铁碳相图及其合金
电厂金属材料 铁碳相图及其合金 DateDate 1 1 电厂金属材料 第一节 铁碳合金的相结构 纯铁从液态结晶后得到体心立方晶格的-Fe,随后又有两次 同素异构转变，即面心立方格的-Fe和体心立方格的-Fe 。 碳溶入-Fe和-Fe铁中所形成的固溶体为铁素体和奥氏体 。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化 合物相Fe3C，称做渗碳体。 碳原子溶入-fe 中所形成的固溶体称做高温铁素体。它在 1400以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和 性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。固态铁碳 合金的基本组成相是铁素体，奥氏体和渗碳体。 DateDate 2 2 电厂金属材料 一、铁素体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的 -Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以铁 素体对碳的溶解度很小。在727时最大固溶度为0.02%,而在室温时固溶 度几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近，其数值如下： 抗拉强度Rm 250Mpa， 屈服强度RE 140Mpa 断后延伸率A11.3 40%-50% 冲击韧性K 200 J/cm2 布氏硬度HBS 80 由此可见，铁素体有优良的塑 性和韧性，但强度，硬度较低 ，在铁碳合金中是软韧相。铁 素体是912以下的平衡相， 也称做常温相，在铁碳相图中 用符号F表示。 DateDate 3 3 电厂金属材料 二、奥氏体 碳原子溶入-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具 有面心立方格的-Fe的间隙半径为0.052nm，比-Fe的 间隙稍大，在1148时碳原子在其中的最大固溶度为 2.11%。随着温度的降低，碳在-Fe中的固溶度下降，在 727时是0.77%。 奥氏体是727以上的平衡相，也称高温相。在高温下， 面心立方格晶体的奥氏体具有极好是塑性，所以碳钢具有 良好的轧、锻等热加工工艺性能。在铁碳相图中，奥氏体 通常用符号A表示。 DateDate 4 4 电厂金属材料 三、渗碳体 渗碳体是铁与碳原子结合形成的 具有金属性质的复杂间隙化合物 。它的晶体结构复杂，属于复杂 八面体结构，分子式为Fe3C，含 碳量6.69%。 渗碳体的硬度很高，HV800，但 极脆，塑性和韧性几乎是零，强 度Rm=30Mpa左右。在铁碳合金中 ，它是硬脆相，是碳钢的主要强 化相。渗碳体在碳钢中的含量和 形态对钢的性能有很大影响。它 在铁碳合金中可以呈片状、粒状 、网状和板状形态存在。 在高温时，钢和铸铁中的渗碳体 在一定时间会发生下面的分解反 应，析出石墨态的碳。 Fe3C 3Fe+C（石墨） DateDate 5 5 电厂金属材料 一、相图图形介绍 在铁碳合金系中，含碳量高于6.69%的铁碳合金性能极脆， 没有使用价值。因此只研究FeFe3C，即含碳量小于6.69% 这一部分，通常称为FeFe3C相图，也称铁碳合金相图。 在FeFe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合 金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图。 包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但 它是在1400以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金 的组织和性能都没有什么影响，故不予研究。FeFe3C相图 可简化为图2-2的形式。 第二节 铁 碳 合 金 相 图 DateDate 6 6 电厂金属材料 L4.3 A2.11 +Fe3C 恒温 1148 恒温 727 相图的右上部为共晶相图，在1148时，含碳量4.3%的合金发生共晶反应： A0.77 F0.02+Fe3C 反应生成铁素体与渗碳体组成的机械混合物共析体，称作珠光体，以符号P表示。 以上反应生成奥氏体与渗碳体组成的机械混合物共晶体，称为莱氏体，以符号Ld表示。 相图的下部为共析相图。共析相图与共晶相图相似，所不同的是共晶相图是从 液相中同时析出两个固相，产物称作共晶体；而共析相图则是从一个固相中同时 析出两个新的固相，产物称作共析体。在铁碳合金中，含碳0.77%的奥氏体在 727时发生共析反应： DateDate 7 7 电厂金属材料 珠光体也是铁碳合金中室温时的一个平衡组织，其力学性能数据如下： 布氏硬度 HBS 180 断后延伸率 A11.3 20%25% 冲击韧性 aK 3040J/cm 强度极限Rm 750Mpa 二、相图中点、线和相区的意义 铁碳合金相图中主要点的温度、含碳量及涵意见表2-1所示。 特性 点 温度（ ） 含碳量（ ） 特性点含义 A15380纯铁的熔点 C11484.3共晶点 D12276.69渗碳体的熔点 B11482.11碳在奥氏体中的最大溶解 度 G9120-Fe -Fe的同素异构转 变点 S7270.77共析点 DateDate 8 8 电厂金属材料 DateDate 9 9 电厂金属材料 铁碳合金下图中各主要线的意义是： AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。 ECF为共晶线。若含碳量在ECF线投影范围（2.11%6.69%）内，铁碳合金在1148 时必然发生共晶反映，形成莱氏体。 ES为碳在奥氏体中溶解度变化线，简称Acm。从这根线可以看出，碳在秋耕氏体中 的最大溶解度是在1148时，可溶解碳2.11%，布在727时，由于碳在奥氏体中的 溶解度会降低，会从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次 渗碳体（Fe3CII）,以区别从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe3CI)。 GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体起始温度线,简称A3线. GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线. PSK为共析线,简称A1线.合金含碳量在PSK线投影范围（0.02%6.69%）内时，奥氏体在 727时必然发生共析反应，形成珠光体。 DateDate1010 电厂金属材料 PQ为碳在铁素体中溶解度变化线。从该线可看出，碳在铁素体中最大溶解度是在 727时，可溶解碳0.0218%，在室温仅能溶解碳0.008%。故一般铁碳合金凡是从 727缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（ Fe3CIII）。 因三次渗碳体数量极少，对力学性能影响不大，常予忽略。所谓一次二次，三次渗 碳体，仅在其来源，大小和分布上有所不同；但是其含量，晶体结构和性能均相同。 当然，其本身细碎些，对脆性的影响就小一些。 简化的铁碳合金下图共有一个液相和三个固相，在相图中分别占有四个单相区，即L，A ，F及Fe3C;渗碳体也可作为铁碳相图的一个组元，它的成分是固定不变的，因此在相图 上它的相区仅是一条竖直线。 相图中有五个相区，即L+A、L+Fe3C、A+F及F+Fe3C。相图中的两条水平线是三相平 衡线上有三个点,分别与三个单相区以点相连接,当发生三相平衡反应时,三个平衡 相的成分即这三个点的成分,说明了温度和三个平衡相的成分是固定的. 从相图可以看出，含碳量大于0.008%时任何成分的铁碳合金在室温时都处在F+Fe3C相区内，即合金的相结构都要 由这两相组成。但这两个相的相对量不同，相的形态和分布不同，即组织不同，合金的性能会在很大范围之内变化 。 DateDate1111 电厂金属材料 三、典型合金结晶过程及室温组织 工程上使用的铁碳合金分为钢和铸铁两大类，它们的区别在于所含碳量 不同。含量碳量小于2.11%的，称为铸铁。 在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将钢和铸铁分为共 析钢，亚共析钢，过共析钢。共晶白口铸铁，亚共晶白口铸铁和过共晶白 口铸铁等六种典型合金，如图23所示。 DateDate1212 电厂金属材料 （一）共析钢 图23中合金称为共析钢，其含碳量为0.77%。 当温度在1点以上时，合金为液相； 温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体； 温度降至12点之间时，从液相中继续析出奥氏体。它的特点是液相不 断减少，固相奥氏体不断增加。剩下的液相的成分沿AC 变化，奥氏体 的成分 沿AE线变化。 当温度降至2点时，合金全部线结晶成奥氏体，温度降至23点之间时 ，合金为单相奥氏体，奥氏体组织不变。 温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727温度下发生 共析反应。从奥氏体中同时析出含碳量为0.02%的铁素体F和渗碳体Fe3C 的共析组织，即珠光体P。 DateDate1313 电厂金属材料 珠光体是在727恒温下生成的，温度降到室温时组织基本不发生变 化。只是铁素体的含量碳量从0.025降至几乎为零，碳则以微量三次 渗碳体的形式沉淀出来，计算时可以忽略不计。 恒温 727 共析钢的结晶过程如图24所示。珠光体的显微组织如图2-5所示，铁素体与 渗碳体呈层片状相间而生，有类似贝壳的光泽，故名珠光体。共析钢的结晶过 程用反应式表示为： LL+A P DateDate1414 电厂金属材料 (二)亚共析钢 含碳量低于0.77%的钢均称为亚共析钢。 以图23中合金为例，亚共析钢的结晶过程，如图26所示。 合金从液相冷却到1.2点以后，结晶出单相的奥氏体组织； 温度继续降至22点之间时，奥氏体组织不变； 当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形 核，随着温度降低而长大； 温度降至4点时，根据杠杆定律先结晶出的铁素体相的量为4S/（PS），其成分沿 着GP线变化至P点（含碳0.02%），称作初生铁素体；剩下的奥氏体相的量为P4/（ PS），其成分沿着GS线变化至S点（含碳0.77%）。这时剩下奥氏体的成分和温度 已具备珠光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共 析钢奥氏体的一部分转变为初生铁素体（图27中白色晶粒），另一部分转变为 珠光体组织（图27黑色部分）。温度将继续降至室温时，显微组织基本不变（ 三次渗碳体忽略不计） 为铁素体+珠光体（F+P）。 DateDate1515 电厂金属材料 图27 亚共析钢的显微组织 DateDate1616 电厂金属材料 铁素体与珠光体的相对量可用杠杆定律在GPS相区（P+F）的PS线上计算出，称作组 织相对量。 合金（2）中，珠光体量为：Qp=P4/PS100% 铁素体量为：QF=1Qp 或 QF=4SPS100% 随着亚共析钢含碳量的增加，组织中的珠光体量增加，从0%增加到100%；当含碳 量增加到0.77%时，珠光体为100%，即共析钢组织。 珠光体中的铁素体，称作共析铁素体，渗碳体称作共析渗碳体。室温时，铁碳合金 的相结构只有铁素体和渗碳体。可以利用杠杆定律在F+Fe3C的两相区中计算出亚 共析钢铁素体与渗碳体的相对量，称作相的相对量： QF=（6.69）/（6.690.02）100% QFe3C=1QF 式中亚共析钢的含碳量。 计算出的QF为初生铁素体与共析铁素体之和。 亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L L+A A FA F+P DateDate1717 电厂金属材料 含碳量在0.772.11%的钢,均统称为过共析钢. 以图2-3中合金3为例,过共析钢的结晶过程如图2-8所示. 合金从液相冷却至1、2点以后，结晶出单相奥氏体组织； 温度继续冷却至23之间时，奥氏体组织不变；温度降至3点时，碳在奥氏体中达到 饱和，开始析出Fe3C，称作二次渗碳体，写作Fe3CII。Fe3CII沿着奥氏体晶界析出，呈 网状分布(图29)，随着温度降低，碳在奥氏体中溶解度下降，不断析出。 温度降至4点（727）时，析出的二次渗碳体可用杠杆定律在AFe3C两相区SK线上 计算出来。 （三）过共析钢 DateDate1818 电厂金属材料 式中 过共析钢的含碳量 剩余的奥氏体量为1QFe3CII，其成分已沿着SE线变化至S点，已具备 珠光体转变的条件，在727时发生共析反应，转变为珠光体。珠光体的 组织相对量为： Qp1QFe3CII 或 Qp 利用杠杆定律可以在F+Fe3C两相区中计算出铁素体与渗碳体相的相对量 ： QFe3C1QF QFe3CII= Lg L+A Ag Fe3CII A Fe3CII +As
