铁碳合金相图.docx

铁碳合金相图非合金钢［〔GB/T 13304-91〕，将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类］和铸铁是应用极其广泛的重要金属材料，都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金了解铁碳合金成分与组织、性能的关系，有助于我们更好地研究和使用钢铁材料本章将着重讨论铁碳相图及其应用方面的一些问题铁与碳可以形成一系列化合物：FesC、Fe?C、FeC等Fe3c的含碳量为 6.69%,铁碳合金含碳量超过 6.69%,脆性很大，没有实用价值，所以本章讨论的铁碳相图，实际是 Fe- Fe3c相图相图的两个组元是Fe和Fe3c3.1 Fe-Fe3c系合金的组元与根本相3.1.1 组元⑴纯铁 Fe是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538C, 20 c时的密度为 7.87 103kg/m2纯铁在不同的温度区间有不同的晶体构造〔同素异构转变〕，即：1M40C.-Fe〔体心〕工 F -Fe〔面心〕y> - Fe〔体心〕工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b =180〜230 MPa ,屈服强度 0.2 = 100〜170MPa ,伸长率30〜50%,硬度为50〜80HBS可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做构造材料，由于有高的磁导率，主要作为 电工材料用于各种铁芯。

⑵Fe3c Fe3c是铁和碳形成的间隙化合物，晶体构造十分复杂，通常称 渗碳体，可用符 号cm表示Fe3c具有很高的硬度但很脆， 硬度名勺为950〜1050HV ,抗拉强度 b =30 MPa , 伸长率 03.1.2 根本相Fe-Fe3c相图中除了高温时存在的液相L,和化合物相Fe3c外，还有碳溶于铁形成的几种间隙固溶体相：⑴ 高温铁素体碳溶于-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号 表示⑵ 铁素体 碳溶于 -Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号 或F表示F中碳 的固溶度极小，室温时约为0.0008% ,600 C时约为0.0057%，在727c时溶碳量最大，约为0.0218%,但也不大，在后续的计算中，如果无特殊要求可忽略不计力学性能与工业纯铁 相当⑶ 奥氏体 碳溶于-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号 或A表示奥氏体中 碳的固溶度较大，在 1148c时最大达2.11%奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形3.2.1 Fe -Fe3c相图中各点的温度、含碳量及含义Fe-Fe3c相图及相图中各点的温度、含碳量等见图3.1及表3.1所示图3.1及表3.1中代表符号属通用，一般不随意改变。

图 3.1 Fe-Fe3c相图c, % （重量）-表3.1相图中各点的温度、含碳量及含义符号温度〔C〕含碳量［%〔质量〕］含义A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转艾时液态合金的成分C11484.30共晶点D12276.69Fe3c的熔点E11482.11碳在丫-Fe中的取大溶解度F11486.69Fe3c的成分G9120a-F1 丫-Fe同素异构转变点H14950.09碳在o-Fe中的取大溶解度J14950.17包晶点K7276.69Fe3c的成分N13940丫Fe一 S-Fe同素异构转变点P7270.0218碳在a-Fe中的取大溶解度S7270.77共析点Q6000.0057600c〔或室温〕时碳在“ -Fe中的最大溶〔室温〕(0.0008)解度3.2.2 Fe-Fe3c相图中重要的点和线3.2.2.1 三个重要的特性点⑴J点为包晶点合金在平衡结晶过程中冷却到1495c日B点成分的L与H点成分的发生包晶反响，生成 J点成分的A包晶反响在恒温下进展，反响过程中 L、、A三相共存，反响式为：Lb h 芦1 Aj或Lo.530.09 1A⑵C点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1148c时。

C点成分的L发生共晶反 响，生成E点成分的A和FesC共晶反响在恒温下进展，反响过程中 L、A、Fe3c三相共 存，反响式为： Lc L , - Ae Fe3c 或 L43 L > - A.” Fe3C共晶反响的产物是 A与Fe3c的共晶混合物，称 莱氏体，用符号Le表示，所以共晶反响 式也可表达为：L4.3 月，r Le4.3莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状 A〔727 C时转变为珠光体〕分布在渗碳体基体上⑶S点为共析点合金在平衡结晶过程中冷却到727c日S点成分的A发生共析反响，生成P点成分的F和Fe3c共析反响在恒温下进展，反响过程中 A、F、Fe3c三相共存， 反响式为：As 丁？、Fp Fe3c 或 A、：, 入Mt . Fo.0218 Fe3c共析反响的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物，称 珠光体，用符号P表示，因而共析 反响可简单表示为：Aw—^ P0.77P中的渗碳体称为共析渗碳体在显微镜下P的形态呈层片状在放大倍数很高时，可 清楚看到相间分布的渗碳体片〔窄条〕与铁素体片〔宽条〕P的强度较高，塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间，其机械性能如下：抗拉强度〔b〕 770MPa延伸率〔〕20〜35%冲击韧性〔aj30〜40J/cm2硬度〔HB〕180kgf/mm23.2.2.2 相图中的特性线相图中的abcd为液相线；ahjecf为固相线。

⑴水平线HJB为包晶反响线碳含量0.09〜0.53%的铁碳含金在平衡结晶过程中均发生包晶反响⑵水平线EcF为共晶反响线碳含量在 2.11〜6.6贽之间的铁碳合金，在平衡结晶过程 中均发生共晶反响⑶水平线PSK为共析反响线碳含量0.0218〜6.69%之间的铁碳合金，在平衡结晶过程中均发生共析反响PSK线在热处理中亦称 A线4)线是合金冷却时自 A中开场析出F的临界温度线，通常称 A线⑸ES线是碳在A中的固溶线，通常称Acm线由于在1148c日A中溶碳量最大可达2.11%,而在727c时仅为0.77%,因此碳含量大于 0.77%的铁碳合金自1148c冷至727c的 过程中，将从A中析出Fe3c析出的渗碳体称为 二次渗碳体〔Fe3c”〕人刀线亦是从A中 开场析出Fe3Gi的临界温度线6) PQ线是碳在F中的固溶线在 727c日F中溶碳量最大可达 0.0218%,室温时仅为 0.0008%,因此碳含量大于 0.0008%的铁碳合金自 727c冷至室温的过程中，将从 F中析出 Fe3c析出的渗碳体称为 三次渗碳体〔Fe3c“i〕PQ线亦为从F中开场析出Fe3cm的临界 温度线Fe3CIII数量极少，往往可以忽略。

下面分析铁碳合金平衡结晶过程时，均忽略这一析出 过程3.3典型铁碳合金的平衡结晶过程根据Fe-Fe3c相图，铁碳含金可分为三类：⑴工业纯铁 C 0.0218%亚共析钢 0.0218% C 0.77%⑵钢 0.0218% C 2.11% 共析钢 C 0.77%过共析钢0.77 C 2.11亚共晶白口铸铁 2.11% C4.3%⑶白口铸铁2.11%C6.69% 共晶白口铸铁 C 4.3%过共晶白口铸铁 4.3% C 6.69%下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进展分析3.3.1 工业纯铁以含碳0.01%的铁碳合金为例，其冷却曲线〔如图3.2〕和平衡结晶过程如下合金在1点以上为液相L冷却至稍低于1点时，开场从L中结晶出 ，至2点合金全 部结晶为从3点起，逐渐转变为A,至4点全部转变完了4-5点间A冷却不变自A d -H05点始，从A中析出F F在A晶界处生核并长大， 至6点时A全部转变为F在6-7点间F冷却不变在7-8点间，从F晶界析出Fe3Cw因此合金的室温平衡组织为 F + FesC”F呈白色块状；Fe3Cm量极少，呈小白片状分布于 F晶界处假设忽略 Fe3Cw ,那么组织全为F图3.2工业纯铁结晶过程示意图3.3.2共析钢其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.3所示。

合金冷却时，于1点起从L中结晶出A,至2点全部结晶完了在 2-3点间A冷却不变至 3点时，A发生共析反响生成 P从3'继续冷却至4点，P皆不发生转变因此共析钢的 室温平衡组织全部为 P, P呈层片状共析钢的室温组织组成物也全部是P ,而组成相为F和Fe3c ,它们的相对质量为：6.690.77F% 100% 88%；FesC% 1 F % 12%6.69t s3.3.3亚共析钢以含碳0.4%的铁碳含金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.4所示合金冷却时，从1点起自L中结晶出 ，至2点时，L成分变为0.53% C, 变为0.09% C,发生包晶反响生成 A反响完毕后尚有多余的 L2'点以下，自L中不断结晶出 A, 至3点合金全部转变为 A在3-4点间A冷却不变从4点起，冷却时由A中析出F, F在 A晶界处优先生核并长大，而A和F的成分分别沿GS和GP线变化至5点时，A的成分变为0.77% C , F的成分变为0.0218% C此时A发生共析反响，转变为 P , F不变化 从5'继续冷却至6点，合金组织不发生变化， 因此室温平衡组织为 F + PF呈白色块状； P呈层片状，放大倍数不高时呈黑色块状。

碳含量大于0.6%的亚共析钢，室温平衡组织中的F常呈白色网状，包围在 P周围图3.4亚共析钢结晶过程示意图含0.4% C的亚共析钢的组织组成物〔 F和P〕的相对质量为： 0.40.02P% 100% 51%; F% 1 51% 49%0.770.02组成相〔F和Fe3c〕的相对质量为：6.690.4F% 100% 94%； Fe3C% 1 94% 6%6.693由于室温下F的含碳量极微，假设将F中的含碳量忽略不计， 那么钢中的含碳量全部在 P中，所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算即根据 P的含量可求出钢的含 碳量为：C% P% 0.77 % o由于P和F的密度相近，钢中 P和F的含量〔质量百分数〕可以近似用对应的面积百分数来估算图3.5过共析钢结晶过程示意图3.3.4过共析钢以碳含量为1.2%的铁碳合金为例，其冷却曲线和平衡结晶过程如图3.5所示合金冷却时，从1点起自L中结晶出A ,至2点全部结晶完了在2-3点间A冷却不变, 从3点起，由A中析出Fe3Cn , FesCu呈网状分布在 A晶界上至4点时A的碳含量降为 0.77% , 4-4'发生共析反响转变为 P,而Fe3C“不变化。

在4' -5点间冷却时组织不发生转 变因此室温平衡组织为Fe3C“ + P在显微镜下，Fe3呈网状分布在层片状 P周围含1.2% C的过共析钢的组成相为 F和Fe3c ;组织组成物为Fe3C”和P ,它们的相对质一,1.20.77量为：Fe3CII% 100% 7%; P% 1 7% 93%36.690.773.3.5 共晶白口铸铁共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图3.6所示图3.6共晶白口铸铁结晶过程示意图合金在1点发生共晶反响，由L转变为〔高温〕莱氏体 Le〔 A+ Fe3c］在1 ' -2点间， Le中的A不断析出Fe3Cii FesC”与共晶Fe3c无界限相连，在显微镜下无法分辨，但此时 的莱氏体由A+ Fe3 Fe3c组成。