铁碳合金相图
铁碳合金相图
用以温度为纵坐标，以碳含量为横坐标的图解方法，表示在接近平衡或亚稳状态下，以铁碳为单元组成的合金，在不同温度下相与相之间关系的图称为铁碳平衡图，也称为铁碳相图。它是研究铁碳合金的基础，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据，对了解我们厂内金属材料，尤其认识、理解锅炉管材有重要的意义，对后续想做好锅炉四管运行和维护也都是重要的基础。
一、基本概念
1）我们日常接触的“铁、钢”等其实都是合金，含铁、碳、硫、硅等等，要认识了解所熟知的“铁、钢”就必须先认识他们中最基础的两种元素，纯铁和碳。纯铁在1394℃以上以体心立方结构（δ-Fe）稳定存在，温度下降，在912～1394℃范围内发生同素异构转变，以面心立方晶格的γ-Fe稳定存在，在912℃以下又重新回复到体心立方晶格的α-Fe，说体心立方体、面心立方体都离不开另一个主角碳，就是碳在以铁元素构成的立方体中在其体心或者面心。
2）碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。
3）碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。
4）铁碳合金相图的基本组成相是铁素体、奥氏体和渗碳体，这里引出这三个体，具体理解如下。
1、铁素体
碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体，如图1所示。由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时碳的固溶度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，其显微组织图如图2所示。在铁碳相图中铁素体用符号F或α表示。
2、奥氏体
碳原子溶入γ-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体，如图3所示。具有面心立方晶格的γ-Fe的晶格间隙半径为0.052nm，比α-Fe的间隙稍大，在1148℃时碳原子在其中的最大固溶度为2.11%。随着温度的降低，碳在γ-Fe中的固溶度下降，在727℃时是0.77%（共析点），其显微组织图如图4所示。在铁碳相图中奥氏体通常用符号A或γ表示。
3、渗碳体
渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有复杂结构间隙化合物，属于复杂八面体结构，如图6所示，含碳量6.69%。渗碳体的硬度高达HB800，但脆性大，塑性和韧性几乎是零。在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢的性能影响很大。它在铁碳合金中可以呈片状、粒状、网状和板状形态存在，图5中平直的白色条状物即为铁碳合金凝固时的一次渗碳体。
4、珠光体
珠光体是由铁素体和渗碳体组成的处于热力学平衡状态的机械混合物。系奥氏体冷却时，在727 ℃恒温下发生共析转变的产物。显微组织为铁素体与渗碳体片层状交替排列。有类似贝壳的光泽，故名珠光体，强度较高，硬度适中，有一定的塑，珠光体显微组织图如图7。在铁碳相图中珠光体通常用符号P表示。
二、铁碳合金相图
在Fe--Fe3C相图中，较稳定的化合物Fe3C与Fe是组成二元合金的两个组元。相图有三个部分组成，左上角为包晶相图如图8所示，其图中特征点如表1所示。包晶相图与共晶相图都是具有三相平衡反应的基本相图，但是在1395℃以上发生的反应，在研究和应用中对铁碳合金的组织和性能都没有什么影响，实际中也很少应用，故不予研究。Fe--Fe3C相图可简化为图9所示。
图9铁碳合金相图
铁碳合金相图中主要温度、含碳量及含义见下表2
1）铁碳合金相图中各主要线的意义：
⑴AECF为固相线。若温度低于AECF线时，铁碳合金凝固为固体。
⑵ECF为共晶线。若含碳量在ECF线的范围（2.11%～6.69%）内，铁碳合金在1148℃时即发生共晶反应，形成莱氏体。
⑶ES为碳在奥氏体中溶解度曲线，简称Acm线。从该线可以看出，在1148℃时碳在奥氏体中的最大溶解度为2.11%，在727℃时，溶解度为0.77%，随着温度降低，碳在奥氏体中的溶解度也降低而从奥氏体中析出渗碳体。从固溶体奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。从液相中直接结晶出的渗碳体称为
一次渗碳体（Fe3C
Ⅰ），从铁素体中析出的渗碳体称为三次渗碳体（Fe3C
Ⅲ
）。
⑷GS为奥氏体在冷却过程中析出铁素体的起始温度线，简称A3线。
⑸GP为奥氏体在冷却过程中转变为铁素体的终止温度线。
⑹PSK为共析线，简称A1线。若含碳量在PSK线的范围（0.0218%～6.69%）内，奥氏体在727℃时发生共析反应，形成珠光体。
⑺PQ为碳在铁素体中溶解度曲线。从该线可以看出，在727℃时碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，在600℃时溶碳量约为0.0057％，在室温仅能溶解碳0.008%，可忽略不计。故一般铁碳合金凡是从727℃缓冷至室温时，均会从铁素体中析出渗碳体，称此渗碳体为三次渗碳体（Fe3C
Ⅲ
），三次渗碳体体量极少，可以忽略。
⑻以上转变都是温度慢慢变化时发生的，如果温度变化较快会产生贝氏体等，后续会设专题叙述。
三、典型合金结晶组织及温室组织
工程上使用的铁碳合金分为工业纯铁，碳钢和铸铁三大类，它们的区别在于含碳量的不同。含碳量小于0.0218%的，称为工业纯铁；含碳量大于0.0218%而小于2.11%，称为碳钢；含碳量大于2.11% 而小于6.69% 的，称为铸铁，见图
10
图10根据碳含量进行的划分
在分析铁碳合金的平衡组织时，按照组织的不同，习惯将碳钢分为共析钢，亚共析钢，过共析钢；将铸铁分为共晶白口铁，亚共晶白口铁和过共晶白口铁共六种典型合金，如图11所示。以下描述也要结合图9铁碳平衡图进行理解。
图11 铁碳相图中六种典型合金图
1. 共析钢
⑴上图中合金①称为共析钢，其含碳量为0.77% ，就这条线。
⑵当温度在1点以上时，合金为液相。
⑶温度降至1点时，开始从液相中析出奥氏体；
⑷温度降至1～2点之间时，从液相中不断析出奥氏体，液相不断减少，固相奥氏体不断增加。
⑸当温度降至2点时，合金全部结晶成奥氏体，温度在2～3点之间时，合金为单相奥氏体。
⑹温度降至3点，即共析点S时，含碳量0.77%的奥氏体在727℃温度下发生共析反应，从奥氏体中同时析出铁素体F和渗碳体Fe3C，两相所组成的共析组织即珠光体P。
共析钢的结晶过程如图12所示。
2. 亚共析钢
⑴含碳量低于0.77%的钢称为亚共析钢，合金②为例。
⑵合金从液相冷却到1点以后，逐渐结晶出固相的奥氏体；
⑶温度继续降至2-3点之间时，完全转变为单相奥氏体；
⑷当温度降至3点时，开始从奥氏体中析出铁素体，铁素体首先在奥氏体的晶界上形核，随着温度降低而长大；
⑸温度降至3-4点时，根据杠杆定律可以计算出结晶出的先共析铁素体含量为4S/（PS），剩下的奥氏体相的量为P4/（PS）。温度降至4点时剩下的奥氏体成分和温度已具备珠光体转变的条件，在727℃时发生共析反应，转变为珠光体。这样，亚共析钢奥氏体的一部分转变为先共析铁素体，另一部分转变为珠光体组织。温度继续降至室温时，显微组织基本不变（析出的三次渗碳体可忽略不计）即为铁素体加珠光体（F+P），亚共析钢的结晶过程，如图13所示。
图13 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
亚共析钢的结晶过程可用反应式表示：L → L+A→A → F＋A → F+P
3. 过共析钢
⑴含碳量在0.77%～2.11%的碳钢称为过共析钢，合金③为例，过共析钢的结晶过程如图14所示。
⑵合金从液相冷却至1点以后，结晶出奥氏体；
⑶温度继续降至2-3之间时，全部转变为奥氏体；温度降至3点时，碳在奥氏体中溶解度达到饱和。
⑷温度降低至3-4时，开始析出Fe3C，即为二次渗碳体Fe3CⅡ。Fe3CⅡ沿着奥氏体晶界析出。
⑸温度降至4点（727℃）时，析出的二次渗碳体Fe3CⅡ
图14过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
过共析钢的结晶过程用反应式表示为：L→ L + A→ A →Fe3CⅡ＋A →Fe3CⅡ+ P 铸铁的平衡组织也分为共晶白口铁、亚共晶白口铁、过共晶白口铁，分析形式很以上一样，不做累述了。
四、铁碳合金相图的应用及其局限
铁碳合金相图很好地反映了材料成分与组织之间的关系，铁碳合金相图在选择材料、金属加工、热处理以及选配合金钢、合金铸铁等方面有着重要作用。如下图15所示。
1. 选材方面的应用
对于需要具有良好的塑性、韧性的材料如厂房结构、冷却塔，则可选用铁素体组织多的低碳钢（ωC =0.1%-0.25%）；对于要求综合机械性能较高的材料即强硬度、塑韧性都较好如轴、齿轮，则可选用组织是铁素体加珠光体的中碳钢（ωC=0.25%-0.65%）；对于需要硬度高、耐磨性好的材料时如工具、轴承，则可选含碳量更高的其组织是珠光体加渗碳体的高碳钢（ωC=0.8%-1.4%）。
2. 锻造方面的应用
钢处于奥氏体状态时强度低，塑性好，因此热锻、热轧选在单相奥氏体区内进行。一般始锻、始轧温度控制在固相线以下100～200℃范围内。温度高时，钢的变形抗力小，但温度不能过高，以防钢材过热、过烧。终锻、终轧温度不能过低，以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂。亚共析钢热加工终止温度多控制在GS线以上，避免变形时出现大量铁素体，而使强度降低。始锻温度为1100～1200℃，终锻温度为900～1000℃。
3. 热处理方面的应用
Fe-Fe3C相图是制订钢铁零件热处理工艺的理论依据，所以对热处理工作者具有特别重要的意义。各种钢材热处理常用工艺如退火、正火、淬火和回火的加热温度都是依据铁碳相图确定的。常用整体热处理工艺正火，退火、淬火和回火，
俗称“四把火”。钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类，表面热处理分为表面淬火与化学热处理两类。
正火是将钢件加热到A3（如图9中，A3是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度，一般727-912℃）或A cm（如图9中，A cm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化得临界温度线线）以上30-50℃，保温适当时间后，在静止的空气中缓慢冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织，常用作预先热处理。
退火是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜的速度冷却（通常是缓慢冷却，有时是控制冷却）的一种金属热处理工艺。退火的目的如下：降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，提高工件的综合机械性能。
淬火是将钢加热到临界温度A3（亚共析钢）或A cm（过共析钢）以上某一温度，保温一段时间，使之完全或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的快冷（浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺，常见的淬冷介质有盐水、水、矿物油等）到Ms点以下进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件的使用要求。(这里突然涉及到马氏体和贝氏体，其实这也是金属材料中两种重要的体，回头要花时间进行认识)。淬火的工艺广泛应用于各种工具、模具、量具及要求耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）机械中的重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭中应用的刚健几乎都经过淬火处理。
回火是工件淬火后将其加热到A3、A cm以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。
4.铁碳合金相图的局限性
1）铁碳平衡相图是铁碳合金在平衡状态时的组织组成图，图中标注的所有参数仅仅针对碳钢和铸铁，且不揭示它们的非平衡组织如马氏体、贝氏体等的转变规律。
2）合金钢和合金铸铁的平衡状态图由于添加了其它合金元素，与二元铁碳平衡相图差别很大。
3）即使对于碳钢和铸铁，在实际应用中，也不可直接在铁碳平衡图上读取成分-温度的对应参数值。因为实际成分和加热条件往往偏离或远离平衡状态图，须根据工程实际参考相关手册中钢的加热温度参数。
4）铁碳平衡相图仅仅是学习金属材料热处理、进而研究热处理的必备基础知识和出发点，还不是指导热处理生产过程的直接技术依据。
五、碳钢与铸铁（延伸）
1. 碳钢
碳的质量分数小于2.11%而大于0.0218%且不含有特意加入的合金元素的钢称为碳钢,目前使用的金属材料中，碳钢占有重要地位，工程中使用的碳钢均含
有锰、硅、硫、磷等元素。
1）碳的影响
含碳量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，它的力学性能与铁素体基本相同，有良好的塑性和韧性，较低的强度与硬度。
在亚共析钢中，室温组织为铁素体+珠光体；而在过共析钢中，组织则为珠光体+渗碳体。含碳量的变化，室温组织即变化，随之碳钢性能也不同，当含碳量增加后，碳钢的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。
含碳量的增加，碳钢中的渗碳体也在不断的增加。但是，当含碳量超过0.9%后，由于游离状态的二次渗碳体沿晶界析出，这些硬而脆的网状渗碳体包围住珠光体的晶粒，降低了晶界之间的结合力，使钢的脆性增加（可参见共析钢与过析钢的组织转化图），也使的碳钢强度逐渐下降，工程上已很少使用含碳量大于1.4%的碳钢。
2）锰的影响
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0.25%～0.8%。锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，可以使钢的调质组织均匀、细化，可以避免渗碳层中碳化物的聚集成块，从而提高钢的强度。锰是有益元素。
3）硅的影响
硅与锰相似，具有较强的脱氧作用。硅溶入铁素体中可提高钢的强度，且塑性、韧性降低不明显，但含量大于0.8%时，钢的塑性、韧性显著下降。一般控
制钢中硅含量在0.5%以下。
4）硫的影响
硫是炼钢过程中难以除尽的杂质元素。易以FeS的形式与Fe形成低熔点的共晶体并附在晶界上，这种共晶体熔点为958℃，使得在1100～1200℃时热轧、热锻的钢材易产生热裂纹并报废，称为热脆性。在钢中的含量应控制在0.04%以下。但硫可以改善钢的被切削性能，所用在易切削钢中硫是作为有益元素加入的。5）磷的影响
磷来源于炼钢原料，为杂质元素。它可以溶入铁素体中而提高钢的冷脆性并使钢的塑韧性明显降低，在钢中的含量不得超过0.04%。
2.合金钢
在机械制造中，对工件的性能要求愈来愈高，碳钢已不能满足，就必须添加合适的合金元素以改善材料的性能。由碳钢制成的零件尺寸不宜太大，否则，因淬透性不够而不能满足工件对强度、硬度与塑韧性良好配合的要求。加入合金元素可提高淬透性；用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金可满足；碳钢不能满足特殊性能的要求，如耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等，只有特种的合金钢才能具有这些性能，常用的是Cr、Mo、Mn等。
1) Cr，提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，增加钢的耐磨性，含量超过12％时，钢具有良好的高温抗氧化性和耐腐蚀性，是不锈钢及耐热钢的主要合金元素。铬在调质合金钢中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能；在渗碳钢中可以形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。
2) Mo，在调质钢中，钼能使较大截面的零件淬深、淬透，提高钢的回火稳定性，从而更有效地降低残余应力，提高塑性。在渗碳钢中，钼能在表面渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中残余奥氏体，相对地增加了表层的耐磨性。
3) Mn，良好的脱氧剂和脱硫剂，锰和铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，可以使钢的调质组织均匀、细化，可以避免渗碳层中碳化物的聚集成块，但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向。
3. 铸铁
铸铁的强度、塑性、韧性都很差，属于脆性材料。这是铸铁的根本缺点。它的导热性差、焊接性差，因此铸铁不适合制作各类结构件和重要零件。
铸铁是含碳量在2.11％—6.69％的铁碳合金。碳以渗碳体形式存在的铸铁，断口呈银白色，称为白口铸铁。碳以全部或大部分片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，称为灰口铸铁。铁碳相图中，渗碳体Fe3C作为一个组元是较稳定的相。但在铁碳合金中，它仍是个亚稳相，石墨才是稳定的相。在工业上应用的铸铁中，碳一般都是以石墨状态存在，这使得铸铁有许多优点：优良的铸造性能浇注的温度低、流动性好、偏析倾向小、收缩率小；优良的减震性，由于石墨的存在，便于吸收机械振动能，使之变为热能，因此铸铁具有优良的减震性，特别适合制作各种机床床身、设备底座等；良好的切削加工性能由于石墨割裂了基体的连续性，铸铁在切削时易于断屑，所以铸铁有很好的切削加工性能。
学习的本质不止是获得知识，形成概念，更重要的在学习过程所触发的思考（李博）
铁炭相图
二、Fe - Fe3C 相图的分析 （一）图中主要的特性点和线及其意义 图中主要的特性点及其意义： A —纯铁的熔点（1538℃）。 C — 共晶点（1148℃，ωc=4.3%）。 D —渗碳体的熔点（理论计算值1227℃）。 E —表示碳在γ-Fe 中的最大溶解度。 G —纯铁的同素异晶转变点，α-Fe 与γ-Fe 相互转变。 S —共析点（727℃，ωc=0.77%）。 图中主要特性线及其意义： ACD — 液相线。 AECF — 固相线 ES —碳在γ—Fe 中的溶解度曲线 GS —奥氏体和铁素体的相互转变线 ECF —共晶线 PSK —共析线 纯铁（含碳0～0.0218 ％ ） 铸铁（含碳2.11～6.69％） 碳钢（含碳0.0218～2.11％） 纯铁熔点 （1538℃） Fe 3C A 渗碳体熔点 （1227℃） 共晶点（1148℃） 碳在γ－Fe 中 的最大溶解度 （1148℃） 共析线 渗碳体（含 碳6.69％） G 纯铁的同素异晶 转变点（912℃） 碳在α－Fe 中 的最大溶解度 （727℃） 共析点 （727 ℃ ）
第三节 典型铁碳合金的结晶过程及组织 一、铁碳合金的分类 1、工业纯铁：成分在P 点左面，碳的质量分数小于0.0218% 的铁碳合金。 2、钢：成分在P 点与E 点之间，碳的质量分数0.0218%～2.11% 的铁碳合金，根据其室温组织的特点，又可以S 点为界 分为三类： 共析钢：ωc=0.77%; 亚共析钢：ωc=0.0218%～0.77%; 过共析钢: ωc=0.77%～2.11%. 3、白口铸铁：成分在E 点和F 点之间，碳的质量分数为2.11%～ 6.69%的铁碳合金。白口铸铁组织的特点，也可 以C 点为界分为三类： 共晶白口铸铁： ωc=4.30%; 亚共晶白口铸铁： ωc=2.11%～4.30%; 过共晶白口铸铁： ωc=4.30%～6.69%. 2.按钢的质量分类: *碳素钢: Wp = (0.035% ～ 0.045%) Ws = (0.035% ～ 0.050%) *优质碳素钢: Wp = 0.035% Ws = (0.030% ～ 0.035%) *高级优质碳素钢: Wp ≤ 0.030% Ws = ( 0.020%～0.025% ) 3.按钢的用途分类: *碳素结构钢 ( carbon structural steel ) 用于制造各种机械零件、工程构件。一般为 低、中碳钢。 *碳素工具钢 ( carbon tool steel ) 用于制造各种工具。一般为高碳钢。 Fe - Fe 3C 相图
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α-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α-Fe中所形成的间隙固溶体，体心立方晶格，用符号“F”或“α”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γ-Fe中所形成的间隙固溶体，面心立方晶格，用符号“A”或“γ”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℃，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δ、铁素体α、奥氏体γ、渗碳体Fe3C；
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
铁碳合金相图 用以温度为纵坐标，以碳含量为横坐标的图解方法，表示在接近平衡或亚稳状态下，以铁碳为单元组成的合金，在不同温度下相与相之间关系的图称为铁碳平衡图，也称为铁碳相图。它是研究铁碳合金的基础，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据，对了解我们厂内金属材料，尤其认识、理解锅炉管材有重要的意义，对后续想做好锅炉四管运行和维护也都是重要的基础。 一、基本概念 1）我们日常接触的“铁、钢”等其实都是合金，含铁、碳、硫、硅等等，要认识了解所熟知的“铁、钢”就必须先认识他们中最基础的两种元素，纯铁和碳。纯铁在1394℃以上以体心立方结构（δ-Fe）稳定存在，温度下降，在912～1394℃范围内发生同素异构转变，以面心立方晶格的γ-Fe稳定存在，在912℃以下又重新回复到体心立方晶格的α-Fe，说体心立方体、面心立方体都离不开另一个主角碳，就是碳在以铁元素构成的立方体中在其体心或者面心。 2）碳溶入α-Fe和γ-Fe中所形成的固溶体称为铁素体和奥氏体。当含量超过铁素体和奥氏体的溶解度时，则会出现金属化合物相Fe3C，称为渗碳体。 3）碳原子溶入δ-Fe中所形成的固溶体称为高温铁素体。它在1394℃以上的高温出现，对工程上应用的铁碳合金的组织和性能没有什么影响，故不作为铁碳合金的基本相。 4）铁碳合金相图的基本组成相是铁素体、奥氏体和渗碳体，这里引出这三个体，具体理解如下。 1、铁素体 碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体，如图1所示。由于体心立方晶格的α-Fe的晶格间隙半径只有0.036nm，而碳原子半径为0.077nm，所以碳在铁素体中的溶解度很小。在727℃时最大固溶度为0.0218%，而在室温时碳的固溶度几乎降为零。因此，常温下铁素体的力学性能与纯铁相近，铁素体有优良的塑性和韧性，但强度，硬度较低，在铁碳合金中是软韧相，铁素体是912℃以下的平衡相，也称做常温相，其显微组织图如图2所示。在铁碳相图中铁素体用符号F或α表示。
铁碳相图详细讲解要点说明
三、典型铁碳合金的平衡结晶过程 铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴工业纯铁（<0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。 ⑵碳钢（0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（0.77%C）和过共析钢（0.77%~2.11%C）。 ⑶白口铸铁（2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁（2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（4.3%C）和过共晶白口铸铁（4.3—6.69%C） 下面结合图3-26，分析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。 图3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的位置 ㈠工业纯铁（图3-26中合金①）的结晶过程 合金液体在1~2点之间通过匀晶反应转变为δ铁素体。继续降温时，在2~3点之间，不发生组织转变。温度降低到3点以后，开始从δ铁素体中析出奥氏体，在3~4点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增多，到达4点以后，δ铁素体全部转变为奥氏体。在4~5点之间，不发生组织转变。冷却到5点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到6点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7点，开始沿铁素体晶界析出三次渗碳体Fe3C III。7点以下，随温度下降，Fe3C III量不断增加，室温下Fe3C III的最大 量为： % 31 .0 % 100 0008 .0 69 .6 0008 .0 0218 .0 3 = ? - - = Ⅲ C Fe Q 。图3-27为工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图。工业纯铁的室温组织为α+Fe3C III，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe3C III。
铁碳相图详解
Fe-C相图详解 图1 Fe-Fe3C合金相图 1、相图中的基本相及其符号表示 （1）液相（L）：铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。 （2）高温铁素体（δ）：碳固溶在δ-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；因存在的温度较高，故称高温铁素体或δ固溶体，在1394℃以上存在；在1495℃时溶碳量最大，碳的质量分数为0.09%。 （3）铁素体（α/F）：碳固溶在α-Fe中形成的间隙固溶体，呈体心立方晶格结构；由于晶格间隙很小，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%，因此其性能几乎和纯铁相同，强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。 （4）奥氏体（γ/A）：碳固溶在γ-Fe中形成的间隙固溶体, 呈面心立方晶格结构，是钢铁的一种层片状的显微组织；由于八面体间隙较大，因此可以容纳更多的碳；奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。 （5）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物；渗碳体的含碳量为ωc=6.67%，熔点为1227℃；其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高，塑性、韧性几乎为零，脆性很大； 在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对合金的性能有直接影响：一次渗碳体（Fe3C I）：液相合金冷却到液相线以下时析出的渗碳体，为块状。 共晶渗碳体（Fe3C共晶）：莱氏体中的渗碳体，呈骨骼/树枝状。 二次渗碳体（Fe3C II）：由奥氏体中析出的渗碳体，为网状。
共析渗碳体（Fe3C共析）：珠光体中的渗碳体，呈片状。 三次渗碳体（Fe3C III）：从铁素体晶界上析出，沿铁素体晶界呈断续片状/短棒状分布。（6）珠光体（P）：铁素体和渗碳体一起组成的机械混合物；力学性能介于两者之间。（7）莱氏体（Ld/Ld’）：常温下是珠光体、渗碳体和共晶渗碳体的混合物；当温度高于727℃时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示；在低于727℃时，莱氏 体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示，称为变态莱氏。 2、相图中的特性点及其数值、物理意义 3 （注：部分相图中Q温度为600℃，ωC=0.0057%，代表600℃时碳在α-Fe中的溶解度） 3、相图中相变曲线的物理含义 （1）恒温（1495℃）转变线HJB：包晶线。 0.09%≤ωC≤0.53%的铁碳合金（即ωC值落在H点和B点横坐标间的铁碳合金)在 1495℃发生包晶转变（L B+δH?A J），产生奥氏体。 （2）恒温（1148℃）转变线ECF：共晶线。 2.11%≤ωC≤6.69%的铁碳合金（即ωC值落在E点和F点横坐标间的铁碳合金)在 1148℃发生共晶转变（L C?A E+Fe3C），产生莱氏体。 （3）恒温（727℃）转变线PSK：共析线。 0.0218%≤ωC≤6.69%的铁碳合金（即ωC值落在P点和K点横坐标间的铁碳合金) 在727℃发生共析转变（A S?F P+Fe3C），产生珠光体。 （4）ES（A cm线）：碳在奥氏体中的溶解曲线。 ωC≥0.77%的铁碳合金在由1148℃缓冷至727℃时沿奥氏体晶界析出二次渗碳体。（5）PQ：碳在铁素体中的溶解度曲线。 ωC≥0.0008%的铁碳合金,在由727℃缓冷至室温时沿着铁素体晶界析出三次渗碳体。（6）GS（A3线）：奥氏体与铁素体之间的转变曲线；此线以上全部为奥氏体。 4、相图中分界曲线的物理含义
铁碳相图
Iron-Carbon Phase Diagram αγδεΨ 1.铁素体：Ferrite ---F 存在图中GPQ下方，它是碳溶于α-Fe中的固溶体，碳的溶解量很小，在723℃时达到最大值，其质量分数为0.0218%，常温时的质量分数为:0.006%。 特性：强度和硬度较低，塑性和韧性好。 另：碳溶于δ-Fe形成的固溶体，叫δ固溶体，以δ表示，也是铁素体。 2.奥氏体：Austenite --A 存在于图GSEJN区域，它是碳溶于γ-Fe中的固溶体。碳的溶解量随温度的升高而增多，至1148℃时达到最大值，质量分数为：2.11%。 特性：硬度为170~220HBS，伸长率为40%~50%，即硬度较低塑性较高。 3. 渗碳体：Cementite --Fe3C 由垂线DN表示，是含碳质量分数为6.67%的铁碳化合物。 特点：硬度高800HBS，脆性大，塑性极低。 4. 珠光体：Pearlite---P A1线；在铁素体上分布着硬脆的渗碳体，形成的组织为珠光体。Ferrite+Cementite=Pearlite 特点：抗拉强度：δ=750MPa，布氏硬度：240HBS，断面收缩率：Ψ=12%~15%；因而珠光体是一种高硬度、强度和韧性的组织。 依据渗碳体的存在形式，可分为片状珠光体和粒状珠光体，含碳量相同的钢材，粒状珠光体比片状珠光体硬度强度低一些，在相同硬度情况下，粒状珠光体的屈服强度、塑性、韧性都比片状珠光体优越。
5. 贝氏体：Bainite 当奥氏体过冷到550℃左右至马氏体点（Ms）温度范围时，其转变成的组织成为贝氏体。可分为上贝氏体和下贝氏体，上贝氏体是过冷奥氏体大约在550~350℃温度范围转变成的，下贝氏体是过冷奥氏体在350℃左右至马氏体点（Ms）之间的温度范围内转变成的。 上贝氏体强度大，脆性大；下贝氏体强度和韧性都比较高。 6. 马氏体：Martensite 当奥氏体以大于临界冷却速度冷却，并过冷到Ms点以下时，可转变为马氏体。 特点：高强度，脆性大。 液相L线：温度高于ABCD线部分，所有铁碳合金均处于熔化状态。 A 线：MN线，230℃，为渗碳体磁性转变线，高于此温度其磁性消失。 A 1 线：PS线，727℃，为共析转变线，冷却到此温度，奥氏体同时转变为铁素体和渗碳体，组成珠光体；而加热到此温度时，珠光体转变为奥氏体。共析成分含碳量的质量分数为0.8%，S为共析点。 A 2 线：GSP内短水平虚线，770℃，为铁素体磁性转变温度线，高于此温度，铁素体磁性消失。 A 3线：GS线，727~910℃，为铁素体和奥氏体的转变温度线，加热到A 1 线时铁素 体开始转变为奥氏体，加热到A 3线时，铁素体全部转化为奥氏体，冷却到A 3 线时， 奥氏体开始析出铁素体。 A cm 线, ES线，727~1148℃，为碳在奥氏体中的溶解度曲线。加热到此线以上，钢中的渗碳体完全熔解于奥氏体中；奥氏体冷却到此线以下，就要析出过饱和的碳，形成渗碳体。 共晶线, EF线，1148℃，液相铁碳合金冷却到此温度线时，同时转换为奥氏体和渗 5）低合金钢－合金量<5% 6）中合金钢－合金量5%~10% 7）高合金钢－合金量>10% 1. 塑性伸长率：δ=[(L1-L0)/L0]X100% 或Ψ=[(A0-A1)/A0]X100% 2. 强度：ζs=F s/A0 ζb=F b/A0 弹性：Elasticity, 塑性：Plasticity, 强度：Intensity，硬度：Hardness，冲击韧性：Impact Toughness
铁碳合金相图知识点讲解
铁碳合金相图 1、纯铁的同素异构转变 许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格（金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图a）。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格（八个原子分布在立方体的八个角上，一个原子处于立方体的中心，如图b所示）。但有些金属在固态下存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等，这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。 图a 面心立方晶体图b 体心立方晶体图1是纯铁的冷却曲线。液态纯钛在1538℃进行结晶，得到体心立方晶格的δ-Fe 。继续冷却到1394℃发生同素异构转变，成为面心立方晶格γ-Fe。在冷却到912℃又发生一次同素异构转变，成为体心立方晶格α-Fe。正因为纯铁的这种同素异构转变，才使钢和铸铁通过热处理来改变其组织和性能成为可能。 图1 纯铁的冷却曲线
纯铁的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循结晶的一般规律：有一定的平衡转变温度（相变点）；转变时需要过冷度；转变过程也是由晶核的形成和晶核的长大来完成。但是这种转变是在固态下进行的，原子扩散比液态下困难，因此比液态金属结晶具有较大的过冷度。另外，由于转变时晶格致密度的改变，将引起晶体体积的变化。如：γ-Fe转变为α-Fe时，他可能引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形或开裂。 纯铁的磁性转变温度为770℃。磁性转变不是相变，晶格不发生转变。770℃以上无铁磁性，770℃以下有铁磁性。 2、铁碳合金的基本组织 在铁碳合金中，铁和碳是两个基本组元。在固态下，铁和碳有两种结合方式：一是碳溶于铁中形成固溶体，二是铁与碳形成渗碳体，它们构成了铁碳合金的基本组成相。 （1）液相用”L”表示。是铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体。 （2）铁素体用符号"F"（或“α”、“δ”）表示。碳溶解于在α-Fe 中形成的间隙固溶体，是α相。碳溶解于在α-Fe中形成的间隙固溶体，是δ相。虽然体心立方（BCC）晶格的间隙总体积较大,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，强度、硬度低而塑性、韧性高,并有铁磁性。工业纯铁（ω C ≦0.02%）的室温组织是由铁素体晶粒组成的。 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。 （3）奥氏体用符号"A"(或γ)表示。奥氏体是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体,面心立方（FCC）晶格虽然的间隙总体积较小，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℃，故奥氏体的轻度较低，硬度不高,但塑性较高（δ=40%~50%），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。
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 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。
铁碳相图归纳
第四章 纯铁：α-Fe 在770℃（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。 工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好 C在钢铁中存在的三种形式： 溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶体）－钢 以游离石墨存在于钢铁中－铸铁。 与铁成金属间化合物如Fe3C, Fe2C, FeC）－金属间化合物 石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。 实线为 Fe－Fe3C 相图虚线为 Fe－C 相图 α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。α= F γ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。γ= A δ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。
Fe3C相铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为 Cm(Cementite)。 石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。 L相碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。 的冷却过程中组织还会发生变化。 Ld(Ledeburite) 的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite)
（1） ABCD ―液相线（2） AHJECF ―固相线 （3） HJB ―包晶反应线 (1495 C) L B+δH←→A J （4） ECF ―共晶反应线 (1148 C) L C←→ A E+Fe3C I (称为莱氏体) （5） PSK ―共析反应线 (727 C)As←→Fp+Fe3C (称为珠光体) （6） A CM线（ES线）―从奥氏体析出Fe3CⅡ的临界温度线 （7） A3线（GS线）―从奥氏体转变为铁素体线 五个单相区：液相区 L 高温固溶体δ；γ相（奥氏体，A) ；α相（铁素体，F) Fe3C相（渗碳体，Cm） 七个双相区：L＋δ， L＋γ， L＋ Fe3C，δ＋γ，γ＋ Fe3C，α＋γ；α＋Fe3C 三个三相区：HJB线 L＋δ＋γ；ECK线 L ＋γ＋ Fe3C；PSK线γ＋α＋Fe3C 工业纯铁 (C%<0.02%) 碳钢 ( C%= 0.02% 2.11 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共析钢：C<0.77 wt% 共析钢： C=0.77 wt% 过共析钢：C>0.77 wt% 白口铸铁 (生铁）（C%= 2.11 6.69 wt %） 依据C含量不同，又分为： 亚共晶白口铸铁 C<4.3 wt% 共晶白口铸铁 C=4.3 wt% 过共晶白口铸铁 C>4.3 wt% 灰口铸铁（C%= 2.11 6.69 wt %） 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁 工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F 相：α (F) 共析钢(C%≈0.77%)：组织：P 相：α(F)＋Fe3C 亚共析钢(C%=0.02 0.77%)：组织：F＋P 相：α (F)＋Fe3C 组织转变： L→L+A→A→F+A→F+P 过共析钢(C%=0.77 2.11%)：组织：P＋Fe3C II相；α (F) ＋Fe3C 组织转变：L→L＋A →A→A＋Fe3C II→P＋Fe3C II 共晶白口铁(C%≈4.3%)：组织：L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变 L → Ld（A+Fe3C I)→A+Fe3C II+Fe3C I → (P + Fe3C I（Fe3CⅡ)） 亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)：组织：P＋Fe3C II＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变L→L＋A→A＋Ld→A＋Fe3C II＋Ld→P＋Fe3C II＋L’d 过共晶白口铁(C%=4.3 ~ 6.69%)：组织：Fe3C I＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C 组织转变 L→L+Fe3C I→Fe3C I+Ld→Fe3C I+L’d
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
铁碳相图详解
合用标准文案 三、典型铁碳合金的平衡结晶过程 铁碳相图上的合金，按成分可分为三类： ⑴工业纯铁（ <0.0218% C），其显微组织为铁素体晶粒，工业上很少应用。 ⑵碳钢（ 0.0218%~2.11%C），其特点是高温组织为单相 A，易于变形，碳钢又分为亚共析钢（0.0218%~0.77%C）、共析钢（ 0.77%C）和过共析钢（ 0.77%~2.11%C）。 ⑶白口铸铁（ 2.11%~6.69%C），其特点是铸造性能好，但硬而脆，白口铸铁又分为亚共晶白 口铸铁（ 2.11%~4.3%C）、共晶白口铸铁（ 4.3%C）和过共晶白口铸铁（ 4.3 — 6.69%C）下面结合图 3-26 ，剖析典型铁碳合金的结晶过程及其组织变化。 图 3-26 七种典型合金在铁碳合金相图中的地址 ㈠工业纯铁（图 3-26 中合金①）的结晶过程 合金液体在 1~2 点之间经过匀晶反响转变为δ铁素体。连续降温时，在2~3 点之间，不发生组织转变。温度降低到 3 点今后，开始从铁素体中析出奥氏体，在3~4 点之间，随温度下降，奥氏体的数量不断增加，到达 4 点今后，铁素体全部转变为奥氏体。在4~5 点之间，不发生组织转变。冷却到 5 点时，开始从奥氏体中析出铁素体，温度降到 6 点，奥氏体全部转变为铁素体。在6-7 点之间冷却，不发生组织转变。温度降到7 点，开始沿铁素体晶 界析出三次渗碳体 Fe C。7 点以下，随温度下降， Fe C 量不断增加，室温下Fe C 的最大 3 III 3 III 3 III Q Fe3CⅢ0.0008 100%0.31% 量为：。图 3-27 为工业纯铁的冷却曲线及组织转变表示图。工业纯铁的室温组织为+Fe C ，如图 3-28 所示，图中个别部位的双晶界内是Fe C 。 3 III 3 III
铁碳合金相图
第二节 Fe-Fe3C 相图 相图：表示在平衡条件下（极其缓慢加热和冷却）合金成分、温度、组织状态之间的关系图形称为合金相图，又称合金状态图。本节主要讨论铁碳合金相图。 相图测定方法：最常用的相图测定方法为热分析法，即对合金系中不同成分的合金进行加热熔化，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，测出其相变临界点，并标于“温度——成分”坐标中，绘成相图。（以Cu-Ni相图为例,点击此处可观看Cu-Ni合金相图测定原理） 由于Wc>6.69%的铁碳合金脆性极大，加工困难，生产中无实用价值，并且Fe3C（Wc = 6.69%）可以作为一个独立组元。因此，我们仅研究Wc为0%~ 6.69%的Fe-Fe3C相图部分。为便于研究，将相图左上角部分简化，得到简化后的Fe-Fe3C相图。 一、Fe-Fe 3 C相图分析 相图分析思路：特性点--- →特性线--- →相 区 简化后的Fe-Fe3C相图可看作由两个简单组元组成的典型二元相图，图中纵坐标表示温度，横坐标表示成分。左端原点Wc=0%，即纯铁；右端点Wc=6.69%，即Fe3C。横坐标上任何一个固定的成分均代表一种铁碳合金。例如S点，表示Wc=0.77%的铁碳合金。
Fe-Fe C相图 3 C相图的特性点 1、Fe-Fe 3 Fe-Fe3C相图中特性点的成分和温度与被测材料纯度和测试条件有关，故在不同资料中，各特性点位置略有不同。各特性点的温度、成分及含义见下表。 Fe-Fe3C相图特性点 特性点温度t/℃Wc/% 含义 A1538 0 纯铁的熔点 C1148 4.3 共晶点，LC→ld D1227 6.69 渗碳体的熔点（计算值） E1148 2.11 碳在γ-Fe中的最大溶解度 G912 0 纯铁的同素异晶转变点，α-Fe→γ-Fe
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
铁碳相图知识(打印)
铁碳相图知识 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。 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。
FeC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 C相图中各点的温度、碳含量及含义 3 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
工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。主要机械性能如下： 抗拉强度极限σ b 180MPa～230MPa 抗拉屈服极限σ 0.2 100MPa～170MPa 延伸率δ30%～50% 断面收缩率ψ 70%～80% 冲击韧性 a k 1.6×106J/m2～2×106J/m2 硬度50HB～80HB (2) Fe 3C Fe 3 C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为 渗碳体, 用Cm表示。
渗碳体的机械性能特点是硬而脆, 大致性能如下： 2. 铁碳合金中的相 Fe-Fe 3 C相图中存在五种相。 ①液相L 液相L是铁与碳的液溶体。 ②δ相δ相又称高温铁素体, 是碳在δ-Fe中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格, 在1394℃以上存在, 在1495℃时溶碳量最大, 为0.09%。 ③α相α相也称铁素体, 用符号F或α表示, 是碳在α-Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%, 600℃时为 0.0057%, 在727℃时溶碳量最大, 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与工业纯铁大致相同。 ④γ相相常称奥氏体, 用符号A或γ表示, 是碳在γ-Fe中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大, 在1148℃时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形。 ⑤Fe 3C相 Fe 3 C相是一个化合物相, 其晶体结构和性能已于前述, 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。 3. 相图中重要的点和线