铁碳相图详解
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Fe
3C
III
。7点以下，随温度下降，Fe
3
C
III
量不断增加，室温下Fe
3
C
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+Fe
3C
III
，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe
3
C
III
。
图3-27 工业纯铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-28 工业纯铁的显微组织 400× ㈡ 共析钢（图3-26中合金②）的结晶过程
共析钢的含碳量为0.77%，超过了包晶线上最大的含碳量0.53%，因此冷却时不发生包晶转变，其结晶过程及组织转变示于图3 - 29。合金液体在1 ~ 2 点间通过匀晶反应转变为奥氏体。在2 ~ 3点之间,不发生组织转变。到达3点以后，发生共析转变：γ0。77 → α0。0218 +Fe 3C ，由奥氏体相同时析出铁素体和渗碳体。反应结束后，奥氏体全部转变为珠光体。继续冷却会从珠光体的铁素体中析出少量的三次渗碳体，但是它们往往依附在共析渗碳体上，难于分辨。共析钢的室温组织为100%的珠光体，如图3-30所示。由图3-30可以看出，珠光体是铁素体与渗碳体片层相间的组织，呈指纹状，其中白色的基底为铁素体，黑色的层片为渗碳体。室温下珠光体中两相的相对重量百分比为：
，%5.88%1000008.069.677.069.6=⨯--=αQ %5.11%5.88%1003=-=C Fe Q 。
图3-29 共析钢的冷却曲线及组织转变示意图 图3-30 珠光体组织 400×
㈢亚共析钢（图3-27中合金③）的结晶过程
含碳量在0.09%~0.53%之间的亚共析钢结晶时将发生包晶反应。现以含0.45%C的钢为例分析亚共析钢的结晶过程，其冷却曲线及组织转变示于图3-31。该合金从液态缓慢冷却到1点后，发生匀晶反应,开始析出δ铁素体。到达2点温度时，匀晶反应停止，开始发生包晶转
变：L
0.53 + δ
0.09
→γ
0.17
。包晶转变结束后，除了新形成的奥氏体外，液相还有剩余。温度继
续下降，在2-3点之间，剩余的液相通过匀晶反应全部转变为奥氏体。在3-4点之间，不发生组织变化。冷却到4点，开始从奥氏体中析出铁素体，并且随温度的降低，铁素体数量增多。温度降到5点，奥氏体的成分沿GS线变化到S点，此时，奥氏体向铁素体的转变结束，
剩余的奥氏体发生共析反应：γ
0.77→α
0.0218
+ Fe
3
C，转变为珠光体。温度继续下降，从铁素
体中析出三次渗碳体，但是由于其数量很少，因此可忽略不计。亚共析钢的室温组织为珠光体+铁素体，如图3-32所示，图中的白色组织为先共析铁素体，黑色组织为珠光体。
图3-31 亚共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
(a) 0.20%C (a) 0.45%C
图3-32 亚共析钢的显微组织 400×
室温下，含0.45%C 亚共析钢中先共析铁素体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：%6.41%4.58%100%4.58%1000008.077.00008.045.0=-==⨯--=αQ Q P ，。而铁素体和渗碳体两相的相对重
量百分比为：
%3.93%7.6%100%7.6%1000008.069.60008.045.03=-==⨯--=αQ Q C Fe ，。 在0.0218%~0.77%C 范围内珠光体的相对重量随含碳量的增加而增加。由于室温下铁素体中含碳量极低，珠光体与铁素体密度相近，所以在忽略铁素体中含碳量的情况下，可以利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，近似地估算亚共析钢的含碳量：
%77.0%%⨯=面积P C 。式中，P Q P =面积，为珠光体的面积百分比。
㈣ 过共析钢（图3-26中合金④）的结晶过程
过共析钢的结晶过程及组织转变示于图3-33。合金液体在1~2点间发生匀晶转变，全部转变为奥氏体。冷却到3点后，开始沿奥氏体晶界析出二次渗碳体，并在晶界上呈网状分布。在3~4点之间，二次渗碳体量不断增多。温度降到4点，二次渗碳体析出停止，奥氏体成分沿ES 线变化到S 点，剩余的奥氏体发生共析反应：γ0.77 → α0.0218 + Fe 3C ，转变为珠光体。继
续冷却，二次渗碳体不再发生变化，珠光体的变化同共析钢。过共析钢的室温组织为珠光体 +网状二次渗碳体，如图3–34所示，图中的白色网状的是二次渗碳体，黑色为珠光体。
室温下，含1.2%C 过共析钢中二次渗碳体和珠光体两个组织组成物的相对重量百分比为：
%74.92%26.7%100%26.7%10077
.069.677.02.13=-==⨯--=
P C Fe Q Q ，。 过共析钢中Fe 3C Ⅱ的量随含碳量增加而增加，当含碳量达到2.11%时，Fe 3C Ⅱ量最大：
%6.22%10077.069.677.011.23=⨯--=ⅡC Fe Q 。
图3-33 过共析钢的冷却曲线及组织转变示意图
(a) 硝酸酒精浸蚀 (b) 苦味酸钠浸蚀
图3-34 过共析钢的显微组织 400×
㈤ 共晶白口铸铁（图3-26中合金⑤）的结晶过程
共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，其结晶过程如图3-35所示。该合金液态冷却到1点即1148︒C 时，发生共晶反应：L 4。3 → γ2。11 + Fe 3C ，全部转变为莱氏体（Le ），莱氏体是共晶奥
氏体和共晶渗碳体的机械混合物，呈蜂窝状。此时：
%2.52%10011.269.63.469.6=⨯--=γQ ，%8.47%2.52%1003=-=C Fe Q 。温度继续下降，共晶奥氏体成分沿ES 线变化，同时析出二次渗碳体，由于二次渗碳体与共晶渗碳体 结合在一起而不易分辨，因而莱氏体仍作为一个组织看待。
温度降到2点，奥氏体成分达到0.77%，并发生共析反应，转变为珠光体。这种由珠光体与共晶渗碳体组成的组织称为低温莱氏体，用符号Le ’表示，此时，
%4.40%10077.069.63.469.6=⨯--=P Q ，%6.59%4.40%1003=-=C Fe Q 。温度继续下降，莱氏体中珠光体的变化与共析钢的相同，珠光体与渗碳体的相对重量不再发生变化。共晶白口铸铁的室温组织为Le ’（P+ Fe 3C ），它保留了
共晶转变产物的形态特征，如图3-36所示，图中黑色蜂窝状为珠光体，白色基体为共晶渗碳体。室温下两相的相对重量百分比为：
%7.35%1000008.069.63.469.6=⨯--=αQ ，%3.64%7.35%1003=-=C Fe Q 。
图3-35 共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图 图3-36 共晶白口铸铁的显微组织 400× ㈥ 亚共晶白口铸铁（图3-26中合金⑥）的结晶过程
以含3.0%C 的亚共晶白口铸铁为例进行分析，图3-37为其冷却曲线及组织转变示意图。当合金液体冷却到1点温度时，发生匀晶反应，结晶出奥氏体，称为一次奥氏体或先共晶奥氏体。在1~2点之间，奥氏体量不断增多并呈树枝状长大。冷却到2点以后，剩余液相的成分沿BC 线变化到C 点，并发生共晶转变，转变为莱氏体。继续降温，将从一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体。由于一次奥氏体粗大，沿其周边析出的二次渗碳体被共晶奥氏体衬托出来。而共晶奥氏体析出二次渗碳体的过程，与共晶白口铸铁相同。温度降到3点，奥氏体成分沿GS 线变到S 点，并发生共析反应，转变为珠光体。其室温组织为P+ Fe 3C Ⅱ+Le ’，
如图3-38所示，图中树枝状的黑色粗块为珠光体，其周围被莱氏体中珠光体衬托出的白圈为二次渗碳体，其余为低温莱氏体。
室温下，含3.0%C 白口铸铁中三种组织组成物的相对重量百分比为：
%64.40%10011.23.411.20.3'=⨯--==Le Le Q Q ，%44.13%10077.069.677.011.211.23.40.33.43=⨯--⨯--=ⅡC Fe Q ，
%
92.45%44.13%64.40%100%1003'=--=--=ⅡC Fe Le P Q Q Q 。而该合金在结晶过程中所析出的所有二
次渗碳体（包括一次奥氏体和共晶奥氏体中析出二次渗碳体）的总量为：
%24.18%10011.269.677.011.211.269.60.369.63=⨯--⨯--=总ⅡC Fe Q 。
图3-37 亚共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-38 亚共晶白口铸铁的显微组织 400×
㈦过共晶白口铸铁（图3-26中合金⑦）的结晶过程
过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示于图3-39。合金液体在1--2点间发生匀晶反
应，结晶出一次渗碳体Fe
3C
Ⅰ
。一次渗碳体呈粗条片状。冷却到2点，余下的液相成分沿DC
线变化到C点，并发生共晶反应，转变为莱氏体。继续冷却，一次渗碳体成分重量不再发生
变化，而莱氏体的变化同共晶合金。过共晶白口铸铁的室温组织为Fe
3C
Ⅰ
+Le’，如图3-40所
示，图中粗大的白色条片为一次渗碳体，其余为低温莱氏体。
图3-39 过共晶白口铸铁的冷却曲线及组织转变示意图图3-40 过共晶白口铸铁的显微组织 400×㈧组织组成物在铁碳合金相图上的标注
根据以上对铁碳合金相图的分析，可将组织组成物标注在铁碳合金相图中，如图3-41所
示。组织组成物的标注与相组成物的标注的主要区别在γ+Fe
3C和α+Fe
3
C两个相区，γ+ Fe
3
C
相区中有四个组织组成物区，α+ Fe
3
C相区中有七个组织组成物区。
用组织组成物标注的相图直观地反映了各合金在不同温度下的组织状态。
图3-41 以组织组成物标注的铁碳合金相图
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。
目录
1铁碳合金中的基本相
1 1.1 1,铁素体(ferrite)
1 1.
2 2,奥氏体(Austenite )
1 1.3 3,渗碳体(Cementite)
2铁碳合金相图分析
1 2.1 上半部分-------共晶转变
1 2.
2 下半部分-----共析转变
1 2.3 相图中的一些特征点
1 2.4 铁碳相图中的特性线
1 2.5 相图中的相区
3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1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.
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.
2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.
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.
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非液体.
相图中的一些特征点
相图中应该掌握的特征点有:A,D,E,C,G(A3点),S(A1点),它们的含义一定要搞清楚.根据相图分析如下点：
相图中重要的点(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
三相共存点:
S(共析点,0.77,727),(A+F +Fe3C)
C(共晶点,4.3,1148),( A+L +Fe3C)
J(包晶点,0.17,1495)( δ+ A+L )
其它点
B(0.53,1495),发生包晶反应时液相的成分
F(6.69,1148 ) , 渗碳体
K (6.69,727 ) , 渗碳体
铁碳相图中的特性线
相图中的一些线应该掌握的线有:ECF线,PSK线(A1线),GS线(A3线),ES线(ACM线)
水平线ECF为共晶反应线.
碳质量分数在2.11%～6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应.
水平线PSK为共析反应线
碳质量分数为0.0218%～6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共析反应.PSK线亦称A1线.
GS线是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线.
ES线是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线.由于在1148℃时A中溶碳量最大可达2.11%, 而在727℃时仅为0.77%, 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中, 将从A中析出Fe3C.析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII). Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线.
PQ线是碳在F中固溶线.在727℃时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727℃冷至室温的过程中, 将从F中析出Fe3C.析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII).PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线.Fe3CIII数量极少,往往予以忽略.
相图中的相区
1.单相区(4个+1个): L,δ,A,F ,(+ Fe3C)
2.两相区(7个):L + δ,L + Fe3C,L + A, δ+ A ,A + F ,A + Fe3C ,F + Fe3C.
3含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1．含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系
2．含碳量对机械性能的影响
渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
3．含碳量对工艺性能的影响
对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。含碳量过高或过低，都会降低其切削加工性能。
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。
对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。
一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接
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
详解铁碳相图
详解铁碳相图 （注：在解读上面铁碳相图之前，我们要明白纯铁在不同的温度下会发生同素异晶转变，这个对于我们解读上面相图很有用。） 1：ACD线： ACD线上面完全是液相，没有固相产生。在温度1538℃时候，此时的液态铁的晶格类型为δ-Fe,如果此时的碳溶解在δ-Fe的晶格间隙中，那么就会产生一种新的相，即为铁素体相，为了区别碳溶解在α-Fe中的铁素体相，分别给它们前面加上一个δ或者α，即如果是碳溶解到晶格类型为δ-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为δ-铁素体或直接写δ，如果是溶解到晶格类型为α-Fe的间隙中形成间隙固溶体相的就命名为α-铁素体或α或F。 伴随着温度的下降，组元----温度----成分三者是这个铁碳相图的核心理念。要看懂这个相图，弄明白组元----温度----成分关系，就能读懂这个相图。 从图中你可以看见，即便同一个温度，不同的碳含量，它的成分是不一样的，这就是为什么要提到组元----温度----成分这三者关系的原因。而铁碳相图会一直要用到这三者的关系来加以理解。 重点：铁素体就是碳溶解到δ-Fe和α-Fe的晶格间隙而形成的一种间隙固溶体相。 2：AEC区域和CDF区域 AEC和CDF区域有液相也有固相，但是，它们的成分是不一样的，AEC区域为什么是奥氏体+液相呢？为什么CDF区域是渗碳体+液相呢？首先，AEC区域之所以是奥氏体+液相，那是因为在1500℃---1148℃时候δ-Fe会转变成γ-Fe(转变温度为1394℃)，也就是说，当温度从1394℃再次冷却到1148℃的时候，这时候δ-Fe已经转变成了γ-Fe，此时的碳就会溶解到γ-Fe晶格中形成一种新的间隙固溶体相，即为奥氏体，由于受到温度原因，液相并没
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。
铁碳平衡相图
铁碳平衡相图 又称铁碳相图或铁碳状态图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和亚稳条件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。 简史早期利用热分析法和金相法发现铁的加热和冷却曲线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的在 1868 年，俄国学者切尔诺夫（Д．к．Чернов）就注意到只有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢淬硬,从而有了临界点的概念。至1887～1892年奥斯蒙（F.Osmond）温度视加热或冷却 (分别以A c和A r表示)过程而异。奥斯蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温度之间保持稳定的相为α铁；A2～A3间为β铁；A3以上为γ铁。1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳,则在690或710℃左右出现临界点,即A r1点,标志在此温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，A r3下降而与A r2 1合为一点。1904年又发现A4至熔点相合,然后断续下降，至含碳为0.8～0.9％时与A r 间为δ铁。以上述临界点工作的成果为基础，1899年罗伯茨－奥斯汀（W.C.Roberts-Austen）制定了第一张铁碳相图；而洛兹本 (H.W.Bakhius Roozeboom)更首先在合金系统中应用吉布斯(Gibbs)相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修订，日臻完善。目前采用的铁碳平衡图示于图1，图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。当铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。
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 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
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
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
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
铁碳相图详解
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Fe 3C III 。7点以下，随温度下降，Fe 3C III 量不断增加，室温下Fe 3C III 的最大量为：%31.0%1000008.069.60008.00218.03=⨯--=ⅢC 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+Fe 3C III ，如图3-28所示，图中个别部位的双晶界内是Fe 3C III 。
Fe-C相图知识
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。
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。
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。