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材料科学基础 第四章 材料的相结构和相图 －3 材料科学基础 1. Fe—C合金的组织和性能 Ø 钢(Steels)和铸铁(Cast irons)是应 用最广的金属材料，虽然它们的种 类很多，成分不一，但是它们的基 本组成都是铁(Fe)和碳(C)两种元素 ，故统称为铁碳合金（alloys of the iron－carbon system） Ø铁碳相图是一个较复杂的二元合金 相图，它概括了钢铁材料的成分、 温度与组织之间的关系 材料科学基础 在铁碳合金中，Fe与C可以形成一系列化合物：Fe3C、 Fe2C、FeC通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分 材料科学基础 5个单相区， 7个两相区 三条水平线 ， 三条特征 线 材料科学基础 1.Fe—C合金中的组元 Ø铁碳合金中组元：纯铁(Fe) 渗碳体（Fe3C） 材料科学基础 A. 纯铁 Ø纯铁（pure iron） 熔点1538℃，汽化点2738℃，密度 7.87g/㎝³ Ø纯铁固态下具有同素异构转变：912°C以下为体心立方 (bcc)晶体结构，912°C到1394°C之间为面心立方(fcc)结 构, 1394°C到熔点之间为体心立方(bcc)结构。

Ø Ø纯铁具有磁性转变（768℃磁性转变、magnetic transformation）纯铁的强度低，塑性好(软)，很少 用于结构材料主要利用铁磁性（ferromagnetism） 材料科学基础 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化 材料科学基础 纯铁的显微组织 材料科学基础 B. 渗碳体(Fe3C) §渗碳体（cementite）是Fe—C合金中碳以化合物 (Fe3C)形式出现的它具有复杂的晶格(正交晶系) Fe3C是由C原子构成的一个斜方晶格， 原子周围有六 个Fe原子，构成一个八面体，而每个Fe原子属于两个 八面体共有，Fe:C=3:1 材料科学基础 ØFe3C的晶体结构 可以看作由6个 铁原子构成的三 角棱柱和在柱内 的一个碳原子连 接而成，角上的 铁原子为2个三 角棱柱共享 ØFe3C的晶体结构 的结构单元是4 个取向不同的这 样的三角棱柱构 成三角棱柱在 c轴方向分两层 ，每层三角棱柱 体都有2种取向 材料科学基础 Ø Fe3C中各铁原子之间是纯金属键，铁原子和碳 原子之间可能同时存在金属键和离子键 左图为在（001） 面上的投影，一个 晶胞内有12个铁原 子4个C原子 右图为4个相邻的 晶胞在（001）面 上的投影及其组成 的三棱柱（实三棱 柱在上层，虚三棱 柱在下层） 材料科学基础 B. 渗碳体(Fe3C) § Fe3C熔点为1227℃，Fe3C是一种亚稳化 合物，在一定条件下，渗碳体可以分解 而形成石墨状的自由碳：Fe3C→3Fe + C( 石墨)。

所以Fe—Fe3C相图为介稳定系相 图，Fe－C相图为稳定系相图，若把Fe— Fe3C相图与Fe－C相图画在同一图上， 称为Fe－C合金双重相图 材料科学基础 材料科学基础 B. 渗碳体(Fe3C) ØFe3C在230℃以下具有铁磁性，常用A0表示这 个临界点 Ø Fe3C在钢和铸铁中呈现片状，粒状，网状和板 条状渗碳体硬而脆(HB800)，塑性极低，延 伸率接近于0它是钢铁材料中的主要强化相 ØFe3C中碳和Fe可以被其它元素替代形成以Fe3C 为基的固溶体Fe被Cr、Mn等原子金属置换 ，形成以Fe3C为基的固溶体，称为合金渗碳体 材料科学基础 2. Fe—C合金中的基本相 Ø在Fe—Fe3C相图中，Fe—C合金在不同条件(成 分，温度)下，可有六个基本相： L相、δ相、γ 相（A）、α相(F)、Fe3C相、石墨（C） Ø（1）液相(L) Fe与C在高温下形成的液体溶 液ABCD线以上) Ø（2）δ相[高温铁素体（high temperature ferrite）] C在δ－Fe的间隙固溶体在 1459℃时最大溶解量可达0.09%，为bcc结构， Ø（3）渗碳体（cementite） Fe-C相图 材料科学基础 Ø（4） 奥氏体（austenite） 奥氏体(γ或A)是C溶解于γ—Fe形成的间隙固溶 体称为奥氏体（austenite）。

具有面心立方晶 体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148°C时 最多可以溶解2.11%的碳，到727°C时含碳量降 到0.8%碳原子存在于面心立方晶格中正八面 体的中心，单相γ区存在于NJESG区域内（727- --1459℃） 奥氏体的硬度(HB170~220)较低，塑性(延伸率δ 为40%~50%)高奥氏体的显微组织见下图γ 是顺磁性（paramagnetism）晶粒呈平直多边 形 Fe-C相图 材料科学基础 碳在γ－Fe晶格中的位置 奥氏体的显微组织 材料科学基础 Ø（5）铁素体（ferrite） Ø铁素体（α或F）是C溶于α－Fe形成的间隙固 溶体称为铁素体（ferrite）C原子溶于八面 体间隙单相α相在CPQ以左部分铁素体的 含碳量非常低，在727℃时C在α－Fe中最大溶 解量为0.0218%，室温下含碳仅为0.005%， Ø所以其性能与纯铁相似：硬度(HB50-80)低， 塑性(延伸率δ为30%~50%)高铁素体的显微 组织与工业纯铁相同晶粒常呈多边形是铁 磁性，具有bcc结构 Ø（6） 石墨（C） 在一些条件下，碳可以以 游离态石墨（graphite） (hcp)稳定相存在。

所以石墨对于Fe—C合金中铸铁也是一个基本 相 Fe-C相图 材料科学基础 3. Fe—Fe3C相图分析 Ø根据分析围绕三条水平线可把Fe —Fe3C相图分解为三个部分考虑 ：左上角的包晶部分，右边的共 晶部分，左下角的共析部分 Ø Ø分析点、线、区特别是重要的点 、三条水平恒温转变线 、重要的 相界线 Fe-C相图 材料科学基础 （1）Fe—Fe3C相图的点 Ø Fe—Fe3C 相图相图中 的各特性点 所对应的温 度、成分和 意义如下表 ：A、B、 C、D、E 、F、G、 H、J、K、 N、P、S、 Q各点 Fe-C相图 材料科学基础 （2）Fe—Fe3C相图的线 ØFe—Fe3C相图有一些特性线，它 们是由不同成分合金具有相同意 义的点连接起来的 Ø有三条水平恒温转变线，二条磁 性转变线(水平)和三条重要的相 界线 Fe-C相图 材料科学基础 A.三条水平恒温转变线 Ø ①包晶线：HJB线（1459℃），J为包晶点， wc=0.09～0.53%的Fe、C合金缓冷到HJB线均 发生包晶反应，即： Ø L0.53+δ0.09→α0.17 （LB+δH→αJ） Ø 材料科学基础 Ø②共晶线： ØECF水平线（1148℃），C点为共晶点，wc=2.11～ 6.69%的Fe、C合金缓冷到EFC线均发生共晶反应，即 ： Ø L4.30→γ2.11+ Fe3C （LC→γE+ Fe3C） Ø转变产物为γ和Fe3C组成的共晶混合物称为莱氏体（ ledeburite），用Ld表示。

Ø 材料科学基础 Ø③共析线：PSK水平线（727℃），S点为共析 点凡wc0.0218%的Fe、C合金冷却到PSK线 均发生共析反应，即： Ø γ0.77→α0.0218 + Fe3C （γS→αP+ Fe3C） Ø 转变产物为α和Fe3C组成的机械混合物称为珠 光体（pearlite），用P表示共析转变温度常 用A1表示 材料科学基础 B. 两条磁性转变线 Ø ① 230℃为水平线为Fe3C的磁性转变线， 230℃以上Fe3C无磁性，230℃以下为铁磁性 常用A0表示 Ø ② 770℃为α的铁磁性转变线770℃以上无 铁磁性，770℃以下为铁磁体常用A2表示， 又称居里点 材料科学基础 C. 几条重要的相界线(固态转变线) Ø① GS线：A 中开始析出α 或α全部溶入( 升温时) γ的转 变线常用A3 表示因这条 线在共析转变 线以上，故又 称为先共析α 相开始析出线 常称为A3线 或A3温度 Ø 材料科学基础 Ø② ES线：C在γ 中溶解度曲线 常用Acm表示 ，称为Acm温度 低于此温度 ，溶解度降低 ，将析出Fe3C 为了区别自 液(CD线)态合 金中直接析出 的一次Fe3C， 将γ中析出的 Fe3C称为二次 Fe3C。

材料科学基础 Ø③ PQ线：C在α中 溶解度曲线在 727℃时，C在α中 的最大溶解度 0.0218%，但温度 下降，C在中溶解 度下降，会析出少 量的渗碳体，，称 为三次Fe3C以区 别于沿CD线和ES 线析出的Fe3C 材料科学基础 （3）Fe—Fe3C相图中的区 Ø 5个单相区：L、δ、γ、α, Fe3C Ø 7个两相区：L+δ、L+γ、L+ Fe3C、 δ+γ、γ+ Fe3C、γ+α、α+ Fe3C · Ø3个三相共存区： ØL+γ+ Fe3C（ECF线）、 ØL+δ+γ（HJB线）、 Øγ+α+ Fe3C（PSK线） Fe-C相图 材料科学基础 4. Fe—C合金分类 ØFe、C合金通常按其含碳量(Wc)及 其室温平衡组织分为三大类： Ø工业纯铁（pure iron）、 Ø碳钢（carbon steel）、 Ø铸铁（cast iron） Ø根据碳钢和铸铁的相变、组织特征 可把二者细分 Ø（1）工业纯铁：(Wc0.0218%)显 微组织为固溶体 材料科学基础 Ø（2）钢 Ø钢（steel）是含碳量在(Wc=0.0218～2.11%)之 间的Fe、C合金其特点是： Ø高温组织为单相的γ，具有很好的塑性。

因而可 以进行锻造、轧制等压力加工根据其室温组 织的不同，碳钢（carbon steel）又可分为： Ø共析钢（eutectoid steel）：Wc=0.77% Ø亚共析钢（hypoeutectoid steel）：Wc=0.0218 ～0.77% Ø过共析钢（hypereutectoid steel）：Wc=0.77～ 2.11% Fe-C相图 材料科学基础 Ø（3）白口铸铁 Ø白口铸铁（white cast iron）是含碳量在Wc=2.11～ 6.69%之间的Fe、C合金其特点液态合金结晶时都发 生共晶反应，液态时有良好的流动性，因而铸铁都具 有良好的铸造性能但因共晶产物是以Fe3C为基的莱 氏体组织，所以性能很脆，不能锻造它们的断口呈 银白色，故称为白口铸铁根据白口铸铁室温组织不 同，可分为三种： Ø共晶白口铸铁（eutectoid cast iron）：Wc=4.30% Ø亚共晶白口铸铁（hypoeutectoid cast iron）：Wc=2.11 ～4.30% Ø过共晶白口铸铁（hypereutectoid cast iron）： Wc=4.30～6.69% 上述Wc=2.11%具有重要的意义，它是钢和铸铁(生铁)的 理论分界线。

Fe-C相图 材料科学基础 6. Fe－C合金的平衡结晶过程及组织 Ø（1）工业纯铁 以 Wc=0.01%的合金为例 材料科学基础 Ø室温组织为：α+ Fe3CⅢ ØFe3CⅢ最多为0.33% Ø转变过程： L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+ Fe3CⅢ Ø Ø 匀晶转变＋多晶型转变＋脱溶沉淀 材料科学基础 工业纯铁室温组织图（200×） 材料科学基础 （2）共析钢（Wc=0.77%） Ø 冷却曲线如图： Ø 材料科学基础 Ø过程如下： Ø L→L+γ→γ→P+γ→P（α+ Fe3C） Ø 匀晶转变＋共析转变＋脱溶沉淀 Ø室温组织为P（α+ Fe3C），P呈层片状 ，是α和Fe3C的层片交替重叠的机械混合 物如5－52图中的白色片状为α，黑色 片状为Fe3C Ø 材料科学基础 材料科学基础 （3）亚共析钢 亚共析钢（Wc=0.0218～0.77%） § 冷却曲线如图： § FLASH 材料科学基础 材料科学基础 § 过程如。