第5章相平衡與相圖-鐵碳相圖

15.4鐵碳相圖主講：張希清2一.鐵碳合金的組元及基本相

鋼和鑄鐵是應(yīng)用最廣的金屬材料，雖然它們的種類很多，成分不一，但是它們的基本組成都是鐵(Fe)和碳(C)兩種元素，故統(tǒng)稱為鐵碳合金。因此，學(xué)習(xí)鐵碳相圖、掌握應(yīng)用鐵碳相圖的規(guī)律解決實(shí)際問題是非常重要的。3

在鐵碳合金中，F(xiàn)e與C可以形成一系列化合物：Fe3C、Fe2C、FeC。所以，F(xiàn)e-C相圖可以劃分成Fe-Fe3C,Fe3C-Fe2C,Fe2C-FeC和FeC-C四個(gè)部分。工業(yè)上使用的鐵碳合金含碳量不超過5％，因此，通常所說的鐵碳相圖就是Fe-Fe3C部分。Fe-Fe3C相圖

41)純鐵（Fe）純鐵熔點(diǎn)1538℃，密度7.87g/㎝3。1.Fe—C合金中的組元

鐵碳合金中組元：滲碳體（Fe3C）

純鐵(Fe)純鐵具有磁性轉(zhuǎn)變（770℃磁性轉(zhuǎn)變）。純鐵的強(qiáng)度低，塑性好(軟)，很少用于結(jié)構(gòu)材料。主要利用鐵磁性。純鐵的顯微組織5純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化

純鐵固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：912°C以下為體心立方(bcc)晶體結(jié)構(gòu)，912°C到1394°C之間為面心立方(fcc)結(jié)構(gòu),1394°C到熔點(diǎn)之間為體心立方(bcc)結(jié)構(gòu)。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變6通常將轉(zhuǎn)變稱為A4轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)溫度稱為A4點(diǎn).將轉(zhuǎn)變稱為A3轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變的平衡臨界點(diǎn)溫度稱為A3點(diǎn)。通常將α-Fe在770℃的磁性轉(zhuǎn)變（高溫的順磁性→低溫的鐵磁性）稱為A2轉(zhuǎn)變，磁性轉(zhuǎn)變溫度稱為鐵的居里點(diǎn)。純鐵的冷卻曲線72)滲碳體(Fe3C)

滲碳體是Fe—C合金中碳以化合物Fe3C形式出現(xiàn)，含碳量6.69%。正交晶系,C原子周圍有6個(gè)Fe原子，構(gòu)成一個(gè)八面體,Fe:C=3:1，一個(gè)滲碳體晶胞含有12個(gè)鐵原子和4個(gè)碳原子。滲碳體的晶格8Fe3C在230℃以下具有鐵磁性，滲碳體在230℃的磁性轉(zhuǎn)變稱為A0

轉(zhuǎn)變。Fe3C在鋼和鑄鐵中呈現(xiàn)片狀，粒狀，網(wǎng)狀和板條狀。滲碳體硬而脆，塑性極低，延伸率接近于0。它是鋼鐵材料中的主要強(qiáng)化相。滲碳體組織金相圖92.Fe-C合金中的基本相和組織

在Fe—Fe3C相圖中，F(xiàn)e-C合金在不同條件(成分，溫度)下，可有六個(gè)基本相：液相、δ相、γ相、α相、Fe3C相、石墨（C）

（1）液相(L)Fe與C在高溫下形成的液體溶液。

（2）δ相C溶于δ－Fe中的間隙固溶體稱為δ鐵素體，也稱高溫鐵素體。在1459℃時(shí)最大溶解量可達(dá)0.09%，為bcc結(jié)構(gòu)，（3）滲碳體

前面已討論過10含100%C，灰口鑄鐵中一個(gè)基本組成相，用C或G表示。(4)石墨石墨具有簡(jiǎn)單六方晶格。同一晶面上碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合,間距0.142nm結(jié)合力較強(qiáng)。兩層晶面的間距為0.34nm，結(jié)合力弱。

耐高溫，導(dǎo)電，一定的潤(rùn)滑性，但其強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都極低。11

（5）奧氏體

奧氏體(常用γ或A表示)，是C溶解于γ—Fe中形成的間隙固溶體。γ鐵具有fcc面心立方結(jié)構(gòu)。奧氏體間隙大，可以溶解較多的碳。奧氏體的硬度較低，塑性高。γ鐵是順磁性的。晶粒呈平直多邊形。碳在γ－Fe中的位置奧氏體的顯微組織

12奧氏體組織金相圖13（6）鐵素體

鐵素體（α或F）是C溶于α－Fe中形成的間隙固溶體,具有體心立方bcc結(jié)構(gòu)。鐵素體的溶碳能力比奧氏體小得多，含碳量非常低，所以其性能與純鐵相似：硬度低，塑性高。14鐵素體組織金相圖鐵素體的顯微組織與工業(yè)純鐵相同,晶粒常呈多邊形。15珠光體(P)鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。珠光體金相圖16萊氏體(Ld)奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。在萊氏體中，滲碳體是一個(gè)連續(xù)分布的基體相，奧氏體則呈顆粒狀分布在滲碳體的基體上。因?yàn)闈B碳體很脆，所以萊氏體是一種塑性很差的組織。萊氏體金相圖17下圖為Fe-碳合金雙重相圖。圖中實(shí)線部分為Fe-Fe3C相圖，虛線表示Fe-C（石墨）相圖（虛線與實(shí)線重合的部分以實(shí)線表示）。鐵碳相圖通常是指Fe-Fe3C相圖。二、Fe—Fe3C相圖分析分析點(diǎn)、線、區(qū)特別是重要的點(diǎn)、三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線、重要的相界線18相圖的分析五個(gè)重要的成份點(diǎn):P、S、E、C、K。四條重要的線:EF、ES、GS、PK。兩個(gè)重要轉(zhuǎn)變:

共晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式、共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)式。二個(gè)重要溫度:1148℃、727℃。19（1）Fe—Fe3C相圖的點(diǎn)五個(gè)重要的成份點(diǎn):P、S、E、C、K。20（2）Fe—Fe3C相圖的線Fe—Fe3C相圖有一些特性線，它們是由不同成分合金具有相同意義的點(diǎn)連接起來的。有三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線，二條磁性轉(zhuǎn)變線(水平)和三條重要的相界線。21A.三條水平恒溫轉(zhuǎn)變線圍繞三條水平線可把Fe—Fe3C相圖分解為三個(gè)部分考慮：左上角的包晶部分，右邊的共晶部分，左下角的共析部分。22

①包晶線：HJB線（1495℃），J為包晶點(diǎn)，wc=0.09～0.53%的Fe-C合金緩冷到HJB線均發(fā)生包晶反應(yīng)，即：L0.53+δ0.09→γ0.17

（LB+δH→γJ）23

②共晶線：ECF水平線（1148℃），C點(diǎn)為共晶點(diǎn)，wc=2.11～6.69%的Fe-C合金緩冷到ECF線均發(fā)生共晶反應(yīng)：

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為奧氏體和滲碳體組成的共晶混合物（γ+Fe3C

），稱為萊氏體，用Ld表示。L4.30→γ2.11+Fe3C（LC→γE+Fe3C）24

③共析線：PSK水平線（727℃），S點(diǎn)為共析點(diǎn)。凡wc>0.0218%的Fe-C合金冷卻到PSK線均發(fā)生共析反應(yīng)：γ0.77→α0.0218+Fe3C（γS→αP+Fe3C）

轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（α+Fe3C

），稱為珠光體，用P表示。共析轉(zhuǎn)變溫度常用A1表示。25B.兩條磁性轉(zhuǎn)變線

①230℃水平線為滲碳體Fe3C的磁性轉(zhuǎn)變線，230℃以上Fe3C無磁性，230℃以下為鐵磁性。常用A0表示

②770℃為鐵素體α的鐵磁性轉(zhuǎn)變線。770℃以上無鐵磁性，770℃以下為鐵磁性。常用A2表示，稱居里點(diǎn)。26C.3條重要的相界線(固溶度曲線)①GS線：又稱為A3線。奧氏體中開始析出鐵素體α或α全部溶入(升溫時(shí))γ的轉(zhuǎn)變線。A3溫度。27②ES線：C在奧氏體γ中的溶解度曲線。稱為ACm溫度。溫度降低，溶解度降低，將析出次生的滲碳體Fe3C。為了區(qū)別自液態(tài)合金(CD線)中直接析出的一次Fe3C，將γ中析出的Fe3C稱為二次滲碳體，記為Fe3CⅡ。因此ES線也稱為二次滲碳體的開始析出線。28③PQ線：C在鐵素體α中的溶解度曲線。在727℃時(shí)，C在α中的最大溶解度0.0218%，溫度下降，C溶解度下降，會(huì)析出少量的滲碳體，稱為三次滲碳體，記為Fe3CⅢ。以區(qū)別于沿CD線和ES線析出的滲碳體Fe3C。29（3）Fe—Fe3C相圖中的區(qū)·5個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)（L）、δ固溶體區(qū)（δ

）、奧氏體區(qū)（γ）、鐵素體區(qū)（α）、滲碳體區(qū)（Fe3C）30·7個(gè)兩相區(qū)：L+δ、L+γ、L+Fe3C、δ+γ、γ+Fe3C、γ+α、α+Fe3C31·3個(gè)三相共存區(qū)：L+γ+Fe3C（ECF線）、L+δ+γ（HJB線）、γ+α+Fe3C（PSK線）32三、Fe-C合金分類

按含碳量(Wc)及有無共晶轉(zhuǎn)變分為三大類：工業(yè)純鐵：Wc<0.0218%的鐵碳合金與鐵一樣只發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變，稱之為工業(yè)純鐵。很少用作工程結(jié)構(gòu)材料。碳鋼

(Wc=0.0218～2.11%不發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金稱為碳鋼)鑄鐵（Wc=2.11～6.69%發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金稱為鑄鐵)。33共析鋼：Wc=0.77%亞共析鋼:Wc=0.0218-0.77%過共析鋼：Wc=0.77-2.11%根據(jù)其室溫組織的不同，碳鋼又可分為：共晶白口鑄鐵：Wc=4.30%亞共晶白口鑄鐵：

Wc=2.11-4.30%過共晶白口鑄鐵:Wc=4.30-6.69%根據(jù)白口鑄鐵室溫組織不同，可分為三種：34從上述每類鐵碳合金中各選擇一種分析其平衡凝固過程。35四、Fe—C合金的平衡結(jié)晶過程及組織(以Wc=0.01%的合金為例)1）工業(yè)純鐵勻晶轉(zhuǎn)變＋多晶型轉(zhuǎn)變＋脫溶沉淀轉(zhuǎn)變過程：L→L+δ→δ→δ+γ→γ→α+γ→α→α+Fe3CⅢ

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室溫組織為：α+Fe3CⅢFe3CⅢ最多為0.33%工業(yè)純鐵室溫組織圖（200×）將從α－Fe中析出的Fe3C稱為三次滲碳體，但這個(gè)轉(zhuǎn)變大多被抑制，形成微量的過飽和狀態(tài)。通常的組織為單一鐵素體。37（2）共析鋼（Wc=0.77%）

過程如下：L→L+γ→γ→P+γ→P（α+Fe3C）→P+Fe3CⅢ

（常忽略）勻晶轉(zhuǎn)變＋共析轉(zhuǎn)變＋脫溶沉淀Fe3CⅢ與共析滲碳體連在一起，在顯微鏡下難以分辨，數(shù)量也很少，對(duì)性能無明顯影響，一般忽略不計(jì)。）38

室溫組織為珠光體P（α+Fe3C），P呈層片狀，是鐵素體α和滲碳體Fe3C的層片交替重疊的機(jī)械混合物。圖中的白色片狀為α，黑色片狀為Fe3C。相:＋Fe3C：％=(6.69-0.77)/6.69＝88%Fe3C%=0.77/6.69=12%組織：P，100％39共析鋼組織金相圖40（3）亞共析鋼

（Wc=0.0218～0.77%）

結(jié)晶過程如下：L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→α+γ→α+P+γ→α+P→（析出Fe3CⅢ）勻晶轉(zhuǎn)變＋包晶轉(zhuǎn)變＋共析轉(zhuǎn)變＋脫溶沉淀41注意：①在共析轉(zhuǎn)變之前生成的α稱為先共析鐵素體。②共析轉(zhuǎn)變之前α和γ的相對(duì)量(即共析轉(zhuǎn)變后α和P的相對(duì)量)可通過杠桿法則來計(jì)算。

室溫組織為：α（鐵素體）

+P(珠光體)，圖中的白色為α，黑色片狀為P。42相:＋Fe3C：％=(6.69-0.4)/6.69＝94%Fe3C%=0.4/6.69=6%組織：F+P:F％=(O.77-0.4)/(0.77-0.02)=49%,P%=(0.4-0.02)/(0.77-0.02)=51%43Wc＝0.2％，500×（鐵素體＋片狀珠光體）Wc＝0.4％（鐵素體＋珠光體）Wc＝0.6％，500×（鐵素體呈網(wǎng)、塊狀(白色)＋片狀珠光體）碳鋼的室溫組織44亞共析鋼組織金相圖45（4）過共析鋼（Wc=0.77～2.11%）

過程如下：L→L+γ→γ→γ+Fe3CⅡ→P+Fe3CⅡ

勻晶轉(zhuǎn)變＋共析轉(zhuǎn)變＋脫溶沉淀46

室溫組織為：P（珠光體）+Fe3CⅡ（二次滲碳體，又稱先共析滲碳體），圖中的白色