铁碳合金相图详解

1、 技术部：赵海技术部：赵海 图图 1 1 Fe-FeFe-Fe3 3C C系相图系相图一、概述 铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由于含铁碳合金相图是研究铁碳合金的基础。由于含碳碳量高于量高于6.676.67的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，的铁碳合金脆性极大，没有使用价值，因而对铁碳合金相图只研究因而对铁碳合金相图只研究Fe-FeFe-Fe3 3C C部分。图部分。图1 1所示所示为为Fe-FeFe-Fe3 3C C相图。相图。 相图中各主要点的涵义、温度及含碳量见表相图中各主要点的涵义、温度及含碳量见表1 1所示。所示。 符号符号温度（温度（）含碳量（含碳量（% %）说说 明明A A153

2、815380 0纯铁熔点纯铁熔点B B149514950.530.53包晶转变时液态合金的成分包晶转变时液态合金的成分C C114811484.304.30共晶点，共晶点，L Lc c A AE E+Fe+Fe3 3C CD D122712276.696.69渗碳体熔点（计算值）渗碳体熔点（计算值）E E114811482.112.11碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F F114811486.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分G G9129120 0-Fe-Fe-Fe-Fe同素异构转变点（同素异构转变点（A A3 3）H H149514950.090.09碳在碳在-Fe-Fe

3、中的最大溶解度中的最大溶解度J J149514950.170.17包晶点，包晶点，L LB B+H H A AJ JK K7277276.696.69渗碳体的成分渗碳体的成分N N139413940 0-Fe-Fe-Fe-Fe同素异构转变点（同素异构转变点（A A4 4）P P7277270.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S S7277270.770.77共析点，共析点，A AS SF FP P+Fe+Fe3 3C CQ Q室温室温0.00080.0008碳在碳在-Fe-Fe中的溶解度中的溶解度表表1 1 温度及含碳量温度及含碳量一、概述相图中各主要点的涵

4、义：相图中各主要点的涵义： ABCDABCD为液相线，而为液相线，而AHJECFAHJECF则为固相线。则为固相线。 相图上的三条平行线相图上的三条平行线(HJB(HJB、ECFECF、PCK)PCK)是指三个恒温反应：是指三个恒温反应： (1) (1) 在在1493(HJB1493(HJB水平线水平线) )发生包晶反应，其反应式为发生包晶反应，其反应式为 L LB B + + H H A AJ J 包晶反应的结果形成了奥氏体。包晶反应的结果形成了奥氏体。 此反应仅可能在含碳量为此反应仅可能在含碳量为O.10O.100.500.50的铁碳合金中的铁碳合金中 发生。发生。 一、概述相图中各主要点

5、的涵义：相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线相图上的三条平行线(HJB(HJB、ECFECF、PCK)PCK)是指三个恒温反应：是指三个恒温反应： (2)(2)在在1147(ECF1147(ECF水平线水平线) )发生共晶反应，其反应式为发生共晶反应，其反应式为 Lc FLc FP P + Fe + Fe3 3C C。 共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物，共晶反应的结果形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物， 称此共晶混合物为莱氏体，用字母称此共晶混合物为莱氏体，用字母L Ld d表示；表示； 冷至室温时成为变态莱氏体，用冷至室温时成为变态莱氏体，用LLd d表示。表示。 此反应发

6、生于所有含碳量此反应发生于所有含碳量 2.06 2.06 6.67 6.67的铁碳的铁碳 合金范围内。合金范围内。一、概述相图中各主要点的涵义：相图中各主要点的涵义： 相图上的三条平行线相图上的三条平行线(HJB(HJB、ECFECF、PCK)PCK)是指三个恒温反应：是指三个恒温反应： (3)(3)在在723(PSK723(PSK水平线水平线) )发生共析反应，其反应式为发生共析反应，其反应式为 As FAs FP P + Fe + Fe3 3C C 。 共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混合物，共析反应的结果形成了铁素体与渗碳体的共析混合物， 称此共析混合物为珠光体称此共析混合物为珠

7、光体(P)(P)。 所有含碳量超过所有含碳量超过0.020.02的铁碳合金中，即实际在工程的铁碳合金中，即实际在工程 上常用的铁碳合金中均发生珠光体上常用的铁碳合金中均发生珠光体( (共析体共析体) )转变转变。 一、概述此外，值得注意的是此外，值得注意的是ESES和和PQPQ线：线： (1)ES(1)ES线线碳在奥氏体中的固溶线。碳在奥氏体中的固溶线。 从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在从该线看出，碳在奥氏体中的最大溶解度是在11471147， 此时可溶解此时可溶解2.062.06C C，而在，而在723723时只能溶解时只能溶解0 08080C C。故。故 凡含碳量大于凡含碳量大于0

8、.800.80的铁碳合金自的铁碳合金自11471147冷至冷至723723时，均时，均 会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为二次渗碳体会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为二次渗碳体 (Fe(Fe3 3C C) )，以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体，以区别于从液体中直接结晶的一次渗碳体(Fe(Fe3 3C C) )。一、概述此外，值得注意的是此外，值得注意的是ESES和和PQPQ线：线： (2)PQ(2)PQ线线碳在铁素体中的固溶线。碳在铁素体中的固溶线。 从该线看出，碳在铁素体中的最大溶解度是在从该线看出，碳在铁素体中的最大溶解度是在723723， 此时可溶解此时可溶解O.02

9、O.02C C， 而在室温平衡状态下，而在室温平衡状态下， 仅可溶解仅可溶解 0.00080.0008C C，故一般铁碳合金凡是从，故一般铁碳合金凡是从723723缓冷至室温时，缓冷至室温时， 均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为三次均可能从铁素体中沿晶界析出渗碳体，称此渗碳体为三次 渗碳体渗碳体(Fe(Fe3 3C C) )。因其数量极少，故一般在讨论中经常予。因其数量极少，故一般在讨论中经常予 以忽略。以忽略。一、概述 所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源和分布所谓一次、二次、三次渗碳体仅在于渗碳体来源和分布有所不同，没有本质区别，其含碳量，晶体结构和本身的有所不同，没有本

10、质区别，其含碳量，晶体结构和本身的性质均相同。性质均相同。 相图中相图中AHNAHN线和线和GPQGPQ线的左方分别为线的左方分别为和和的铁素体区域；的铁素体区域；NJESGNJESG包围的范畴为奥氏体区域。包围的范畴为奥氏体区域。一、概述 铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的铁碳合金相图上的各种合金，通常可按其含碳量和组织的不同，分成下列三类：不同，分成下列三类： (1)(1)工业纯铁工业纯铁( C0.02( C0.02) )； (2)(2)钢钢(0.02(0.022.062.06C)C)：亚共析钢：亚共析钢( CO.80( C0.80(C0.80) )； (3)(3)白口铁白

11、口铁(2.06(2.066.676.67C)C)：亚共晶白口铁：亚共晶白口铁(C4.3(C4.3( C4.3) )。一、概述 下面列举下面列举6 6个典型的铁碳合金来讨论其结晶过程。钢和白口铁的结晶过个典型的铁碳合金来讨论其结晶过程。钢和白口铁的结晶过程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同，并无新颖之处。所选程虽然比较复杂，但其分析方法则与前述的相同，并无新颖之处。所选择的各合金的成分如图择的各合金的成分如图5-105-10所示。所示。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (一一) )共析钢共析钢(0.80(0.80C)C)的

12、结晶过程分析的结晶过程分析 图中合金为共析钢，该合金在图中合金为共析钢，该合金在1 1点以上的温度为液相点以上的温度为液相(L)(L)，缓冷至稍，缓冷至稍低低于于1 1点的温度开始从点的温度开始从L L中结晶出奥氏中结晶出奥氏体体(A)(A)。 缓冷至缓冷至2 2点温度以下，点温度以下，L L全部冷凝全部冷凝为为A A。 继续缓冷至继续缓冷至3 3点温度点温度(723)(723)时，时，A A按共析反应转变成珠光体。按共析反应转变成珠光体。二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (一一) )共析钢共析钢(0.80(0.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 共析钢的结晶过程示意图

13、共析钢的结晶过程示意图：二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (一一) )共析钢共析钢(0.80(0.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 共析钢的显微组织共析钢的显微组织( (珠光体珠光体) ) ：二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 含碳量在含碳量在0.100.100.500.50范围内的亚共析钢，在冷凝至

14、范围内的亚共析钢，在冷凝至14931493时均发时均发生生包晶反应，反应结果形成包晶反应，反应结果形成奥氏体奥氏体(A)(A)；而含碳量大于；而含碳量大于0.500.50者，在冷凝时，则者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直不发生包晶反应，而是直接从接从L L中结晶出中结晶出A A。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 含碳量在含碳量在0.100.100.500.50范围内的亚共析钢，在冷凝至范围内的亚共析钢，在冷凝至14931493时时均发生包晶反应，反应结果形成奥氏体均发生

15、包晶反应，反应结果形成奥氏体(A)(A)；而含碳量大于；而含碳量大于0.500.50者，在者，在冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从冷凝时，则不发生包晶反应，而是直接从L L中结晶出中结晶出A A。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 合金冷凝后得到合金冷凝后得到A A组织，继续冷至组织，继续冷至GSGS线线(3(3点温度点温度) )时，便会发生时，便会发生A A F F的转变，同时引起母相的转变，同时引起母相A A中碳浓度的变化。由于合金继续冷却过程中，中碳浓度的变化。由于合

16、金继续冷却过程中，A A的含碳量沿的含碳量沿GSGS线逐渐增浓而趋近于线逐渐增浓而趋近于S S点，即合金冷至点，即合金冷至723723时，时，A A的含碳量的含碳量增为增为0.800.80，故当合金冷至稍低于，故当合金冷至稍低于723723时，其组织中剩余的时，其组织中剩余的A A，便会按，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组织应为F+PF+P。二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织

17、都是必须指出，所有亚共析钢在缓冷后，最终的显微组织都是F+PF+P。各种亚。各种亚共析钢组织的主要差别，在于共析钢组织的主要差别，在于其中的其中的F F与与P P的相对量和的相对量和F F的分的分布情况不同。凡含碳量距布情况不同。凡含碳量距S S点点愈近的亚共析钢，其组织中含愈近的亚共析钢，其组织中含P P量愈多而量愈多而F F量则愈少。含碳量量则愈少。含碳量大于大于0.500.50的亚共析钢组织，的亚共析钢组织，其中其中F F趋向于沿趋向于沿P P边界呈网状分边界呈网状分布。布。二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.8

18、0C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 0.100.10C C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F F晶粒；晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。分辨。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 0.300.30C C的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为的亚共析钢的显微组织。图中白色颗粒为F F晶粒；晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法黑色颗粒为珠

19、光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。分辨。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (二二) )亚共析钢亚共析钢(0.02(0.020.800.80C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 0.100.10C C、0.300.30C C的亚共析钢的显微组织。的亚共析钢的显微组织。白色颗粒为白色颗粒为F F晶粒；晶粒；黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层黑色颗粒为珠光体，因放大倍数过低而使珠光体中层片无法分辨。片无法分辨。可见可见，含碳量较高的，含碳量较高的0.300.30C C亚共析钢显微组织亚共析钢显微组织中，中，P P所占面积较大。所占面积较大。 二、钢和白口铁

20、结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (三三) )过共折钢过共折钢(0.80(0.802.062.06C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (三三) )过共折钢过共折钢(0.80(0.802.062.06C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 过共析钢过共析钢( (以合金为例以合金为例) )冷凝后得到冷凝后得到A A组织，继续冷至组织，继续冷至ESES线线(3(3点温度点温度) )时，时，即将从即将从A A中沿晶界开始析出中沿晶界开始析出FeFe3 3C C，随着温度的降低，随着温度的降低，A A的含碳量沿的含碳量沿ESES线逐渐减少，与此同时

21、，从线逐渐减少，与此同时，从A A中沿中沿晶界不断析出晶界不断析出FeFe3 3C C。合金冷却至。合金冷却至723723时，时，A A的含碳量减为的含碳量减为0.800.80，故当合金冷至稍低于故当合金冷至稍低于723723时，其时，其组织中剩余的组织中剩余的A A，便会按共析反应，便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的显微组而转变成为珠光体，最终的显微组织应为织应为P + FeP + Fe3 3C C。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (三三) )过共折钢过共折钢(0.80(0.802.062.06C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 过共析钢的结晶过程示意图过共析钢的

22、结晶过程示意图 ：二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (三三) )过共折钢过共折钢(0.80(0.802.062.06C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 含含1.201.20C C的的过共析钢的结晶过共析钢的结晶显微组织：显微组织：二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (四四) )共晶白口铁共晶白口铁(4.3(4.3) )的结晶过程分析的结晶过程分析 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (四四) )共晶白口铁共晶白口铁(4.3(4.3) )的结晶过程分析的结晶过程分析 共晶白口铁共晶白口铁( (图中合金图中合金) )首先在首先在11471147时

23、发生恒温反应形成莱氏体，时发生恒温反应形成莱氏体，莱氏体在继续冷却过程中，由莱氏体在继续冷却过程中，由于其中于其中A A的含碳量沿的含碳量沿ESES线逐渐线逐渐减少，还会不断析出减少，还会不断析出FeFe3 3C C。冷却至冷却至723723时，时，A A的含碳量减的含碳量减为为0.800.80，故当合金冷至稍低于，故当合金冷至稍低于723723时，其组织中剩余的时，其组织中剩余的A A，便会按共析反应而转变成为珠便会按共析反应而转变成为珠光体，最终的莱氏体组织应为光体，最终的莱氏体组织应为( P + Fe( P + Fe3 3C CII II + Fe + Fe3 3C)C)。 二、钢和白口

24、铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (四四) )共晶白口铁共晶白口铁(4.3(4.3) )的结晶过程分析的结晶过程分析 共晶白口铁结晶过程示意图共晶白口铁结晶过程示意图 ：二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (四四) )共晶白口铁共晶白口铁(4.3(4.3) )的结晶过程分析的结晶过程分析 共晶白口铁共晶白口铁显微组织（显微组织（200200 ） ：二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (五五) )亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.06(2.064.34.3C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (五五) )亚共晶

25、白口铁亚共晶白口铁(2.06(2.064.34.3C)C)的结晶过程分析的结晶过程分析 亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在亚共晶白口铁的结晶过程比较复杂。在共晶反应之前，在L L中已首先结中已首先结晶晶出一部分出一部分A A晶体。这部分初生晶体。这部分初生A A在在继续冷却时的转变过程与莱氏体继续冷却时的转变过程与莱氏体中的奥氏体的转变过程完全相同，中的奥氏体的转变过程完全相同，即先析出即先析出FeFe3 3C C，之后含碳量为，之后含碳量为0.800.80的奥氏体再通过共析反应的奥氏体再通过共析反应转变为珠光体。除此变化外，其转变为珠光体。除此变化外，其它变化与共晶白口铁完全相同。它变化与共晶白口铁完全相同。亚共晶白口铁的最终组织应为亚共晶白口铁的最终组织应为P + FeP + Fe3 3C C+Ld(P + Fe+Ld(P + Fe3 3C C +Fe +Fe3 3C)C)。 二、钢和白口铁结晶过程分析钢和白口铁结晶过程分析( (五五) )亚共晶白口铁亚共晶白口铁(2.06(2.064.34.3