铁碳相图和铁碳合金
铁碳相图和铁碳合金(一)
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。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。
Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相，后面三部分相图实际上没有应用价值（工业上使用的铁碳合金含碳量不超过5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。
化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图（图1）。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。
图1 铁碳双重相图
【说明】
图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。
铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体结构。纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体结构不同，C在Fe中的溶解度差别较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。
纯铁
纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体结构，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。
图2 工业纯铁的显微组
织图3 奥氏体的显微组织
铁的固溶体
碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低（室温下含碳仅为0.005%），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（图2）碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体结构的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。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图3,图4表示碳原子存在于面心立方晶格中正八面体的中心。
图4 碳在γ－Fe晶格中的位
置图5 渗碳体的晶格
渗碳体(Fe3C)
渗碳体是铁和碳形成的化合物，含碳量为6.67%（有些书上为6.69%），具有复杂的晶体结构（图5），熔点为1227℃。渗碳体硬度极高（HB800），塑性几乎等于0，是硬脆相。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)。这一过程对于铸铁和石墨钢具有重要意义。
从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。
一、铁碳合金中的基本相
铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3 C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
1,铁素体(ferrite)
铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格;
虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.
铁碳合金中的基本相
铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低.
δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS.
铁碳合金中的基本相
铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围.
铁碳合金中的基本相
2,奥氏体(Austenite )
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格;
虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%.
铁碳合金中的基本相
在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%.
另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.
铁碳合金中的基本相
奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在.
铁碳合金中的基本相
3,渗碳体(Cementite)
渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃,
质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.
铁碳合金中的基本相
渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响.
铁碳合金中的基本相
总结:
在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体
中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的.
铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为 Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C.
_由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图.
铁碳相图和铁碳合金(二)
图6 Fe-Fe3C相图
单相区——5个
相图中有5个基本的相，相应的有5个相区：
液相区(L)——ABCD以上区域
δ固溶体区——AHNA
奥氏体区(γ)——NJESGN
铁素体区(α)——GPQ以左
渗碳体区(Fe3C)——DFK直线
两相区——7个
7个两相区分别存在于两个相应的单相区之间：
L+δ——AHJBA
L+γ——BJECB
L+ Fe3C——DCFD
δ+γ——HNJH
γ+α——GPSG
γ+Fe3C——ESKFCE
α+ Fe3C——PQLKSP
三相区——3个
包晶线——水平线HJB(L+δ+γ)
共晶线——水平线ECF(L+γ+Fe3C)
共析线——水平线PSK(γ+α+Fe3C)
相图中一些主要特性点的温度、成分及其意义列于表1。
表1 Fe-Fe3C相图中的特性点
符号T /℃ C %说明
A15380纯铁的熔点
B14950.53包晶转变时液相成分
C1148 4.30共晶点
D1227 6.67渗碳体的熔点
E1148 2.11碳在γ-Fe中的最大溶解度
F1148 6.67渗碳体的成分
G9120纯铁α↔γ转变温度
H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度
J14950.17包晶点
K727 6.67渗碳体的成分
N13940纯铁γ↔δ转变温度
P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度
S7270.77共析点
6000.0057600˚C碳在α-Fe中的溶解度
Q
2007×10-7200˚C碳在α-Fe中的溶解度
Fe-Fe3C相图包含三个恒温转变：包晶、共晶、共析。
包晶转变发生在1495℃（水平线HJB），反应式为：
式中L0.53——含碳量为0.53%的液相；
δ0.09——含碳量为0.09%的δ固溶体；
γ0.17——含碳量为0.17%的γ固溶体，即奥氏体，是包晶转变的产物。
含碳量在0.09~0.53%之间的合金冷却到1495℃时，均要发生包晶反应，形成奥氏体。
共晶转变发生在1148℃（水平线ECF），反应式为：
共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械混合物，称为莱氏体，用符号L d表示。凡是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到1148℃时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。
共析转变发生727℃（水平线PSK），反应式为：
共析转变的产物是铁素体与渗碳体的机械混合物，称为珠光体，用字母P表示。含碳量大于0.0218%的铁碳合金，冷却至727℃时，其中的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。
Fe-Fe3C相图中的ES、PQ、GS三条特性线也是非常重要的，它们的含义简述如下：
ES线是碳在奥氏体中的溶解度曲线。奥氏体的最大溶碳量是在1148℃时，可以溶解2.11%的碳。而在727℃时，溶碳量仅为0.77%，因此含碳量大于0.77%的合金，从1148℃冷到727℃的过程中，将自奥氏体中析出渗碳体，这种渗碳体称为二次渗碳体(Fe3C II)。
PQ线是碳在铁素体中的溶解度曲线。727℃时铁素体中溶解的碳最多(0.0218%)，而在200℃仅可以溶解7×10-7%C。所以铁碳合金由727℃冷却到室温的过程中，铁素体中会有渗碳体析出，这种渗碳体称为三次渗碳体(Fe3C III)。由于三次渗碳体沿铁素体晶界析出，因此对于工业纯铁和低碳钢影响较大；但是对于含碳量较高的铁碳合金，三次渗碳体（含量太少）可以忽略不计。
GS线是冷却过程中，奥氏体向铁素体转变的开始线；或者说是加热过程中，铁素体向奥氏体转变的终了线（具有同素异晶转变的纯金属，其固溶体也具有同素异晶转变，但其转变温度有变化）。
铁碳相图和铁碳合金(三)
根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可以分为纯铁、钢和白口铁三类。
图7 Fe-Fe3C合金分类
1.纯铁——含碳量<0.0218%，显微组织为铁素体。
2.钢——含碳量0.0218%～2.11%，特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而适于锻造。根据室温组织的不同，钢又可以分为：
亚共析钢(Hypo-eutectoidsteel)：含碳量0.0218%~0.77%，具有铁素体α+珠光体P的组织，且含碳量越高（接近0.77%）,珠光体的相对量越多，铁素体量越少。
共析钢(Eutectoid)：含碳0.77%，组织是全部珠光体P 。
过共析钢(Hyper-eutectoid)：含碳量0.77%～2.11%，组织是珠光体P +渗碳体Fe 3C 。
3.白口铁——含碳量2.11%～6.69%，特点是液态结晶时都有共晶转变，因而具有良好的铸造性能。但是即使在高温也是脆性材料，不能锻造。根据室温组织不同，白口铁又分为：
亚共晶白口铁(Hypo-eutecticwhiteiron)：含碳2.11%～4.30%，组织是珠光体P +渗碳体Fe 3C +莱氏体
L d '。
共晶白口铁(Eutecticwhiteiron)：含碳4.30%，组织是莱氏体L d '。
过共晶白口铁(Hyper-eutecticwhiteiron)：含碳4.3%~6.69%，组织是渗碳体Fe 3C +莱氏体L d '。
工业纯铁在缓慢冷却过程中发生的组织转变主要是同素异晶转变和Fe 3C III 的析出。在冷却过程中合金
的组织转变情况见动画演示。室温下工业纯铁的组织为铁素体以及分布在晶界处极少量的三次渗碳体(Fe 3C III )。工业纯铁实际室温组织的照片见图2。工业纯铁冷却过程中的组织转变
工业纯铁冷却过程中的组织转变
根据Fe-Fe 3C 相图，共析钢从液态冷却到室温要发生三次组织转变：匀晶转变L →γ（奥氏体），共析
转变γ→(α+Fe 3C)（珠光体P ）,α中析出三次渗碳体(Fe 3C III )。具体转变过程见动画演示。室温下共析钢的组织组成全部为珠光体（可以忽略Fe 3C III ）。图8是共析钢室温组织（珠光体）的金相照片。
δ+A
F+Fe 3C Ⅲ
G
Q
F+A P F S
A
A
H L+δB δ
J N L
1
7
35482617
354
8
2611~2
2~3
3~4
4~5
5~6
6~7
7~8
L
L δ
δ
δA A
A
F
F
F Fe 3C Ⅲ时间
温度
w c =0.01%A
N
A
A
共析钢冷却过程中的组织转变图8 共析钢的室温组织(P)共析钢只有一种组织（忽略Fe3CIII），即珠光体P，珠光体由α和Fe3C两个相组成。应用杠杆定律可以计算出α和Fe3C两个相的相对量。
例题
计算珠光体中α和Fe3C两个相的相对量。
解：应选择α+Fe3C二相区，共析温度（727℃）
或QFe3C=1-Qα=1-88.75%=11.25%
含碳0.45%的亚共析钢是应用十分广泛的一种钢，通常称为45号钢。45钢在液态到室温的冷却过程中将发生以下转变：匀晶转变L0.45→L0.53+δ，包晶转变L0.53+δ→γ0.45，同素异晶转变γ0.45→α+γ0.77，共析转变γ0.77→(α+Fe3C)。转变过程见动画演示。室温下45钢的组织为：铁素体α+珠光体P（α+Fe3C）。45钢的实际室温组织照片见图9。所有亚共析钢的室温组织都是由铁素体和珠光体组成，区别仅在于相对量的差别：含碳量越高（越接近0.77%C），珠光体的量越多、铁素体的量越少。图10和图11分别是20钢(0.20%C)和60钢(0.60%C)的组织照片，可以明显看出铁素体与珠光体的相对量随含碳量的变化。应用杠杆定律可以准确计算相对量的多少。
G
Q
F+A P S
A
A
H L+δB J N
L 135
426
1F 3
5
4
2
61~2
2'~33~4
4~5
5'~6
L
L δ
δL A A A
A F
A F 时间
温度
w c =0.45%2'
5'
L+A 1以上2~2'
5~5'
L P
P
45
钢
冷
却
过
程
中
的
组
织
转
变 图9 45钢的室温组织
图
10
20
钢
的
室
温
组
织 图11 60钢的室温组织 例题
应用杠杆定律计算45钢中铁素体α和珠光体P 的相对量。 解：应选择α+γ二相区，共析温度
或QP=1-Qα=1-42.77%=57.23%
同样可以计算出20钢：Qα=76.18%,QP=23.82%； 60钢：Qα=22.72%,QP=77.28%。
过共析钢在液态到室温的冷却过程中，首先进行匀晶转变，形成单相固溶体γ；当温度到达ES 线以
下时，过饱和的固溶体γ中析出渗碳体（二次渗碳体Fe3CII ），奥氏体γ的成分变到共析点S(0.77%C)；共析转变γ0.77→(α+Fe3C)，形成珠光体P 。因此，过共析钢的室温组织为珠光体P(α+Fe 3C)+Fe 3CII 。具体转变过程见动画演示。实际1.2%C （T12）钢的室温组织照片见图12。对于过共析钢，随着含碳量增高，钢中Fe 3CII 的量增大。由于大量的Fe 3CII 会形成网状结构，造成钢的脆性急剧增高，所以实际生产中使用的钢含碳量一般都低于1.5%；另外，含有网状Fe 3CII 的钢不能直接使用，需要经过锻造（压碎Fe 3CII 网）或相应的热处理后才能使用。
G
Q
P S
A
A
H B
J
N
L
13
2
1
35
2
1以上
1~2
2~3
3~4
4~4'
L
L A
A
P A
时间
温度
4'
Fe 3C Ⅱ
P L+A
w c =1.2%
45
4
4'~5A
Fe 3C ⅡFe 3C Ⅱ
A+Fe 3C Ⅱ
过共析钢冷却过程中的组织转变演示
图12 1.2%C过共析钢的室温组织图13 1.4%C 过共析钢的室温组织
比较图12和图13，可以看出1.4%C钢中的Fe3CII的量比1.2%C中明显的多。
共晶白口铁在从液态缓慢冷却到室温的过程中，首先在1148℃进行共晶转变，液相全部凝固成为高温莱氏体Ld（共晶组织）：
在1148℃到727℃之间，莱氏体中的奥氏体γ将按照ES线的变化趋势析出二次渗碳体Fe3CII，而奥氏体在727℃时的含碳量降到0.77%；此时，奥氏体进行共析转变，将全部转变成珠光体P：
以上转变过程见动画演示。经过共析转变的莱氏体，称为低温莱氏体，用符号Ld'表示，以区别Ld。珠光体中的渗碳体叫做共析渗碳体，共晶组织中的渗碳体叫做共晶渗碳体。
所以，共晶白口铁的室温组织为低温莱氏体Ld'，其组织组成为：P+Fe3C 共晶+Fe3CII。图14是共晶白口铁的实际室温组织照片。
Fe3CⅠL
A
Fe C L d
｝
共
晶
白
口
铁
(4.3%C)
冷
却
过
程
中
的
组
织
转
变 图14 共晶白口铁的室温组织
亚共晶白口铁冷却过程中组织转变与共晶白口铁类似，只是在共晶转变之前，液相中先结晶出奥氏体。
到达1148℃时，剩余的液相成份为4.3%C ，再往下面，液相的转变就与共晶白口铁一样了。先结晶出来的奥氏体和共晶奥氏体一样，在以后的冷却过程中依次析出二次渗碳体（难以明显看出）和进行共析转变（见下面动画演示）。室温下亚共晶白口铁的平衡组织为：P+Fe 3CII+Ld'。图15为实际亚共晶白口铁的室温组织。
亚共晶白口铁(3.0%C)冷却过程中的组织转变 图15 亚共晶白口铁的室温组织，图中黑色
树枝状组织为珠光体，其余为
共晶组织
（低温莱氏体Ld'）。
L'd
L d 温度
时间
B L
L+A
E
C
12'
A S
21
3'
334
2L
Fe 3C A A
Fe 3C+P
2'
3
3'~4｝
｝Fe 3C+Fe 3C Ⅱ
1~2
L A
A Fe 3C ⅡA
Fe 3C ⅡP
Fe 3C Ⅱ
J
w c =2.5%
4
L d ｝
过共晶白口铁在从液态到室温的冷却过程中，先从液相中结晶出来的是一次渗碳体Fe 3CI ，剩余的液相在1148℃进行共晶转变。以下的过程与共晶白口铁相同（见下面动画演示）。因此，过共晶白口铁的室温组织为：Fe 3CI+Ld’。见图16。
时间
L'
d
温度
B L
L+A E
C
12'
A
S 2
1
3'
334
2L
Fe 3C ⅠA
Fe 3C+Fe 3C Ⅱ2'
3
3'~4
｝L d ｝Fe 3C+Fe 3C Ⅱ
1~2
L A Fe 3C Ⅰ
P
J
L+Fe 3C Ⅰ
Fe 3C Fe 3C Ⅰ
L d ｝Fe 3C Ⅰ
w c =5.0%
过共晶白口铁(5.0%C)冷却过程中的组织转变 图16 过共晶白口铁的室温组织
图中白色条状组织为一次渗碳体Fe 3CI ，
其余为共晶组织（低温莱氏体Ld’）。
所有白口铁因含有大量的渗碳体而具有很高的硬度，极低的塑性，属于脆性材料。在生产中白口铁主要用于抗磨件，如：轧辊、犁铧、抗磨衬板，等。另外，生产可锻铸铁也需要先生产出白口铸铁坯件，然后通过石墨化热处理得到可锻铸铁件。
铁碳相图和铁碳合金(四)
所有Fe-Fe3C合金的室温组织都是由铁素体α和渗碳体Fe3C两相组成，因此，把铁素体和渗碳体称为Fe-Fe3C合金的相组成物。含碳量越高，合金中Fe3C的相对量越多，铁素体α的相对量越少（见图17）。
Fe-Fe3C合金的组织组成较为复杂，含碳量对组织组成的影响也较为复杂(见图17)。
图17 含碳量与Fe-Fe3C合金相组成物相对量、组织组成物相对量的关系
碳钢的组成相只有铁素体和渗碳体两种，组织组成物有先共析铁素体、珠光体和二次渗碳体三种。由于铁素体硬度低、塑性好，渗碳体硬度非常高、塑性为0；所以，由铁素体和渗碳体均匀混合的珠光体具有良好的综合性能，即具有良好的强度和硬度,同时也具有较好地塑性和韧性。
对于亚共析钢，随着含碳量的增加，珠光体的相对量提高，钢的强度、硬度增高，塑性、韧性下降。对于过共析钢，随着含碳量的增加，二次渗碳体数量增加，并且形成网状结构，不仅造成钢的塑性、韧性下降，同时也使强度下降；只有硬度增高。含碳量对钢的性能的具体影响见图18。
图18 含碳量对热轧钢力学性能的影响
铁碳相图和铁碳合金(五)
碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。C, Si, Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素。C对钢的组织和性能的影响前面已进行了讨论，下面对其余四种元素的影响作简单介绍。
锰在碳钢中是作为脱氧、去硫的元素加入的，一般碳钢的含锰量为0.25% ~ 0.8%。钢中的锰一部分形成MnS和MnO夹杂物，其余的锰溶入铁素体和渗碳体中。锰溶入铁素体可以起到固溶强化的作用，从而提高钢的强度，但是也会降低钢的塑性。
硅在碳钢中的含量小于0.50%，硅具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体可以提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显。但是，硅的含量大于0.8%时，钢的塑性、韧性显著下降。
硫是钢中有害的杂质元素（硫可以提高钢对切削性能，所以在易切削钢中硫是作为合金元素加入的），它是炼钢过程中难以除尽的杂质。硫的有害作用主要是增大钢的热脆性，引起铸件产生热裂纹。因此, 工业上规定优质钢中的硫不得超过0.04%。
钢中的磷来源于炼钢原料。磷对钢的有害作用表现在提高钢的冷脆性，明显降低钢的塑性和韧性。因此，优质碳素钢含磷量不能大于0.04%。
铁碳合金相图及平衡组织分析
实验三铁碳合金相图及平衡组织分析 一、实验目的 1.认识和熟悉铁碳合金平衡状态下的显微组织特征； 2.了解含碳量对铁碳合金平衡组织的影响，建立Fe-Fe3C状态图与平衡组织的关系 3.了解平衡组织的转变规律并能应用杠杆定律 4.掌握金相显微镜用铁碳合金样品的制备 二、实验原理 通常将碳含量小于2.11%的铁碳合金称为钢，碳含量大于2.11%的Fe-C合金称为铁，根据铁碳二元相图（图1），它们在室温下组成相都是铁素体和渗碳体，但是它们在纤维组织上却有很大的差异。 按组织分区的Fe-Fe3C相图 （一）铁碳合金中的几种基本相和组织 （1）铁素体（F）。它是碳在α-Fe中的固溶体，为体心立方晶格。具有磁性及良好的塑性，硬度较低。用3%-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒。亚共析钢中，铁素体呈现块状分布；当碳含量接近共析成分时，铁素体则呈现断续的网状分布于珠光体（共析体）周围。 （2）渗碳体（Fe3C，又称Cementite），它是铁与碳形成的一种化合物，其碳含量
为6.69%。用3%-4%的硝酸酒精溶液寝蚀后，呈现亮白色；若用热苦味酸钠溶液寝蚀，则渗碳体呈现黑色而铁素体仍为白色，由此可以区别铁素体与渗碳体。此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的的形态：一次渗碳体，从液相中析出，呈现条状；二次渗碳体（次生相），从奥氏体中析出，呈现网络状，沿奥氏体晶界分布，经球化退火，渗碳体呈现颗粒状；三次渗碳体，从铁素体中析出，常呈现颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。 （3）珠光体（P），它是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。由杠杆定律可以求得铁素体和渗碳体的含量比为8:1。因此，铁素体后，渗碳体薄。硝酸酒精寝蚀后可观察到两种不同的组织形态。 1）片状珠光体，它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层状组织，腈硝酸酒精溶液寝蚀后，在不同放大倍数下，可以观察到具有不同特征的层片状组织。 2）球状珠光体，其组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗碳体颗粒，其边界呈现暗黑色。 ），室温时是珠光体、二次渗碳体和共晶渗碳体所组成的机械混合（4）莱氏体（L d 物，它是碳含量为4.3%的液态共晶白口铁在1148o C发生共晶反应所形成的共晶体（奥氏体和共晶体渗碳体），其中奥氏体在继续冷却时析出二次渗碳体，在727o C以下分解为珠光体。因此，莱氏体的显微组织特征实在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着黑色半点或者细条状的珠光体。 （二）、铁碳合金在室温下的显微组织特征 （1）工业纯铁。碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，它为两相组织，即有铁素体和三次渗碳体组成。图2所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条为铁素体的晶界，亮白色基体是铁素体的多边形状等轴晶粒。 图2 工业纯铁显微组织图3 亚共析（45号）钢的显微组织（2）碳钢
铁碳合金相图分析
第四章铁碳合金 第一节铁碳合金的相结构与性能 一、纯铁的同素异晶转变 δ-Fe→γ-Fe→α-Fe 体心面心体心 同素异晶转变——固态下,一种元素的 晶体结构 随温度发生变化的 现象. 特点： 是形核与长大的过程重结晶 将导致体积变化产生内应力 通过热处理改变其组织、结构→ 性能 二、铁碳合金的基本相 基本相定义力学性能溶碳量 铁素体 F碳在α-Fe中的 间隙固溶体强度,硬度低,塑性, 韧性好 最大% 奥氏体 A碳在γ-Fe中的 间隙固溶体 硬度低,塑性好最大% 渗碳体Fe3C Fe与C的金属化 合物 硬而脆 800HBW,δ↑=αk=0 %
第二节铁碳合金相图一、相图分析 两组元：Fe、 Fe3C 上半部分图形二元共晶相 图 共晶转变： 1148℃ 727℃ → + Fe3C → P + Fe3C莱氏体Ld Ld′ 2、下半部分图形共析相图 两个基本相：F、Fe3C 共析转变： 727℃ → + Fe3C 珠光体P 二、典型合金结晶过程 分类： 三条重要的特性曲线
① GS线---又称为A3线它是在冷却过程中由奥氏体析出铁素体的开始线或者说在加热过程中铁素体溶入奥氏体的终 了线. ② ES线---是碳在奥氏体中的溶解度曲线当温度低于此曲线时就要从奥氏体中析出次生渗碳体通常称之为二次渗碳 体因此该曲线又是二次渗碳体的开始析出线.也叫Acm线. ③ PQ线---是碳在铁素体中的溶解度曲线.铁素体中的最大溶碳量于727oC时达到最大值%.随着温度的降低铁素体中的溶碳量逐渐减少在300oC以下溶碳量小于%.因此当铁素体从727oC冷却下来时要从铁素体中析出渗碳体称之为三次渗碳体记为Fe3CⅢ. 工业纯铁<%C 钢——亚共析钢、共析钢%C、过共析钢 白口铸铁——亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁 L → L+A → A → PF+Fe3C L → L+A → A → A+F →P+F L → L+A → A → A+ Fe3CⅡ→P+ Fe3CⅡ
铁碳合金相图分析
第四章铁碳合金相图 教学目的及其要求 通过本章学习，使学生们掌握铁碳合金的基本知识，学懂铁碳相图的特征点、线及其意义，了解铁碳相图的应用。 主要内容 1．铁碳合金的相组成 2．铁碳合金相图及其应用 3．碳钢的分类、编号及应用 学时安排 讲课4学时 教学重点 1．铁碳合金相图及应用 2．典型合金的结晶过程分析 教学难点 铁碳合金相图的分析和应用。 教学过程 第一节纯铁、铁碳合金中的相 一、铁碳合金的组元 铁：熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。 由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。 碳：在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。 二、铁碳合金中的基本相 相：指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。 铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：固溶体和金属化合物。固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。这也是碳在合金中的两种存在形式。 1．铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。塑性好，强度硬度低。 2．奥氏体 碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。 3．渗碳体Fe3C：晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。 渗碳体对合金性能的影响： （1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。 （2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关： 以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度； 以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。 二、两相机械混合物 珠光体：铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。 莱氏体：奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。 铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。 组织组成物：指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。 显微组织：指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。 第二节铁碳合金相图 一、相图中的点（14个） 1．组元的熔点： A (0, 1538) 铁的熔点；D (6.69, 1227) Fe3C的熔点 2．同素异构转变点：N（0, 1394）δ-Fe ?γ-Fe；G（0, 912）γ-Fe?α-Fe 3．碳在铁中最大溶解度点： P（0.0218，727），碳在α-Fe中的最大溶解度 E（2.11，1148），碳在γ-Fe 中的最大溶解度 H (0.09，1495)，碳在δ-Fe中的最大溶解度 Q（0.0008，RT），室温下碳在α-Fe中的溶解度
铁碳相图分析
铁碳合金相图 从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工工艺的依据。 一、铁碳合金中的基本相 铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C 相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 1,铁素体(ferrite) 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格; 虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性. 铁碳合金中的基本相
铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低. δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS. 铁碳合金中的基本相 铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后, 在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈 断续的网状分布在珠光体的周围. 铁碳合金中的基本相 2,奥氏体(Austenite ) 奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格; 虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%. 铁碳合金中的基本相 在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ= 40%~50%. 另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用 于要求不受磁场的零件或部件. 铁碳合金中的基本相
铁碳相图和铁炭合金
铁碳相图和铁炭合金 钢与铸铁是现代工业中应用最广泛的合金，其基本组成主要是铁和碳两大元素，若了解钢和铁时，首先必须知道简单的铁碳二元合金的组织与性能。铁与碳可以形成Fe3C，Fe2C，FeC等多种稳定化合物，但含碳量大于5％的铁碳合金在工业上没有应用价值，所以在研究铁碳合金时，仅讨论Fe-Fe3C部分。下面我们要讲的铁碳相图，实际上也就是Fe-Fe3C状态图。碳在铁碳合金中以两种方式存在，即渗碳体(Fe3C)或石墨。本章仅分析Fe-Fe3C相图。 1. 铁碳相图和铁碳合金 a.纯铁：纯铁溶点为1538 ℃，温度变化时会发生同素异构变化。在912℃以 下为体心立方，称α铁(α-Fe)；912 ℃--1394℃之间为面心立方体，称为γ铁(γ-Fe)； 在1394 ℃--1538 ℃(熔点)之间为体心立方被称为δ铁(δ -Fe)。 b.铁的固溶体：碳溶解于α铁或δ铁中形成的固溶体称为铁素体，用α或δ 表示。碳在铁素体中最大溶解度为0.0218％。碳溶解于γ铁中形成的固溶体称为奥氏体，用γ表示。碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11％。 c.渗碳体(Fe3C) ：渗碳体具有复杂的斜方结构，它的硬度很高，塑性几乎为零， 属脆硬相。渗碳体在钢和铸铁中可呈片状、球状、网状、板状。它是钢中主要的强化相。它的量、形态、分布都对钢的性能影晌很大，这一点非常重要，请大家务必注意！ 2 2.铁碳合金的平衡凝固：通常以含碳量的多少来区分钢和铸铁。含碳量在 0.0218-2.11％的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11％的铁碳合金称为铸铁。含碳量小 于0.0218％的铁碳合金则为工业纯铁。下面让我们对照着铁碳相图，分析与我们有关的几条线， a.共析钢(0.77％C，线3) 合金在1-2点温度发生晶体转变L-γ，结晶出奥氏体。 到2点温度结晶完成。2-3点为单相奥聂氏体。在3点温度(727 ℃)发生共析转变，由γ奥氏体转变成为珠光体αp+Fe3C，一般用P表示。珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体中的铁素体为88％，渗碳体为12％。 b.亚共析钢(0.0218-0.77％C，线2) 合金在1-2点温度发生转变L- δ，结晶出 铁素体，在2点温度(1495 ℃)后仍有液相剩余，在2-3点温度，剩余的液相转变为L-γ。在3点温度，合金全部为奥氏体。单相奥氏体冷却到4点温度开始析出铁素体α。随温度下降铁素体不断增多，当温度达到5点(727 ℃)时，剩余奥氏体的含碳量达到0.77％，发生共析转变成珠光体。在5点温度以下该合金的室温组织为铁素体加珠光体α+P。其金相仍为铁素体和渗碳体两相。 c.过共析钢(0.77-2.11％C，线4) 合金在1-2温度发生转变L-γ，结晶出奥 氏体。在2点凝固完成，合金为单一奥氏体，直到3点开始从奥氏体中析出二次渗碳体，直到4点为止。最后得到的组织是珠光体和二次渗碳体(P+Fe3CИ )。
铁碳合金与铁碳合金相图
铁碳合金与铁碳合金相图 1 铁碳合金的基本组织 1.1. 铁素体 碳与α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用F表示。强度和硬度低，塑性和韧性好。 1.2. 奥氏体 碳与γ-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用A表示。高温组织，在大于727℃时存在。塑性好，强度和硬度高于F，在锻造、轧制时常要加热到A，提高塑性，易于加工。 1.3. 渗碳体 铁与碳形成的金属化合物，硬度高，脆性大。用Fe3C 1.4. 珠光体 F与Fe3C混合物。强度，硬度，塑性，韧性介于两者之间。 1.5. 莱氏体 A与Fe3C混合物硬度高，塑性差。 2 铁碳合金状态图 2.1 状态图主要点线 主要点
主要线： ABCD线 液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。 AHJECF线 固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化 GS线 A3线，A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A ES线 Acm线，C在A中溶解度曲线 ECF线 共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物，莱氏体。 PSK线 共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体2.2 铁碳合金分类 2.2.1 钢含C量0.0218～2.11% 共析钢含C量0.77% 亚共析钢0.0218-0.77% 过共析钢0.77-2.11% 2.2.2 白口铸铁 2.11-6.69% 共晶白口铸铁 4.3% 亚共晶白口铸铁 2.11-4.3% 过共晶白口铸铁 4.3-6.69% 2.3 铁碳合金相图的作用 在铸造方面 选择合适的浇铸温度，流动性好 在煅造方面 选择合适的温度区，奥氏体区 在热处理方面
铁碳合金相图
铁碳合金相图
铁碳合金的结晶 一.铁碳相 图 ☆提示：重点内容 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe 3C、Fe 2 C、FeC等, 有实用意义并 被深入研究的只是Fe-Fe 3C部分，通常称其为 Fe-Fe 3 C相图, 此时相图的组元为 Fe和Fe 3 C。 Fe-Fe 3 C相图
Fe-Fe 3 C相图中各点的温度、碳含量及含义符号温度, ℃碳含量 ω(C)% 含义 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液态合金的成分 C 1148 4.30 共晶点L c →A E+Fe3C D 1227 6.69 Fe 3 C的熔点 E 1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度 F 1148 6.69 Fe 3 C的成分 G 912 0 α-Fe→γ-Fe同素异构转变点 (A 3 ) H 1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点L B + δH→ A J K 727 6.69 Fe 3 C的成分 N 1394 0 γ-Fe→δ-Fe同素异构转变点 (A 4 ) P 727 0.0218 碳在α-Fe中的最大溶解度 S 727 0.77 共析点(A 1) A s → F P +Fe 3 C Q 600 0.0057 600℃时碳在α-Fe中的溶解度(室温) (0.0008) 1. 铁碳合金的组元 (1) Fe 铁是过渡族元素, 熔点或凝固点为1538℃, 相对密度是 7.87g/cm3。纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394℃及912℃时, 先后发生两次同素异构转变。（见2-1-2） ？纯铁是如何结晶的
铁碳合金基本相
一、铁碳合金的基本相 铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 1,铁素体(ferrite) 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体,用符号"F"(或α)表示,体心立方晶格; 虽然BCC的间隙总体积较大,但单个间隙体积较小,所以它的溶碳量很小,最多只有0.0218%(727℃时),室温时几乎为0,因此铁素体的性能与纯铁相似,硬度低而塑性高,并有铁磁性.铁素体的力学性能特点是塑性,韧性好,而强度,硬度低. δ=30%~50%,AKU=128~160J σb=180~280MPa,50~80HBS. 铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围. 2,奥氏体(Austenite )
奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体,用符号"A"(或γ)表示,面心立方晶格; 虽然FCC的间隙总体积较小,但单个间隙体积较大,所以它的溶碳量较大,最多有2.11%(1148℃时),727℃时为0.77%。在一般情况下, 奥氏体是一种高温组织,稳定存在的温度范围为727~1394℃,故奥氏体的硬度低,塑性较高,通常在对钢铁材料进行热变形加工,如锻造,热轧等时,都应将其加热成奥氏体状态,所谓"趁热打铁"正是这个意思.σb=400MPa,170~220HBS,δ=40%~50%. 另外奥氏体还有一个重要的性能,就是它具有顺磁性,可用于要求不受磁场的零件或部件.奥氏体的组织与铁素体相似,但晶界较为平直,且常有孪晶存在. 3,渗碳体(Cementite) 渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物,用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数Wc=6.69%,熔点为1227℃, 质硬而脆,耐腐蚀.用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈白色,如果用4%苦味酸溶液浸蚀,渗碳体呈暗黑色.渗碳体是钢中的强化相,根据生成条件不同渗碳体有条状,网状,片状,粒状等形态,它们的大小,数量,分布对铁碳合金性能有很大影响. 总结: 在铁碳合金中一共有三个相,即铁素体,奥氏体和渗碳体.但奥氏体一般仅存在于高温下,所以室温下所有的铁碳合金中只有两个相,就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少,所以可以认为铁碳合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中.这一点是十分重要的. 铁和碳可以形成一系列化合物,如Fe3C,Fe2C,FeC等,有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分,通常称其为Fe-Fe3C相图, 此时相图的组元为Fe和Fe3C.由于实际使用的铁碳合金其含碳量多在5%以下,因此成分轴从0~6.69%.所谓的铁碳合金相图实际上就是Fe—Fe3C相图. 二、铁碳合金相图分析 Fe—Fe3C相图看起来比较复杂,但它仍然是由一些基本相图组成的,我们可以将Fe—Fe3C相图分成上下两个部分来分析. 1.上半部分-------共晶转变 在1148℃,4.3%C的液相发生共晶转变: Lc (AE+Fe3C), 转变的产物称为莱氏体,用符号Ld表示. 存在于1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体,用符号Ld表示,组织由奥氏体和渗碳体组成;存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体,用符号Ldˊ表示,组织由渗碳体和珠光体组成. 低温莱氏体是由珠光体,Fe3CⅡ和共晶Fe3C组成的机械混合物.经4%硝酸酒精溶液浸蚀后在显微镜下观察,其中珠光体呈黑色颗粒状或短棒状分布在Fe3C基体上,Fe3CⅡ和共晶Fe3C交织在一起,一般无法分辨. 2.下半部分-----共析转变 在727℃,0.77%的奥氏体发生共析转变: AS (F+Fe3C),转变的产物称为珠光体. 共析转变与共晶转变的区别是转变物是固体而不非液体. 3.相图中的一些特征点
铁碳合金相图分析及应用
第五章铁碳合金相图及应用 [重点掌握] 1、铁碳合金的基本组织；铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、菜氏体的结构和性能特点及显微组织形貌； 2、根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程； 3、铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系。 铁碳相图是研究钢和铸铁的基础，对于钢铁材料的应用以及热加工和热处理工艺的制订也具有重要的指导意义。 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为Fe-Fe3C相图,相图中的组元只有Fe和Fe3C。 第一节铁碳合金基本相 一、铁素体 1．δ相高温铁素体：C固溶到δ-Fe中，形成δ相。 2．α相铁素体（用F表示）：C固溶到α-Fe中，形成α相。 F强度、硬度低、塑性好（室温：C%=0.0008%,727度：C%=0.0218%） 二、奥氏体 γ相奥氏体（用A表示）：C固溶到γ-Fe中形成γ相） 强度低，易塑性变形
三、渗碳体 Fe3C相（用Cem表示），是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 渗碳体的熔点高，机械性能特点是硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 渗碳体根据生成条件不同有条状、网状、片状、粒状等形态, 对铁碳合金的机械性能有很大影响。 第二节Fe-Fe3C相图分析 一、相图中的点、线、面 1．三条水平线和三个重要点 （1）包晶转变线HJB，J为包晶点。1495摄氏度，C%=0.09-0.53% L+δ→A （2）共晶转变线ECF, C点为共晶点。冷却到1148℃时, C点成分的L发生共晶反应：L →A（2.11%C）+Fe3C（6.69%C，共晶渗碳体）共晶反应在恒温下进行, 反应过程中L、A、Fe3C三相共存。 共晶反应的产物是奥氏体与渗碳体的共晶混和物, 称莱氏体, 以符号Le表示。
第四章 铁碳合金
第四章 铁碳合金和铁碳相图 铁碳合金中的主要元素是铁和碳，它包括工业纯铁、碳钢和白口铸铁。铁碳合金是世界上产量最大、使用最广泛的金属材料—钢铁材料的发展基础，因此，铁碳合金相图是所有相图中最基本，最重要的相图。 铁碳合金中，碳的存在形式有两种，渗碳体和石墨。渗碳体是一个亚稳定的化合物，在一定条件下可分解为铁和石墨。所以，铁碳相图有两个，一个是Fe —Fe 3C 相图，是工业用钢的基础；另一个是Fe —石墨相图，是工业用铸铁的基础。本章主要介绍Fe —Fe 3C 相图，关于Fe —石墨相图在金属材料学中会介绍。 §4.1 纯铁和铁碳合金中的相 一、纯铁 铁是钢铁材料最主要和最基本的元素。铁的原子序数为26，原子量为56，属于过渡族元素。铁的熔点为1538℃，温度20℃时的密度为7.873/cm g . 1. 铁的同素异构转变（重结晶或多晶型转变） 同素异构转变是指外界温度和压力改变时，固态金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象，它是一个相变过程。同素异构转变同液相结晶一样，也是一个晶核形成和晶核长大的过程。为了区别于液相结晶，同素异构转变又称为重结晶或多晶型转变。铁就具有同素异构转变的现象。 如图4.1是纯铁的冷却曲线。从图中可以看出：当液态铁缓慢冷却至1538℃时，结晶为体心立方结构的δ—Fe 。当温度降至1394℃时，δ—Fe 转变为面心立方结构的γ—Fe ，这个转变称为A 4转变，转变的平衡温度（1394℃）称为A 4点。当温度降至912℃时，γ—Fe 转变为无磁性的体心立方结构的α—Fe ，这个转变称为A 3转变，转变的平衡温度（912℃）称为A 3点。当温度降至770℃时，无磁性的α—Fe 转变为有磁性的α—Fe ，这个转变称为A2转变，转变的平衡温度称为A2点，也称居里点。 总之，固态纯铁有三种同素异构体。随着温度的降低，依次为δ—Fe ，γ—Fe 和α—Fe ，其中δ—Fe 和α—Fe 是体心立方结构，而γ—Fe 是面心立方结构，图4.2是纯铁平衡结晶冷至室温的组织变化图。铁的同素异构转变是钢铁合金化和热处理的基础。 2. 纯铁的性能和应用 教科书 二、铁碳合金中的相 铁碳合金中有三个重要的相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。铁素体、奥氏体是间隙固溶体，而渗碳体是间隙化合物，属于金属化合物。 1. 铁碳合金中的间隙固溶体——铁素体（F 或α）和奥氏体（A 或γ） 1) 定义 铁素体是碳原子溶于体心立方结构的铁中，形成的间隙固溶体。体心立方结构的铁有两种，一种是高温的δ—Fe ，一种是低温的α—Fe 。本章所讨论的铁素体一般是指α铁素体。用符号F 或α来表示。铁素体的晶体结构——体心立方结构，在727℃碳含量最高，0.0218%。 奥氏体是碳原子溶于面心立方结构的铁中，形成的间隙固溶体。用符号A 或γ来表示。奥氏体的晶体结构——面心立方结构，在1148℃碳含量最高，2.11%。 2) 性能 铁素体是一个软韧相，即硬度、强度较低，而塑性、韧性教好，其力学性能和工业纯铁相当， 在含碳量相同的情况下，同铁素体相比，奥氏体因为面心立方结构而具有更好的塑性。
铁碳合金相图及结晶组织变化
铁碳合金相图及结晶组织变化 铁碳合金的组元和相 一、基本概念 铁碳合金：碳钢和铸铁的统称，都是以铁和碳为基本组元的合金 碳钢：含碳量为0.0218%〜2.11%的铁碳合金 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金 铁碳合金相图：研究铁碳合金的工具，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各 种热加工工艺的依据。 注：由于含碳量大于Fe3C的含碳量（6.69% ）时，合金太脆，无实用价值，因此所讨论的铁碳合金相图实际上是F e-Fe3C 二、组元 1. 纯铁 纯铁指的是室温下的a-Fe,强度、硬度低，塑性、韧性好。 2. 碳 碳是非金属元素，自然界存在的游离的碳有金刚石和石墨，它们是同素异构体。 3. 碳在铁碳合金中的存在形式有三种：C与Fe形成金属化合物，即渗碳体； C以游离态的石墨存在于合金中。 C溶于Fe的不同晶格中形成固溶体； A. 铁素体：C溶于a-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F或“a表示，铁素体是一种强度和硬度低，而塑性和韧性好的相，铁素体在室温下可稳定存在。 B. 奥氏体：C溶于Y-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”“表示，奥氏体强度低、塑性好，钢 材的热加工都在奥氏体相区进行，奥氏体在高温下可稳定存在。 C. C与Fe形成金属化合物：即渗碳体Fe3C , Fe与C组成的金属化合物，Fe与C组成的金属化合物，含碳量为6. 69 %。以“Fe3C或“ Cm符号表示，渗碳体的熔点为1227 C，硬度很高（HB = 800）而脆，塑性几乎等于零。渗碳体在 钢和铸铁中，一般呈片状、网状或球状存在。它的形状和分布对钢的性能影响很大，是铁碳合金的重要强化相。碳在 a-Fe中溶解度很低，所以常温下碳以渗碳体或石墨的形式存在。 铁碳合金相图的分析 1. 铁碳合金相图由三个相图组成：包晶相图、共晶相图和共析相图； 2. 相图中有五个单相区：液相L、高温铁素体3、铁素体a奥氏体Y渗碳体Fe3C ;
最全的铁碳相图
最全的铁碳相图 首先，想要了解铁碳合金、铁碳相图，则需要一些准备知识，比如合金、相、组元成分的概念等，基本如下： 合金：一种金属元素与另外一种或几种元素，通过熔化或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。 相：合金中同一化学成分、同一聚集状态，并以界面相互分开的各个均匀组成部分。 固溶体：是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。 固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。 金属化合物：合金的组元间以一定比例发生相互作用儿生成的一种新相，通常能以化学式表示其组成。 铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于α-Fe和γ-Fe 晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。 在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。 1.铁素体 铁素体是碳在α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”(或α)表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。 δ=30%~50%，A KU=128~160J，σb=180~280MPa，50~80HBS. 铁素体的显微组织与纯铁相同,用4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在显微镜下呈现明亮的多边形等轴晶粒,在亚共析钢中铁素体呈白色块状分布,但当含碳量接近共析成分时,铁素体因量少而呈断续的网状分布在珠光体的周围。 2.奥氏体
铁碳合金相图详解
铁碳合金相图详解
第三章 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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3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 -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3 。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为2/m kg 3107.87⨯。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变），即： δ-Fe （体心）γ-Fe （面心） α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2 .0σ＝100～170MPa ，伸
长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS。 可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3 C Fe 3 是铁和碳形成的间隙化合物，晶 体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm表 示。C Fe 3 具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV，抗拉强度 b σ=30MPa，伸长率0=δ。 基本相 Fe-C Fe 3 相图中除了高温时存在的液相L，和化 合物相C Fe 3 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δ-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体碳溶于α-Fe的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F表示。F中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃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γ-Fe的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃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 Fe-C Fe 3 相图
铁碳合金相图详解
第三章 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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3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 -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 3.l.l 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为 2/m kg 3107.87⨯。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变） ，即： δ-Fe （体心） γ-Fe （面心） α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。 可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3 C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。 3.1.2 基本相 Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3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δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃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γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃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 Fe -C Fe 3相图 3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义 Fe -C Fe 3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。
铁碳相图
4.铁碳合金相图 主要研究铁与碳的相互作用，以便认识铁碳合金的本质，了解铁碳合金的成分、组织与性能的关系。 （1）Fe-Fe3C相图 Fe与C可形成一系列化合物，实际应用含C不超过5%，所以只研究Fe-Fe3C 部分。Fe-Fe3C相图由包晶、共晶、共析三个基本的相图组成。符号国际通用，不能任意写。各点成分、温度要记住。 见图2-30 图2-30 Fe-Fe3C相图 （2）组元 1）、纯铁：熔点1538℃，具有同素异构转变，使其能合金化和热处理。 α-Fe 912℃γ-Fe 1394℃δ-Fe 性能：强度低、塑性好。HB50～80, δ=30～50% 2）、渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物，含碳量为6.69%，熔点1227℃。 性能：硬而脆，塑性≈0 HB800 δ≈0。 （3）基本相 1）、液相（L）：Fe、C的液溶体。 2）、δ相：C溶于δ-Fe中的间隙固溶体，存在于高温，又称δ铁C max%=0.09%。3）、γ相：C溶于γ-Fe中的间隙固溶体，称奥氏体。用γ或A表示。C max%=2.11%。4）、α相：C溶于α-Fe中的间隙固溶体，称铁素体。用α或F表示。C max%=0.0218%。5）、Fe3C相：它是Fe与C形成的间隙化合物，也叫渗碳体，含碳量为6.69%。按其来源可分为：Fe3CⅠ：从L 中直接结晶出的Fe3C。 Fe3CⅡ：从A 中沿晶界析出的Fe3C。 Fe3CⅢ：从F 中沿晶界析出的Fe3C。
Fe3C共晶：共晶反应得到的Fe3C。 Fe3C共析：共析反应得到的Fe3C。 他们的本质是一样的，只是形状不同。 （4）Fe-Fe3C相图分析 1）点：A Fe的熔点：1538℃ B Fe3C熔点：1227℃ J 包晶点； C 共晶点；S 共析点。 E 钢与铁的分界点，含碳量为2.11%。≤2.11%的铁碳合金为钢，>2.11% 的铁碳合金为铁。 2）区：五个单相区：L δ α γ Fe3C 七个双相区：L+δ L+γ L+ Fe3C δ+γ α+γ γ+ Fe3C α+ Fe3C 3）线：⑤ABCD 液相线 ⑤AHJECF 固相线 ⑤三条水平线 HJB包晶转变线，在1495℃的恒温下，发生包晶转变： L B+δH1495℃γJ 凡含碳量在0.09～0.53%之间的合金，均发生包晶转变。 ECF共晶转变线，在1148℃恒温下，发生共晶转变： L C1148℃γE + Fe3C L d表示。凡含碳量在2.11～6.69%之间的合金，均发生共晶转变。 PSK共析转变线，在727℃恒温下，发生共析转变： γS 727℃αP + Fe3C 共析转变的产物称称为珠光体，用P表示，此线常用A1表示。 凡含碳量>0.0218%的合金均发生共析转变。 ⑤三条析出线 CD线：是C在L中的固溶度曲线，当T低于此线时从L中析出Fe3C，此线为一次渗碳体的开始析出线。 ES线：是C在A中的固溶度曲线，当T低于此线时，要从A中析出Fe3C，此线又是二次渗碳体的开始析出线，也叫Acm线。 PQ线：是C在F中的固溶度曲线，随T↓从F中析出Fe3C，此线为三次渗碳体的开始析出线。 ⑤GS线又称A3线，是A与F相互转变T随含碳量的变化曲线。 （5）铁碳合金分类 1）、工业纯铁：C≤0.0218%的Fe、C合金。 2）、碳钢：0.0218% < C ≤ 2.11% 的Fe、C合金。 共析钢0.77% 亚共析钢0.0218～0.77% 过共析钢0.77～2.11% 3）、白口铸铁：2.11% < C ≤ 6.69%的Fe、C合金。 亚共晶白口铁 2.11～4.3% 共晶白口铁 4.3% 过共晶白口铁 4.3～6.69% （6）典型合金的结晶过程分析及组织 见图2-31 典型铁碳合金冷却时的组织转变过程分析
铁碳相图以及铁碳合金
铁碳相图以及铁碳合金Post By：2021-12-6 16:33:51 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，但是它们的根本组**是铁(Fe)和碳(C)两种元素。因此，学习铁碳相图、掌握应用铁碳相图的规律解决实际问题是非常重要的。 Fe和C能够形成Fe3C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C, Fe3 C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个局部。由于化合物是硬脆相5％〕，因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3 C局部。，后面三局部相图实际上没有应用价值〔工业上使用的铁碳合金含碳量不超过化合物Fe3C称为渗碳体(Cementite)，是一种亚稳定的化合物，在一定条件下可以分解为Fe和C，C原子聚集到一起就是石墨。因此，铁碳相图常表示为Fe-Fe3C和Fe-石墨双重相图〔图1〕。Fe-Fe3C相图主要用于钢，而Fe-石墨相图则主要用于铸铁的研究和生产。这里主要分析讨论Fe-Fe3C相图，Fe-石墨相图与此类似，只是右侧的单相是石墨而不是Fe3C。 图1 铁碳双重相图 【说明】 图1中虚线表示Fe-石墨相图，没有虚线的地方意味着两个相图完全重合。 铁具有异晶转变，即固态的铁在不同的温度具有不同的晶体构造。纯铁的同素异晶转变如下：
由于Fe的晶体构造不同，C在Fe中的溶解度差异较大。碳在面心立方(FCC)的γ-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在体心立方(BCC)的α-Fe和δ-Fe中最大仅分别为0.0218%和0.09%。 纯铁 纯铁的熔点1538℃，固态下具有同素异晶转变：912℃以下为体心立方(BCC)晶体构造，912℃到1394℃之间为面心立方(FCC), 1394℃到熔点之间为体心立方。工业纯铁的显微组织见图2。 图2 工业纯铁的显微组织图3 奥氏体的显微组织 铁的固溶体 碳溶解于α－Fe和δ－Fe中形成的固溶体称为铁素体(Ferrite)，用α、δ或F表示, 由于δ－Fe是高温相，因此也称为高温铁素体。铁素体的含碳量非常低〔室温下含碳仅为0.005%〕，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一样〔图2〕 碳溶解于γ－Fe中形成的固溶体称为奥氏体(Austenite)，用γ或A表示。具有面心立方晶体构造的奥氏体可以溶解较多的碳，1148℃时最多可以溶解2.11%的碳，到727℃时含碳量降到0.8%。奥氏体的硬度(H B170～220)较低，塑性(延伸率δ为40%～50%)高。奥氏体的显微组织见图3,图4表示碳原子存在于面心立
铁碳合金相图
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：C Fe 3、C Fe 2、FeC 等。C Fe 3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 -C Fe 3相图。相图的两个组元是Fe 和C Fe 3。 3.1 Fe -C Fe 3系合金的组元与基本相 3.l.l 组元 ⑴纯铁 Fe 是过渡族元素，1个大气压下的熔点为1538℃，20℃时的密度为 2/m kg 3107.87⨯。纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构（同素异构转变） ，即： δ-Fe （体心） γ-Fe （面心） α-Fe （体心） 工业纯铁的力学性能大致如下：抗拉强度b σ=180～230MPa ，屈服强度2.0σ＝100～170MPa ，伸长率=δ30～50％，硬度为50～80HBS 。 可见，纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料，由于有高的磁导率，主要作为电工材料用于各种铁芯。 ⑵C Fe 3C Fe 3是铁和碳形成的间隙化合物，晶体结构十分复杂，通常称渗碳体，可用符号Cm 表示。C Fe 3具有很高的硬度但很脆，硬度约为950～1050HV ，抗拉强度b σ=30MPa ，伸长率0=δ。 3.1.2 基本相 Fe -C Fe 3相图中除了高温时存在的液相L ，和化合物相C Fe 3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δ-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号δ表示。 ⑵铁素体 碳溶于α-Fe 的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号α或F 表示。F 中碳的固溶度极小，室温时约为0.0008％,600℃时约为0.0057％,在727℃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γ-Fe 的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号γ或A 表示。奥氏体中碳的固溶度较大，在1148℃时最大达2.11％。奥氏体强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 3.2Fe -C Fe 3相图 3.2.1 Fe -C Fe 3相图中各点的温度、含碳量及含义 Fe -C Fe 3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。