铁碳相图以及铁碳合金
铁碳相图以及铁碳合金Post By：2009-12-6 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Fe
C, Fe2C 和FeC等多种稳定化合物。所以，Fe-C相图可以划分成Fe-Fe3C,
3
Fe3C-Fe2C, Fe2C-FeC和FeC-C四个部分。由于化合物是硬脆相5％），因此，通常所说的铁碳相图就是Fe-Fe3C部分。，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1 394℃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。
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(Fe3C)——DFK直线以左渗碳体区
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
Lγ——BJECB
L——DCFD
δ+γ——HNJH
γ+α——GPSG
γ+ Fe
C——ESKFCE
3
α+ Fe
C——PQLKSP+ Fe3C+
3
三相区——3个
包晶线——水平线HJB(Lδ+γ)
共晶线——水平线ECF(Lγ+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
A1538 0 纯铁的熔点
B1495 0.53 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
G912 0 纯铁α?γ转变温度
H1495 0.09 碳在δ-Fe中的最大溶解度
J1495 0.17 包晶点
K727 6.67 渗碳体的成分
N1394 0 纯铁γ?δ转变温度
P727 0.0218 碳在α-Fe中的最大溶解度
S727 0.77 共析点
Q
600 0.0057 600?C碳在α-Fe中的溶解度
200 7×10-7200?C碳在α-Fe中的溶解度
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009-10-30 10:36:36
Post By：2009-12-6 16:34:16
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；
δ
0.09
——含碳量为0.09%的δ固溶体；
γ
0.17
——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
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。，用符号
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72 7℃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(Fe3 C 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）。