、组织和性能，从而极大地提高
了金属材料的力学、物理性能，同时其电、
磁、耐蚀性等物理化学性能也得到了保持
或提高。因此，同纯金属相比，合金的应
用更为广泛。
? 由两种或两种以上的金属元素或金属元素
和非金属元素组成的具有金属特性的物质
称为合金
2.1 合金中的相结构
? 合金的结晶与纯金属一样，也是通过形核及长
大来完成的。由于合金中含有两种或两种以上
的元素的原子，使生成的结晶物中往往含有不
只一种组元的晶粒
? 在材料中，凡是化学成分相同、结构相同并与
其他部分以界面分开的均匀组成部分称为 相
? 合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种
相所组成
? 合金中的 组织 是指合金中用肉眼或显微镜所观
察到的材料的微观形貌，也称为显微组织
? 不同的相形成不同的显微组织，不同的显
微组织导致合金不同的性质
? 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属
性来分，可以分为 固溶体和化合物 两大类。
2.1.1 固溶体
1．固溶体的分类
（ 1）置换固溶体
（ 2）间隙固溶体
2．固溶体的性能
? 固态合金中，在一种元素的晶格结构中包
含有其它元素的合金相称为 固溶体
? 前一种元素称为 溶剂元素,后一种元素称
为 溶质元素
? 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体
的浓度
? 在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限
浓度叫做溶质在固溶体中的溶解度
1．固溶体的分类
? (ⅰ ) 置换固溶体 当溶质原子代替了一部分
溶剂原子而占据溶剂晶格的某些结点位置
时，所形成的固溶体称为置换固溶体，如
图 1.2-20所示。
（ ⅱ ）间隙固溶体 若溶质原子分布于溶剂晶
格各结点之间的空隙中，所形成的固溶体称
为间隙固溶体，如图 1.2— 21所示。
? 由于溶剂晶格的空隙有限，通常只有当溶
质原子直径与溶剂原子直径之比小于 0.59时，
才能形成间隙固溶体。因此形成间隙固溶
体的溶质原子都是原子直径较小的非金属
元素，如氢、氧、氮、硼、碳等。如碳钢
中的铁素体和奥氏体就是碳原子溶入 α— Fe
和 γ— Fe中所形成的两种间隙固溶体
2,固溶体的性能
? 由于溶质原子与溶剂原子的半径不同，会
使固溶体的晶格发生畸变，如图 1.2— 22所
示
? 这就使得位错移动阻力增大，表现为固溶
体的强度和硬度升高、塑性和韧性有所下
降
? 通过形成固溶体而使金属强度和硬度增加
的现象称为固溶强化
? 固溶强化是提高合金机械性能的一种重要
途径，在金属材料的生产和研究中得到了
极为广泛的应用
? 对综合力学性能要求较高，即强度、韧性
和塑性之间有较好配合的结构材料，常以
固溶体作为基本相
2.1.2 金属化合物及其性能
? 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成
的一种新固相，其晶格类型和性质完全不同于
原来的任一组元
? 金属化合物的特点是，除有离子键和共价键作
用外，还有一定程度的金属键参与作用，从而
使化合物具有明显的金属特性。金属化合物可
以成为合金的组成相，如碳钢中的渗碳体 Fe3C。
除金属化合物外，合金中还有另一类为非金属
化合物，没有金属键作用，没有金属特性，如
FeS,MnS
1．金属化合物的种类
（ 1）正常价化合物
? 符合一般化合物的原子价规律，成分固定，
并可用确定的化学式表示
? 它通常是由在周期表上相距较远、电化学
性质相差很大的两种元素形成的。如 Mg2Si、
Mg2Sn,Mg2Pb等
? 它们的晶体结构随化学组成不同会发生较
大的变化。
（ 2）电子化合物
? 是由第一族元素、过渡族元素与第二至第
五族元素结合而成
? 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从
电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组
成一定的晶格结构的化合物
? 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之
比
? 如 CuZn化合物，其原子数为 2,Cu的价电子
数为 1,Zn 价电子数为 2，故其电子浓度为
3/2。
? 在电子化合物中，当电子浓度为 3/2(21/14)
时，形成体心立方晶格，称为 β相；当电子
浓度为 21/13时，形成复杂立方晶格，称为 γ
相；当电子浓度为 7/4(21/12)时，形成密排
六方晶粒格，称为 ε相。合金中常见电子化
合物及其结构类型见表 1.2- 3。
（ 3）间隙化合物
? 间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡
族金属元素 (Fe,Cr,Mo,W,V等 )和原子
直径较小的非金属元素 (C,N,B,H等 )所
组成
? 根据晶体结构特点,间隙化合物又可分成
简单结构的间隙化合物和复杂结构的化合
物两类
简单结构的间隙化合
? 当非金属原子半径与金属原子半径之比小
于 0.59时，形成的间隙化合物，具有体心立
方、面心立方等简单晶格，称为间隙化合
物，又称为间隙相
? 具有简单结构的间隙化合物有 VC,WC、
TiC等
? 图 1.2-23是 VC的晶格
示意图。 VC为面心
立方晶格,V原子占
据晶格的正常位
置．而 C原子则规则
地分布在晶格的空隙
之中
具有复杂结构的间隙化合物
? 当非金属原子半径与金属原子半径之比大
于 0.59时，形成的间隙化合物，具有十分复
杂的晶体结构，如 Fe3C,Cr23C5,Cr7 C3、
Fe4W2C等
? 图 1.2-24是 Fe3C的晶格结构，
碳原子构成一个正交晶格 (即
三个轴间夹角 α＝ β＝ γ＝ 90°,
三个晶格常数 a≠b≠c)，在每
个碳原子周围都有六个铁原
子构成八面体，各个八面体
的轴彼此倾斜一角度，每个
八面体内都有一个碳原子，
每个铁原子为两个八面体所
共有。故 Fe3C中 Fe与 C原于
数的比例为：
3
1
3
1
6
2
1
C
Fe ????
2．金属化合物的性能
由于金属化合物一般具有复杂的化合键和晶
格结构，其熔点高，硬而脆。合金中的金
属化合物使合金的强度、硬度和耐磨性提
高，但会降低塑性和韧性。因此，它是碳
钢、合金钢、硬质合金和许多有色合金的
重要强化相。与固溶体适当配合，可以满
足材料所需要的性能要求。如碳钢中的 Fe3C、
工具钢中的 VC、高速钢中的 W2C、硬质合
金中的 WC和 TiC等，提高了材料的强度、
硬度、耐磨性和热硬性等。
2.1.3 二元合金相图的建立
? 合金结晶后得到何种组织与合金的成分、结晶
过程等因素有关
? 不同成分的合金，在不同的温度条件下，得到
的合金组织不同。可以是单相的固溶体或化合
物，也可以是由几种不同的固溶体或由固溶体
和化合物组成的多相组织
? 与纯金属的结晶相比，合金的结晶有如下特点：
一是合金的结晶在很多情况下是在一个温度范
围内完成的；另一个特点是合金的结晶不仅会
发生晶体结构的变化，还会伴有成分的变化。
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
? 组元,组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称
为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解
也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
? 合金系,由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系
列不同成分的合金，称为合金系。
? 相图,表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温
度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指
合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质
量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却
过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是
接近了相平衡条件。
? 利用相图可以表示不同成分的合金、在不
同温度下，由哪些相组成、相的成分和相
的相对量如何，以及合金在加热或冷却过
程中可能发生的转变等
? 目前使用的相图几乎都是通过实验测定的。
实验的方法很多，有热分析法、膨胀法,X
射线结构分析法等
测定二元合金相图的步骤：
以铜镍合金为例,
? （ 1）配制几组成分不同的 Cu-Ni合金；
? （ 2）分别将它们熔化，然后极缓慢冷却，同时测
定其从液态到室温的冷却曲线；
? （ 3）找出各冷却曲线上开始结晶的温度点 TNi,l、
2,3,4,TCu及结晶终了的温度点（称为临界点）
TNi,1’,2’,3’,4’,TCu ；
? （ 4）将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为
横坐标轴的图形中相应合金的成分垂线上，并将意义相同的临界点连接起来，即得到 Cu-Ni合金相
图，如图 1.2－ 25所示。
3,匀晶相图
? 组成二元合金的两组元在液态和固态均能
无限互溶的合金系所形成的相图称二元匀
晶相图
? 例如,Cu-Ni,Ag-Au,Fe-Cr,Fe-Ni,Cr-
Mo,Mo-W合金的相图都属于这类相图。下
面以Ｃ u-Ni合金相图为例分析这类相图的图
形及结晶过程特点
(1) 相图分析
? Cu— Ni相图如图 1.2－ 26所示。 tA点为 Cu的熔点 (1083℃ )、
tB点为 Ni的熔点 (1452℃ )
? 匀晶相图的图形较简单，只有两条曲线，即液相线 Al1B，
表示合金开始结晶温度，和固相线 Aα4B表示合金结晶终了
温度
? 液相线代表各种成分的合金在缓慢冷却时开始结晶的温度；
或是在缓慢加热时合金熔化终了温度
? 固相线则代表各种成分的合金冷却时结晶的终了线，或加
热时开始熔化的温度。两条线将相图分隔成三个相区，液
相线以上是液相区（ L），在液相区内各种成分的合金均
为液态；固相线以下是单相 α固溶体区 (α)，在此区域内各
种成分的合金呈单相 α固溶体状态；液、固两线之间是 L，
α两相并存区 (L十 α)，在此区域内各种成分的合金正在进行
结晶，由液相中结晶出 α固溶体
? L是铜与镍两组元形成的均匀的液相,α则是铜与镍在固态
下互溶形成的固溶体
(2)合金的平衡结晶过程
? 形成匀晶相图的合金，结晶时都是从液相中结晶
出单相固溶体，其转变可用 L<═>α 表示，从图
1.2-26图中可看出，合金 Ⅰ 自液态缓冷至 1点温度
时，开始从 L相中结晶出 α相。随着温度下降,α相
不断增多,L相不断减少，与此同时两相的成分也
通过原子扩散不断改变,L相成分沿液相线变化，
α相成分则沿固相线变化。如图 1.2-26所示,t1温度
时 L相成分为 l1,α相的成分为 α1,t2温度时 L,α相
的成分为 l2,α2… 。当温度降至固相线温度 4时，
结晶过程结束，可得到与原合金成分完全相同的
单相 α固溶体组织
(3) 杠杆定律
? 当合金处于两相区内任一温度时,L,α相
的成分及两相的相对量可按下述方法确定：
1) 两相成分的确定
? 如图 1.2-27所示，过温度（ t1）作水平线，
该线与液相线交于 l1点，与固相线交于 α1点，
点 l1在成分轴上的投影点即为 L相的成分，
α1在成分轴上的投影点即为 α相的成分
2) 两平衡相相对量的确定
? 在两相区内，对特定的温度，两相的质量
比是一定值。图 12-28(b)中 wNi=x%成分的合
金，在 T1温度时，两相的质量之比，可用
下式表达：
? 式中,ml为 L相的质量； ma为相反质量；
xc,ax为线段长度。
ax
xc
m
m
a
l ?
质量相对量 wl,wa可由式下计算：
%1 0 0??
ac
xcw
L
%1 0 0??
ac
ax
w a
2.共晶相图
? 组成合金的两组元在液态时无限互溶，固
态时有限互溶，结晶时发生共晶转变的合
金系所形成的二元合金相图称为共晶相图
? 例如,Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu,Al-Si合金相
图均属于这类相图
? 下面以 Pb-Sb合金相图为例分析其图形及结
晶过程特点。
(1) 相图分析
（ 1）图中的点和线
? Pb-Sn相图如图 1.2-29所示
? tA为 Pb的熔点,tB为 Sn的熔点,E点为共晶
点。 tAEtB为液相线,tAMENtB为固相线、
MEN线为共晶线,MF为 Sn在 Pb中的溶解度
曲线,NG为 Pb在 Sn中的溶解度曲线，这两
条曲线也称为固溶线。
? Pb-Sn合金系有三个基本相,L是 Pb与 Sn两
组元形成的均匀的液相,α是 Sn溶于 Pb的固
溶体,β是 Pb溶于 Sn的固溶体
? 相图中有三个单相区，即 L,α,β相区。在
这些单相区之间，相应的有三个两相区，
即 L+α,L+β,α+β相区。在三个两相区之
间有一根水平线 MEN，是 L+α+β三相并存
区
2）共晶反应
? 成分位于（ E）点的合金，在温度达到水平线
MEN所对应的温度（ tE=183℃ ）时，将同时结晶
出成分为 M点的 α相及成分为 N点的 β相。其转变式
为：
? 这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶
出一定成分的两个固相的转变过程，称为共晶转
变或共晶反应。共晶转变的产物（ αM+βN）是由两
个固相组成的机械混合物，称为共晶组织
NME βαL ????? ??
)1 8 3( c?恒温
(2)合金的平衡结晶过程及其组织
（ 1）固溶体合金（合金 Ⅰ ）
? 成分位于 M点以左（即
wSn≤19%）或 N点以右
（即 wSn≥97.5%）的合金
称为固溶体合金
? 合金 Ⅰ 的冷却曲线和结
晶过程如图 1.2-30所示
? 液态合金缓冷至温度 1，开始从 L相中结果
出 α固溶体。随温度的降低，液相的数量不
断减少,α固溶体的数量不断增加，至温度 2
合金全部结晶成 α固溶体。温度 2~3范围内
合金无任何转变，这是匀晶转变过程。冷
却至温度 3时,Sn在 α中的溶解度减小，从 α
中析出 β是二次相（ βⅡ ）。 Α成分沿固溶线
MF变化，这一过程一直进行至室温，所以
合金 Ⅰ 室温平衡组织为（ α+βⅠ ）。
2）共晶合金（合金 Ⅱ ）
? 成分为 wSn=61.9%
的合金 Ⅱ 即为共
晶合金，其冷却
曲线和结晶过程
如图 1.2-31所示
? 合金缓冷至温度 1（即 tE=183℃ ）时，发生共晶转
变，在恒温下进行，所以冷却曲线上相应温度出
现一水平线段
? 共晶转变完成后合金全部成为共晶组织（ αM+βN）。
继续冷却，随着温度下降 α,β相的成分将分别沿
固溶度曲线 MF,NG变化,α将析出 βⅡ, β相则析
出 αⅡ 。由于 αⅡ, βⅡ 与共晶组织中的 α,β连接在
一起且量小难以分辨。所以共晶组织的二次析出
一般可忽略不计。所以共晶合金的室温平衡组织
为共晶组织（ α+β）。其组织组成物只有 1个，即
共晶体，相组成物有两个，即 α相和 β相
3）亚共晶合金（合金 Ⅲ ）
? 成分位于 M,E点之间
（即 wSn=19~61.9%之间）
的合金即为亚共晶合金
? 以 wSn=50%的合金 Ⅲ 为
例，分析亚共晶合金的
结晶过程及其组织
? 合金 Ⅲ 的冷却曲线及结
晶过程如图 1.2-33所示
? 液态合金缓冷至温度 1时开始从液相中结晶
出初生的 α固溶体
? 随着温度下降 α相不断增加，温度 1~2范围
内的结晶过程与合金 Ⅰ 的匀晶转变完全相
同。 L相不断减少,α的成分沿固相线 AM变
化； L的成分沿液相线 AE变化
? 冷至温度 2（即 tE=183℃ ）时,α相为 M点处
成分,L相则为 E点处成分。液相 tE发生共
晶转变形成共晶组织（ α+β）,αM固溶体保
持不变。所以合金在共晶转变刚结束时，
其组织为 αM+（ αM+βN）
? 从共晶温度继续冷却时,αM,βN将分别析出
β Ⅰ, αⅡ,共晶组织的二次析出如前所述可
忽略不计。所以，合金 Ⅲ 冷却至室温时其
平衡组织为 α+（ α+β） +βⅠ
4）过共晶合金（合金 Ⅳ ）
? 成分位于 E,N点之间（即 wSn=61.9~97.5%
之间）的合金为过共晶合金，其结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是初生相是 β固
溶体，二次相是 αⅡ 。所以，合金 Ⅳ 的室温
平衡组织为 β+αⅡ +（ α+β），其组织组成物
有三，即 β,αⅡ,（ α+β）；相组成物仍为
两种，即 α相 β相
2.1.4 铁碳合金
? 1．铁碳合金的基本组织
? 2,铁碳合金状态图
? 3．铁碳合金的平衡结晶过程与组织元素
? 4,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1．铁碳合金的基本组织
（ 1）铁素体
（ 2）奥氏体
（ 3）渗碳体
（ 4）珠光体
（ 5）莱氏体
（ 1）铁素体
? 碳溶解在 α-Fe中形成的间隙固溶体，以符号, F”
或, α”表示。
? 铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在 727℃
时，为 0.0218%，随着温度的降低，其溶解度逐渐
减小，室温时铁素体中只能溶解 0.0008%的碳。
? 铁素体的力学性能以及物理、化学性能与纯铁极
相近，塑性、韧性很好（ δ=30%~50%），强度、
硬度很低（ σb=180~280Mpa）。
（ 2）奥氏体
? 碳溶解在 γ-Fe形成的间隙固溶体，以符号, A”或
,γ”表示。
? 奥氏体的溶碳能力比铁素体大，在 1148℃ 时，碳
在 γ-Fe中的最大溶解度为 2.11%，随着温度降低，
其溶解度也减小，在 727℃ 时，为 0.77%。
? 奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高。在铁碳
合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，
也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所
要求的组织。
（ 3）渗碳体
? 渗碳体是具有复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，每个晶胞
中有一个碳原子和三个铁原子。渗碳体一般以, Fe3C”表
示，其含碳量为 6.69%。
? 渗碳体的硬度很高，为 800HB，塑性、韧性很差，几乎等
于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。
? 渗碳体在钢与铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。渗
碳体是钢中重要的硬化相，它的数量、形状、大小和分布
对钢的性能有很大的影响。
? 渗碳体是一个亚稳定化合物，它在一定的条件下，可以分
解而形成石墨状态的自由碳,Fe3C→3Fe+C （石墨），这
种反应在铸铁中有重要意义。
（ 4）珠光体
? 珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，
用符号, P”表示。其含碳量为 0.77%。珠光
体由渗碳体片和铁素体片相间组成，其性
能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度
较好、脆性不大
（ 5）莱氏体
? 莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，
用符号, Ld”表示，其含碳量为 4.3%
? 莱氏体由含碳量为 4.3%的金属液体在 1148℃
时发生共晶反应时生成。在室温时变为变
态莱氏体，用称号, Ld′”表示。莱氏体硬度
很高，塑性很差。
2．铁碳合金状态图
（ 1）铁碳合金状态图中的各特性点的意义
（ 2）铁碳合金状态图中各特性线的意义
（ 3）铁碳合金状态图中的相区
（ 1）铁碳合金状态图中的各特性点的意义
Fe— Fe3C相图中 14个特性点及具体意义如下：
A—— 纯铁的熔点。温度为 1538℃, wC× 100为 0。
B—— 包晶转变时液态合金的成分。温度为 1495℃, wC× 100为 0.53。
C—— 共晶点 LCAＥ +Fe3C。温度为 1148℃, wC× 100为 4.3。
D—— Fe3C的熔点。温度为 1227℃, wC× 100为 6.6900。
E—— 碳在 γ— Fe中的最大溶解度。温度为 1148℃, wC× 100为 2.11。
F—— Fe3C的成分。温度为 1148℃, wC× 100为 6.69。
G—— α— Feγ— Fe同素异构转变点（ A3）。温度为 912℃, wC× 100为 0。
H—— 碳在 δ— Fe中的最大溶解度。温度为 1495℃, wC× 100为 0.09。
J—— 包晶点 LB+δHAJ。温度为 1495℃, wC× 100为 0.17。
K—— Fe3C的成分。温度为 727℃, wC× 100为 6.69。
N—— γ— Feδ— Fe同素异构转变点（ A4）。温度为 1394℃, wC× 100为 0。
P—— 碳在 α— Fe中的最大溶解度。温度为 727℃, wC× 100为 0.0218。
S—— 共析点（ A1） ASFP+Fe3C。温度为 727℃, wC× 100为 0.77。
Q—— 600℃ （或室温）时碳在 α— Fe中的溶解度。温度为 600℃, wC× 100为
0.0057（ 0.0008）。
（ 2）铁碳合金状态图中各特性线的意义
（ 3）铁碳合金状态图中的相区
（ 1）五个单相区
ABCD线以上的液相区（ L）； AHNA线围着的 δ固溶体相
区（ δ） ； NJESGN线围着的奥氏体相区（ A）； GPQG线
围着的铁素体相区（ F）； DFKL线垂线代表的渗碳体相区
（ Fe3C）。
（ 2）七个双相区
ABＨ A线围着的 L+δ相区； JBCEJ线围着的 L+A相区；
DCFD线围着的 L+Fe3CⅠ 相区； HJNH线围着的 δ+A相区；
EFKSE线围着的 A+Fe3C相区； GSPG线围着的 A+F相区；
QPSKLQ线围着的 F+Fe3C相区。
（ 3）三个三相共存区
HJB线为 F,δ,A三相区； ECF线为 L,A,Fe3C三相区；
PSK线为 A,F,Fe3C三相区。
3．铁碳合金的平衡结晶过程与组织元素
? （ 1）铁碳合金分类
? 1）工业纯铁（ ωc<0.0218%）
? 组织为铁素体和极少量的三次渗碳体；
? 2）钢（ ωc=0.0218%~2.11%）
? 亚共析钢（ ωc<0.77%）：组织是铁素体和珠光体；
? 共析钢（ ωc=0.77%）：组织是珠光体；
? 过共析钢（ ωc>0.77%）：组织是珠光体和二次渗碳体。
? 3）白口铸铁（ ωc=2.11%~6.99%）
? 亚共晶白口铸铁（ ωc<4.3%）：组织是珠光体、二次渗碳体和莱氏体；
? 共晶白口铸铁（ ωc=4.3%）：组织是莱氏体；
? 过共晶白口铸铁（ ωc>4.3%）：组织是一次渗碳体和莱氏体。
（ 2）典型的铁碳合金平衡结晶过程
及组织
1) 共析钢的结晶过程分析
? 合金①在温度 1以上全部为液体，降温时，在第 1
点与第 2点温度之间，从液相（ L）中结晶出奥氏
体，随着温度的不断降低，液相越来越少，奥氏
体越来越多，液相的成分沿着 BC线变化，而奥氏
体的成分则沿着 JE线变化，在第 2点结晶完毕。第
2点与 3点温度之间，是奥氏体的单相冷却。当温
度降到第 3点时，奥氏体要发生共析反应：
A0.77?P（ F0.0218+Fe3C），最终奥氏体全部转变
为珠光体。共析钢的显微组织见图 1.3-4。
2) 亚共析钢的结晶过程
? 当合金②冷却到第 1点时，开始从液相析出奥氏体，
至第 2点时，全部转变为奥氏体。冷却到第 3点，
从奥氏体中析出铁素体，同时奥氏体相中碳浓度
发生变化。到第 4点即 727℃ 时，奥氏体中的含碳
量沿 CS 线而趋近于 S点，其组织剩余的奥氏体相
发生共析反应，转变为珠光体。
? 所以，亚共析钢先前析出的铁素体保持不变。室
温组织为铁素体 +珠光体。且随着含碳量的增加，
珠光体量也增加。亚共析钢的显微组织如图 1.3-6。
3) 过共析钢的结晶过程
? 合金③冷却到 1点时，从液相结晶出奥氏体，
2点凝固完毕，形成单相奥氏体。冷却到第 3
点时，开始从奥氏体中沿晶界析出网状分
布的二次渗碳体（ Fe3CⅡ ），呈网状包围
奥氏体晶粒。冷却到第 4点时，奥氏体中碳
的质量分数降为 0.77%，于是发生共析转变；
A0.77?P（ F0.0218+Fe3C），形成珠光体。
4) 共晶白口铸铁的结晶过程
? 合金④在 1点发生共晶反应 L4.3?A2.11+Fe3C，形
成莱氏体 Ld，即由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，
在 1~2点区间，共晶奥氏体会析出二次渗碳体，到
第三阶段点即 727℃ 时，剩余的奥氏体会发生共析
反应，转变为珠光体。室温下，共晶白口铸铁的
组织是珠光体和共晶渗碳体的混合物，通常把它
称为, 低温莱氏体, 或, 变态莱氏体,,以, Ld”
表示。
? 所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体。共
晶白口铸铁的显微组织如图 1.3-10所示。
5) 亚共晶白口铸铁的结晶过程
? 合金⑤从冷却至 1点时，开始从液相中结晶出, 先共晶奥
氏体, 。随温度的降低，奥氏体不断增多，到第 2点
（ 1148℃ ）时，液相中 Wc为 4.3%，发生共晶反应：
L4.3?A2.11+Fe3C，形成莱氏体，而先生奥氏体保持不变。
继续冷却，先共晶奥氏体和共晶奥地利体都析出二次渗碳
体，奥氏体的含碳量沿 ES线逐渐降低，到第 3点（ 727℃ ）
时,Wc降为 0.77%，发生共析转变,A0。 77?P
（ F0.0218+Fe3C）,生成珠光体，此时,Ld转变为 Ld’。
? 所以，亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体 +二次渗碳体
+低温莱氏体。亚共晶白口铸铁的显微组织如图 1.3-12所示。
6) 过共晶白口铸铁的结晶过程
? 合金⑥冷至 1点时，开始从液相中结晶出先
共晶渗碳体，也叫一次渗碳体（ Fe3C1），
一次渗碳体呈粗大片状，在合金继续冷却
的过程中不再发生变化。当温度继续下降
到 2点时，剩余液相 Wc达到 4.3%，这时发生
共晶转变，转变为莱氏体。过共晶白口铸
铁的室温组织为一次渗碳体与低温莱氏体。
过共晶白口铸铁的显微组织如图 1.3-14所示。
4．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
（ 1）含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
（ 2）含碳量对力学性能的影响
铁碳合金的力学性能受含碳量的影响很大，含碳量
的多少直接决定着铁碳合金中铁素体和渗碳体的
相对比例。含碳量越高，渗碳体的相对量越多。
由于铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆的强化相，
所以渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度
和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体以网
状形态分布在晶界或作为基体存在时，会使铁碳
合金的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
这就是平衡状态的过共析钢和白口铸铁脆性高的
原因。图 1.3-16所示为含碳量对钢的力学性能的影
响。
（ 3）含碳量对工艺性能的影响
? 铸造性
? 铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸
铁，其结晶温度低，流动性好，铸造性能最好。从相图上盾，
结晶温度越高，结晶温度区间越大，越容易形成分散缩孔和
偏析，铸造性能越差。
? 可锻性
? 低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性
好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状
态下进行。
? 可焊性
? 含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。
? 切削加工性
? 含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。一般认为中
碳钢的塑性比较适中，硬度在 160~230HB时，切削加工性能
最好。
思考练习题
? 1．何谓间隙固溶体？形成固溶体时的有哪几种晶格畸变？
? 2．金属化合物的可分为几类？试比较它们之间的差别？
? 3．什么共晶反应？什么共析反应？两者的特点和区别？
? 4．合金的平衡结晶过程及其组织是什么？
? 5．何谓合金？它为什么比纯金属的应用广泛？
? 6．枝晶偏析对合金性能的影响？如何改善或消除枝晶偏析？
? 7．何谓铁索体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏
体和变态莱氏体?分别写出它们的符号及性能特点。
? 8．绘制铁碳合金状态图并简述其图中各特性线的名称和相关组织。
? 9．根据铁碳合金状态图写出有关相区。
2.1 合金中的相结构
2.2 固溶体
2.3 金属化合物及其性能
2.4 二元合金相图的建立
2.5 铁碳合金
? 纯金属在生活和生产中的应用十分广泛。
主要的应用都是利用了纯金属的导电性、
导热性、化学稳定性等性能
? 但由于纯金属种类有限，而且几乎所有的
纯金属的强度、硬度、耐磨性等力学物理
性能都比较差，不能满足人们对材料多样
性的需要
? 通过合金化过程，可以显著地改变金属材
料的结构、组织和性能，从而极大地提高
了金属材料的力学、物理性能，同时其电、
磁、耐蚀性等物理化学性能也得到了保持
或提高。因此，同纯金属相比，合金的应
用更为广泛。
? 由两种或两种以上的金属元素或金属元素
和非金属元素组成的具有金属特性的物质
称为合金
2.1 合金中的相结构
? 合金的结晶与纯金属一样，也是通过形核及长
大来完成的。由于合金中含有两种或两种以上
的元素的原子，使生成的结晶物中往往含有不
只一种组元的晶粒
? 在材料中，凡是化学成分相同、结构相同并与
其他部分以界面分开的均匀组成部分称为 相
? 合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种
相所组成
? 合金中的 组织 是指合金中用肉眼或显微镜所观
察到的材料的微观形貌，也称为显微组织
? 不同的相形成不同的显微组织，不同的显
微组织导致合金不同的性质
? 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属
性来分，可以分为 固溶体和化合物 两大类。
2.1.1 固溶体
1．固溶体的分类
（ 1）置换固溶体
（ 2）间隙固溶体
2．固溶体的性能
? 固态合金中，在一种元素的晶格结构中包
含有其它元素的合金相称为 固溶体
? 前一种元素称为 溶剂元素,后一种元素称
为 溶质元素
? 溶质原子溶于固溶体中的量，称为固溶体
的浓度
? 在一定条件下溶质元素在固溶体中的极限
浓度叫做溶质在固溶体中的溶解度
1．固溶体的分类
? (ⅰ ) 置换固溶体 当溶质原子代替了一部分
溶剂原子而占据溶剂晶格的某些结点位置
时，所形成的固溶体称为置换固溶体，如
图 1.2-20所示。
（ ⅱ ）间隙固溶体 若溶质原子分布于溶剂晶
格各结点之间的空隙中，所形成的固溶体称
为间隙固溶体，如图 1.2— 21所示。
? 由于溶剂晶格的空隙有限，通常只有当溶
质原子直径与溶剂原子直径之比小于 0.59时，
才能形成间隙固溶体。因此形成间隙固溶
体的溶质原子都是原子直径较小的非金属
元素，如氢、氧、氮、硼、碳等。如碳钢
中的铁素体和奥氏体就是碳原子溶入 α— Fe
和 γ— Fe中所形成的两种间隙固溶体
2,固溶体的性能
? 由于溶质原子与溶剂原子的半径不同，会
使固溶体的晶格发生畸变，如图 1.2— 22所
示
? 这就使得位错移动阻力增大，表现为固溶
体的强度和硬度升高、塑性和韧性有所下
降
? 通过形成固溶体而使金属强度和硬度增加
的现象称为固溶强化
? 固溶强化是提高合金机械性能的一种重要
途径，在金属材料的生产和研究中得到了
极为广泛的应用
? 对综合力学性能要求较高，即强度、韧性
和塑性之间有较好配合的结构材料，常以
固溶体作为基本相
2.1.2 金属化合物及其性能
? 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成
的一种新固相，其晶格类型和性质完全不同于
原来的任一组元
? 金属化合物的特点是，除有离子键和共价键作
用外，还有一定程度的金属键参与作用，从而
使化合物具有明显的金属特性。金属化合物可
以成为合金的组成相，如碳钢中的渗碳体 Fe3C。
除金属化合物外，合金中还有另一类为非金属
化合物，没有金属键作用，没有金属特性，如
FeS,MnS
1．金属化合物的种类
（ 1）正常价化合物
? 符合一般化合物的原子价规律，成分固定，
并可用确定的化学式表示
? 它通常是由在周期表上相距较远、电化学
性质相差很大的两种元素形成的。如 Mg2Si、
Mg2Sn,Mg2Pb等
? 它们的晶体结构随化学组成不同会发生较
大的变化。
（ 2）电子化合物
? 是由第一族元素、过渡族元素与第二至第
五族元素结合而成
? 此类化合物不遵守原子价规律，而是服从
电子浓度规律，即按照一定的电子浓度组
成一定的晶格结构的化合物
? 电子浓度是化合物中价电子数与原子数之
比
? 如 CuZn化合物，其原子数为 2,Cu的价电子
数为 1,Zn 价电子数为 2，故其电子浓度为
3/2。
? 在电子化合物中，当电子浓度为 3/2(21/14)
时，形成体心立方晶格，称为 β相；当电子
浓度为 21/13时，形成复杂立方晶格，称为 γ
相；当电子浓度为 7/4(21/12)时，形成密排
六方晶粒格，称为 ε相。合金中常见电子化
合物及其结构类型见表 1.2- 3。
（ 3）间隙化合物
? 间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡
族金属元素 (Fe,Cr,Mo,W,V等 )和原子
直径较小的非金属元素 (C,N,B,H等 )所
组成
? 根据晶体结构特点,间隙化合物又可分成
简单结构的间隙化合物和复杂结构的化合
物两类
简单结构的间隙化合
? 当非金属原子半径与金属原子半径之比小
于 0.59时，形成的间隙化合物，具有体心立
方、面心立方等简单晶格，称为间隙化合
物，又称为间隙相
? 具有简单结构的间隙化合物有 VC,WC、
TiC等
? 图 1.2-23是 VC的晶格
示意图。 VC为面心
立方晶格,V原子占
据晶格的正常位
置．而 C原子则规则
地分布在晶格的空隙
之中
具有复杂结构的间隙化合物
? 当非金属原子半径与金属原子半径之比大
于 0.59时，形成的间隙化合物，具有十分复
杂的晶体结构，如 Fe3C,Cr23C5,Cr7 C3、
Fe4W2C等
? 图 1.2-24是 Fe3C的晶格结构，
碳原子构成一个正交晶格 (即
三个轴间夹角 α＝ β＝ γ＝ 90°,
三个晶格常数 a≠b≠c)，在每
个碳原子周围都有六个铁原
子构成八面体，各个八面体
的轴彼此倾斜一角度，每个
八面体内都有一个碳原子，
每个铁原子为两个八面体所
共有。故 Fe3C中 Fe与 C原于
数的比例为：
3
1
3
1
6
2
1
C
Fe ????
2．金属化合物的性能
由于金属化合物一般具有复杂的化合键和晶
格结构，其熔点高，硬而脆。合金中的金
属化合物使合金的强度、硬度和耐磨性提
高，但会降低塑性和韧性。因此，它是碳
钢、合金钢、硬质合金和许多有色合金的
重要强化相。与固溶体适当配合，可以满
足材料所需要的性能要求。如碳钢中的 Fe3C、
工具钢中的 VC、高速钢中的 W2C、硬质合
金中的 WC和 TiC等，提高了材料的强度、
硬度、耐磨性和热硬性等。
2.1.3 二元合金相图的建立
? 合金结晶后得到何种组织与合金的成分、结晶
过程等因素有关
? 不同成分的合金，在不同的温度条件下，得到
的合金组织不同。可以是单相的固溶体或化合
物，也可以是由几种不同的固溶体或由固溶体
和化合物组成的多相组织
? 与纯金属的结晶相比，合金的结晶有如下特点：
一是合金的结晶在很多情况下是在一个温度范
围内完成的；另一个特点是合金的结晶不仅会
发生晶体结构的变化，还会伴有成分的变化。
在下面的讨论中将用到以下这些概念：
? 组元,组成合金的最简单、最基本、能独立存在的物质称
为组元。元素是组元。此外，在研究问题范围内既不分解
也不发生任何化学反应的稳定的化合物也是组元。
? 合金系,由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系
列不同成分的合金，称为合金系。
? 相图,表示合金系在平衡条件下，合金的状态与成分、温
度之间相互关系的图形。所谓平衡，也称为相平衡。是指
合金在相变过程中，原子能充分扩散，各相的成分相对质
量保持稳定，不随时间改变的状态。在实际的加热或冷却
过程中，控制十分缓慢的加热或冷却速度，就可以认为是
接近了相平衡条件。
? 利用相图可以表示不同成分的合金、在不
同温度下，由哪些相组成、相的成分和相
的相对量如何，以及合金在加热或冷却过
程中可能发生的转变等
? 目前使用的相图几乎都是通过实验测定的。
实验的方法很多，有热分析法、膨胀法,X
射线结构分析法等
测定二元合金相图的步骤：
以铜镍合金为例,
? （ 1）配制几组成分不同的 Cu-Ni合金；
? （ 2）分别将它们熔化，然后极缓慢冷却，同时测
定其从液态到室温的冷却曲线；
? （ 3）找出各冷却曲线上开始结晶的温度点 TNi,l、
2,3,4,TCu及结晶终了的温度点（称为临界点）
TNi,1’,2’,3’,4’,TCu ；
? （ 4）将各临界点标在以温度为纵坐标，以成分为
横坐标轴的图形中相应合金的成分垂线上，并将意义相同的临界点连接起来，即得到 Cu-Ni合金相
图，如图 1.2－ 25所示。
3,匀晶相图
? 组成二元合金的两组元在液态和固态均能
无限互溶的合金系所形成的相图称二元匀
晶相图
? 例如,Cu-Ni,Ag-Au,Fe-Cr,Fe-Ni,Cr-
Mo,Mo-W合金的相图都属于这类相图。下
面以Ｃ u-Ni合金相图为例分析这类相图的图
形及结晶过程特点
(1) 相图分析
? Cu— Ni相图如图 1.2－ 26所示。 tA点为 Cu的熔点 (1083℃ )、
tB点为 Ni的熔点 (1452℃ )
? 匀晶相图的图形较简单，只有两条曲线，即液相线 Al1B，
表示合金开始结晶温度，和固相线 Aα4B表示合金结晶终了
温度
? 液相线代表各种成分的合金在缓慢冷却时开始结晶的温度；
或是在缓慢加热时合金熔化终了温度
? 固相线则代表各种成分的合金冷却时结晶的终了线，或加
热时开始熔化的温度。两条线将相图分隔成三个相区，液
相线以上是液相区（ L），在液相区内各种成分的合金均
为液态；固相线以下是单相 α固溶体区 (α)，在此区域内各
种成分的合金呈单相 α固溶体状态；液、固两线之间是 L，
α两相并存区 (L十 α)，在此区域内各种成分的合金正在进行
结晶，由液相中结晶出 α固溶体
? L是铜与镍两组元形成的均匀的液相,α则是铜与镍在固态
下互溶形成的固溶体
(2)合金的平衡结晶过程
? 形成匀晶相图的合金，结晶时都是从液相中结晶
出单相固溶体，其转变可用 L<═>α 表示，从图
1.2-26图中可看出，合金 Ⅰ 自液态缓冷至 1点温度
时，开始从 L相中结晶出 α相。随着温度下降,α相
不断增多,L相不断减少，与此同时两相的成分也
通过原子扩散不断改变,L相成分沿液相线变化，
α相成分则沿固相线变化。如图 1.2-26所示,t1温度
时 L相成分为 l1,α相的成分为 α1,t2温度时 L,α相
的成分为 l2,α2… 。当温度降至固相线温度 4时，
结晶过程结束，可得到与原合金成分完全相同的
单相 α固溶体组织
(3) 杠杆定律
? 当合金处于两相区内任一温度时,L,α相
的成分及两相的相对量可按下述方法确定：
1) 两相成分的确定
? 如图 1.2-27所示，过温度（ t1）作水平线，
该线与液相线交于 l1点，与固相线交于 α1点，
点 l1在成分轴上的投影点即为 L相的成分，
α1在成分轴上的投影点即为 α相的成分
2) 两平衡相相对量的确定
? 在两相区内，对特定的温度，两相的质量
比是一定值。图 12-28(b)中 wNi=x%成分的合
金，在 T1温度时，两相的质量之比，可用
下式表达：
? 式中,ml为 L相的质量； ma为相反质量；
xc,ax为线段长度。
ax
xc
m
m
a
l ?
质量相对量 wl,wa可由式下计算：
%1 0 0??
ac
xcw
L
%1 0 0??
ac
ax
w a
2.共晶相图
? 组成合金的两组元在液态时无限互溶，固
态时有限互溶，结晶时发生共晶转变的合
金系所形成的二元合金相图称为共晶相图
? 例如,Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu,Al-Si合金相
图均属于这类相图
? 下面以 Pb-Sb合金相图为例分析其图形及结
晶过程特点。
(1) 相图分析
（ 1）图中的点和线
? Pb-Sn相图如图 1.2-29所示
? tA为 Pb的熔点,tB为 Sn的熔点,E点为共晶
点。 tAEtB为液相线,tAMENtB为固相线、
MEN线为共晶线,MF为 Sn在 Pb中的溶解度
曲线,NG为 Pb在 Sn中的溶解度曲线，这两
条曲线也称为固溶线。
? Pb-Sn合金系有三个基本相,L是 Pb与 Sn两
组元形成的均匀的液相,α是 Sn溶于 Pb的固
溶体,β是 Pb溶于 Sn的固溶体
? 相图中有三个单相区，即 L,α,β相区。在
这些单相区之间，相应的有三个两相区，
即 L+α,L+β,α+β相区。在三个两相区之
间有一根水平线 MEN，是 L+α+β三相并存
区
2）共晶反应
? 成分位于（ E）点的合金，在温度达到水平线
MEN所对应的温度（ tE=183℃ ）时，将同时结晶
出成分为 M点的 α相及成分为 N点的 β相。其转变式
为：
? 这种在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶
出一定成分的两个固相的转变过程，称为共晶转
变或共晶反应。共晶转变的产物（ αM+βN）是由两
个固相组成的机械混合物，称为共晶组织
NME βαL ????? ??
)1 8 3( c?恒温
(2)合金的平衡结晶过程及其组织
（ 1）固溶体合金（合金 Ⅰ ）
? 成分位于 M点以左（即
wSn≤19%）或 N点以右
（即 wSn≥97.5%）的合金
称为固溶体合金
? 合金 Ⅰ 的冷却曲线和结
晶过程如图 1.2-30所示
? 液态合金缓冷至温度 1，开始从 L相中结果
出 α固溶体。随温度的降低，液相的数量不
断减少,α固溶体的数量不断增加，至温度 2
合金全部结晶成 α固溶体。温度 2~3范围内
合金无任何转变，这是匀晶转变过程。冷
却至温度 3时,Sn在 α中的溶解度减小，从 α
中析出 β是二次相（ βⅡ ）。 Α成分沿固溶线
MF变化，这一过程一直进行至室温，所以
合金 Ⅰ 室温平衡组织为（ α+βⅠ ）。
2）共晶合金（合金 Ⅱ ）
? 成分为 wSn=61.9%
的合金 Ⅱ 即为共
晶合金，其冷却
曲线和结晶过程
如图 1.2-31所示
? 合金缓冷至温度 1（即 tE=183℃ ）时，发生共晶转
变，在恒温下进行，所以冷却曲线上相应温度出
现一水平线段
? 共晶转变完成后合金全部成为共晶组织（ αM+βN）。
继续冷却，随着温度下降 α,β相的成分将分别沿
固溶度曲线 MF,NG变化,α将析出 βⅡ, β相则析
出 αⅡ 。由于 αⅡ, βⅡ 与共晶组织中的 α,β连接在
一起且量小难以分辨。所以共晶组织的二次析出
一般可忽略不计。所以共晶合金的室温平衡组织
为共晶组织（ α+β）。其组织组成物只有 1个，即
共晶体，相组成物有两个，即 α相和 β相
3）亚共晶合金（合金 Ⅲ ）
? 成分位于 M,E点之间
（即 wSn=19~61.9%之间）
的合金即为亚共晶合金
? 以 wSn=50%的合金 Ⅲ 为
例，分析亚共晶合金的
结晶过程及其组织
? 合金 Ⅲ 的冷却曲线及结
晶过程如图 1.2-33所示
? 液态合金缓冷至温度 1时开始从液相中结晶
出初生的 α固溶体
? 随着温度下降 α相不断增加，温度 1~2范围
内的结晶过程与合金 Ⅰ 的匀晶转变完全相
同。 L相不断减少,α的成分沿固相线 AM变
化； L的成分沿液相线 AE变化
? 冷至温度 2（即 tE=183℃ ）时,α相为 M点处
成分,L相则为 E点处成分。液相 tE发生共
晶转变形成共晶组织（ α+β）,αM固溶体保
持不变。所以合金在共晶转变刚结束时，
其组织为 αM+（ αM+βN）
? 从共晶温度继续冷却时,αM,βN将分别析出
β Ⅰ, αⅡ,共晶组织的二次析出如前所述可
忽略不计。所以，合金 Ⅲ 冷却至室温时其
平衡组织为 α+（ α+β） +βⅠ
4）过共晶合金（合金 Ⅳ ）
? 成分位于 E,N点之间（即 wSn=61.9~97.5%
之间）的合金为过共晶合金，其结晶过程
与亚共晶合金相似，不同的是初生相是 β固
溶体，二次相是 αⅡ 。所以，合金 Ⅳ 的室温
平衡组织为 β+αⅡ +（ α+β），其组织组成物
有三，即 β,αⅡ,（ α+β）；相组成物仍为
两种，即 α相 β相
2.1.4 铁碳合金
? 1．铁碳合金的基本组织
? 2,铁碳合金状态图
? 3．铁碳合金的平衡结晶过程与组织元素
? 4,含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1．铁碳合金的基本组织
（ 1）铁素体
（ 2）奥氏体
（ 3）渗碳体
（ 4）珠光体
（ 5）莱氏体
（ 1）铁素体
? 碳溶解在 α-Fe中形成的间隙固溶体，以符号, F”
或, α”表示。
? 铁素体中溶解碳的能力很小，最大溶解度在 727℃
时，为 0.0218%，随着温度的降低，其溶解度逐渐
减小，室温时铁素体中只能溶解 0.0008%的碳。
? 铁素体的力学性能以及物理、化学性能与纯铁极
相近，塑性、韧性很好（ δ=30%~50%），强度、
硬度很低（ σb=180~280Mpa）。
（ 2）奥氏体
? 碳溶解在 γ-Fe形成的间隙固溶体，以符号, A”或
,γ”表示。
? 奥氏体的溶碳能力比铁素体大，在 1148℃ 时，碳
在 γ-Fe中的最大溶解度为 2.11%，随着温度降低，
其溶解度也减小，在 727℃ 时，为 0.77%。
? 奥氏体的强度、硬度低，塑性、韧性高。在铁碳
合金平衡状态时，奥氏体为高温下存在的基本相，
也是绝大多数钢种进行锻压、轧制等加工变形所
要求的组织。
（ 3）渗碳体
? 渗碳体是具有复杂晶格的铁与碳的间隙化合物，每个晶胞
中有一个碳原子和三个铁原子。渗碳体一般以, Fe3C”表
示，其含碳量为 6.69%。
? 渗碳体的硬度很高，为 800HB，塑性、韧性很差，几乎等
于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。
? 渗碳体在钢与铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。渗
碳体是钢中重要的硬化相，它的数量、形状、大小和分布
对钢的性能有很大的影响。
? 渗碳体是一个亚稳定化合物，它在一定的条件下，可以分
解而形成石墨状态的自由碳,Fe3C→3Fe+C （石墨），这
种反应在铸铁中有重要意义。
（ 4）珠光体
? 珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物，
用符号, P”表示。其含碳量为 0.77%。珠光
体由渗碳体片和铁素体片相间组成，其性
能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度
较好、脆性不大
（ 5）莱氏体
? 莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，
用符号, Ld”表示，其含碳量为 4.3%
? 莱氏体由含碳量为 4.3%的金属液体在 1148℃
时发生共晶反应时生成。在室温时变为变
态莱氏体，用称号, Ld′”表示。莱氏体硬度
很高，塑性很差。
2．铁碳合金状态图
（ 1）铁碳合金状态图中的各特性点的意义
（ 2）铁碳合金状态图中各特性线的意义
（ 3）铁碳合金状态图中的相区
（ 1）铁碳合金状态图中的各特性点的意义
Fe— Fe3C相图中 14个特性点及具体意义如下：
A—— 纯铁的熔点。温度为 1538℃, wC× 100为 0。
B—— 包晶转变时液态合金的成分。温度为 1495℃, wC× 100为 0.53。
C—— 共晶点 LCAＥ +Fe3C。温度为 1148℃, wC× 100为 4.3。
D—— Fe3C的熔点。温度为 1227℃, wC× 100为 6.6900。
E—— 碳在 γ— Fe中的最大溶解度。温度为 1148℃, wC× 100为 2.11。
F—— Fe3C的成分。温度为 1148℃, wC× 100为 6.69。
G—— α— Feγ— Fe同素异构转变点（ A3）。温度为 912℃, wC× 100为 0。
H—— 碳在 δ— Fe中的最大溶解度。温度为 1495℃, wC× 100为 0.09。
J—— 包晶点 LB+δHAJ。温度为 1495℃, wC× 100为 0.17。
K—— Fe3C的成分。温度为 727℃, wC× 100为 6.69。
N—— γ— Feδ— Fe同素异构转变点（ A4）。温度为 1394℃, wC× 100为 0。
P—— 碳在 α— Fe中的最大溶解度。温度为 727℃, wC× 100为 0.0218。
S—— 共析点（ A1） ASFP+Fe3C。温度为 727℃, wC× 100为 0.77。
Q—— 600℃ （或室温）时碳在 α— Fe中的溶解度。温度为 600℃, wC× 100为
0.0057（ 0.0008）。
（ 2）铁碳合金状态图中各特性线的意义
（ 3）铁碳合金状态图中的相区
（ 1）五个单相区
ABCD线以上的液相区（ L）； AHNA线围着的 δ固溶体相
区（ δ） ； NJESGN线围着的奥氏体相区（ A）； GPQG线
围着的铁素体相区（ F）； DFKL线垂线代表的渗碳体相区
（ Fe3C）。
（ 2）七个双相区
ABＨ A线围着的 L+δ相区； JBCEJ线围着的 L+A相区；
DCFD线围着的 L+Fe3CⅠ 相区； HJNH线围着的 δ+A相区；
EFKSE线围着的 A+Fe3C相区； GSPG线围着的 A+F相区；
QPSKLQ线围着的 F+Fe3C相区。
（ 3）三个三相共存区
HJB线为 F,δ,A三相区； ECF线为 L,A,Fe3C三相区；
PSK线为 A,F,Fe3C三相区。
3．铁碳合金的平衡结晶过程与组织元素
? （ 1）铁碳合金分类
? 1）工业纯铁（ ωc<0.0218%）
? 组织为铁素体和极少量的三次渗碳体；
? 2）钢（ ωc=0.0218%~2.11%）
? 亚共析钢（ ωc<0.77%）：组织是铁素体和珠光体；
? 共析钢（ ωc=0.77%）：组织是珠光体；
? 过共析钢（ ωc>0.77%）：组织是珠光体和二次渗碳体。
? 3）白口铸铁（ ωc=2.11%~6.99%）
? 亚共晶白口铸铁（ ωc<4.3%）：组织是珠光体、二次渗碳体和莱氏体；
? 共晶白口铸铁（ ωc=4.3%）：组织是莱氏体；
? 过共晶白口铸铁（ ωc>4.3%）：组织是一次渗碳体和莱氏体。
（ 2）典型的铁碳合金平衡结晶过程
及组织
1) 共析钢的结晶过程分析
? 合金①在温度 1以上全部为液体，降温时，在第 1
点与第 2点温度之间，从液相（ L）中结晶出奥氏
体，随着温度的不断降低，液相越来越少，奥氏
体越来越多，液相的成分沿着 BC线变化，而奥氏
体的成分则沿着 JE线变化，在第 2点结晶完毕。第
2点与 3点温度之间，是奥氏体的单相冷却。当温
度降到第 3点时，奥氏体要发生共析反应：
A0.77?P（ F0.0218+Fe3C），最终奥氏体全部转变
为珠光体。共析钢的显微组织见图 1.3-4。
2) 亚共析钢的结晶过程
? 当合金②冷却到第 1点时，开始从液相析出奥氏体，
至第 2点时，全部转变为奥氏体。冷却到第 3点，
从奥氏体中析出铁素体，同时奥氏体相中碳浓度
发生变化。到第 4点即 727℃ 时，奥氏体中的含碳
量沿 CS 线而趋近于 S点，其组织剩余的奥氏体相
发生共析反应，转变为珠光体。
? 所以，亚共析钢先前析出的铁素体保持不变。室
温组织为铁素体 +珠光体。且随着含碳量的增加，
珠光体量也增加。亚共析钢的显微组织如图 1.3-6。
3) 过共析钢的结晶过程
? 合金③冷却到 1点时，从液相结晶出奥氏体，
2点凝固完毕，形成单相奥氏体。冷却到第 3
点时，开始从奥氏体中沿晶界析出网状分
布的二次渗碳体（ Fe3CⅡ ），呈网状包围
奥氏体晶粒。冷却到第 4点时，奥氏体中碳
的质量分数降为 0.77%，于是发生共析转变；
A0.77?P（ F0.0218+Fe3C），形成珠光体。
4) 共晶白口铸铁的结晶过程
? 合金④在 1点发生共晶反应 L4.3?A2.11+Fe3C，形
成莱氏体 Ld，即由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，
在 1~2点区间，共晶奥氏体会析出二次渗碳体，到
第三阶段点即 727℃ 时，剩余的奥氏体会发生共析
反应，转变为珠光体。室温下，共晶白口铸铁的
组织是珠光体和共晶渗碳体的混合物，通常把它
称为, 低温莱氏体, 或, 变态莱氏体,,以, Ld”
表示。
? 所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体。共
晶白口铸铁的显微组织如图 1.3-10所示。
5) 亚共晶白口铸铁的结晶过程
? 合金⑤从冷却至 1点时，开始从液相中结晶出, 先共晶奥
氏体, 。随温度的降低，奥氏体不断增多，到第 2点
（ 1148℃ ）时，液相中 Wc为 4.3%，发生共晶反应：
L4.3?A2.11+Fe3C，形成莱氏体，而先生奥氏体保持不变。
继续冷却，先共晶奥氏体和共晶奥地利体都析出二次渗碳
体，奥氏体的含碳量沿 ES线逐渐降低，到第 3点（ 727℃ ）
时,Wc降为 0.77%，发生共析转变,A0。 77?P
（ F0.0218+Fe3C）,生成珠光体，此时,Ld转变为 Ld’。
? 所以，亚共晶白口铸铁的室温组织为珠光体 +二次渗碳体
+低温莱氏体。亚共晶白口铸铁的显微组织如图 1.3-12所示。
6) 过共晶白口铸铁的结晶过程
? 合金⑥冷至 1点时，开始从液相中结晶出先
共晶渗碳体，也叫一次渗碳体（ Fe3C1），
一次渗碳体呈粗大片状，在合金继续冷却
的过程中不再发生变化。当温度继续下降
到 2点时，剩余液相 Wc达到 4.3%，这时发生
共晶转变，转变为莱氏体。过共晶白口铸
铁的室温组织为一次渗碳体与低温莱氏体。
过共晶白口铸铁的显微组织如图 1.3-14所示。
4．含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
（ 1）含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
（ 2）含碳量对力学性能的影响
铁碳合金的力学性能受含碳量的影响很大，含碳量
的多少直接决定着铁碳合金中铁素体和渗碳体的
相对比例。含碳量越高，渗碳体的相对量越多。
由于铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆的强化相，
所以渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度
和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体以网
状形态分布在晶界或作为基体存在时，会使铁碳
合金的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
这就是平衡状态的过共析钢和白口铸铁脆性高的
原因。图 1.3-16所示为含碳量对钢的力学性能的影
响。
（ 3）含碳量对工艺性能的影响
? 铸造性
? 铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸
铁，其结晶温度低，流动性好，铸造性能最好。从相图上盾，
结晶温度越高，结晶温度区间越大，越容易形成分散缩孔和
偏析，铸造性能越差。
? 可锻性
? 低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性
好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状
态下进行。
? 可焊性
? 含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。
? 切削加工性
? 含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。一般认为中
碳钢的塑性比较适中，硬度在 160~230HB时，切削加工性能
最好。
思考练习题
? 1．何谓间隙固溶体？形成固溶体时的有哪几种晶格畸变？
? 2．金属化合物的可分为几类？试比较它们之间的差别？
? 3．什么共晶反应？什么共析反应？两者的特点和区别？
? 4．合金的平衡结晶过程及其组织是什么？
? 5．何谓合金？它为什么比纯金属的应用广泛？
? 6．枝晶偏析对合金性能的影响？如何改善或消除枝晶偏析？
? 7．何谓铁索体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏
体和变态莱氏体?分别写出它们的符号及性能特点。
? 8．绘制铁碳合金状态图并简述其图中各特性线的名称和相关组织。
? 9．根据铁碳合金状态图写出有关相区。
