材料科学基础-铁碳相图

1、一、铁碳合金的组元及基本相相 图相图又称为状态图，表示平衡条件下合金体系（材料体系）的相组成与成分、温度、压力等因素之间关系的几何图形。它是研究材料相组成变化规律的重要参考工具。外界环境主要是温度和压力，例如物理学中已经介绍的纯水和纯铁的相图。 一、铁碳合金的组元及基本相 铁和碳可形成一系列稳定化合物：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。，它们都可以作为纯组元看待。 含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太）时，合金太脆，已无实用价值。脆，已无实用价值。 实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-Fe3

2、C相图相图。 一、铁碳合金的组元及基本相铁碳合金相图铁碳合金相图是是研究铁碳合金最研究铁碳合金最基本的基本的工具工具，是是研究碳钢和铸铁研究碳钢和铸铁的成分、温度、的成分、温度、组织及性能之间组织及性能之间关系的关系的理论基础理论基础,是制定热加工、是制定热加工、热处理、冶炼和热处理、冶炼和铸造等工艺铸造等工艺依据依据. 一、铁碳合金的组元及基本相 1. 基本组元：基本组元： Fe、Fe3C 2. 基本相：基本相：铁素体铁素体(/F) ： C 在在 BCC -Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体奥氏体奥氏体(/A) ： C 在在 FCC -Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体渗碳体渗碳体(Fe3C/C

3、m)：Fe与与C形成的间隙化合物形成的间隙化合物高温铁素体高温铁素体() C 在在 BCC -Fe中的间隙固溶体中的间隙固溶体液相液相(L)良好塑韧性良好塑韧性钢中基体相钢中基体相硬、脆硬、脆钢中强化相钢中强化相 一、铁碳合金的组元及基本相纯铁的异构转变纯铁的异构转变 1538 1394 912 L -Fe -Fe -Fe bcc fcc bcc一、铁碳合金的组元及基本相ANG纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线 碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低低,在在727时最大为时最

4、大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能特点：强度低、性能特点：强度低、硬度低、塑性好。硬度低、塑性好。铁素体铁素体l 铁素体铁素体(Ferrite)：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁铁素体素体, 用用F 或或 表示。表示。 一、铁碳合金的组元及基本相 奥氏体奥氏体(Austenite): 碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体，奥氏体，用用A或或 表示。表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织

5、为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶界较直。强度低、塑性强度低、塑性好，好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区区进行。进行。l碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体 一、铁碳合金的组元及基本相 渗碳体渗碳体(Cementite)： 即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。 Fe3C硬度高硬度高、强度低、脆性大强度低、脆性大, 塑性几乎为零。塑性几乎为零。lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于

6、碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体铁素体铁素体奥氏体奥氏体渗碳体渗碳体3. 基本组织基本组织铁素体（铁素体（F Ferrite) errite) 奥氏体（奥氏体（A Austenite ustenite ） 渗碳体（渗碳体（CemCementiteentite）or or FeFe3 3C C珠光体（珠光体（P Pearliteearlite）（F+ FeF+ Fe3 3C C）机械混合物）机械混合物高温高温莱氏体莱氏体 （L

7、eLedeburitedeburite）or or LdLd（A+ FeA+ Fe3 3C C ）机械混合物，）机械混合物，727727以上以上低温低温莱氏体用莱氏体用LeLeor or LdLd表示表示 （P+ FeP+ Fe3 3C C ）机械混合物，）机械混合物，727727下下奥氏体奥氏体呈颗粒状呈颗粒状或块状分布在或块状分布在渗渗碳体的基体碳体的基体上上片状片状P :F 和和 Fe3C 呈片状相间分布呈片状相间分布粒状粒状P: Fe3C呈粒状分布在呈粒状分布在F 基体上基体上片状片状P P体比粒状体比粒状P P强度、硬强度、硬度高，塑性、韧性差度高，塑性、韧性差一、铁碳合金的组元及基

8、本相 Fe - Fe3C 相图相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )BNHJL+A二. Fe - Fe3C 相图的分析相图的分析 五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 四条重要的线四条重要的线: ECF、ES、GS、PSK。 三个重要转变三个重要转变:

9、 包晶转变反应式、共晶包晶转变反应式、共晶 转变反应式、共析转变反应式。转变反应式、共析转变反应式。 二个重要温度二个重要温度: 1148 、727 。 二、Fe-Fe3C相图的建立与分析 特征点特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 二、Fe-Fe3C相图的建立与分析1.包晶转变反应式包晶转变反应式:LB + H AJ14953.共析转变反应式共析转变反应式:AS ( FP + Fe3C ) P 7272.共晶转变反应式共晶转变反应式:LC ( AE + Fe3C ) Le 1148 二、Fe-Fe3C相图的建立与分析 特征线特征线 液相线液相线ABCD， 固相线固相线

10、AHJECFD 三条水平线：三条水平线： HJB：包晶线：包晶线LB+H J ECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3C 共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体HJBECFP SK PSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3C 共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作珠光体珠光体，用，用P(Pearlite)表示。表示。珠光体珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光体的组织特点

11、是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。P SK ES线线的溶解度曲线的溶解度曲线 PQ线线的溶解度曲线的溶解度曲线 GS线线先共析先共析析出线析出线J点点包晶点：包晶点： 1495 ， 0.17% CC点点共晶点共晶点 1148 ， 4.3% CS点点共析点共析点 727 ，0.77% CE点点的最大溶碳量的最大溶碳量 2.11% C P点点的最大溶碳量的最大溶碳量 0.0218% C 二、Fe-Fe3C相图的建立与分析JCSEPQ铁碳合金分类铁碳合金分类 工业纯铁工业纯铁Wc0.0218 钢钢含碳量含碳量

12、 Wc2.11 铸铁铸铁含碳量含碳量 Wc2.11 根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型：根据组织特征，将铁碳合金分为七种类型： （1）工业纯铁）工业纯铁 Wc0.0218 （2）共析钢）共析钢 Wc=0.77 （3）亚共析钢）亚共析钢 Wc=0.02180.77 （4）过共析钢）过共析钢 Wc=0.772.11 （5）共晶白口铁）共晶白口铁 Wc=4.3 （6）亚共晶白口铁）亚共晶白口铁 Wc=2.114.3 （7）过共晶白口铁）过共晶白口铁 Wc=4.36.69三、典型铁碳合金的平衡结晶过程 组织组成物与相组成组织组成物与相组成物标注区别主要在物标注区别主要在 + Fe3C和和 +Fe3C

13、两个相两个相区区. + Fe3C相区中相区中有有四个组织组成物区，四个组织组成物区， +Fe3C相区中相区中有七个有七个组织组成物区。组织组成物区。l组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C 三、典型铁碳合金的平衡结晶过程FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度 四、含碳量对铁碳合金的影响 碳的质量分数对平衡组织的影响 碳的质量分

14、数对力学性能的影响 碳的质量分数对工艺性能的影响 1. 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.69

15、10010000三次渗碳体三次渗碳体 四、含碳量对铁碳合金的影响铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相，珠光体的性能介铁素体是软韧相，渗碳体是硬脆相，珠光体的性能介与两者之间。随着含碳量的增加，铁素体减少，渗碳与两者之间。随着含碳量的增加，铁素体减少，渗碳体增加，钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性降低。体增加，钢的强度、硬度升高，而塑性、韧性降低。在铸铁部分，由于出现了以渗碳体为基的莱氏体组织，在铸铁部分，由于出现了以渗碳体为基的莱氏体组织，材料有较高的硬度，但脆性很大，韧性很低，不能进材料有较高的硬度，但脆性很大，韧性很低，不能进行塑性加工，而且不能承受冲击载荷。行塑性加工，而且不能承受冲击载荷。 四、含碳量对铁碳合金的影响2.碳的质量分数对力学性能的影响 3. 含碳量含碳量对力学性能的影响对力学性能的影响 亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强度、硬度钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。升高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界连为晶界连续网状，续网状，强度下降强度下