第五章-鐵碳合金相圖

1第五章Fe-C合金相圖5.1純鐵及鐵碳合金中的相5.2Fe-Fe3C相圖分析5.3合金的成分與組織、性能的關(guān)系5.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用及局限性2鐵和碳可以形成的一系列化合物，即Fe3C、Fe2C、FeC等。Fe-C相圖可分為幾部分：FeFe3CFe2CFeCCC,%6.69%9.70%17.7%脆性大，無實(shí)用意義5.1純鐵及其鐵碳合金相912℃

1394℃一、工業(yè)純鐵及其特性工業(yè)純鐵指含雜質(zhì)為0.10～0.20％的純鐵，sb、HB低，d、aK

好。（一）特性：1.純鐵具有同素異晶轉(zhuǎn)變：在固態(tài)不同溫度發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變。

即α-Feγ-Feδ-Fe(BCC)(FCC)(BCC)sb=180~230MPaHB=50~80d=30~50%aK=160~200J/cm2j=70~80%主要利用其高的導(dǎo)磁率，作電工材料。5.1純鐵及其鐵碳合金相4二、鐵碳合金相組元：

純鐵、滲碳體基本相：

鐵素體（α）

奧氏體（γ）

滲碳體（Cm）基本組織：珠光體（P）

萊氏體（Le/Le’）5.1純鐵及其鐵碳合金相5

(1)

α相：又稱為鐵素體－Ferrite：碳原子溶入α-Fe的間隙形成的固溶體，用“F”或“a”表示。呈體心立方晶格，最大含碳量為0.0218%，(P點(diǎn))溫度為727℃。性能：бb、HB低，δ、αK

好。二、鐵碳合金相5.1純鐵及其鐵碳合金相6（2）g相：又稱為奧氏體－Austenite：是碳原子溶入γ-Fe中的間隙形成的固溶體，用“A”或“g”表示，具有FCC晶體結(jié)構(gòu)

。含碳量為－727℃時(shí)為0.77%；1148℃時(shí)為2.11％性能：高塑性、高韌性、良好的鍛造性能，強(qiáng)度、硬度較低.二、鐵碳合金相5.1純鐵及其鐵碳合金相7（3）Cm相：

Fe3C為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，屬于正交晶系，含碳量為6.69％，通常稱為“滲碳體”。性能：高硬度，高脆性，塑性近似為零，加熱易分解。sb=30MPaHB=800d=0物相形貌：滲碳體根據(jù)形成條件不同，有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等，對(duì)性能有較大影響。Fe3C3Fe＋C（石墨）石墨具有六方結(jié)構(gòu),強(qiáng)度、硬度極低二、鐵碳合金相5.1純鐵及其鐵碳合金相85.2鐵碳合金相圖分析＋Fe3C＋Fe3C＋＋L＋L＋L＋Fe3CL1148℃1538℃B

1495℃727℃912℃GACDEPSFHNQJKC％(重量)0

Fe6.69

Fe3C2.114.30.770.0218H：0.09J：0.17B：0.531394℃9符號(hào)溫度（℃）含碳量（%）說明A15380純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液相合金的成分C11484.30共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體的熔點(diǎn)(計(jì)算值)E11482.11C在奧氏體中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（A3）H14950.09C在中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)K7276.69滲碳體的成分L06.69滲碳體的成分M7700純Fe的居里點(diǎn)N13940-Fe-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)（A4)O7700.5鐵素體的磁性轉(zhuǎn)變溫度P7270.0218C在中的最大溶解度Q室溫0.0008室溫時(shí)C在中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)（A1）一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析相圖中的點(diǎn)相圖中的五個(gè)單相(區(qū))相圖中的三條水平線相圖中的七個(gè)兩相區(qū)一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析（一）相圖中重要的點(diǎn)、線、區(qū)相及相區(qū)

相區(qū)：五個(gè)單相區(qū)：L、d、

A、F、Fe3C。七個(gè)雙相區(qū)：L＋A、L＋d、

L+Fe3C、d

＋A、A＋F、A＋Fe3C、F＋Fe3C。三個(gè)三相區(qū)：L+d+A、

L＋A＋Fe3C、F+A+Fe3C相：L、d、A、F、Fe3C五個(gè)相。線:(一)液相線-ABCD線

(二)固相線-AHJECF線(三)三條水平線

共晶線－ECF線

包晶線－HJB線

共析線－PSK線－A1線一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析（一）相圖中重要的點(diǎn)、線、區(qū)J為包晶點(diǎn):

1495℃時(shí),B點(diǎn)成分的L與H點(diǎn)成分的δ發(fā)生包晶反應(yīng),生成J點(diǎn)成分的γ。C點(diǎn)為共晶點(diǎn)：

1148℃時(shí),C點(diǎn)成分的L發(fā)生共晶反應(yīng),生成E點(diǎn)成分的γ和Fe3C（萊氏體）。S點(diǎn)為共析點(diǎn)：

727℃時(shí),S點(diǎn)成分的γ發(fā)生共析反應(yīng),生成P點(diǎn)成分的α和Fe3C（P）。一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析（二）三個(gè)重要的點(diǎn)包晶反應(yīng)：L+δ＝γ共晶反應(yīng)：L＝Ld(FeC3+γ)共析反應(yīng)：γ＝P(FeC3+α)

返回一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析（三）三個(gè)重要的恒溫轉(zhuǎn)變14

萊氏體中的滲碳體稱為共晶滲碳體，在顯微鏡下為塊狀或粒狀γ分布在滲碳體基體上；性能：滲碳體連續(xù)分布，Ld塑性很差。一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析共晶反應(yīng)：L＝Ld(FeC3+γ)萊氏體15珠光體：鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，滲碳體以細(xì)片狀分散分布在鐵素體基體上，起強(qiáng)化作用。性能：強(qiáng)度較高，塑性、韌性和硬度介于α與Cm之間。層片狀一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析共析反應(yīng)：γ＝P(FeC3+α)珠光體16一、相圖分析5.2鐵碳合金相圖分析（四）三條重要的特征線＋Fe3C＋Fe3C＋＋L＋L＋L＋Fe3CL1148℃1538℃B

1495℃727℃912℃GACDEPSFHNQJKC％(重量)0

Fe6.69

Fe3C2.114.30.770.0218H：0.09J：0.17B：0.531394℃ES線(Acm)：碳在γ中的溶解度曲線，F(xiàn)e3CⅡPQ線：碳在α中的溶解度曲線，F(xiàn)e3CⅢGS線(A3)：冷卻過程中γ析出α的開始線過共析鋼共析鋼共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵碳素鋼白口鑄鐵亞共析鋼工業(yè)純鐵二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析亞共析鋼用途實(shí)例45＃鋼碳含量0.45％60＃鋼碳含量0.60％二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析共析鋼的應(yīng)用舉例T8鋼碳含量0.80％二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析過共析鋼應(yīng)用舉例T12鋼碳含量1.2％二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析過共析鋼共析鋼亞共析鋼共晶白口鐵亞共晶白口鐵過共晶白口鐵鐵碳合金碳素鋼白口（鑄）鐵工業(yè)純鐵﹤0.0218%0.0218～2.11%2.11～6.68%0.77%4.3%二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析221．當(dāng)T在T1～T2時(shí)，由L→δ2．在T2～T3時(shí)，δ的成分不變

3.在T3～T4時(shí)，由δ→A

4.T4～T5,A成分不變

5.T5～T6,由A→F

室溫組織為：F+Fe3CⅢ典型鐵碳合金在Fe-Fe3C相圖中的位置

F:白色等軸晶粒；Fe3C：呈小白片狀分布于F晶界二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（一）工業(yè)純鐵23

工業(yè)純鐵組織金相圖二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（一）工業(yè)純鐵單相液體的冷卻勻晶反應(yīng)L相中析出γ相（奧氏體A）γ單相固溶體的冷卻γ相發(fā)生共析反應(yīng)生成珠光體P二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（二）共析鋼注意事項(xiàng)共析反應(yīng)生成的珠光體在冷卻過程中，其中的鐵素體產(chǎn)生三次析出，生成Fe3CⅢ，但與共析的Fe3C連在一起，難以分辨。共析鋼的室溫平衡組織：PP：鐵素體（F）和滲碳體的兩相混合物，兩相的相對(duì)質(zhì)量是多少？二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（二）共析鋼

杠桿定律

計(jì)算二元相圖中平衡狀態(tài)下兩平衡相的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

杠桿的支點(diǎn)是兩相合金的成分點(diǎn)，端點(diǎn)分別是兩個(gè)相的成分點(diǎn)。aFe3CA(0.0008)B(6.69)0.77Ca相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fe3C相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)L相冷卻L相→δ相L相+δ相→

γ相，并且L相有剩余剩余L相→

γ相γ單相的冷卻γ相→α相，但γ相有剩余共析反應(yīng)：剩余γ相→P（α+Fe3C），存在先析α相二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（三）亞共析鋼注意事項(xiàng)先析鐵素體（α相）在隨后的冷卻過程中會(huì)析出Fe3CⅢ，但量很少可忽略亞共析鋼室溫平衡組織：先析鐵素體+珠光體P利用杠桿定律計(jì)算先析鐵素體與珠光體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算鐵素體（先析鐵素體+P光體中的鐵素體）與滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（三）亞共析鋼計(jì)算727℃下,組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)a組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)P組織組成物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)PaPA(0.0218)B(0.77)0.6C單相液體的冷卻L相→γ相γ單相固溶體（奧氏體）的冷卻γ相中析出二次滲碳體（Fe3CⅡ）共析轉(zhuǎn)變：γ相→（α+Fe3C），存在Fe3CⅡ二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（四）過共析鋼注意事項(xiàng)從奧氏體中析出的Fe3C稱為二次滲碳體Fe3CⅡ沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使材料的整體脆性加大過共析鋼室溫平衡組織：珠光體P+Fe3CⅡ利用杠桿定律計(jì)算珠光體與二次滲碳體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（四）過共析鋼單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：L→Le（γ+Fe3C）共晶中的γ相不斷析出Fe3CⅡ，不可見共析反應(yīng)：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（五）共晶白口鐵注意事項(xiàng)冷卻過程中萊氏體中的奧氏體相析出，F(xiàn)e3CⅡ，但其依附于萊氏體中的Fe3C長(zhǎng)大，不可見共晶白口鐵室溫組織：變態(tài)萊氏體Le’（珠光體呈粒狀分布在Fe3C基體上）共晶白口鐵的基體相是Fe3C脆性相，材料整體脆性較大，硬度較高二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（五）共晶白口鐵單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：剩余L→Le（γ+Fe3C）先共晶γ相不斷析出Fe3CⅡ，共晶γ相析出Fe3CⅡ不可見共析反應(yīng)：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）先共晶γ相→P勻晶反應(yīng)：L→γ相室溫組織：Le’（P+Fe3C）+P二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（六）亞共晶白口鐵單相液體的冷卻共晶反應(yīng)：剩余L→Le（γ+Fe3C）共晶γ相析出Fe3CⅡ不可見共析反應(yīng)：Le（γ+Fe3C）→Le’（P+Fe3C）勻晶反應(yīng)：L→Fe3C相室溫組織：Le’（P+Fe3C）+Fe3C二、典型合金的平衡凝固過程5.2鐵碳合金相圖分析（六）過共晶白口鐵小結(jié)α+Fe3CⅢα+PPP+Fe3CⅡP+Fe3CⅡ+Le’Le’Fe3C+Le’46相：

隨著C％↑F％↓Fe3C↑。

組織：

1.工業(yè)純鐵：F線以左（Fe3C<0.33％）

2.鋼：亞共析鋼中Fe3C呈片層狀分布在F基體上。共析鋼為100%的P。過共析鋼當(dāng)C％>1.0％后Fe3CⅡ呈網(wǎng)狀沿A晶界分布。鋼中：基體相為F，第二相為Fe3C

3.白口鐵：C％>2.11％后組織中出現(xiàn)了大量的萊氏體組織。白口鐵：基體相為Fe3C，第二相為F

含C％對(duì)Fe-C合金組織的影響5.3合金的成分與組織及性能之間的關(guān)系一、含碳量對(duì)相及組織的影響47Fe3C組織Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ

、共晶Fe3C、共析Fe3C、先共晶Fe3C、先共析Fe3C。這些滲碳體的成分和晶體結(jié)構(gòu)都相同，屬同一“相”。不同的名稱說明析出的母相不同、析出的順序不同、分布狀態(tài)不同。48（一）含碳量對(duì)力學(xué)性能的影響1.鋼(1）當(dāng)Fe3C呈片層狀分布在F基體上時(shí)為強(qiáng)

化相，P為高強(qiáng)組織。亞共析鋼隨著

C％↑P％↑，бb↑HB↑，δ↓αK

↓.(2)共析鋼的強(qiáng)度高于亞共析鋼。(3)過共析鋼當(dāng)C％＝1.0％時(shí)達(dá)到最值。

當(dāng)Fe3C呈網(wǎng)狀分布在A的晶界時(shí)使鋼的

δ↓αK↓бb↓,脆性增大。2.白口鐵

無論高溫或低溫，萊氏體基體相都是

硬脆的Fe3C,所以硬而脆，但耐磨性好。3.硬度

決定于組成相或組織組成物的硬度和相對(duì)數(shù)量，而受相形態(tài)的影響較小。圖

含C％對(duì)Fe-C合金性能的影響二、含碳量對(duì)性能的影響5.3合金的成分與組織、性能的關(guān)系49(二)、含碳量對(duì)切削性能的影響1.低碳鋼（C％≤0.25％），不易斷屑，切削性能不好。

2.高碳鋼（C％≥0.60％），因硬度高，刀具磨損嚴(yán)重，切削性能不好。3.中碳鋼（0.25％<C％<0.6％）HB適中（HB=220）切削性能好.4.白口鑄鐵硬度高，脆性大，不易切削加工。(三)、含碳量對(duì)鍛造性能的影響1.鋼具有良好的鍛造性能，亞共析鋼中隨著C％↑鍛造性能↓，亞共析鋼的鍛造性能好于共析、過共析鋼。

2.白口鐵無論高溫或低溫都是以共晶滲碳體為基體相所以不能鍛造。(四)、含碳量對(duì)鑄造性能的影響鑄造性能包括：流動(dòng)性、縮孔、枝晶偏析等。

1.鋼的鑄造性能不如白口鐵.

2.共晶白口鐵的鑄造性能最好。二、含碳量對(duì)性能的影響5.3合金的成分與組織、性能的關(guān)系501）需用塑性、韌性好的材料，如，建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼，宜選用碳含量較低的鋼材。2）一些要求強(qiáng)度、塑性及韌性都較好的機(jī)械零件，如汽車軸，則應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。3）需要高硬度和高耐磨性的材料,如，各種工具，則應(yīng)該選擇碳含量較高的鋼種。4）白口鑄鐵由于耐磨性、鑄造性能好，適用于要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，如拔絲模、冷軋輥、犁鏵、磨球、床身等。5.4Fe-Fe3C相圖的應(yīng)用及局限性1、在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用511）根