1、第 七 章 Fe-C 相图工程上应用最为广泛的金属材料是碳钢与铸铁，它们都是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。Fe-C 相图是分析 Fe-C 合金组织分析、热加工工艺制定以及性能预测的依据，在工程实践中有重要的应用价值，研究和掌握 Fe-C 相图具有重要的意义。7.1 Fe-C 系中的组元和合金相一. Fe、C 组元1. 纯铁纯铁是过渡组族元素，熔点为 1538。固态铁随温度变化会发生同素异晶转变：912以下为体心立方结构，称为 - Fe；- Fe 在 912 转变为面心立方结构的 - Fe，这一转变称为 A3 转变，相应的转变温度称为 A3 点；加热到 1394，-
2、 Fe 转变为体心立方的 - Fe ，称为A4 转变，- Fe 存在的温度范围为 13941538。- Fe 加热时在 770发生磁性转变，由铁磁性变为顺磁性，这种磁性转变称为 A2 转变。磁性转变对 - Fe 的晶体结构不产生影响。工业纯铁的纯度一般为 99.899.9wt, 其余为杂质，主要是碳。纯铁的强度、硬度低，塑性非常好。2. C铁碳合金中的碳为原子态时，可与铁形成固溶体，或与铁结合形成化合物，也可分布于晶体缺陷处。当碳以单质状态存在时即是石墨，它具有简单六方结构，由于轴比 c/a 较大，原子排列看似层状，同一层中的原子间结合较强，层与层之间结合很弱。石墨的强度和硬度都很低，塑性几乎
3、为零。石墨是铸铁中的一个相，对铸铁的性能有很大影响。二. 合金相1. 铁的固溶体 相或铁素体相：是碳溶于 - Fe 中形成的间隙固溶体，为体心立方结构，用符号 或 F 表示。铁素体的最大溶碳量为 0.0218wt（727） ，室温时小于0.008。在铁素体中碳原子一般存在于八面体间隙位置，这是因为尽管 - Fe 的四面体间隙尺寸比较大，但间隙中心相对于围成间隙的原子是对称的；而八面体间隙是不对称的，方向的原子间距比方向的原子间距大得多，碳原子填入八面体间隙时受到方向的两个原子的压力较大，而受到方向的四个原子的压力较小，因此进入八面体间隙比进入四面体间隙的阻力小。 相或奥氏体相：碳溶于 铁形成的
4、具有面心立方结构的间隙固溶体，用 或 A 表示。碳在奥氏体中的最大溶解度为 2.11%（1148） 。奥氏体中的碳总是位于八面体间隙。 相：碳溶于高温 Fe 形成的具有体心立方结构的间隙固溶体，其中碳的最大溶解度在 1495达到最大值 0.09。Fe3C 相或渗碳体相：是 Fe 与 C 形成的间隙化合物，含碳量为 6.69，熔点1227，常用符号 Cm 表示。渗碳体属于正交晶系，结构复杂。渗碳体具有很高的硬度，但塑性很差，延伸率接近于零，是硬而脆的相。渗碳体的居里点为 230，此温度点的磁性转变称为 A0 转变。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的量、形状、分布对钢的性能影响很大。渗碳体在一定的条
5、件下，可能分解而形成石墨状态的自由碳：Fe 3C3Fe+C(石墨)，这种现象在铸铁及石墨钢中有重要意义。表 7.1 列出了铁碳系中组元和合金相的力学性能，了解和掌握这些数据对理解铁碳合金的性能有很大帮助。表 7.1 铁碳系中组元和合金相的力学性能组元或合金相硬度(HB)抗拉强度 b（Mpa）延伸率（）断面收缩率（）冲击韧性(J/cm2)kaFe 50-90 150-280 30-50 70-80 160-200C 3-5 0 0 0 0 相 与 Fe 的性能接近Fe3C 700-850 1.0%）铁碳合金中，二次渗碳体呈现出连续的网状，将严重损害钢的塑性和韧性，所以要设法避免产生这种组织。（三
6、）白口铸铁1.含碳 4.3%的铁碳合金（共晶白口铸铁）合金熔液冷到 1 点（1148）时，在恒温下发生共晶转变 L4.30 2.11+Fe3C，共晶产物为莱氏体（L d） 。莱氏体中的奥氏体和渗碳体分别称为共晶奥氏体和共晶渗碳体。冷到 1 点以下，共晶奥氏体中不断析出二次渗碳体，它通常依附在共晶渗碳体上而难以分辨。温度降至 2 点（727）时，共晶奥氏体的含碳量降至 0.77%，在恒温下发生共析转变，转变为珠光体。最后得到的组织是珠光体二次渗碳体共晶渗碳体。其显微组织如图 7.10 所示，其中基体为共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体。这种共析温度以下的莱氏体称为低温莱氏体或变态莱氏体，用 表示，它保
7、持了高dL温莱氏体的形态特征，但组成物已发生了转变。图 7-11 含碳 4.3%的共晶白口铸铁的结晶过程示意图 7-12 共晶白口铸铁的室温组织 （白色基体是共晶渗碳体，黑色颗粒为珠光体）2.含碳 3.0%的铁碳合金（亚共晶白口铸铁）液态合金在 1-2 点结晶出奥氏体（称为初晶奥氏体或先共晶奥氏体） ，此时液相成分按 BC 线变化，而奥氏体成分沿 JE 线变化。温度降到 2 点（1148）时，剩余液相的成分达到共晶点，随即发生共晶转变，生成莱氏体。在 2 点以下，先共晶奥氏体和共晶奥氏体中都析出二次渗碳体。随着二次渗碳体的析出，奥氏体的含碳量沿 ES 线降低。当温度到达 3 点（727）时，所
8、有奥氏体都发生共析转变成为珠光体。图 7-13 为该合金的结晶过程示意图。图 7-13 含碳 3.0%的亚共晶白口铁结晶过程示意合金室温平衡组织为： Fe 3C P。图 7.12 为其室温组织。图中大块黑色树dL枝状组织是由先共晶奥氏体转变成的珠光体，其余部分为变态莱氏体，变态莱氏体是基体。由先共晶奥氏体析出的二次渗碳体与共晶渗碳体连成一体而难以分辨。通过计算可得到该合金中组织组成物的相对含量：共晶反应完成时 ， 4.3059.421初 d3.021L4.6 室温下 7%.6IC3Fe-=5940P0.d3.含碳 5.0%的铁碳合金（过共晶白口铸铁）该合金先在 12 温度区间从液相结晶出粗大的
9、一次渗碳体，又称为先共晶渗碳体。同时，液相成分沿着 DC 线变化。当冷却到达 ECF 线上的 2 点时，液相成分到图 7-14 亚共晶白口铸铁室温组织（黑色树枝状为珠光体，其余为莱氏体） 达 C 点，发生共晶转变生成莱氏体。在 23 点之间，共晶奥氏体析出二次渗碳体。温度降到 PSK 上的 3 点时，含碳 0.77的奥氏体发生共析转变，转变成珠光体。结晶示意图见 7.13。过共晶白口铸铁的室温组织为变态莱氏体一次渗碳体，其显微组织如图 7.14 所示。图 7.-16 过共晶白口铸铁室温组织(白色的为一次渗碳体，其余为莱氏体) 图 7-15 含碳 5.0%的过共晶白口铸铁结晶过程示意7.3 碳对
10、铁碳合金组织和性能的影响一. 对组织的影响1. 铁碳系的组织组成物及相组成物相图根据以上对各种铁碳合金结晶过程的分析，可将铁碳合金相图中的相区按组织加以标注，如图 7-18、719 所示。该图直观地说明了不同成分的铁碳合金在室温下的组织状态，以及冷却或加热时的组织变化过程。2. 碳含量对相及组织的影响铁碳合金室温平衡组织由铁素体和渗图 7-18 Fe-Fe3C 组织组成物相图 图 7-19 Fe-Fe3C 相组成物相图图 7-20 含碳量对平衡态下相及组织的影响碳体两相组成。W(C)=0 时，合金组织全为铁素体，随着含碳量增加，铁素体数量减少，渗碳体增多，到 W(C)=6.69时，铁素体量降为
11、 0，而渗碳体增至百分之百。铁碳合金中含碳量的变化使铁碳合金的组织组成物及其形态发生变化。含碳量很低时，组织基本上为等轴状铁素体。从 W(C)=0.02180.77，组织为F+P，铁素体形态逐渐变化：等轴状块状粗网状细网状；而渗碳体的形态变化则相反。W(C)= 0.77时，组织为 P，铁素体和渗碳体都是层片状。在 W(C)0.77-2.11范围，组织是 P+ Fe3C ,二次渗碳体的形状随含碳量的增大由断续网状变为连续网状，网的厚度也不断增加。在铸铁的含碳量范围（2.11-6.69） ，组织中出现莱氏体：含碳量较低时为莱氏体二次渗碳体；W(C)4.3时，组织全部为莱氏体；在碳量较高的范围，组织
12、为莱氏体粗大长条状的一次渗碳体。铁碳合金的平衡组织组成物的相对量随含碳量变化而发生变化，如图 7.16二、对性能的影响铁碳合金的室温平衡组织均由铁素体和渗碳体两相组成，其中铁素体是软韧相，而渗碳体是硬脆相。它们的基本性能大致如下：铁素体 %807;53;/180;/2422mMNHBsb渗碳体 ;/02B钢中珠光体对其性能有很大的影响。珠光体由铁素体和渗碳体组成，由于渗碳体以细片状分散地分布在软韧的铁素体基体上，起了强化作用，因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠光体内的层片越细，强度越高；如果其中的渗碳体球状化，则强度下降，但塑性与韧性提高。亚共析钢随含碳量的增加，珠光体的数量逐渐增多
13、。因而强度、硬度上升，塑性与韧性下降。当含碳量为 0.77%时，钢的组织全为珠光体，故此时钢的性能就是珠光体本身的性能。过共析钢除珠光体之外，还出现了二次渗碳体，故其性能要受到二次渗碳体的影响。若含碳量不超过 1%，由于在晶界上析出二次渗碳体一般还不连成网状，故对性能的影响不大。当碳含量大于 1%以后，因二次渗碳体的数量增多而呈连续网状分布，则使钢具有很大的脆性，塑性很低， b也随之降低。图 7-20 为含碳量对平衡状态下碳钢机械性能的影响。7.4 Fe-石墨相图一. 相图分析Fe-石墨系比 Fe-Fe3C 系更为稳定，在极为缓慢的冷却条件下，铁碳合金首先按Fe-石墨相图进行结晶。Fe-石墨相
14、图是由虚线和部分实线所构成，相图上的点、线及其走向与 Fe-Fe3C图 7-20 含碳量对平衡状态下碳钢机械性能的影响相图基本相同，只是某些特征温度和含碳量略有差别。Fe-石墨相图的液相线为 ABCD, 固相线为 AHJECF。在 Fe-Fe3C 相图上，凡是析出渗碳体的点、线在 Fe-C 相图中都析出石墨，冷却到 CD、E S和 PQ线分别析出一次石墨、二次石墨和三次石墨。Fe-Fe3C 相图中，在所有有渗碳体的相区中，将渗碳体用石墨替代就形成 Fe-C相图的相区。Fe-石墨相图中，共晶线为 ECF,反应式为 ；共析反应在 738oC 154CELg+的 PSK线上发生： 。 738SPga
15、+二. 合金结晶与组织铁碳合金按 Fe-石墨相图结晶的组织中，碳以游离的石墨形式存在，其断口呈暗灰色，故称其为灰口铸铁。1. 灰口铸铁的结晶与组织灰口铸铁的结晶过程与白口铸铁很相似（1） w(C)4.26的共晶合金从高温冷却至 1154oC 时，发生共晶转变 ，生成的共晶体由奥氏体4.26.08LCg+和石墨（共晶石墨）组成。共晶石墨一般为片状或条状。继续降温，奥氏体的溶碳量沿 ES线变化，析出二次石墨。当温度下降到 738 oC 时，发生共析反应，生成由共析铁素体和共析石墨组成的共析体。在随后的冷却过程中，0.680.26Cga+共析铁素体中析出三次石墨。二次石墨、共析石墨和三次石墨都是依附
16、于共晶石墨而生长，所以最终的铸铁组织为铁素体和片状石墨。（2） 亚共晶合金w(C)4.26的亚共晶合金从液态冷到 BC线时，开始结晶出初晶奥氏体。温度降低，初晶奥氏体含碳量沿 JE 变化，液相中碳量沿 BC变化, 在 1154 oC 发生共晶转变，生成共晶奥氏体和共晶石墨。随着温度继续下降，初晶奥氏体和共晶奥氏体中析出二次石墨，到共析反应温度，奥氏体转变为共析铁素体和共析石墨，随后共析铁素体析出三次石墨。共晶反应后各阶段析出的石墨也是依附在共晶石墨上生长，故室温的铸铁组织也是铁素体和片状石墨，只是铁素体的含量较多。（3） 过共晶合金液态合金冷却时，在 L+C 两相区结晶出大片状一次石墨（先共晶
17、石墨） 。在以后的冷却过程中，组织变化与共晶合金的相图。室温组织仍是铁素体和片状石墨，石墨数量较多且尺寸比较大。图 921 灰口铸铁的显微组织2. 孕育处理铁碳合金按 Fe-C 相图结晶时，石墨的形成十分困难，为了促进石墨的形核和长大，须加入促进石墨形成的元素 Si, 所以灰口铸铁中都含有 Si。孕育处理是在浇注前的铁水中进入一定量的孕育剂，以改变石墨形态和铸铁性能。加入硅铁或硅钙孕育剂可使石墨变为细片状，形成孕育铸铁。加入镁或稀土镁合金等球化剂进行球化处理，可使石墨成球状，生成球墨铸铁。加入稀土硅铁、稀土镁钛等稀土合金可使石墨呈蠕虫状，形成蠕墨铸铁。铁素体基体不同形态的石墨组织都是灰口铸铁。
18、3. 铁碳合金的石墨化过程铁碳合金结晶时石墨形成过程称为石墨化。铸铁的石墨化过程可分为两个阶段：液态石墨化过程从液相凝固开始到共晶转变结束，包括一次石墨、共晶石墨的形成和一次渗碳体。共晶渗碳体高温分解形成石墨的过程。固态石墨化过程从共晶转变结束到共析转变结束，包括二次石墨、共析石墨的形成和二次渗碳体。共析渗碳体分解成石墨的过程。由于结晶冷却条件不同，石墨形成的情况也会不同，得到的组织就有差别。如果共析反应以前的石墨化较充分，而共析温度附近冷却较快，共析石墨化被完全抑制，使奥氏体按 Fe-Fe3C 相图全部转变为珠光体，则得到以珠光体为基的灰口铸铁；如果共析石墨化能够部分进行，则形成以铁素体和珠
19、光体为基的灰口铸铁。如果液态石墨化过程未充分进行，则得到含有石墨、一次渗碳体或共晶渗碳体的麻口铸铁三. 石墨与基体对性能的影响1. 石墨的影响石墨犹如裂纹和孔洞，破坏基体的连续性，易引起应力集中，所以铸铁的抗拉强度、塑性和韧性比钢低得多。在基体组织相图的情况下，石墨形状由粗片状细片状球状时，对基体的削弱作用和应力集中程度依次减弱，抗拉强度依次升高。因此，改变石墨的形状、大小和分布是提高铸铁机械性能的重要途径。2. 基体的影响一般情况下，基体中铁素体的数量增多，铸铁的塑性、韧性提高；珠光体的数量增加，则铸铁的强度和硬度提高，而塑性和韧性下降。如铁素体球墨铸铁的塑性和韧性高，抗拉强度只有 b=400-500MPa；而珠光体球墨铸铁的抗拉强度达到b=600-800MPa，硬度高耐磨性好，但塑性、韧性不如铁素体球墨铸铁的高。
