1、第四节 铁碳合金相图l 铁碳合金 碳钢和铸铁 ，是工业中应用最广的合金。l 含碳量为 0.0218% 2.11% 的称 钢l 含碳量为 2.11% 6.69% 的称 铸铁 。l 铁和碳可形成一系列稳定化合物 ： Fe3C、 Fe2C、 FeC， 它们都可以作为纯组元看待。l 含碳量大于 Fe3C成分（ 6.69% ）时，合金太脆，已无实用价值。l 实际所讨论的铁碳合金相图是 Fe- Fe3C相图 。Fe Fe3C Fe2C FeC CC%(at%) 铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本 工具 ，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、冶炼和铸造等工艺的
2、 依据 。一、铁碳合金的组元和相l 1、组元： Fe、 Fe3Cl 2、 相l 铁素体：l 碳 在 -Fe中的固溶体称 铁素体 ，用 F 或 表示。 l 碳在 -Fe中的固溶体 称 -铁素体 ，用 表示。 l 都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在 727 时最大为 0.0218% ，室温下仅 0.0008% 。l 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体l 奥氏体 :l 碳在 -Fe中的固溶体称 奥氏体 。用 A或 表示。l 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大， 1148 时最大为 2.11% 。l 组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工
3、都在 区进行 。l 碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体l 渗碳体： 即 Fe3C， 含碳 6.69% ， 用 Fe3C或 Cm表示。l Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。l Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解 ：Fe3C3Fe+C （ 石墨） ，该反应对铸铁有重要意义。l 由于碳在 -Fe中的溶解度很小，因而 常温下碳在铁碳合金中主要以 Fe3C或 石墨 的形式存在。 二、铁碳合金相图的分析l 1、特征 点LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + l 2、特征线l 液相线 ABCD ，固相线 AHJECFD l 三条水平线：l HJB： 包晶线 LB+H J l ECF：
4、 共晶 线 LC E+ Fe3Cl 共晶产物 是 与 Fe3C的机械混合物，称作 莱氏 体 ， 用Le表示。为蜂窝 状，以 Fe3C为基，性能硬而脆。莱氏体l PSK： 共析线， S FP+ Fe3C，共析转变的产物是 与Fe3C的机械混合物，称作珠光体 ， 用 P表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两相之间。 PSK线又称 A1线 。 珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl 其它相线l GS,GP 固溶体转变线， GS又称 A3 线。l HN,JN 固溶体转变线，l ES 碳在 -Fe中的固溶线。 又称 Ac m线。l PQ 碳在 -Fe中的固溶线。l
5、 3、相区l 五个单相区： L、 、 、 、 Fe3C l 七个两相区 ： L+ 、 L+、 L+Fe3C、 +、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C l 三个三相区： 即 HJB (L+)、 ECF(L+ Fe3C)、 PSK(+ Fe3C)三条水平线 三、典型合金的平衡结晶过程l 铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁 (0.0218% C) 组织为单相铁素体。l 钢 (0.02182.11%C) 高温组织为单相 ，易于变形， l 亚共析钢 (0.02180.77%C )l 共析钢 (0.77%C )l 过共析钢 (0.772.11%C )l 白口铸铁 (2.116.69%C)铸造
6、性能好，硬而脆l 亚共晶白口铸铁(2.114.3%C )l 共晶白口铸铁 (4.3%C )l 过共晶白口铸铁(4.36.69%C )l 工业纯铁的结晶过程 （ 合金）l 合金液体在 1-2点间转变 为 ， 3-4点间 ， 5-6点间 。 到 7点，从 中析出 Fe3C。4321 +L+ L+L567+Fe3Cl 从铁素体中析出的渗碳体称 三次渗碳体， 用 Fe3C 表示。 Fe3C 以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降 ， Fe3C 量不断增加， 合金的室温下组织 为F+ Fe3C 。l 室温 下 Fe3C 的最大量为 :l 共析钢的结晶过程 （ 合金）l 合金液体在 1-2点间转变为 。
7、 到 S点发生共析转变： S P+ Fe3C， 全部转变为 珠光体 ， P在光镜下呈指纹状。转变结束时，珠光体中相的相对重量百分比：l P中的渗碳体称 共析渗碳体 。l S点以下，共 析 中析出 Fe3C ， 与共 析 Fe3C结合不易分辨。室温组织为 P。珠光体l 亚共析钢的结晶过程 ( 合金 )l 0.090.53%C 亚共析钢冷却时发生包晶反应 .以 0.45%C 的钢为例。l 合金在 4点以前通过匀晶 包晶 匀晶反应全部转变为 。到 4点， 由 中析出 。到 5点， 成分沿 GS线变到 S点， 发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出Fe3C ， 但量少，忽略不计。 +Fe3C
8、l 利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量：C%=P面积 %0.77% （忽略 中含碳量， P面积 %=QP）共析温度下相的相对重量百分比为： 组织组成物的相对重量百分比为： l 亚共析钢室温下的组织 为 F+P。l 在 0.02180.77%C 范围内珠光体的量随含碳量增加而增加 。含 0.45%C 钢的组织含 0.20%C 钢的组织含 0.60%C 钢的组织l 过共析钢的结晶过程 （ 合金）l 合金在 3点转变 为 ， 到 3点，开始析出 Fe3C。 从奥氏体中析出 的 Fe3C称 二次渗碳体 。 用 Fe3C 表示。l Fe3C 沿晶界呈网状分布。l 温度下降
9、， Fe3C 量增加。到 4点， 成分沿ES线变化到 S点，余下的 转变为 P。l 过共析钢 室温组织 为P+ Fe3C 。l Fe3C 量随含碳量而增加，含碳量为2.11% 时， Fe3C 量最大： 含 1.4%C 钢的组织l 共晶白口铁的结晶过程 （ 合金）l 合金冷却 到 C点发生共晶反应全部转变 为莱氏体 (Le)，莱氏体 是共晶 与共 晶 Fe3C的机械混合物 ，呈蜂窝状。此时 ：C点以下， 成分沿 ES线变化，共晶 将析出 Fe3C 。l Fe3C 与共晶 Fe3C 结合，不易分辨。温度降到 2点， 成分达到 0.77% ，此时： l 在 2点，共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这
10、种由P与 Fe3C组成的共晶体称 低温莱氏体 ， 用 Le表示 。 2点以下，共晶体中 P的变化同共析钢。l 共晶白口铁 室温组织为Le（ P+ Fe3C） ， 它保留了共晶转变产物的形态特征。l 室温下两相的相对重量百分比为： l 亚共晶白口铁的结晶过程 （ 合金）l 合金在 12点间析出 。到 2点，液相成 分变到 C点，并转变为 Le。 23点间从 中析出 Fe3C ， 一次 的Fe3C 被共晶 衬托出来。到 3点， 转变为 P。l 亚共晶白口铁 室温组织为 P+Fe3C +Le。 室温下组织组成物相对重量百分比为 ：l 过共晶白口铁的结晶过程 （ 合金）l 1-2点间从液相中结晶出 F
11、e3C。 从液相中析出的渗碳体称 一次渗碳体 ，用 Fe3C 表示，呈粗条片状。到 2点，余下的液相成分变到 C点并转变为 Le。 2点以下， Fe3C 成分重量不再发生变化， Le变化同共晶合金，其室温组织为 Fe3C +Le。 l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注l 组织组成物的标注与相组成物的标注主要区别在+Fe3C和 + Fe3C两个相区。 +Fe3C相区中有四个组织组成物区， +Fe3C相区中有七个组织组成物区。 + Fe3C + Fe3Cl 含碳量对铁碳合金组织和性能的影响l 1、含碳量对室温平衡组织的影响 l 根据杠杆定律的计算结果，可求出含碳量与缓冷后的相及组织组成物之间的定量关系： 随含碳量增加，组织中 Fe3C不仅数量增加，而且形态也在变化，由分布在 基体内 (P中 Fe3C)变为分布在 A晶界上 (Fe3C )， 最后形成莱氏体时， Fe3C已作为基体出现。
